CN108287357B - 一种圆柱体探测器对点源的源峰探测效率获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆柱体探测器对点源的源峰探测效率获取方法，其特征在于，利用窄束γ射线在物质中的指数衰减规律及γ场叠加原理构建任意尺寸圆柱体探测器源峰探测效率的解析方程式。依据圆柱体探测器外所有屏蔽体用真空替代后11个指定位置点源的源峰探测效率MC软件模拟值与上述解析方程式的计算值间的加权偏差平方和最小的原则，获取指定能量γ射线在圆柱体探测器内的全能峰线衰减系数。该方法避免了以往数值计算方法中需要点源的本征效率参数阵列、MC软件模拟耗时长的缺点，仅需依据探测模型参数即可快速获得圆柱体探测器对任意位置点源的源峰探测效率值。

Description

一种圆柱体探测器对点源的源峰探测效率获取方法

技术领域

本发明涉及辐射环境监测技术领域，具体是指一种圆柱体探测器对点源的源峰探测效率获取方法。

背景技术

环境中γ辐射监测必须采用相应的探测器，目前多采用圆柱体或同轴型(相当于大圆柱体探测器内挖出一个小的圆柱体探测器)探测器。为估算辐射环境待测样中指定放射性核素的活度，必须获得探测器的源峰探测效率(单位活度源能被探测器记录到的特定能量γ射线全能峰计数大小)。考虑到辐射安全性及各类标准源购置综合费用高的影响，以往多采用Monte Carlo(蒙特卡罗，后续简称MC)软件模拟4π角均匀发散的γ射线与位置固定的探测器相互作用过程并记录入射γ射线全部能量损失在上述探测器内的概率，以此反推探测器的源峰探测效率，但计算时间过长。为此根据γ场叠加原理，可将任意形状体源网格划分成多个“微体积源”，则任意形状体源的源峰探测效率值等价于网格划分后的所有“微体积源”的源峰探测效率值之和。在网格划分足够精细的情况下，“微体积源”可用点源替代。据此，陈立等人提出数值计算与MC相结合的方法，但存在以下两个问题：①所推导的公式仅能计算圆柱体探测器顶面正上方点源的源峰探测效率值；②公式中点源的本征效率参数(圆柱体探测器对指定位置点源以不同角度发射特定能量E的γ射线的源峰探测效率)阵列获取复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术的不足之处，提出一种圆柱体探测器对点源的源峰探测效率获取方法，核心在于推导圆柱体探测器对任意位置点源的源峰探测效率计算公式，结合MC模拟获得全能峰线衰减系数。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的，一种圆柱体探测器对点源的源峰探测效率获取方法：

对于一个新的圆柱体探测器，在使用本方法前必须先标定其几何结构，包括圆柱体探测器底面半径和高度、各屏蔽体顶层及侧面厚度。

利用窄束γ射线在物质中的指数衰减规律及γ场叠加原理构建任意尺寸圆柱体探测器源峰探测效率的解析方程式。

将圆柱体探测器外所有屏蔽体用真空替代，采用MC软件模拟11个指定位置点源发射能量为E的γ射线在圆柱体探测器内源峰探测效率值。利用全能峰线衰减系数μ_E∈(0,μ)的特点，以其范围两端作为初始值，代入上述解析方程式计算上述MC模拟模型中各位置点源发射能量为E的γ射线在圆柱体探测器内源峰探测效率值

和

并计算其与模拟值间的加权偏差平方和ζ_a和ζ_b。当ζ_a≥ζ_b时，取a＝(a+b)/2,b＝b；反之，取a＝a,b＝(a+b)/2；重复步骤上述过程直至|a-b|≤μ/10⁵结束。此时如果ζ_a≥ζ_b，则μ_E＝b；反之，取μ_E＝a。

将探测器几何结构参数、点源位置、μ_E和其它屏蔽材料的总线衰减系数代入上述解析方程式，采用梯形法即可获得上述圆柱体探测器对任意位置点源发射的任意能量γ射线的源峰探测效率值。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、利用不同角度下γ射线在裸探测器内的计算值与MC模拟值间的加权偏差平方和最小的原则，获得γ射线在探测器介质内的全能峰衰减系数，解决了以往计算中需点源的本征效率参数阵列，方法更加简单，且获取参数费时更短。

2、推导了圆柱体探测器圆柱面外点源的探测效率计算方法，将该方法推广至能获得探测器外任意位置点源的源峰探测效率值，扩展了以往方案的应用范围。

附图说明

图1为本发明实施例1的处理流程图；

图2为SCIONIX公司CeBr₃圆柱体探测器中心轴竖切面示意图及点源位置分区；

图3为MC模拟探测器结构及点源布点位置；

图4为加权偏差平方和随迭代次数的变化；

图5为本发明方法计算值与实测值间相对偏差分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述，然而本发明的范围并不限于下述实施例。

实施例1：下面通过附图和具体实施方式对本发明作更为详细的描述。

实施例采用SCIONIX公司CeBr₃圆柱体探测器，经过几何结构标定后(中心轴竖切面示意图如图2所示)参数分别为：圆柱体探测器底面半径r＝1.27cm、高l＝2.54cm；由内而外各屏蔽层的尺寸为：AlO₃反射层顶面垂直厚度D₁＝0.05cm、侧面轴向长度C₁＝0.05cm，聚乙烯减振层顶面垂直厚度D₂＝0.83cm、侧面轴向长度C₂＝0.355cm，Al壳顶面垂直厚度D₃＝0.08cm、侧面轴向长度C₃＝0.125cm。Cs-137源特征γ射线的能量E＝661.657keV，查找γ射线与物质相互作用截面库可知AlO₃反射层、聚乙烯减振层和Al壳对该能量γ射线的总衰减系数分别为

和

点源外包围空气的总衰减系数分别为

可以看出点源到CeBr₃晶体间的屏蔽层的个数M＝4。

(1)利用窄束γ射线在物质中的指数衰减规律及γ场叠加原理构建任意尺寸圆柱体探测器源峰探测效率的解析方程式：

①当点源P位于圆柱体探测器顶面正上方时(如图2中X区)

②当点源P位于圆柱体探测器顶面侧上方时(如图2中Y区)

对积分区间内的任意

值，如果

那么

反之，

③当点源P位于圆柱体探测器圆柱面外(如图2中Z区)

(2)全能峰线衰减系数μ_E的获取

①将圆柱体探测器外所有屏蔽体用真空替代，采用MC软件模拟图3中T＝11个位置点源发射能量为E的γ射线在圆柱体探测器内源峰探测效率值

②因μ_E的最大值为能量E的γ射线在圆柱体探测器内的总线衰减系数μ(本实施例取值为0.387011cm^-1)，则假设a＝0,b＝μ；

③取μ_E＝a与μ_E＝b代入(1)中解析方程式计算上述MC模拟模型中各位置点源发射能量为E的γ射线在圆柱体探测器内源峰探测效率值

和

计算其与模拟值间的加权偏差平方和

④当ζ_a≥ζ_b时，取a＝(a+b)/2,b＝b；反之，取a＝a,b＝(a+b)/2；重复步骤③直至|a-b|≤μ/10⁵结束。此时如果ζ_a≥ζ_b，则μ_E＝b；反之，取μ_E＝a。

上述①中采用MC软件模拟，其MC软件可能采用通用模拟软件也可采用自编软件，本实施例中MC模拟的方法具体如下：

基于VC++平台编写，软件能模拟1keV-3MeV的γ射线在圆柱体探测器内的全能峰探测效率值。截面库选用XCOM，包括γ射线与物质发生光电效应、康普顿散射和电子对效应。计算过程中采用的方差减小技术为：当γ射线与探测器介质外其它物质发生相互作用时则γ射线历史终止；利用指数变换提高γ射线在探测器介质中的权重。并利用GPU并行计算技术进一步缩减模拟时间。

图4给出每次迭代min(ζ_a,ζ_b)随迭代次数的变化规律，本实施例计算结果μ_E＝9.675266×10^-2cm^-1。

(3)将探测器几何结构参数、点源位置、μ_E和其它屏蔽材料的总线衰减系数代入(1)中解析方程式，采用梯形法即可获得上述圆柱体探测器对任意位置点源发射的任意能量γ射线的源峰探测效率值。

在上述CeBr₃圆柱体探测器外布置110个验证点(以探测器中心轴为Z轴间角度夹角0°-90°，以10°为间隔；测点与CeBr₃圆柱体中心直线距离分别为5cm、10cm、15cm、20cm、30cm、50cm、70cm、100cm、135cm、170cm和200cm)测量Cs-137点源源峰探测效率值，本发明方法计算值与实测值间相对偏差分布图如图5所示，可以结果在±8％范围内符合。

本发明所涉及的所有参数符号的具体含义为：

η_E：指定位置点源发射能量为E的γ射线在圆柱体探测器内的源峰探测效率值；

ε：点源发射能量为E的γ射线的几率；

r：圆柱体探测器底面半径；

l：圆柱体探测器高度；

μ_E：能量E的γ射线在圆柱体探测器内的全能峰线衰减系数；

μ：能量E的γ射线在圆柱体探测器内的总线衰减系数，查找截面库获得；

D_i：从圆柱体探测器向外第i屏蔽体顶层垂直厚度；

C_i：从圆柱体探测器向外第i屏蔽体侧面径向厚度；

能量E的γ射线在第i屏蔽体内的总线衰减系数，查找截面库获得；

M：圆柱体探测器前屏蔽体总数目；

h：点源P与其在圆柱体探测器顶面上的投影Q之间直线距离；

ω：点源P在圆柱体探测器顶面上的投影Q与圆柱体轴线间的垂直距离；

θ：点源P出射γ射线与PQ线间的夹角；

点源P出射γ射线在圆柱体探测器顶面上投影线与OQ线间的夹角；

能量E的γ射线从顶面入射进入圆柱体探测器；

能量E的γ射线从侧面入射进入圆柱体探测器；

积分中间变量；

将圆柱体探测器外所有屏蔽体用真空替代时，MC软件模拟图5中第k个位置点源发射能量为E的γ射线在圆柱体探测器内源峰探测效率值；

ζ_i：将圆柱体探测器外所有屏蔽体用真空替代时，第i种μ_E取值计算值与MC模拟值间偏差平方和；

T：真空无屏蔽环境下点源模拟个数；

a,b：μ_E不同取值；

XCOM：一个γ射线与任意物质相互作用截面库，由美国国家标准与技术研究院M.J.Berger等人编制，详见https://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/Text/intro.html；

GPU：全称Graphics Processing Unit，图形处理器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种圆柱体探测器对点源的源峰探测效率获取方法，其特征在于，先对圆柱体探测器标定其几何结构，包括圆柱体探测器底面半径和高度、各屏蔽体顶层及侧面厚度；

利用窄束γ射线在物质中的指数衰减规律及γ场叠加原理构建任意尺寸圆柱体探测器源峰探测效率的解析方程式；

将探测器几何结构参数、点源位置、μ_E和其它屏蔽材料的总线衰减系数代入上述构建后的解析方程式，采用梯形法即获得上述圆柱体探测器对任意位置点源发射的任意能量γ射线的源峰探测效率值：

所述构建后的解析方程式如下：

①当点源P位于圆柱体探测器顶面正上方时：

②当点源P位于圆柱体探测器顶面侧上方时：

对积分区间内的任意

值，如果

那么，

反之，

③当点源P位于圆柱体探测器圆柱面外：

全能峰线衰减系数μ_E的获取方法，是由以下方法得到的：

①将圆柱体探测器外所有屏蔽体用真空替代，采用MC软件模拟指定11个位置点源发射能量为E的γ射线在圆柱体探测器内源峰探测效率值

②因μ_E的最大值为能量E的γ射线在圆柱体探测器内的总线衰减系数μ，则假设a＝0,b＝μ；

③取μ_E＝a与μ_E＝b代入所述构建后的解析方程式计算上述MC模拟模型中各位置点源发射能量为E的γ射线在圆柱体探测器内源峰探测效率值

和

计算其与模拟值间的加权偏差平方和；

④当ζ_a≥ζ_b时，取a＝(a+b)/2,b＝b；反之，取a＝a,b＝(a+b)/2；重复步骤③直至|a-b|≤μ/10⁵结束；此时如果ζ_a≥ζ_b，则μ_E＝b；反之，取μ_E＝a；

其中，η_E：指定位置点源发射能量为E的γ射线在圆柱体探测器内的源峰探测效率值；

ε：点源发射能量为E的γ射线的几率；

r：圆柱体探测器底面半径；

l：圆柱体探测器高度；

μ_E：能量E的γ射线在圆柱体探测器内的全能峰线衰减系数；

μ：能量E的γ射线在圆柱体探测器内的总线衰减系数，查找截面库获得；

D_i：从圆柱体探测器向外第i屏蔽体顶层垂直厚度；

C_i：从圆柱体探测器向外第i屏蔽体侧面径向厚度；

能量E的γ射线在第i屏蔽体内的总线衰减系数，查找截面库获得；

M：圆柱体探测器前屏蔽体总数目；

h：点源P与其在圆柱体探测器顶面上的投影Q之间直线距离；

ω：点源P在圆柱体探测器顶面上的投影Q与圆柱体轴线间的垂直距离；

θ：点源P出射γ射线与PQ线间的夹角；

点源P出射γ射线在圆柱体探测器顶面上投影线与OQ线间的夹角；

能量E的γ射线从顶面入射进入圆柱体探测器；

能量E的γ射线从侧面入射进入圆柱体探测器；

积分中间变量；

将圆柱体探测器外所有屏蔽体用真空替代时，第k个位置点源发射能量为E的γ射线在圆柱体探测器内源峰探测效率值；

ζ_i：将圆柱体探测器外所有屏蔽体用真空替代时，第i种μ_E取值计算值与MC模拟值间偏差平方和；

T：真空无屏蔽环境下点源模拟个数；

a,b：为μ_E不同取值。

2.根据权利要求1所述的一种圆柱体探测器对点源的源峰探测效率获取方法，其特征在于MC模拟的方法具体如下：

基于VC++平台编写，软件能模拟1keV-3MeV的γ射线在圆柱体探测器内的全能峰探测效率值；截面库选用XCOM，包括γ射线与物质发生光电效应、康普顿散射和电子对效应；

计算过程中采用的方差减小技术为：当γ射线与探测器介质外其它物质发生相互作用时则γ射线历史终止；利用指数变换提高γ射线在探测器介质中的权重；并利用GPU并行计算技术进一步缩减模拟时间。

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