基于蒙特卡羅方法的點(diǎn)源、體源全能峰效率計(jì)算方法研究

摘 要：基于高純鍺探測(cè)器效率的積分表達(dá)式，通過(guò)理論計(jì)算全能峰線減弱系數(shù)，并結(jié)合γ 光子在探測(cè)器內(nèi)的不同路徑長(zhǎng)度，采用蒙特卡羅方法替代數(shù)值積分得到全能峰效率期望值。首先模擬驗(yàn)證了N 型和P 型兩種高純鍺譜儀在點(diǎn)源距離探測(cè)器5 cm 軸向位置處的全能峰效率，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差在±5. 24%以內(nèi)，證明了方法對(duì)點(diǎn)源全能峰效率計(jì)算的準(zhǔn)確性;在點(diǎn)源基礎(chǔ)上，通過(guò)效率傳遞方法對(duì)體源進(jìn)行全能峰效率計(jì)算，通過(guò)樹脂、二氧化硅、咖啡灰及氣溶膠濾膜4 種不同介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)源對(duì)本方法進(jìn)行驗(yàn)證，除P 型探測(cè)器低能端偏差較大外，其余能量的探測(cè)效率計(jì)算偏差均小于±6. 67%。與全過(guò)程蒙特卡羅模擬方法相比，本方法不需要專業(yè)的建模程序和昂貴的商業(yè)軟件，僅通過(guò)簡(jiǎn)單編程就可計(jì)算點(diǎn)源和體源的高純鍺探測(cè)器全能峰效率，對(duì)應(yīng)急條件下的放射性定量分析有較大實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：高純鍺探測(cè)器;蒙特卡羅;全能峰效率;γ 譜儀

中圖分類號(hào)：TL817. 2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

高純鍺γ 能譜儀因其能量分辨率高、樣品前處理方法簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于水、土壤、氣溶膠和生物等多種環(huán)境介質(zhì)中放射性物質(zhì)含量的分析。γ能譜測(cè)量樣品前通常要先對(duì)探測(cè)器做探測(cè)效率校準(zhǔn)，效率校準(zhǔn)原則上要選擇與待測(cè)樣品幾何形狀相同、基質(zhì)相同和質(zhì)量密度相等的標(biāo)準(zhǔn)源。但在實(shí)際測(cè)量特別是應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，難以滿足上述條件，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室沒有與待測(cè)樣品的形狀和介質(zhì)完全一致的標(biāo)準(zhǔn)源時(shí)，可以采用無(wú)源效率模擬計(jì)算來(lái)替代標(biāo)準(zhǔn)源校準(zhǔn)方法。

無(wú)源效率模擬方法一般有3 種：蒙特卡羅程序法、效率傳遞法（或半經(jīng)驗(yàn)法） 及數(shù)值計(jì)算法。蒙特卡羅程序法又分為兩類[1] ：一類是普適性的軟件包，如GEANT4、MCNP、ESG4 等[2-4] ，這類程序包可以模擬各種粒子，具有完整、豐富的截面庫(kù)，但該類型軟件幾何建模復(fù)雜，需要花費(fèi)大量時(shí)間去掌握，一般只有熟練的專業(yè)人士在精確定義幾何和材料的情況下，才能得到較準(zhǔn)確的模擬結(jié)果;另一類是商業(yè)公司開發(fā)的專門用來(lái)模擬譜儀效率的計(jì)算軟件，該類軟件購(gòu)買或探測(cè)器表征的費(fèi)用一般都很昂貴， 如美國(guó)Canberra 公司的Labsocs，德國(guó)PTB 的GESPECOR 軟件等。效率傳遞法或半經(jīng)驗(yàn)法最早是由Moens[5] 提出的一種效率校準(zhǔn)方法，該方法主要根據(jù)探測(cè)器峰總比不變性結(jié)合9f91f2554a284b7b059e0a784c573fc00ab98605b39fac6fd8c2130ad6adddea有效立體角對(duì)全能峰效率進(jìn)行模擬計(jì)算。近幾年很多學(xué)者都基于該方法開展了相關(guān)的應(yīng)用研究和程序開發(fā)。Piton 和Lpy 等[6] 開發(fā)了ETNA （ Efficiency Transfer for Nuclide Activitymeasurements）效率傳遞程序，Radu 等[7] 利用該程序?qū)π蕚鬟f方法進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在近距離測(cè)量體源時(shí)，效率傳遞結(jié)果偏差在10%以內(nèi)。Vidmar[8] 開發(fā)了一款名為EFFTRAN 的效率傳遞程序，并以距離探測(cè)器10 cm 位置處的點(diǎn)源為參考源，對(duì)液體、樹脂和二氧化硅等體源進(jìn)行了效率驗(yàn)證，偏差均在7%以內(nèi)。該方法需要結(jié)合一定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能提供較可靠的全能峰效率模擬結(jié)果。數(shù)值計(jì)算法是Selim 和Abbas 等[9-10] 利用球坐標(biāo)系推導(dǎo)出的一種解析方法，該方法將光子在探測(cè)器內(nèi)不同路徑長(zhǎng)度與幾何立體角相結(jié)合，得到了不同效率的多重積分計(jì)算公式，該公式已用于計(jì)算半導(dǎo)體探測(cè)器的點(diǎn)源和圓盤源的總效率和全能峰效率。

本文將在上述方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)探測(cè)器效率的精確計(jì)算公式和效率傳遞原理，利用蒙特卡羅抽樣策略，提出一種點(diǎn)源和體源全能峰效率的模擬計(jì)算方法，該方法不需要專業(yè)的建模程序和昂貴的商業(yè)軟件，甚至不需要借助實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)源的測(cè)量數(shù)據(jù)，僅通過(guò)Fortran 語(yǔ)言就可以模擬點(diǎn)源和體源的全能峰效率，方便更多的高純鍺能譜實(shí)驗(yàn)工作者進(jìn)行應(yīng)急測(cè)量和分析使用。