支撐體對γ輻射物探測數(shù)據(jù)的影響

趙 娟 高正明

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支撐體對γ輻射物探測數(shù)據(jù)的影響

趙 娟1高正明2

1（荊楚理工學(xué)院電子信息工程學(xué)院 荊門 448000）2（寶雞高新技術(shù)研究所 寶雞 721013）

在對大質(zhì)量高安全性要求的γ源進(jìn)行輻射探測時，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差很大，不能用于。為此，基于探測器端面注量率參數(shù)理論探析了地面或支撐臺對探測器數(shù)據(jù)影響的簡化計算方法，采用蒙特卡羅方法分析了混凝土支撐體對粒子注量率的影響程度，研究了鉛作為次級粒子吸收物質(zhì)時，鉛厚度和半徑與注量率測量誤差之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，在放射性材料輻射探測過程中，為減少混凝土支撐體對輻射探測數(shù)據(jù)的影響，應(yīng)采用厚度不小于0.5 cm、半徑不小于源高3倍的鉛板作為次級粒子吸收體，可將探測數(shù)據(jù)最大誤差由22%減少至15%左右，最小可接近10%，實驗結(jié)果證實了該方法的有效性。

支撐體，放射性材料，γ輻射探測，蒙特卡羅方法

由于實際實驗條件限制，輻射探測實驗數(shù)據(jù)與理論真值之間存在著偏差，偏差的數(shù)值大小決定著實驗數(shù)據(jù)的可信程度，估算輻射探測數(shù)據(jù)偏差是數(shù)據(jù)處理與分析的重要組成部分，在核技術(shù)應(yīng)用研究中具有重要的地位。

輻射探測數(shù)據(jù)與真值之間的偏差來源于多個方面，如探測器自身性能、輻射粒子特性和實驗環(huán)境因素等。在探測器制造過程中，對晶體進(jìn)行表面工藝處理有助于提升探測器性能，如晶體表面光滑與蝕刻工藝處理等[1?2]。在輻射探測數(shù)據(jù)處理過程中，實驗儀器已經(jīng)選定，因此人們對實驗環(huán)境條件的影響更為關(guān)注。Bartlett等[3]研究了鹽沉積對α放射性氣溶膠連續(xù)監(jiān)測儀的影響，指出由于沉積鹽層對α粒子的阻止作用，α放射性活度的探測精度將會降低；陳凌等[4]研究了大氣壓強(qiáng)或空氣密度對固體核徑跡氡探測器刻度系數(shù)的影響，得出大氣壓強(qiáng)降低或空氣密度增大可導(dǎo)致氡徑跡探測器刻度系數(shù)增大17%到31%不等的結(jié)論。此外，人們還研究了探測目標(biāo)的輸運與運動狀態(tài)的影響程度，顧行發(fā)等[5]根據(jù)輻射在地表－大氣界面的反射和折射性質(zhì)，采用相對誤差因子定量分析了地表反射類型變化對輻射矢量的影響，認(rèn)為地表反射對光輻射的影響較大，數(shù)據(jù)處理需要考慮地表的方向反射特性和自然界的偏振效應(yīng)；稅舉等[6]用蒙特卡羅方法研究了放射性材料移動對輻射探測陣列探測質(zhì)量下限的影響，推論在600 cm距離，探測勻速移動時的放射性材料下限比靜止的下限大一倍。

實際放射性材料輻射探測過程中，出于安全性考慮，質(zhì)量較大、輻射較強(qiáng)或不能移動等原因，有時不能將源吊于空中[7]進(jìn)行輻射探測，而只能通過限定的操作將源放置于地面或工作臺上[8]。此時，地面或工作臺物質(zhì)與輻射粒子相互作用，散射或產(chǎn)生的次級粒子對探測數(shù)據(jù)有一定的影響。為此，本文采用蒙特卡羅方法分析放射性材料放置于混凝土地面上時的γ輻射探測數(shù)據(jù)誤差，并采用常用的鉛屏蔽材料作為次級粒子吸收體，計算鉛層厚度與覆蓋面尺寸與探測數(shù)據(jù)誤差之間的關(guān)系。通過改變輻射探測環(huán)境減少數(shù)據(jù)偏差，為特定條件下放射性材料輻射特性參數(shù)測量提供技術(shù)支撐。

1 影響機(jī)理分析

1.1 原理分析

γ粒子與物質(zhì)相互作用的主要形式是光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對生成效應(yīng)等。當(dāng)γ粒子能量較低時，γ粒子主要與原子殼層轉(zhuǎn)道上的內(nèi)層電子碰撞產(chǎn)生光電子；當(dāng)γ粒子能量較高時，一部分γ粒子與自由電子發(fā)生碰撞，將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，而自身能量和運動方向發(fā)生改變；當(dāng)γ粒子能量大于1.022 MeV時，一部分γ粒子經(jīng)過原子核附近時在庫侖電場的作用下轉(zhuǎn)換成一對正、負(fù)電子。次級電子通過電離和激發(fā)、軔致輻射將能量傳給原子或轉(zhuǎn)換為光子，直至能量完全被物質(zhì)吸收或逃逸。

在放射性材料的γ輻射探測實驗中，到達(dá)探測器的粒子來源有：(1) 源發(fā)射出的未與物質(zhì)發(fā)生相互作用的粒子；(2) 源粒子與其它粒子碰撞后改變方向到達(dá)的源輻射粒子；(3) 源粒子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各級電子在空氣或支撐體中軔致輻射產(chǎn)生的光子；(4) 源粒子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各級正電子湮滅光子；(5) 源粒子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的其它如瑞利散射效應(yīng)產(chǎn)生的光子；(6) 環(huán)境本底。這些粒子中只有(1)是期望測量的。

1.2 地面或支撐臺影響程度的數(shù)值分析

地面或支撐臺與源粒子相互作用，產(chǎn)生的次級產(chǎn)物隨著遠(yuǎn)離源距離的增大而減弱。假定柱源源強(qiáng)，半徑，高，各向同性。以柱源與地面或支撐臺接觸的圓面中心為原點，中心垂線為軸，建立直角坐標(biāo)系。忽略圓柱截面粒子作用，則該柱源放置于地面或支撐臺上時，軸上任一點(0,0,0)能夠接收來自于源圓柱面部分的粒子：

曲面上的任一點(,,)鄰域d在點(0,0,0)的粒子注量率為：

根據(jù)軸對稱性和式，對式進(jìn)行曲面積分，可得：

式(3)可根據(jù)積分的數(shù)值求解法進(jìn)行求解，如圖1所示。

若忽略次級粒子角分布和能量分布規(guī)律的影響，認(rèn)為地面或支撐臺與源粒子相互作用產(chǎn)生的次級光子注量率正比于源粒子在該點的注量率，并以各向同性分布被探測器探測，此時探測器的幾何因子可采用蒙特卡羅方法進(jìn)行計算，抽樣點(,0,)滿足：

探測器截面半徑，截面圓表征曲線：

以概率=·()（其中為比例系數(shù)，用于表征次級粒子注量率與源粒子注量率的比值）模擬抽樣個粒子，飛行至=，(?)2+(?)2≤2的粒子數(shù)，則探測器幾何因子=/。

位于=處的探測器，地面或支撐臺次級產(chǎn)物對其探測數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)可簡單表征為：

即地面或支撐臺的存在使探測器注量率測量值增大了D。

實際上，源粒子與地面或支撐臺物質(zhì)相互作用形式復(fù)雜，次級產(chǎn)物與物質(zhì)的作用形式多樣，且數(shù)學(xué)解析難度大，因此地面或支撐臺對源探測真值的影響一般采用數(shù)值方法進(jìn)行分析。

2 影響程度與對策分析

2.1 仿真環(huán)境與模型

MCNP程序是常用的粒子輸運計算軟件之一，可用于處理多種粒子的輸運計算，本文基于MCNP5對γ粒子輸運過程進(jìn)行數(shù)值仿真分析。仿真分析過程中采用兩種計算模型：一是放射性材料自由位于計算空間，周邊環(huán)境為真空或空氣(圖2)，可用于理想條件下粒子通過真空或空氣環(huán)境后到達(dá)探測器真值的數(shù)值分析；二是無限厚混凝土基礎(chǔ)支撐，放射性材料位于混凝土或支撐板上(圖3)，用于計算空曠區(qū)域放射性材料放置于地面或地面支撐板上時的探測器計數(shù)。測量對象為60Co圓柱源，該源發(fā)射1.17MeV (99.85%)、1.332 MeV (99.98%)兩種能量的γ粒子。

2.2 混凝土地面支撐時γ輻射探測數(shù)據(jù)誤差分析

采用探測器前端面γ粒子注量率進(jìn)行評價[9]，由圖2模型仿真得到探測器前端面注量率真值和空氣環(huán)境的影響程度，采用圖2模擬放射性材料放置于地面或支撐的情況，結(jié)果如圖4、5所示。

可見，理想條件下，探測器前端面粒子注量率受空氣的影響較弱，空氣介質(zhì)的存在對粒子注量率的影響不大于5%。當(dāng)放射性材料放置于地面時，源粒子與混凝土物質(zhì)成分相互作用，產(chǎn)生了大量的次級粒子，使探測器前端面注量率受到顯著影響，仿真10?400 cm探測器前端面粒子注量率，平均偏差16.6%，最大偏差可達(dá)22%。隨著探測器逐漸遠(yuǎn)離放射源，計數(shù)誤差先增大后減小(圖4)，這是因為當(dāng)兩者之間距離較小時，隨著探測器遠(yuǎn)離源物質(zhì)，探測器對混凝土地面所張立體角逐漸增大，放射源發(fā)出的γ粒子與混凝土相互作用產(chǎn)生的次級γ粒子和散射粒子到達(dá)探測器前端面的量增多；當(dāng)探測器與放射源足夠遠(yuǎn)時，能量較小的次級γ粒子被吸收或散射，不能到達(dá)探測器，同時探測器對次級粒子較多的近源區(qū)域所張的立體角減小，因此到達(dá)探測器前端面的粒子越來越多地來自于放射源，使探測器前端面粒子注量率更接近真實值。

圖4 前端面γ粒子注量率與測量距離的關(guān)系 Fig.4 The γ fluence rate on the front plate of the detectors vs. distances. 圖5 實際探測環(huán)境中注量率誤差與距離的關(guān)系 Fig.5 Error of the fluence rate vs. distances.

可見，當(dāng)特定條件下放射性材料只能放置于地面（或工作臺）上進(jìn)行輻射探測時，混凝土地面對γ輻射探測數(shù)據(jù)的影響很大。此時必須考慮地面或支撐體對輻射探測數(shù)據(jù)的影響，采取措施降低數(shù)據(jù)偏差。

2.3 分析與對策

由前述分析可知，測量放射性材料時，空氣介質(zhì)對探測數(shù)據(jù)的影響較小，測量偏差主要來源于源粒子與地面支撐體的相互作用產(chǎn)生的次級粒子的貢獻(xiàn)。因此，若采用一層γ粒子吸收層，盡可能減少到達(dá)地面或支撐體的γ粒子散射產(chǎn)物或其與支撐體相互作用產(chǎn)生的次級產(chǎn)物到達(dá)探測器，就可有效減少探測誤差。

鉛是常用的γ粒子屏蔽材料，可通過加工制作一定厚度的鉛板放置于放射性材料與地面之間，吸收放射性材料發(fā)射向地面的粒子，減少非期望粒子對探測數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)，降低輻射探測誤差[10]。仿真計算時在放射性材料與地面間放置一層鉛板，其厚度分別為0.2?1.0 cm不等，隨著鉛層厚度的不同，探測器前端面注量率相對于真空狀態(tài)數(shù)據(jù)的偏差也不同，結(jié)果如圖6、7所示。

隨鉛層厚度的增大，入射向地面的源粒子更多地被鉛層吸收，因此相應(yīng)計數(shù)比無鉛層時的數(shù)據(jù)更接近真值，但由于鉛本身也和γ粒子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生散射光子或次級光子，因此添加鉛吸收層并不能完全消除誤差。需要注意的是，當(dāng)鉛層能夠完全吸收混凝土地面產(chǎn)生的次級光子時，再增大鉛層厚度已經(jīng)無明顯效果了。

鉛的密度很大，會導(dǎo)致中毒，因此實際使用時應(yīng)盡量減少鉛的用量，據(jù)圖6、7結(jié)果可選擇0.5 cm厚度的鉛層作為吸收層。因200 cm處探測數(shù)據(jù)誤差最大，以該點為參考，分析鉛層覆蓋面與200 cm處探測器前端面注量率誤差之間的關(guān)系，如圖8所示。

由圖8可知，隨著鉛板半徑的增大，200 cm處探測器前端面注量率誤差逐漸下漸，下降速度先增大后減小。因此，在條件許可時，可將源和探測器全部采用鉛板支撐，以減少次級粒子的影響，此時探測器前端面粒子注量率誤差可減少于10.1%；鉛量不足時，至少應(yīng)確保源高3倍以上吸收層半徑，此時前端面粒子注量率誤差仍然較大，但再小幅度增加覆蓋面尺寸（鉛板半徑在源高3?6倍之間）時的性價比較差。

2.4 實驗驗證

為驗證仿真分析結(jié)果，采用澳大利亞Canberra公司生產(chǎn)的Inspector 1000 γ探測器對放置于室外開闊區(qū)的137Cs源進(jìn)行實驗測量。加工了3個

100 cm×100 cm×0.3 cm的鉛板，放置于源和混凝土地面之間，分別測量源放置于混凝土地面、0.3 cm、0.6cm、0.9 cm鉛板時，離源100?300 cm之間間隔20 cm不同位置處的γ劑量率數(shù)值。測量結(jié)果如圖9所示。

該137Cs源標(biāo)定于1991年，長期使用后活度變化情況未知，因此實驗中未計算相對誤差，但實驗數(shù)據(jù)分布和仿真數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的相似性，0.6 cm厚度鉛屏蔽后的輻射探測數(shù)據(jù)已顯著降低了誤差，證實了本文分析結(jié)果。

圖9 實驗探測數(shù)據(jù) Fig.9 Experimental results.

3 結(jié)語

據(jù)實際放射性材料輻射探測需求，本文以60Co圓柱源為分析對象，采用探測器朝向源的前端面的粒子注量率為特征參數(shù)，基于蒙特卡羅方法分析了實際探測環(huán)境對源探測數(shù)據(jù)的影響。研究結(jié)果表明：(1) 在不考慮支撐的情況下，空氣環(huán)境對γ粒子注量率的影響較少，與真空狀態(tài)數(shù)據(jù)相比偏差不大于5%；(2) 實際測量中，位于混凝土地面的源的γ輻射探測誤差較大，與真空狀態(tài)數(shù)據(jù)相比，平均偏差16.6%，最大誤差達(dá)22%，數(shù)據(jù)可信度低；(3) 采用0.5 cm厚的鉛板可有效降低混凝土地面的影響，為獲得更好的效果，板半徑應(yīng)盡量包圍源和探測器，至少應(yīng)大于源高3倍；(4) 測量誤差先增大后減少，以本文仿真設(shè)定，增大鉛板覆蓋面，可將探測數(shù)據(jù)最大誤差降低至15%左右，隨鉛板覆蓋面的進(jìn)一步增大，理論上最大誤差可減少至10.1%。

數(shù)值分析結(jié)果表明，采用一定厚度的鉛板可顯著減少源粒子與地面混凝土成分相互作用產(chǎn)生的次級粒子的影響。因此，在特定條件下，當(dāng)放射性材料只能放置于地面或工作臺上進(jìn)行γ輻射探測時，在源與地面或工作臺之間添加一層厚度不小于0.5cm的鉛板，可顯著提高測量準(zhǔn)確度。

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國防預(yù)先研究項目基金(No.51331040501)資助

Supported by National Defense Pre-research Projects (No.51331040501)

Influence of the support body on radiation detection for gamma radiator

ZHAO Juan1GAO Zhengming2

1(School of Electronics and Information Engineering, Jingchu University of Technology, Jingmen 448000, China)2(Baoji Research Institute of High Technology, Baoji 721013, China)

Background: Theof the gamma detection on large-mass and high security controlled radioactive materials is too large for quantitative analysis. Purpose: This study aims to accurately measure the radiation of gamma radioactive materials placed upon support body. Methods & Results: Based on the theory of particle flux parameters on the cross section of detection, the method to calculate the influence of the support body on radiation detection was simplified. Then, simulations were done to find the error distributions with Monte Carlo method when the materials were placed on the concrete ground. In order to reduce the detection error, a plate of lead was recommended to be inserted between the materials and the concrete ground. The best thickness of the lead layer was simulated and experimental verification was performed. Results: Simulation results show that if a lead layer thicker than 0.5 cm exists between the radioactive materials and the concrete ground. The relative detection error could be reduced from 22% to 15% or even the least of 10% in some particular situations. Conclusion: If a large-mass or high security controlled gamma radiator would be detected, it should be placed on a lead layer thicker than 0.5 cm in case of reducing the datum errors.

Support body, Radioactive material, Gamma radiation detection, Monte Carlo method

ZHAO Juan, female, born in 1979, graduated from Huazhong University of Science and Technology with a master’s degree in 2009, focusing on the blind equalization, the non-destructive testing and monitoring technologies

TL81，TL67

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.020401

趙娟，女，1979年出生，2009年于華中科技大學(xué)獲碩士學(xué)位，研究領(lǐng)域為通信系統(tǒng)盲均衡技術(shù)和無損檢測與監(jiān)控技術(shù)

2015-10-12，

2015-12-16