MCNP模擬溴化鑭探測器能量響應補償

鐘經(jīng)華，葛良全，張 建，張慶賢，楊 津

(成都理工大學四川省地學核技術重點實驗室，成都 610059)

目前，X、γ 個人劑量計所用的探測器有蓋革(G-M)管、Si二極管等。Si二極管優(yōu)點是工作電壓低、功耗少，缺點是靈敏度低。G-M管時間特性差、死時間長、計數(shù)率低，因而當輻射場劑量較高時，尤其是在發(fā)生核事故時會阻塞，沒有計數(shù)輸出，G-M管劑量計就停止工作不再顯示劑量值。近幾年來持續(xù)發(fā)展出現(xiàn)的一種發(fā)光效果好的溴化鑭晶體無機晶體[1-3]，具備較好的綜合型能，光亮振幅間隔時間短、光產(chǎn)額大，隨環(huán)境溫度變化小、分辨率好。溴化鑭探測器靈敏度高，響應時間快、作為一種同時兼顧時間響應與能量響應的替代材料被開發(fā)出來是較為理想的探測器，但由于溴化鑭晶體結構對有所同總能量X射線、伽馬射線探測效能并不完全一致，總有較大總能量響應的差別，則需在測定氣體比釋動能率時對其展開能響補償，測量結果才能符合國家政府計量單位的測驗標準[4]。

當前普遍通過修正構造溴化鑭晶體以達到提升探測器性能的目的，在這樣的背景下，采用累積電荷法對溴化鑭探測器進行優(yōu)化設計來測量空氣比釋動能率，提出了一種更為簡單的確定能量響應屏蔽物大小和形狀的方法。王仁波等[5]對碘化鈉晶體結構的研究工作驗證改用硬件補償是真實有效的，其嘗試工作中使用了MCNP應用程序與科學實驗結合的方式，證明MCNP應用程序建?？梢宰鳛檎覍ゃU屏蔽物最佳大小和外形的有效地方式[6]。為進一步研究溴化鑭探測器在探測X、γ射線空氣比釋動能率時的能量響應補償問題，簡化其研究工作，利用蒙特卡洛MCNP軟件優(yōu)化設計探測器更加適用。

1 理論推導

1.1 空氣比釋動能率 吸收劑量率

輻射劑量在帶電粒子平衡情況下，氣體比釋動能率可以借助測定光子的注量率來計算。因此，借助光子注量率與吸收劑量率具有相關性來測定。任意空間位置的光子，它的注量率與吸收率之間的關系式：

(1)

若電磁輻射場中有攜帶不同能量伽馬的輻射射線時，那么在該電磁輻射場中某點處。

(2)

(3)

式(3)中：k為常數(shù)；Kai、DLaBr3分別為第i種能量射線的空氣比釋動能率和LaBr3吸收劑量率。

通過加合適的屏蔽物進行能量響應補償后，以空氣比釋動能率作為校準量的溴化鑭探測器所測得的吸收劑量率DLaBr3與空氣比釋動能Kai可接近正比關系Ka=kDLaBr3。

1.2 能量響應補償

本工作采用硬件補償-屏蔽法來降低探測器低能段的響應，即在溴化鑭探測器的前部增加一定暴露面積p(開孔在屏蔽層上的面積百分比)和厚度t的鉛屏蔽體。在GM計數(shù)管能響補償?shù)难芯恐?，王成竹等[8]給出了能響補償?shù)钠帘误w的暴露面積-厚度(p-t)對應關系：

(4)

式(4)中：Ki為探測器的原始能響；ui為屏蔽材料的線衰減系數(shù)，二者均隨入射粒子能量的改變而變化。

實際工作中，采用 MCNP 軟件模擬不同能量 X、γ 射線在閃爍體中的原始能響，結合屏蔽材料的線衰減系數(shù)，得到不同能量 X、γ 輻射時鉛屏蔽體的p-t關系。值得注意的是，由于溴化鑭探測器低能段響應對補償影響較大，因此可由低能區(qū)的幾個能量的p-t曲線交匯情況推測最佳補償參考值，進而通過模擬修正得到鉛屏蔽體的最佳尺寸。

根據(jù)《輻射防護儀X、γ、中子和β射線輻射用個人劑量當量Hp(10)和Hp(0.07)的測量直讀式個人劑量當量計和監(jiān)測器》IEC 61526—2010[9]中對能量響應的要求：入射粒子能量范圍滿足50 keV～1.5 MeV，測量結果對137Cs 歸一化后，能量響應相對于137Cs的誤差應該在±30%內。即能量響應的參考標準為137Cs，將其定義為1，那么相對于各個能量下的響應需在0.7～1.3，最理想的情況是各個能量的響應均接近于標準，也就是說需要各個能量下的響應盡可能接近1。通過以137Cs 核素的響應進行歸一化處理，則可得到空氣比釋動能率的能量響應曲線。

2 MC模擬

2.1 物理模型建立

模型中采用的探測器材料為溴化鑭晶體；尺寸為Φ38.1 mm×38.1 mm；貼近晶體的外圍是用0.05 cm的MgO 反射層密封；前側和外側面的寬度分別為0.2、0.25 cm的Al殼；固體底下為0.2 cm的光學的玻璃，如圖1所示。

圖1 LaBr3探測器結構模型

溴化鑭探測器最前端外側緊貼著中間具有孔半徑的鉛屏蔽層；探頭外圍空間充滿空氣。材料幾何參數(shù)列于表1。

表1 LaBr3探測器結構參數(shù)

2.2 MC 模擬計算

按照鉛屏蔽層打孔大小(曝露面積比例)和鉛的厚度對模型分別進行模擬[10-11]。通過對比有所不同鉛屏蔽體厚度和暴露總面積框架的能量響應，找尋到能量響應補償?shù)囊?guī)律性。最終通過相比較有所不同框架的標準偏差選定最佳的大小?？蚣軞w類:鉛屏蔽物分成1～10 mm 10種不同厚度。按鉛屏蔽物中間開孔孔徑r的大小(曝露面積)分為 5%～95% 19種暴露比例，部分暴露面積比例和孔半徑如表2所示。最終構成190種不相同的框架。模擬γ射線總能量為0.02～2 MeV，共50個總能量點。轉變孔直徑的尺寸，相比較模擬探測器能量響應的結果，則可得到最佳的形狀尺寸。

表2 鉛屏蔽物暴露面積比例與開孔孔半徑的關系

3 模擬結果與討論

3.1 能量響應與暴露面積比例(孔半徑大小)的相比較

圖2(a)為暴露面積比例為5%的能量積極響應，圖2(b)為暴露面積比例為10%的能量積極響應。由圖2可知：晶體的能量響應主要分為三段，低能段(0.02～0.2 MeV)、中段(0.2～0.661 MeV)、高能段(0.661～1.5 MeV)。對比圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著暴露面積的增加，低能段響應增加迅速，而另外兩段響應變化較小。

圖2 屏蔽物厚度暴露面積比例5%、15%的能量響應

3.2 不同屏蔽物框架的標準偏差相比較

從圖3可以看出：當暴露面積比例為8%、鉛屏蔽物厚度在6 mm時，可以獲得探測器能量響應效果最佳框架。

圖3 屏蔽物不相同框架(露出面積)標準偏差比較

3.3 最佳補償模型

圖4為不加屏蔽物和最佳屏蔽補償137Cs 歸一化處置后的能量響應。從圖4可知，經(jīng)過最佳補償后，溴化鑭探測器能量響應得到了很大的改善，根據(jù)所獲得統(tǒng)計數(shù)據(jù)，能量在 60～1.5 MeV，模擬相對于能量響應范圍為72.1%～110.5%，所得數(shù)據(jù)滿足根據(jù)IEC61526—2010中對能量響應中小于±30%的標準偏差要求[9]。

圖4 137Cs 的不加屏蔽補償和最佳補償處理后能量響應比較

4 結論

利用MCNP軟件，模擬射線在溴化鑭晶體中的能量沉積，得出不同射線在不同鉛屏蔽下的相對能量響應并通過對比分析得出了最佳的屏蔽尺寸。模擬結果證明了設計的能量補償層對能量響應是有效的，滿足根據(jù)IEC 61526—2010[9]中對能量響應中小于±30% 的標準偏差要求。也說明了溴化鑭探測器在合理補償情況下其能量響應可以滿足測量X、γ 輻射空氣比釋動能率。

針對溴化鑭探測器在測量X、γ 輻射空氣比釋動能率時的能響補償，該方法基于硬件補償-屏蔽法，結合探測器的原始能響和能量響應補償屏蔽體曲線對比，可便捷地得到最佳鉛屏蔽體尺寸的參考值，進而通過模擬驗證以確定最佳鉛補償體的尺寸。而真正要得到能實際使用的能量補償層，必須經(jīng)過實際實驗后加以調整，特別是穿孔孔徑的調整，為閃爍體探測器的研究提供可參考的建議。