CN114613454B - 一种热释光剂量计的带电粒子平衡体设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明对用于X射线和γ射线辐射场吸收剂量测量的热释光剂量计，提出了一种热释光剂量计的带电粒子平衡体设计方法，主要解决了现有方法通用性和拓展性方面的问题。本发明方法直接依据带电粒子平衡的定义，利用壁材料在X射线和γ射线辐照时产生的次级溢出电子，用以补偿热释光剂量计的能量损失，实现热释光剂量计的带电粒子平衡。

Description

一种热释光剂量计的带电粒子平衡体设计方法
技术领域
本发明属于X射线和γ射线辐射场测量领域，具体涉及一种热释光剂量计的带电粒子平衡体设计方法。
背景技术
热释光剂量计具有量程宽、体积小、价格便宜、易于操作等优点，是目前测量X射线和γ射线辐射场吸收剂量最常用的探测器之一。商业化热释光剂量计主要包括氟化锂型和氟化钙型等两种类型。带电粒子平衡是辐射剂量学中一个重要概念，只有在带电粒子平衡条件下，不带电电离粒子与物质相互作用过程中，传递给单位质量物质的能量才近似等于被单位质量物质中实际吸收的能量。因此，对于X射线和γ射线辐射场吸收剂量的测量和标定，无论选用何种探测器，均需进行带电粒子平衡体设计。
目前，尚无热释光剂量计带电粒子平衡体设计技术的报道。可咨借鉴的文献，如白小燕等人所著的《国产LiF(Mg，Ti)-M剂量片γ射线响应的线性上限和重复性研究》一文中，在60Co辐照实验中采用铝盒封装的热释光剂量计进行吸收剂量测量，厚度2mm的前面板为热释光剂量计提供带电粒子平衡条件，厚度4mm的后面板用以减少背散射。又如《GJB2165-94应用热释光剂量测量系统确定电子器件吸收剂量的方法》中对CaF2:Mn的封装有如下规定：当刻度辐照源为60Co时，壁材料可选用厚度为2.2mm的铝；在γ射线和X射线辐照试验中，当试验源为60Co时，若辐射场中低能散射光子成分可以忽略不计，则壁材料可选用厚度为2.2mm的铝；若低能散射光子成分较大，则壁材料应选用内壁0.7～1mm铝、外壁1.5mm铅结构。上述文献中带电粒子平衡体的相关内容，均直接给出带电粒子平衡体的尺寸和结构，且主要针对60Co的标定和辐照实验。因此，现有方法在通用性和拓展性方面存在不足，无法满足不同能段放射源以及宽谱辐射源吸收剂量测量中的带电粒子平衡要求。
发明内容
本发明对用于X射线和γ射线辐射场吸收剂量测量的热释光剂量计，提出了一种热释光剂量计的带电粒子平衡体设计方法，该方法解决了现有方法通用性和拓展性方面的问题。该设计方法直接依据带电粒子平衡的定义，利用壁材料在X射线和γ射线辐照时产生的次级溢出电子，用以补偿热释光剂量计的能量损失，实现热释光剂量计的带电粒子平衡。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种热释光剂量计的带电粒子平衡体设计方法，包括以下步骤：
步骤一、根据实际应用场景，获取热释光剂量计待测X射线和γ射线辐射场的能谱范围，在此能谱范围内，通过查表筛选与热释光剂量计质能吸收系数差值在设定范围内的n种材料，分别记为M1、M2、……Mn；
步骤二、以E0作为次级电子最高能量，利用电子束输运模拟软件计算能量为E0的电子在步骤一筛选材料中的平均穿透深度和最大穿透深度，分别记为和R1、……Rn；其中，E0为单能X射线和γ射线的能量或宽谱X射线和γ射线的平均光子能量，为能量为E0的电子在材料M1中的平均穿透深度；/>为能量为E0的电子在材料Mn中的平均穿透深度；R1能量为E0的电子在材料M1中的最大穿透深度；Rn能量为E0的电子在材料Mn中的最大穿透深度；
步骤三、利用X射线和γ射线输运模拟软件，建立能量为E0的X射线和γ射线辐照热释光剂量计的计算模型，计算热释光剂量计前后表面溢出的次级电子能量ETLD,f、ETLD,b以及比释动能KTLD，溢出次级电子能量之和为ETLD,loss，ETLD,loss＝ETLD,f+ETLD,b；
步骤四、利用X射线和γ射线输运模拟软件，建立能量为E0的X射线和γ射线辐照材料M1的计算模型，计算模型中材料M1的厚度范围为到R1，将该厚度划分为n等份，每一等份记为T1，分别计算厚度为Thi1,k时材料M1前后表面溢出的次级电子的能量E1,k,f和E1,k,b；其中，/>Thi1,n＝R1；随后，比较E1,k,b和ETLD,loss的大小，若E1,k,b的最大值E1,k,bmax满足E1,k,bmax≥ETLD,loss，则将材料M1筛选为备选材料，否则将其剔除；
步骤五、重复步骤四，依次对材料M2、……Mn进行筛选，筛选出的备选材料共i种，i≤n，分别记为Mn1、Mn2、……Mni；此时，能量为E0的电子在备选材料中的平均穿透深度和最大穿透深度分别记为和Rn1、……Rni；其中，/>为能量为E0的电子在备选材料Mn1中的平均穿透深度；/>为能量为E0的电子在备选材料Mni中的平均穿透深度；/>能量为E0的电子在备选材料Mn1中的最大穿透深度；/>能量为E0的电子在备选材料Mni中的最大穿透深度；
步骤六、利用X射线和γ射线输运模拟软件，建立能量为E0的X射线和γ射线辐照前挡Mn1的热释光剂量计计算模型；计算模型中前挡Mn1的厚度范围为到Rn1，将该厚度划分为n等份，每一等份记为Tn1，分别计算前挡Mn1厚度为Thin1,k时热释光剂量计中的实际吸收剂量Dn1，其中，/>Thin1,n＝Rn1；
步骤七、比较步骤六中的计算结果，若前挡Mn1在某一厚度Thin1,k时，比释动能KTLD大于等于0.99倍的实际吸收剂量Dn1，即比释动能KTLD≥0.99Dn1；则前挡厚度大于等于Thin1,k的材料Mn1，能够保证在该射线能谱条件下热释光剂量计的带电粒子平衡；同样的，依次对Mn2、……Mni的计算结果进行比较，得到满足条件的材料种类及最优厚度；若当前挡Mn1、Mn2、……Mni均不满足上述情况，则执行步骤八；
步骤八、在热释光剂量计前挡Thinx,y厚Mnx的基础上，增加后挡材料，逐渐增加后挡材料厚度并计算热释光剂量计的实际吸收剂量，当实际吸收剂量Dn1与比释动能KTLD之比大于等于0.99小等于1时，即满足带电粒子平衡条件。
进一步地，步骤八具体为：基于X射线和γ射线输运模拟软件，建立对应能量X射线和γ射线辐照“Mnx+热释光剂量计+后挡材料”的计算模型；计算模型中Mnx的厚度为Thinx,y，后挡材料在M1、M2……Mn中进行选取，后挡材料的原子序数大于Mnx，以0.1Thinx,y为梯度，逐渐增加后挡材料厚度并计算热释光剂量计的实际吸收剂量，当实际吸收剂量与比释动能KTLD之比大于等于0.99小等于1时，即满足带电粒子平衡条件。
进一步地，步骤二中，电子束输运模拟软件为CASINO2.0。
进一步地，所述输运模拟软件为MCNP或Geant4等。
进一步地，步骤七中，材料Mn1的前挡厚度等于Thin1,k。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明方法直接基于带电粒子平衡定义，可靠性较高。
2.本发明方法不针对某一种或某几种辐照源，具有通用性和普适性。
3.本发明方法对于宽谱(如轫致辐射谱)X射线和γ射线，通过优化设计，能够最大化的减少电子平衡体对X射线和γ射线的自吸收，提高吸收剂量测量的准确性。
附图说明
图1为本发明热释光剂量计的带电粒子平衡体设计方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种热释光剂量计的带电粒子平衡体设计方法，热释光剂量计具体为代氟化锂和氟化钙。该方法直接依据带电粒子平衡的定义，利用壁材料在X射线和γ射线辐照时产生的次级溢出电子，用以补偿热释光剂量计的能量损失，实现热释光剂量计的带电粒子平衡。该方法主要具有以下三点优势：①设计方法直接基于带电粒子平衡定义，可靠性高；②不针对某一种或某几种辐照源，具有通用性和普适性；③对于宽谱(如轫致辐射谱)X射线和γ射线辐射场中的吸收剂量测量，具有独特优势。根据射线能谱分布，通过优化设计，能够最大化的减少电子平衡体对X射线和γ射线的自吸收，提高吸收剂量测量的准确性。
如图1所示，本发明提供的热释光剂量计的带电粒子平衡体设计方法首先通过查表法筛选封装材料，再利用蒙特卡洛模拟方法对封装材料壁厚进行参数扫描，比对热释光剂量计吸收剂量和比释动能差值，得到最优的封装材料厚度，其详细步骤如下：
步骤一、根据实际应用场景，获取热释光剂量计待测X射线和γ射线辐射场的能谱范围，在此能谱范围内，通过查表筛选与热释光剂量计质能吸收系数差值在设定范围内的n种材料，分别记为M1、M2、……Mn；
步骤二、以E0作为次级电子最高能量，利用电子束输运模拟软件(如CASINO2.0)计算能量为E0的电子在步骤一筛选材料中的平均穿透深度和最大穿透深度，分别记为和R1、……Rn；其中，E0为单能X射线和γ射线的能量或宽谱X射线和γ射线的平均光子能量，/>为能量为E0的电子在材料M1中的平均穿透深度；/>为能量为E0的电子在材料Mn中的平均穿透深度；R1能量为E0的电子在材料M1中的最大穿透深度；Rn能量为E0的电子在材料Mn中的最大穿透深度；
步骤三、利用X射线和γ射线输运模拟软件(如MCNP、Geant4等)，建立能量为E0的X射线和γ射线辐照热释光剂量计的计算模型，计算热释光剂量计前后表面溢出的次级电子能量ETLD,f、ETLD,b以及比释动能KTLD，溢出次级电子能量之和为ETLD,loss，ETLD,loss＝ETLD,f+ETLD,b；
步骤四、利用X射线和γ射线输运模拟软件，建立能量为E0的X射线和γ射线辐照材料M1的计算模型，计算模型中材料M1的厚度范围为到R1，将该厚度划分为n等份，每一等份记为T1，分别计算厚度为Thi1,k时材料M1前后表面溢出的次级电子的能量E1,k,f和E1,k,b；其中，/>Thi1,n＝R1；一般的，E1,k,b比E1,k,f大1～2个数量级，仅比较E1,k,b和ETLD,loss的大小，若E1,k,b的最大值E1,k,bmax满足E1,k,bmax≥ETLD,loss，则将材料M1筛选为备选材料，否则将其剔除；
步骤五、依次对材料M2、……Mn执行步骤四中的筛选，筛选出的备选材料共i种，i≤n，分别记为Mn1、Mn2、……Mni；此时，能量为E0的电子在备选材料中的平均穿透深度和最大穿透深度分别记为和Rn1、……Rni；其中，/>为能量为E0的电子在备选材料Mn1中的平均穿透深度；/>为能量为E0的电子在备选材料Mni中的平均穿透深度；/>能量为E0的电子在备选材料Mn1中的最大穿透深度；/>能量为E0的电子在备选材料Mni中的最大穿透深度；
步骤六、利用X射线和γ射线输运模拟软件，建立能量为E0的X射线和γ射线辐照前挡Mn1的热释光剂量计计算模型；计算模型中前挡Mn1的厚度范围为到Rn1，将该厚度划分为n等份，每一等份记为Tn1，分别计算前挡Mn1厚度Thin1,k时热释光剂量计中的实际吸收剂量Dn1，其中，/>Thin1,n＝Rn1；
步骤七、比较步骤六中的计算结果，若前挡Mn1在某一厚度Thin1,k(k≤n)时，比释动能KTLD大于等于0.99倍的实际吸收剂量Dn1，即比释动能KTLD≥0.99Dn1；则前挡厚度大等于Thin1,k(k≤n)的Mn1，能够保证在该射线能谱条件下热释光剂量计的带电粒子平衡；同时，为了尽量减小厚前挡Mn1对X射线和γ射线的自吸收，Mn1的厚度应尽量减薄，因此厚度最优值等于Thin1,k(k≤n)；同样的，依次对Mn2、……Mni的计算结果进行比较；统计满足条件的材料种类及最优厚度，若当前挡Mn1、Mn2、……Mni均不满足上述情况时，进行下一步；
步骤八、不失一般性，假设前挡Mnx(x取1到i中某一个正数)时，热释光剂量计无法满足步骤七中的带电粒子平衡条件，实际吸收剂量取得最大值对应的厚度为Thinx,y(y≤n)；此时，在热释光剂量计前挡Thinx,y(y≤n)厚Mnx(x取1到i中某一个正数)的基础上，还需增加后挡材料；通过次级电子以及X射线和γ射线在后挡材料产生的背散射电子，实现热释光剂量计的带电粒子平衡。
基于X射线和γ射线输运模拟软件(如MCNP、Geant4等)，建立对应能量X射线和γ射线辐照“Mnx+热释光剂量计+后挡材料”的计算模型。计算模型中Mnx的厚度为Thinx,y(y≤n)，后挡材料在M1、M2……Mn中进行选取，后挡材料的原子序数应略大于Mnx，以0.1Thinx,y为梯度，逐渐增加后挡材料厚度并计算热释光剂量计的实际吸收剂量，当实际吸收剂量与比释动能KTLD之比大于等于0.99小等于1时，即满足带电粒子平衡条件。
通过本方法，可以筛选出至少一种材料厚度组合，实现热释光剂量计在X射线和γ射线辐照下的带电粒子平衡。

Claims (5)

1.一种热释光剂量计的带电粒子平衡体设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据实际应用场景，获取热释光剂量计待测X射线和γ射线辐射场的能谱范围，在此能谱范围内，通过查表筛选与热释光剂量计质能吸收系数差值在设定范围内的n种材料，分别记为M1、M2、……Mn；
步骤二、以E0作为次级电子最高能量，利用电子束输运模拟软件计算能量为E0的电子在步骤一筛选材料中的平均穿透深度和最大穿透深度，分别记为和R1、……Rn；其中，E0为单能X射线和γ射线的能量或宽谱X射线和γ射线的平均光子能量，/>为能量为E0的电子在材料M1中的平均穿透深度；/>为能量为E0的电子在材料Mn中的平均穿透深度；R1能量为E0的电子在材料M1中的最大穿透深度；Rn能量为E0的电子在材料Mn中的最大穿透深度；
步骤三、利用X射线和γ射线输运模拟软件，建立能量为E0的X射线和γ射线辐照热释光剂量计的计算模型，计算热释光剂量计前后表面溢出的次级电子能量ETLD,f、ETLD,b以及比释动能KTLD，溢出次级电子能量之和为ETLD,loss，ETLD,loss＝ETLD,f+ETLD,b；
步骤四、利用X射线和γ射线输运模拟软件，建立能量为E0的X射线和γ射线辐照材料M1的计算模型，计算模型中材料M1的厚度范围为到R1，将该厚度划分为n等份，每一等份记为T1，分别计算厚度为Thi1,k时材料M1前后表面溢出的次级电子的能量E1,k,f和E1,k,b；其中，k＝1,2…n，Thi1,n＝R1；随后，比较E1,k,b和ETLD,loss的大小，若E1,k,b的最大值E1,k,bmax满足E1,k,bmax≥ETLD,loss，则将材料M1筛选为备选材料，否则将其剔除；
步骤五、重复步骤四，依次对材料M2、……Mn进行筛选，筛选出的备选材料共i种，i≤n，分别记为Mn1、Mn2、……Mni；此时，能量为E0的电子在备选材料中的平均穿透深度和最大穿透深度分别记为和Rn1、……Rni；其中，/>为能量为E0的电子在备选材料Mn1中的平均穿透深度；/>为能量为E0的电子在备选材料Mni中的平均穿透深度；/>能量为E0的电子在备选材料Mn1中的最大穿透深度；/>能量为E0的电子在备选材料Mni中的最大穿透深度；
步骤六、利用X射线和γ射线输运模拟软件，建立能量为E0的X射线和γ射线辐照前挡Mn1的热释光剂量计计算模型；计算模型中前挡Mn1的厚度范围为到Rn1，将该厚度划分为n等份，每一等份记为Tn1，分别计算前挡Mn1厚度为Thin1,k时热释光剂量计中的实际吸收剂量Dn1，其中，/>k＝1,2…n，Thin1,n＝Rn1；
步骤七、比较步骤六中的计算结果，若前挡Mn1在某一厚度Thin1,k时，比释动能KTLD大于等于0.99倍的实际吸收剂量Dn1，即比释动能KTLD≥0.99Dn1；则前挡厚度大于等于Thin1,k的材料Mn1，能够保证在该射线能谱条件下热释光剂量计的带电粒子平衡；同样的，依次对Mn2、……Mni的计算结果进行比较，得到满足条件的材料种类及最优厚度；若当前挡Mn1、Mn2、……Mni均不满足上述情况，则执行步骤八；
步骤八、在热释光剂量计前挡Thinx,y厚Mnx的基础上，增加后挡材料，逐渐增加后挡材料厚度并计算热释光剂量计的实际吸收剂量，当实际吸收剂量Dn1与比释动能KTLD之比大于等于0.99小等于1时，即满足带电粒子平衡条件。
2.根据权利要求1所述的热释光剂量计的带电粒子平衡体设计方法，其特征在于：步骤八具体为：基于X射线和γ射线输运模拟软件，建立对应能量X射线和γ射线辐照“Mnx+热释光剂量计+后挡材料”的计算模型；计算模型中Mnx的厚度为Thinx,y，后挡材料在M1、M2……Mn中进行选取，后挡材料的原子序数大于Mnx，以0.1Thinx,y为梯度，逐渐增加后挡材料厚度并计算热释光剂量计的实际吸收剂量，当实际吸收剂量与比释动能KTLD之比大于等于0.99小等于1时，即满足带电粒子平衡条件。
3.根据权利要求1所述的热释光剂量计的带电粒子平衡体设计方法，其特征在于：步骤二中，电子束输运模拟软件为CASINO2.0。
4.根据权利要求1所述的热释光剂量计的带电粒子平衡体设计方法，其特征在于：所述输运模拟软件为MCNP或Geant4。
5.根据权利要求1所述的热释光剂量计的带电粒子平衡体设计方法，其特征在于：步骤七中，材料Mn1的前挡厚度等于Thin1,k。
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