γ谱仪点源效率到体源效率的转换方法研究

作     者：李则书 

作者单位：南华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘良军;杨元第

授予年度：2015年

学科分类：082704[工学-辐射防护及环境保护] 08[工学] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：效率转换 全能峰效率 蒙卡模拟 符合相加 HPGe探测器 

摘      要：HPGeγ能谱仪具有能量分辨能力强、稳定性好等突出优点,以此为基础建立的γ能谱分析技术成为最重要的放射性核素分析技术之一,广泛应用于国防、核能、疾控和环保等领域。γ能谱分析技术的核心是确定探测效率,即确定测到的光子数与被分析样品实际发射的光子数之间的关系,一般通过标准源刻度的办法来实现。然而,实际被测样品的情况比标准源复杂得多,两者在介质成分、密度、甚至几何规格等方面都可能不完全一致,而这些差异对探测效率的影响又难以通过实验的办法加以修正。基于飞速发展的计算机技术,采用蒙特卡罗方法,通过对被测量源项与探测器的精确描述,模拟计算被测量核素发射的射线与样品内部介质及探测器的作用过程,从理论上计算探测效率成为研究的热点。借助这种模拟计算方法,对于源项成分的改变、样品介质的差异等情况,蒙特卡罗方法只需要改变少量参数就可实现修正计算,相对于实验方法可以节省大量的经费与时间。但是,蒙特卡罗模拟毕竟是一种计算估计,输入参数的准确性,以及对作用过程描述的准确性,都会对最终计算结果产生影响,因此最终结果的可靠性还必须经过实验的检验。本论文将实验测量与理论计算结合起来,以多种精确度等级最高的、点状的放射源对γ谱仪的效率校准为基础,研究了一种确定γ谱仪体源探测效率的蒙特卡罗计算方法,具体内容如下:精确测量HPGeγ谱仪的点源探测效率。采用241Am、109Cd、134Cs、137Cs、60Co、152Eu和133Ba共7种,分别购至德国PTB和法国LEA,精确性经过中国计量科学研究院的计量标准装置验证的,点状的放射性标准源,活度的扩展不确定度均好于2%(k=2,95%置信度),精确校准HPGeγ能谱,获得点源探测效率。HPGeγ探测器结构及尺寸的精确测量与校正。为精确地描述HPGeγ探测器,本论文研究了CT扫描和高能γ射线(60Co,5000Ci)成像这两种方法,得到了HPGe探测器的几何结构与尺寸,并结合MCNP程序计算标准点源的探测效率,对成像法得到的几何结构与尺寸进行了优化,从而确定了探测器晶体的死层厚度,建立最优化的探测器物理模型。体源探测效率计算模型的建立及修正因素研究。以HPGeγ谱仪测量点状放射源的探测效率为基础,结合探测器物理模型、所研究体源的几何结构及介质成分,研究建立了HPGeγ谱仪测量体源的蒙特卡罗效率计算方法,研究了自吸收、符合相加等影响实验探测效率的因素。用所研究的蒙特卡罗探测效率计算方法,计算了Φ75mm×70mm体源的探测效率,并与该规格高准确度标准源的实验探测效率进行了比较,两者结果在3%以内一致,验证了所建立计算方法的有效性。在本研究基础上,后续工作可针对面状、圆柱状或者马林杯等其他各种几何规格及介质成分的被测样品建模,计算探测效率及相关修正项,最终实现仅依据点源探测效率,通过计算就确定不同几何规格、不同密度的土壤、矿石及灰样等不同介质成分中核素探测效率的目标,为各类样品中γ放射性核素活度的高精度测量提供技术支持,服务于国防、核能、疾控和环保等领域。