G(E)函数法的蒙特卡罗计算.docVIP

G(E)函数法的蒙特卡罗计算 三所 王瑞俊 摘要： G(E)函数法是一种通过软件变化来调整仪器能量响应的方法，可以直接从脉冲幅度谱得出剂量率。文中对一箱航测用NaI探测器进行了地面实验和EGS4模拟计算，地面实验测得了137Cs源和60Co源的能谱，作为EGS4模拟谱的对照，EGS4计算了225个能谱，用这些能谱作为标准谱计算出了该探测器的G(E)函数。 关键词：航测，G(E)函数，EGS4 1、前言 航空测量具有快速、有效、覆盖面大的特点，航空测量辐射场的剂量使用不同的仪器有不同的方法。但由于测量仪器中的探测介质与射线作用时的截面与给定的剂量学参考介质对该射线的作用截面不同，以及探头结构上的一些原因（如外壁厚度、几何形状与尺寸等），使仪器响应随能量而改变，特别是在低能时变化较大。为了改善测量仪器的能量响应，人们开发出了一种通过软件变化来调整仪器能量响应的方法，即先直接测出辐射的物理特性（如能谱、注量等），然后计算出所定义的剂量值，这种方法可以避开探头的物理结构以及复杂的解谱过程而直接从脉冲幅度谱得出剂量率，我们称为G(E)函数法【1，5】。 2、实验 2.1 实验条件 在本项目中是利用地面实验来模拟航空测量，选择一平坦开阔地面，可以用地面实验来完成空气散射、高度衰减、能量响应对能谱影响的测试。实验场地是一平坦的足球场，地表为草地。实验使用的探测器是一箱NaI(Tl)探测器，由五条NaI(Tl)晶体组成，每条晶体可以单独输出信号。实验布置见图1。 图1 实验布置图 2.2 实验结果 137Cs源在距离探测器50米、70米、100米三个不同距离时所测能谱如图2所示。 图2 137Cs源三个不同距离的能谱 3、模拟计算 3.1 EGS4软件包简介 EGS4软件包是光子——电子在任意几何中耦合输运的蒙特卡罗模拟的通用软件包，由美国Stanford Linear AcceleratorCentor编制。它可以模拟光子、电子在任意元素、化合物和混合物中的辐射迁移。其中的数据程序由PEGS4完成，PEGS4使用1——100个元素的截面表建立EGS4程序需要的数据。带电粒子的能量范围从几十个keV到几千个GeV，光子能量范围从1keV到几千个GeV。输运过程考虑到了光电效应、康谱顿效应、电子对效应、库仑散射、韧致辐射、正电子的飞行湮没和静止湮没等物理过程。用户可以自己定义输出信息，使用重要抽样、主粒子偏倚、轨迹长度偏倚、俄国轮盘赌等减小方差技巧。 3.2 模拟计算 模拟计算时，需要准确描述探测器的介质和几何形状，探测器介质描述由程序PEGS4完成，并生成EGS4需要的介质数据。几何形状和输出信息由用户在EGS4主程序中定义，最终用EGS4软件包计算了1米、2米、5米、10米、20米、30米、40米、50米、60米、70米、80米、90米、100米、110米、120米等15个不同距离的能谱，每个距离计算了0.04MeV、0.06 MeV、0.1 MeV、0.15 MeV、0.2 MeV、0.3 MeV、0.45 MeV、0.6 MeV、0.661661 MeV、0.8 MeV、1 MeV、1.5 MeV、2 MeV、2.5 MeV、3 MeV等15个不同能量的能谱，共计算了225个能谱。为了提高抽样效率减少模拟计算时间，在距离较远时，将源的抽样限制在一锥角内，最后再折算为4π发射角的值。 3.2.1 高斯展宽 实验中，多道谱仪测得的能谱由于统计涨落和电子学线路等的影响，都是有一定宽度的峰，而在EGS4计算中，并没有考虑到这些因素的影响，但G函数是要应用于实测谱转化为剂量的计算，所以，我们必须对EGS4模拟出的能谱进行高斯展宽。 设第I道的计数为Ni，根据高斯分布的密度函数： （3.2-1） 其中，xi为道址，1≤xi≤Nmax，Nmax为最高道址。 μ＝I，为当前被展宽道的道址。 故只需求得σ值，便可以对I道进行展宽。 （3.2-2） 将3.2-1代入3.2-2中，可解出σ值。则第I道展宽后，各道计数nj为： (3.2-3) EGS4计算结果进行高斯展宽后与实验结果比较如图3所示。 图3 EGS4计算结果与实验结果比较 由以上结果可以看出，高斯展宽后的模拟结果在全能峰部分与实验符合的很好，在反散射峰和康谱顿坪边缘误差较大，这可能是因为在实验中地面和支架产生的反散射在模拟计算中没有被很好的考虑到。 3.2.2 谱的转化 航空测量得到的是空中的能谱，而在计算剂量时，是给出地面1米处的剂量，所以需要将空中的能谱转化为地面1米处的能谱。将不同距离的能谱转化为1米处的能谱，这与距离和能量两个因素有关，能量用道来表示，对于同一道计数，转化系数就只与距离有