“輻射探測(cè)器”的模擬設(shè)計(jì)

張媛媛,謝小光

(西南科技大學(xué)，四川 綿陽(yáng) 621000)

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“輻射探測(cè)器”的模擬設(shè)計(jì)

張媛媛,謝小光

(西南科技大學(xué)，四川 綿陽(yáng) 621000)

摘要：MCNP可以用來(lái)運(yùn)輸中子，光子，電子，還可以計(jì)算臨界系統(tǒng)的特征值，是一個(gè)通用的MonteCarlo粒子輸運(yùn)程序。MCNP的功能有很多，譬如可以用來(lái)處理材料的三維結(jié)構(gòu)，計(jì)算中子的截面庫(kù)中的所有反應(yīng)，可以測(cè)量處理材料的任意三維構(gòu)型，柵元的邊界可以是一階和二階曲面以及四階橢圓環(huán)面。使用逐點(diǎn)的截面數(shù)據(jù)。對(duì)于中子，可以測(cè)量光電子吸收后的熒光發(fā)射以及軔致輻射。也可以在不考慮外部、自身的感應(yīng)場(chǎng)的情況下對(duì)電子運(yùn)用Slowingdow模型，通用源、臨界源和曲面源都可以被MCNP所使用。有豐富的方差衰減技術(shù)；方便的記數(shù)結(jié)構(gòu)；廣泛的截面數(shù)據(jù)庫(kù)本次設(shè)計(jì)就針對(duì)β輻射對(duì)探測(cè)器進(jìn)行選擇，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：模型;MCNP;探測(cè)器;β射線

1探測(cè)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)

探測(cè)器選擇和運(yùn)行原理，利用β射線和物質(zhì)相互作用的規(guī)律，多種類型的射線β探測(cè)器被人們?cè)O(shè)計(jì)并且制造了出來(lái)。

此次實(shí)驗(yàn)中選擇使用半導(dǎo)體探測(cè)器- P-N結(jié)型探測(cè)器。

半導(dǎo)體β射線探測(cè)器的基本工作原理是,電子空穴的產(chǎn)生是因?yàn)槿肷潆娮釉诎雽?dǎo)體物質(zhì)中損失能量,物質(zhì)中損失的能量越多，入射電子產(chǎn)生電子一空穴對(duì)的產(chǎn)生數(shù)目也就越多.硅或鍺是一般都會(huì)選擇的電子材料.硅對(duì)電子產(chǎn)生的能量小于SMeV的電子在其中所產(chǎn)生的脈沖高度分布,一個(gè)能量的很窄的主峰和一個(gè)完全獨(dú)立于電子能量的低能尾巴組成了硅對(duì)電子的能量。而且其峰面積與總面積之比也跟電子本身的能量沒(méi)有關(guān)系。

探測(cè)器是一種新型核輻射探測(cè)器，它又半導(dǎo)體材料作為介質(zhì)，具有很好的能量β分辨能力。隨著現(xiàn)實(shí)應(yīng)用對(duì)半導(dǎo)體材料和低噪聲電子學(xué)的要求越來(lái)越高，半導(dǎo)體材料和底噪電子學(xué)發(fā)展越來(lái)越快P-N結(jié)型探測(cè)器、鋰漂移型探測(cè)器、高純鍺探測(cè)器、化合物半導(dǎo)體探測(cè)器等多種探測(cè)儀被一一創(chuàng)造出來(lái)。

面壘型探測(cè)器噪聲比較低，能量線性跟分辨率都比較高，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單操作起來(lái)很方便。

面壘型探測(cè)器對(duì)光靈敏照在探測(cè)器表面上的光子可以到達(dá)靈敏體積內(nèi)?？梢?jiàn)光光子的能量約為(4～2)eV,大于硅和鍺的能隙Eg,因此可見(jiàn)光光子與半導(dǎo)體相互作用可能產(chǎn)生電子—空穴對(duì),普通房間內(nèi)的光線就能引起很高的噪聲。所以建議在真空密閉的環(huán)境下使用壘型探測(cè)器這樣才可以極大的降低噪聲的影響，在使用過(guò)程中不要用手觸摸它的鍍金面，因?yàn)樗拇昂鼙　?/p>

2利用MCNP程序?qū)崿F(xiàn)模擬標(biāo)準(zhǔn)β射線源輻照探測(cè)器的過(guò)程如下：

2.1對(duì)源、探頭的位置等信息進(jìn)行了幾何描述并且建立射線照射半導(dǎo)體探測(cè)器的幾何模型。

2.2建立物理模型，包括模擬結(jié)果記錄的空間位置存在于探頭中的各種物質(zhì)的組成和密度等，β射線源的能量分布和發(fā)射位置和模擬結(jié)果記錄的空間位置，物理內(nèi)容等。

2.3將模型轉(zhuǎn)化為MCNP程序。

2.4試模擬粒子輸運(yùn)過(guò)程，通過(guò)使用和調(diào)整減小方差的技巧，盡量使得在一定時(shí)間內(nèi)，減小計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)誤差。

2.5從計(jì)算結(jié)果中提取有用的信息，即對(duì)計(jì)算結(jié)果后續(xù)處理。

根據(jù)上述步驟，下面建立模擬模型。

本次探測(cè)器模擬設(shè)計(jì)所用的閃爍晶體為高7.6 cm，直徑為7.6cm的 NaI(Tl)晶體，其中 MgO反射層厚 0.05 cm，晶體外側(cè)面 Al殼厚 0.20 cm，前部 Al殼厚 0.25 cm，SiO2光學(xué)玻璃厚0.2 cm，海綿厚0.1cm。

模型的CAD繪制為了能方便的寫出能在MCNP中使用的模型，首先在CAD中做好模型圖，探頭模型的放射源面定義。

假設(shè)β放射源的位置在X軸上原點(diǎn)4cm的位置上，即坐標(biāo)為(-4,0,0)。那么原點(diǎn)所在的平面可以寫為：

1px-4

其中，1代表放射源所在面的序號(hào)，定義為1號(hào)，這個(gè)序號(hào)是在取cell塊的時(shí)候

需要用到；px表示該面是垂直于X軸的面；-4則表示該面與X軸的軸距。

定義探頭分割面

由不同的分割面，將各個(gè)材料所在的間分割出來(lái)來(lái)達(dá)到材料性質(zhì)的一致。

如圖所示，將探測(cè)器探頭分割成2至11號(hào)

4px3.8

5px0.2

7px4

9px0

2,3號(hào)面不同于4 5 7 9號(hào)面，它們垂直與z面

2pz0.2

3pz3.8

10 11 12 13面垂直與z面

10py2

11py-2

12py1.8

13py-1.8

8

3總結(jié)

本次設(shè)計(jì)利用MCNP對(duì)NaI(Tl)單晶閃爍探測(cè)器進(jìn)行了探測(cè)器探頭核心的模擬設(shè)計(jì)，如需要，可以針對(duì)本次設(shè)計(jì)的模型安裝對(duì)應(yīng)的其他器材，再在MCNP的輸入文件加上所需要的數(shù)據(jù)卡，即可利用MCNP對(duì)探測(cè)器進(jìn)行模擬計(jì)算。

參考文獻(xiàn)：

[1]《核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)》, 2011, 31(11):1198-1201.

[2]MCNP 入門教程J·K·Shultis R·E·Faw 編著Icrychen (czie@163.com).

中圖分類號(hào):P283

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-1602(2016)08-0034-01

作者簡(jiǎn)介：張媛媛(1994.02-),女,漢,河南省濮陽(yáng)市城關(guān)鎮(zhèn)杜莊,學(xué)生,本科在讀,西南科技大學(xué),信息對(duì)抗專業(yè)。

謝小光(1994.12-),女,漢,四川省綿陽(yáng)市三臺(tái)縣,學(xué)生本科在讀 西南科技大學(xué),信息對(duì)抗專業(yè)。