CN109839657B - 一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法 - Google Patents

一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法,属于辐射防护领域。本发明所述的方法，包括以下步骤：1)通过实验测量剂量仪在不同能量E1、E2……En光子射线照射下的原始响应K1、K2……Kn；2)列举所有可能的补偿材料并对这些材料在不同能量Ei的光子照射下的线衰减系数μi值进行计算；3)列举出全部可能的补偿材料的空隙率p和厚度t的组合，并代入方程组求解值；4)用户利用计算机程序设置不同的选择条件，从计算结果中选择出符合用户需要的能量补偿方案。本发明可应用于辐射剂量仪的能量补偿，保证剂量监测准确性，具有实用性。

Description

一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法
技术领域
本发明属于辐射防护领域，具体涉及一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法。
背景技术
辐射剂量仪被广泛应用于核电站、工业无损探伤、职业病预防、部队等存在放射性的工作场所的个人剂量监测，但是未经能量补偿的辐射剂量仪存在不同能量段响应不一致，严重影响测量准确度的问题。从上个世纪五六十年代开始，辐射剂量仪的能量响应补偿就是辐射剂量测量领域的一项重要内容，如何确定能量补偿方案是很多辐射测量设备研发人员需要花费很多心血解决的问题。已有的寻找优化的能量补偿方案的方法除通过大量的实验直接获取数据，从中挑选效果最好的方案外，还包括蒙特卡罗软件分析、数学理论计算等方法。
对于蒙特卡罗方法，首先人为给出一个能量补偿方案，然后利用蒙特卡罗方法模拟计算剂量仪的响应情况再根据模拟结果由人做出决策，调整参数后再进行模拟，不断重复上述过程，直到得到合适的结果为止。该方法不仅费时费力，而且人类的思维容易陷入局部最优化，如果实际上存在两种或两种以上的优化的能量补偿方案，该方法往往仅能找到其中一种。
除蒙特卡罗方法外，能量补偿方案的确定还可以使用如下数学理论计算方法：根据能量补偿理论，在射线能量为Ei时，剂量仪在无任何补偿措施时的原始响应记为Ki(Ei)，选取某种补偿材料其线衰减系数为μi，设补偿材料的空隙率为p，材料厚度为t，则剂量仪有补偿材料部分的能量响应为
Figure BDA0001485899870000021
空隙部分的能量响应为pKi(Ei)。经过补偿后，在射线能量为Ei时剂量仪能量响应可以表示为：
Figure BDA0001485899870000022
经补偿后的能量响应
Figure BDA0001485899870000023
均应趋于1，即在任何能量Ei下，均应足够小，且越小越好。最小时候的材料ma、该材料的厚度ta以及空隙率pa即为最佳的能量补偿方案参数。
上述方程是在能量补偿材料确定以后，即ui确定以后，才可以求解，并不能解决材料选择的问题。
而且，在实际应用中，即便能量补偿材料已经确定，该方法也遇到一些问题。例如，由于建立数学方程时，“δi足够小”且“越小越好”的说法在数学上是不太严谨的。由于由i个δ值组成，利用数学公式不能严格描述这一具有模糊性的条件。现在通常是将条件设定为
Figure BDA0001485899870000024
的值最小，认为此条件等同于“最小”，然后看此条件下是否所有的值均足够小。实际中，可能存在一种能量补偿方法，某一个能量点的较大，甚至不能满足辐射监测相关标准要求，但其它能量点的均很小，而且
Figure BDA0001485899870000025
仍然是最小的；而另一种能量补偿方法中，各点的均满足标准要求但都不太低，这时
Figure BDA0001485899870000026
的值较高。此时利用数学方程方法只能求得
Figure BDA0001485899870000027
最小的补偿方法，可能会出现不能满足相关标准要求的“最佳”的能量补偿方法。而实际上，第二种情况是满足标准要求的，但利用数学方法却会将该方案遗漏。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法。该方法利用计算机软件和数学理论计算方法相结合，能够对所有可能的能量补偿方案的补偿结果进行计算，然后从中选择优化的能量补偿方案，保证剂量监测准确性。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法，包括以下步骤：
1)测量剂量仪在不同能量E1、E2……En光子射线照射下的原始响应K1、K2……Kn；
2)列举所有可能的补偿材料并对这些材料在不同能量Ei的光子照射下的线衰减系数μi值进行计算；
3)列举出全部可能的补偿材料的空隙率p和厚度t的组合，并代入方程组(2)求解值；
Figure BDA0001485899870000031
方程组(2)中μ1、μ2……μn表示补偿材料在不同能量处的线衰减系数，δi指能量为Ei的射线入射时对应的δ值；
4)设置不同的选择条件，从计算结果中选择出符合用户需要的能量补偿方案。
进一步，所述步骤1)的方法包括：输入剂量计原始能量响应，剂量计探头未经补偿时，测量裸探头在不同能量E1、E2……En光子照射下的探测计数值，并归一化到某一能量点。
更进一步，所述的能量点是137Cs的γ射线能量662keV。
进一步，步骤2)中，所述的补偿材料有锡、铅、铜及其组合。
进一步，步骤2)中，以锡、铅、铜作为基础材料，每种材料以1％为变化步长，则有“1+2+3+……+101＝5151”种选择，即第一种材料由0％至100％有101种选择，第一种材料确定后，第二种材料在不大于“1-第一种材料所占的百分数”的范围内选择，前两种材料及其比例确定后，第三种材料即严格确定。
进一步，步骤3)中，采用穷举法，列举出所有可能的空隙率p有n种，补偿材料的厚度t为m种，将全部可能的空隙率p和厚度t进行组合，则采用穷举法的组合数为：
A＝C1 n·C1 m (3)
进一步，所述的补偿材料空隙率在0-1之间变化，空隙率的最小变化单位是0.1％，其中空隙率为1时补偿无意义，所以空隙率的变化有1000种可能。。
进一步，所述的补偿材料厚度的最大值设为5mm，以0.01mm为最小变化单位，其中厚度为0时补偿无意义，所以可列举500种厚度。
进一步，步骤4)中，对于每一种能量补偿方案，得到一组δi值，这一组δi值中绝对值最大的那个记为|δi|max，选择|δi|max最小的为该种能量补偿方案。
进一步，步骤4)中，或者计算每一种补偿方案得到的一组δi值的平方和
Figure BDA0001485899870000051
选择出其中的最小值作为补偿方案。
本发明的效果在于：采用本发明所述的方法，利用计算机软件和数学理论计算方法相结合，可以对所有可能的能量补偿方案的补偿结果进行计算，然后从中选择优化的能量补偿方案，保证剂量监测准确性。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
本发明提出了一种新的方法，利用计算机程序采用穷举法对所有可能的方案进行计算，并列出所有满足标准要求的能量补偿方案，为剂量当量的准确测量提供支持。
一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法，包括以下步骤：
1)通过实验测量剂量仪在不同能量E1、E2……En光子射线照射下的原始响应K1、K2……Kn；
2)列举所有可能的补偿材料并对这些材料在不同能量Ei的光子照射下的线衰减系数μi值进行计算；
3)列举出全部可能的补偿材料的空隙率p和厚度t的组合，并代入方程组(2)求解值；
Figure BDA0001485899870000061
方程组(2)中μ1、μ2……μn表示补偿材料在不同能量处的线衰减系数，δi指能量为Ei的射线入射时对应的δ值；
4)用户利用计算机程序设置不同的选择条件，从计算结果中选择出符合用户需要的能量补偿方案。
本实施例中，剂量仪能量补偿方案计算机程序实现方法的流程图如图1所示，该方法的具体步骤是：
步骤一、输入剂量计原始能量响应，剂量计探头未经补偿时，裸探头在不同能量光子照射下的探测计数值，并归一化到某一能量点，如本实施例中的137Cs的γ射线能量662keV。
步骤二、确定补偿材料及其线衰减系数，分析剂量计的归一化原始能量响应曲线，选择合适的补偿材料，主要采用的补偿材料有锡(Sn)、铅(Pb)、铜(Cu)等线衰减系数较大的材料，表1给出了三种材料锡、铅、铜的线衰减系数。确定补偿材料后即可计算相应的线衰减系数。
表1不同材料线衰减系数
Figure BDA0001485899870000062
Figure BDA0001485899870000071
步骤三、补偿材料的选择组合。以锡(Sn)、铅(Pb)、铜(Cu)作为基础材料，每种材料以1％为变化步长，则有“1+2+3+……+101＝5151”种选择(第一种材料由0％至100％有101种选择，第一种材料确定后，第二种材料可在不大于“1-第一种材料所占的百分数”的范围内选择，前两种材料及其比例确定后，第三种材料即严格确定)
步骤四、补偿材料空隙率p和厚度t的选择组合。采用穷举法，列举出所有可能的空隙率p有n种，补偿材料的厚度t为m种。将全部可能的空隙率p和厚度t进行组合，则采用穷举法的组合数为：
A＝C1 n·C1 m (3)
补偿材料空隙率显然只能在0～1之间变化，本方法中空隙率的最小变化单位是0.1％，其中空隙率为1时补偿无意义，所以空隙率的变化有1000种可能；考虑剂量仪内部空间限制，补偿材料厚度的最大可能值设为5mm，以0.01mm为最小变化单位，其中厚度为0时补偿无意义，所以可列举500种厚度。则公式(3)中，n＝1000，m＝500，则空隙率p和厚度t的组合数量为500000种。如果单一材料的补偿无法达到最佳效果，可能会采用两种材料，甚至多种材料，这样还涉及不同材料的比例，则空隙率p和厚度t的组合将会更多。将列出全部的空隙率p和厚度t可能组合，带入公式(4)求解δi。
Figure BDA0001485899870000081
步骤五、为选择最佳补偿材料、最佳空隙率和厚度，设置了两种计算方案，分别是：
1、|δi|max最小，即对于每一种能量补偿方案，可得到一组δi值(δi指能量为Ei的射线入射时对应的δ值)，这一组δi值中绝对值最大的那个记为|δi|max，哪一种能量补偿方案的|δi|max最小，即选择该种能量补偿方案。
2、
Figure BDA0001485899870000082
最小，计算每一种补偿方案得到的一组δi值的平方和，选择出其中的最小值作为补偿方案。
通过两种方案均可以给出相对应的补偿材料空隙率和厚度的最佳组合，而且可以给出满足相关标准的空隙率和厚度的范围，方便补偿实现。
将剂量仪未经能量补偿的原始归一化响应值带入程序进行计算，确定最佳的空隙率和厚度的组合。
例如：
某GM计数管在窄谱X射线和137Csγ射线照射下的原始归一化响应如表1所示.
表1剂量仪能量响应
能量 48keV 65keV 83keV 100keV 118keV 164keV 662keV
原始归一化响应 3.70 3.93 3.36 2.90 2.36 1.56 1.00
利用以上计算过程，按照|δi|max值最小的方法，可搜索到|δi|max＝0.07为|δi|max的最小值，此时的材料为锡：铅：铜＝94:6:0，对应的空隙率p＝0.265，厚度t＝1.7mm。此时的能量响应计算结果如表2所示。
表2剂量仪补偿后理论计算的能量响应
能量 48keV 65keV 83keV 100keV 118keV 164keV 662keV
原始归一化响应 3.70 3.93 3.36 2.90 2.36 1.56 1.00
理论计算响应 0.98 1.04 0.98 1.06 1.00 1.03 0.93
按照
Figure BDA0001485899870000091
值最小的方法，可搜索到
Figure BDA0001485899870000092
时，
Figure BDA0001485899870000093
值最小。此时的材料为锡：铅：铜＝94:6:0，对应的空隙率p＝0.265，厚度t＝1.7mm(恰巧也与第一种方法选择出来的能量补偿方案一致)。
由于上述方案完全可以满足相关标准的要求(即|δi|max≤30％)，因此选定采用锡：铅：铜＝94:6:0的材料，空隙率p＝0.265，厚度t＝1.7mm作为能量补偿材料。如果两种方法筛选出来的结果不一致，也可根据实际需要具体选择采用何种方法。
本领域技术人员应该明白，本发明所述的方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法，包括以下步骤：
1)测量剂量仪在不同能量E1、E2……En光子射线照射下的原始响应K1、K2……Kn；
2)列举所有可能的补偿材料并对这些材料在不同能量Ei的光子照射下的线衰减系数μi值进行计算；
3)列举出全部可能的补偿材料的空隙率p和厚度t的组合，并代入方程组(2)求解值；
Figure FDA0003569922670000011
方程组(2)中μ1、μ2……μn表示补偿材料在不同能量处的线衰减系数，δi指能量为Ei的射线入射时对应的δ值；
4)设置不同的选择条件，从计算结果中选择出符合用户需要的能量补偿方案。
2.如权利要求1所述的一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法，其特征是，所述步骤1)的方法包括：输入剂量计原始能量响应，剂量计探头未经补偿时，测量裸探头在不同能量E1、E2……En光子照射下的探测计数值，并归一化到某一能量点。
3.如权利要求2所述的一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法，其特征是，所述的能量点是137Cs的γ射线能量662keV。
4.如权利要求1至3任一项所述的一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法，其特征是：步骤2)中，所述的补偿材料有锡、铅、铜及其组合。
5.如权利要求4所述的一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法，其特征是：步骤2)中，以锡、铅、铜作为补偿材料，每种材料以1％为变化步长，则有“1+2+3+……+101＝5151”种选择，即第一种材料由0％至100％有101种选择，第一种材料确定后，第二种材料在不大于“1-第一种材料所占的百分数”的范围内选择，前两种材料及其比例确定后，第三种材料即严格确定。
6.如权利要求1所述的一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法，其特征在于：步骤3)中，采用穷举法，列举出所有可能的空隙率p有n种，补偿材料的厚度t为m种，将全部可能的空隙率p和厚度t进行组合，则采用穷举法的组合数为：
A＝C1 n·C1 m (3)。
7.如权利要求6所述的一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法，其特征在于：所述的补偿材料空隙率在0-1之间变化，空隙率的最小变化单位是0.1％，其中空隙率为1时补偿无意义，所以空隙率的变化有1000种可能。
8.如权利要求6或7所述的一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法，其特征在于：所述的补偿材料厚度的最大值设为5mm，以0.01mm为最小变化单位，其中厚度为0时补偿无意义，所以可列举500种厚度。
9.如权利要求8所述的一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法，其特征在于：步骤4)中，对于每一种能量补偿方案，得到一组δi值，这一组δi值中绝对值最大的那个记为|δi|max，选择|δi|max最小的为该种能量补偿方案。
10.如权利要求8所述的一种辐射剂量仪能量响应补偿分析的方法，其特征在于：步骤4)中，或者计算每一种补偿方案得到的一组δi值的平方和∑δi 2，选择出其中的最小值作为补偿方案。
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