高性能環(huán)境γ射線監(jiān)測(cè)器的研制碩士學(xué)位論文-資料下載頁(yè)

　　

【正文】 ．3％，20一50℃之間可以忽略，50—120℃之間為一0．2％。而且NaI(T1)閃爍體容易潮解，因此使用時(shí)須密封，一旦有 了黃色斑點(diǎn)或塊，就是已發(fā)生潮解，使得性能變壞或不能使用。再有 是光電倍增管對(duì)閃爍體探測(cè)器探測(cè)器也有很大的影響，供給光電倍增 管的高壓電源，從陰極至陽(yáng)極必須是遞增的，否則影響光電倍增管的 放大特性。而且光電倍增管對(duì)光屏蔽和電感屏蔽的要求也比較嚴(yán)。再 有是溫度對(duì)光電倍增管的影響很大，因?yàn)閹缀跛泄怆姳对龉芏蓟蚨?或少含有過(guò)量堿金屬，當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí)將發(fā)生重新沉積，而使管 子暗電流增加，穩(wěn)定性變壞、靈敏度降低。而且溫度的降低也同樣影響光電倍增光的性能，這是由于光陰極的電阻率隨溫度的降低而增大，導(dǎo)致靈敏度減小。哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文從這幾種探測(cè)器的優(yōu)缺點(diǎn)比較，結(jié)合環(huán)境T射線輻射場(chǎng)的特點(diǎn)本 文選定電離室探測(cè)器作為設(shè)計(jì)的原型，并通過(guò)提高電離室的氣壓以增 大電離室產(chǎn)生的電流使其能更好的對(duì)環(huán)境T射線輻射場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。3．4本章小結(jié)本章介紹了T射線探測(cè)原理和用于環(huán)境T射線監(jiān)測(cè)的各種探測(cè) 器，并比較了他們的優(yōu)缺點(diǎn)，從中選取了電離室探測(cè)器作為設(shè)計(jì)的原 型。哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文第4章高氣壓電離窒的設(shè)計(jì)高氣壓電離室由探頭和放大電路兩部分組成。兩部分的設(shè)計(jì)都關(guān) 系著電離室的性能好壞，因此對(duì)于探頭和放大電路的設(shè)計(jì)都必須認(rèn)真 考慮。4．1高氣壓電離室探頭的設(shè)計(jì)高氣壓電離室探頭的設(shè)計(jì)主要有以下的設(shè)計(jì)內(nèi)容：1．高氣壓電離 室的形狀確定2．氣體選擇3．氣壓選擇4．壁材料選擇5．壁厚確 定 6．探頭大小的確定7．高氣壓電離室的機(jī)械結(jié)構(gòu)等。對(duì)于高氣壓電離室探頭的設(shè)計(jì)，探頭的靈敏度及其能量響應(yīng)是衡 量其性能好壞的重要依據(jù)。電離室的靈敏度以單位強(qiáng)度的射線輻照下 輸出的電離電流來(lái)量度的。靈敏度與輻射的能量有關(guān)，它隨能量的變 化稱為能量響應(yīng)。而電離室靈敏度及其能量響應(yīng)則主要是由電離室的 工作氣體及電離室的壁材決定的。在一般的電離室設(shè)計(jì)中，工作氣體及電離室的壁材的選取通常都 是通過(guò)查閱相關(guān)的氣體及材料的能量響應(yīng)曲線以確定所需要的氣體及 壁材。如果沒(méi)有相關(guān)的圖表，則需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定其相關(guān)的曲線，這 樣就使得對(duì)于某一探測(cè)器的設(shè)計(jì)投入得太大了。為了節(jié)省人力物力， 本文通過(guò)利用核物理數(shù)值計(jì)算軟件仿真作出相關(guān)的曲線來(lái)代替用實(shí)驗(yàn) 實(shí)現(xiàn)的方法，從而節(jié)省了時(shí)間，也節(jié)省了人力物力。4．1．1計(jì)算程序?yàn)榱诉_(dá)到數(shù)值仿真代替實(shí)驗(yàn)，本文利用了MCNP一4A程序和EGSnrc 程序?qū)Σ煌墓ぷ鳉怏w，不同的壁材進(jìn)行了模擬方針。并建立了相關(guān) 的模型確定其他影響探測(cè)器性能的因素。哈爾濱工程火學(xué)碩士學(xué)位論文1 EGS程序EGS程序是1985年由美國(guó)斯坦福直線加速器中心(SLAC)、R本 高能物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(KEK)和加拿大國(guó)家研究所(NRCC)聯(lián)合推出了 一套模擬電子和光子在物質(zhì)中輸運(yùn)過(guò)程的通用Mc計(jì)算程序系統(tǒng)EGS4 (Electron—Gamma—shower，Versi015 4)，并在1986年發(fā)表。EGS4是揭示電子和光子在物質(zhì)中輸運(yùn)規(guī)律的有力而且方便的理論分析及模擬 研究工具。由于其應(yīng)用靈活性和通用性而被廣泛應(yīng)用于高能物理、低 能物理和醫(yī)學(xué)物理。EGS4計(jì)算程序的特點(diǎn)： 1．)元素和介質(zhì)材料齊全：該程序可提供lOO種元素的截面數(shù)據(jù)，能完成電子和光子在前100號(hào)元素組成的任何物質(zhì)(單質(zhì)、化合物或 混合物)中的輸運(yùn)過(guò)程模擬。2．)能量范圍廣泛：帶電粒子的動(dòng)能范圍從幾十KeV到幾千GeV， 光子能量范圍可從1KeV到幾千GeV。3．)帶電粒子和光子的輸運(yùn)采用隨機(jī)游動(dòng)方式進(jìn)行。4．)涉及的物理過(guò)程比較全面：包括了電子的軔致輻射、電子對(duì) 的湮滅、Moliere多次散射、碰撞能量損失、d射線的產(chǎn)生(Bhabha(e+e一) 和MF ller(e—e一))，以及光子的對(duì)產(chǎn)生、康普頓散射、光電效應(yīng)和瑞 利(Rayleigh)散射。用EGS4進(jìn)行模擬計(jì)算，用戶至少要編寫一個(gè)主程序(MAIN)、一個(gè)幾何關(guān)系處理子程序(HOWFAR)和一個(gè)記錄結(jié)果子程序(AUSGAB)。 其執(zhí)行過(guò)程如下：用戶在主程序中首先對(duì)一些變量進(jìn)行必要的初始化和其它一些必 要的操作，然后調(diào)用EGS4系統(tǒng)子程序(HATCH)從介質(zhì)數(shù)據(jù)文件中讀 取截面數(shù)據(jù)和必要的參數(shù)，并做必要的處理，最后再調(diào)用EGS4的粒子 跟蹤程序(SHOWER)，完成一個(gè)或多個(gè)粒子歷程的跟蹤。在SHOWER的執(zhí)行過(guò)程中，EGS4要頻繁調(diào)用用戶寫的HOWFAR和AUSGAB子程序以完 成粒子空間幾何關(guān)系的處理和結(jié)果的記錄。調(diào)用方式如圖4．1。哈爾濱T程大學(xué)碩士學(xué)位論文削4．i EGS調(diào)用結(jié)構(gòu)幽EGS4初期的發(fā)展主要是為了研究高能物理領(lǐng)域的問(wèn)題，如設(shè)計(jì)六 邊形的復(fù)雜的大型探測(cè)器，計(jì)算光子探測(cè)效率，修正探測(cè)器所探測(cè)到 的圖象。隨著它的推廣，EGS4計(jì)算程序在國(guó)際上應(yīng)用廣泛，在輻射物 理和醫(yī)學(xué)物理等方面都有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在輻射物理方面，主 要計(jì)算加速器各部位的輻射劑量，設(shè)計(jì)屏蔽系統(tǒng)，以及研制劑量測(cè)量 儀等；在醫(yī)學(xué)物理方面，模擬粒子在人體模型中產(chǎn)生的劑量分布及衰 減，計(jì)算在醫(yī)療過(guò)程中器官所吸收的劑量，確定醫(yī)療方案等。在西歐 和北美的一些國(guó)家，已被廣泛應(yīng)用在醫(yī)院，用于輻射治療和輻射檢測(cè) 中的劑量計(jì)算。EGS4還可以用于探礦和農(nóng)業(yè)方面。其可靠性獲得廣泛 證明，得到國(guó)際社會(huì)的高度評(píng)價(jià)，被認(rèn)為是“參照模型(a reference mode)”、“公認(rèn)的(recognized)”、“國(guó)際性的(international)”、“世 界范圍的(world—widej”和“普遍標(biāo)準(zhǔn)(Ui3iversal standard)”。哈爾濱工群人學(xué)碩士學(xué)位論文本文采用的EGS程序是EGSnrc。是由加拿大國(guó)家研究所(NRCC) 在EGS4計(jì)算程序的基礎(chǔ)上改進(jìn)的而成的。EGSnrc中另有一個(gè)程序 egs i nprz，是專門用于柱形探測(cè)器設(shè)計(jì)的。并且有可視人機(jī)界面方便 建模和修改。2 MCNP程序MCNP，該程序是美國(guó)Los Alamous實(shí)驗(yàn)室研制的一個(gè)大型的多功 能的蒙特卡洛中子一光子輸運(yùn)程序。可用于計(jì)算中子、光子、或中子一 光子耦合輸運(yùn)問(wèn)題及本征值問(wèn)題等。MCNP程序可以對(duì)從源發(fā)射的粒子 的一～跟蹤模擬，記錄其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的信息，通過(guò)對(duì)跟蹤的大量粒子輸運(yùn)行蹤的統(tǒng)計(jì)，估算出相關(guān)物理參數(shù)：MCNP程序具有很強(qiáng)的幾何描 述能力，可以處理任意復(fù)雜的三維幾何結(jié)構(gòu)問(wèn)題；MCNP程序提供幾種 常用的源模型，即通用源、臨界源、曲面源等，并允許用戶自己定義 源；MCNP軟件包括28個(gè)中子數(shù)據(jù)庫(kù)，2個(gè)光子數(shù)據(jù)庫(kù)，2個(gè)電子數(shù)據(jù) 庫(kù)和一個(gè)核素?cái)?shù)據(jù)文件XSDIR；所要計(jì)算的物理問(wèn)題的所有物理參數(shù) 的描述可寫入一個(gè)輸入數(shù)據(jù)文件中，由程序從輸入文件中讀取，輸入 文件的基本組成為：標(biāo)題卡、柵元卡、益面卡和數(shù)據(jù)卡。MCNP是目前 被學(xué)術(shù)界認(rèn)可的和廣泛應(yīng)用的一個(gè)相當(dāng)成熟的軟件。在它早期的版本 中并不包含對(duì)電子輸運(yùn)過(guò)程的模擬，只模擬中子和光子，較新的版本 (如MCNP一4A)則引進(jìn)了ETRAN，加入了對(duì)電子的模擬。本次計(jì)算正是 應(yīng)用的程序正是MCNP一4A。4．1．2高氣壓電離室的形狀確定對(duì)于高氣壓電離室的形狀，本文主要分析了球形與柱形之間在角 響應(yīng)及應(yīng)力上的差異。1角響應(yīng)分析高氣壓電離室通常是柱形或是平板形，但是考慮到環(huán)境的T輻射 場(chǎng)的特性，環(huán)境T射線是各個(gè)方向都有的，而柱形的高氣壓電離室在 測(cè)量這樣的輻射場(chǎng)時(shí)角響應(yīng)度可能不好。為此本文分析了柱形的高氣壓電離室對(duì)不同方向來(lái)T射線的響應(yīng)情況。通過(guò)EGSnrc程序建立的一。；—鎏塑耋燮l鎏一。一 模型如圖4．2。單能T射線圖4．2角響應(yīng)模型幽一個(gè)無(wú)限大的單能T射線源放出一定能級(jí)的T射線照射一個(gè)柱 形電離室，通過(guò)改變射線與柱形電離室中心軸的夾角n，使a從 0。一900變化(由于柱形電離室的對(duì)稱性，從900一180。與從900一0。的變化情況一致)，從而得出柱形電離室在這一變化方向上的角響應(yīng)情況。模擬的結(jié)果如圖4．332 52l 51理靛罌篋嚳幔O 50o 10 20 30 40 45 50 60 70 80 90角度(o)圖4．3柱形電離室角響應(yīng)圖從圖上可看出柱形電離室的角響應(yīng)值隨著角度的變化而變化，是 一條彎曲的線，而對(duì)于球形的電離室，由于其中心對(duì)稱性，它不隨角哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文度的變化而變化，是一條平直的直線。由此可見(jiàn)，對(duì)于角響應(yīng)，球形 電離室優(yōu)于柱形電離室。2應(yīng)力分析柱形電離室在軸向上受到的軸應(yīng)力為盯，=pD／4t (4—1)式中：曠內(nèi)壓、肛平均直徑￡一壁厚所受到的環(huán)向應(yīng)力為盯日=pD／2t (42)由此可見(jiàn)柱形電離室承受內(nèi)壓時(shí)，其環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的兩倍。“。 球形電離室由于是中心對(duì)稱，所以充上氣體產(chǎn)生內(nèi)壓后在任何一個(gè)截面上所受到的應(yīng)力都是一樣的。球殼所收的應(yīng)力盯，=％=pD／4t (43)通過(guò)應(yīng)力的分析，可得出，在相同P、D、t的情況下，柱形電離 室的環(huán)向應(yīng)力比較大，這樣對(duì)于充入高壓氣體后可能由于所受的應(yīng)力 太大而需要加大壁的厚度，這樣將會(huì)使由于壁材對(duì)環(huán)境T射線的阻擋 加大，不利于探測(cè)。綜合對(duì)柱形和球形電離室的角響應(yīng)和應(yīng)力分析，球形電離室明顯 優(yōu)于柱形電離室。因此本文選取球形電離室作為設(shè)計(jì)對(duì)象。4．1．3高氣壓電離室的工作氣體選擇在設(shè)計(jì)電離室時(shí)，電離室的能量響應(yīng)是一個(gè)影響電離室靈敏度的 重要因素。對(duì)于電流型電離室理想的能量響應(yīng)是一條平行的直線，但 是在現(xiàn)實(shí)中基本上做不出這樣的電離室。電離室的能量響應(yīng)主要與室 壁材料和所充的氣體有關(guān)，因此找到一種理想的氣體對(duì)于設(shè)計(jì)出一個(gè) 好的電離室是非常重要的。但是如果只是通過(guò)做實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)尋找合 適的氣體將會(huì)比較耗費(fèi)人力物力還有時(shí)間，因此本文通過(guò)MCNP一4A程哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文序?qū)Σ煌臍怏w在T射線輻照下進(jìn)行模擬，比較不同氣體的性能。但 是MCNP一4A程序并不能完全的模擬整個(gè)電離室的電離輸出過(guò)程，特別 是對(duì)于在一定電場(chǎng)下，MCNP一4A程序不具備此功能。我們只能得出在 一定的T射線輻照該種氣體所產(chǎn)生的電子數(shù)，從這個(gè)側(cè)面來(lái)判斷該氣 體的能量響應(yīng)特性。本文主要通過(guò)對(duì)空氣、氬氣、氮?dú)狻⒓淄檫€有氬 氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w進(jìn)行比較。為了對(duì)氣體的能量響應(yīng)作出模擬，本文采用MCNP中建立一個(gè)半徑 為1 5厘米的面源，面源產(chǎn)生不同能級(jí)的單能T射線，并通過(guò)這些不 同的單能T射線對(duì)一個(gè)半徑為12．5厘米的球形空間照射，球形空間 中充10大氣壓的氣體。其模型如下圖4．4單能T射線面源被照射氣體圖4．4氣體能量響應(yīng)模型考慮到環(huán)境輻射場(chǎng)的特點(diǎn)本文主要模擬了從lOKeV到1000KeV能級(jí) 的單能T射線。1． 氯氣的能量響應(yīng) 以下是氬氣的能量響應(yīng)模擬結(jié)果，從圖4．5上可看出氬氣對(duì)于200KEY以下的T射線有較高的電子產(chǎn)出，而對(duì)于200—1000KeV之間 的T射線氬氣的電子產(chǎn)出比較平緩，從這樣的曲線可看出氬氣對(duì)于作 為電離室所充的氣體應(yīng)該是可以的。4l哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文O 70 6O 50 40 30 2測(cè)捉罌唰贈(zèng)件罾O l00 400 600 800 1000 1200T射線能量(KeY)圖4．5氬氣能量響應(yīng)圖2． 空氣的能量響應(yīng) 更換模型中所充的氣體，使所充的氣體為空氣，則得到如圖4．6的曲線。酒 接 罌 咖l吲 m 鋤0 200 400 600 800 1000 1200T射線能量(KeY)圖4．6空氣能量響應(yīng)幽空氣在lOlOOKer的能級(jí)的T射線照射下，電子的產(chǎn)出經(jīng)歷了一 個(gè)陡峭的下降過(guò)程，在100—200KEY這個(gè)區(qū)蚓電子的產(chǎn)出有一定坡度的 增長(zhǎng)：而在200—500KeV的區(qū)間中，電子的產(chǎn)出比前兩階段的變化較為 緩慢；在500一1000KeV的區(qū)間中電子的產(chǎn)出比較平緩。把空氣作為電離室的介質(zhì)也值得考慮。3． 甲烷的能量響應(yīng)42哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文再更換模型中所充的氣體，使所充的氣體為甲烷，則得到如圖4．7 的曲線。趔 莨 罌 蚓 贈(zèng) m 刪0 200 400 600 800 1000T射線能量(KeY)圖4．7甲烷能量響應(yīng)圖甲烷在lO50KeV的能級(jí)的T射線照射下，電子的產(chǎn)出也經(jīng)歷了 一個(gè)陡峭的下降過(guò)程，在50—700KEY這個(gè)區(qū)間電子的產(chǎn)出以一定坡度 的增長(zhǎng)；而在700一1000KeV的區(qū)間中，電子的產(chǎn)出緩慢下降。把空氣 作為電離室的介質(zhì)比前兩種氣體較差一些。4． 氮?dú)獾哪芰宽憫?yīng)更換模型中所充的氣體，使所充的氣體為氮?dú)猓瑒t得到如圖4．8的曲線。07o．6 鬻o．s 蒜o4 鼎o．3蜜oz0100 200 400 600 800 1000 1200T射線能量(KeV)圖4．8氮?dú)饽芰宽憫?yīng)圖43哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文氮?dú)庠趌O50KeV的能級(jí)的T射線照射下