【正文】 NP4C建立光子運輸模型。標題卡只占一行，整行都可填入用戶需要的信息，也可以是空行。 空行分隔符 其它 選擇項 接續(xù)運行的輸入文件： 信息塊 選擇項 空行分隔符 CONTINUE 寫在第 1～ 8列 數(shù)據(jù)卡 ? 只允許部分數(shù)據(jù)卡。 OUTP是 MCNP的主要輸出文件，其它輸出文件還有轉(zhuǎn)儲文件 RUNTPE、運行信息文件 OUTPUT等。 （ 8）文件 OUTP中給用戶提供豐富的信息，包括輸入列表、使用的截面表、粒子生成和丟失表、柵元中的粒子活動情況、中子誘發(fā)光子表、記數(shù)和記數(shù)漲落表等，還可以根據(jù)用戶要求給出其它信息。程序能比較精細地模擬中子和光子輸運過程，并對一些特定的物理過程允許用戶選擇使用哪種方式進行處理，如對熱中子處理可選用自由氣體模型或 S(α,β) 模型，對低能光子處理可以考慮或忽略相干散射等。 （ 3）可以非常方便地在任何位置指定體源、面源、線源或點源，設(shè)置源粒子位置、能量、時間、飛行方向等參數(shù)的分布。程序包中攜帶了大量的核反應(yīng)數(shù)據(jù)庫文件，具有很強的通用性，主要體現(xiàn)在： （ 1）任意三維幾何結(jié)構(gòu)的問題。結(jié)構(gòu)計數(shù)器和常規(guī)源都可使用。對于中子，在詳細的交叉截面估算中考慮到了其所有的反應(yīng)。 表 2 程序中物理量和單位規(guī)定 物理量 單位 長度 Cm 東華理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 蒙特卡洛方法 17 能量 MeV 時間 Shake， =108sec 溫度 MeV(kT) 原子密度 atoms/barncm 質(zhì)量密度 g/cm3 截面 barns(1024cm2) 加熱量 MeV/collision 此外，原子質(zhì)量按中子質(zhì)量為 ，這種單位下阿伏伽德羅常數(shù)是， 程序運行時間以分鐘為單位。其能用在幾種輸運模式中：唯中子，唯光子，唯電子，中子 /由中子產(chǎn)生的光子，中子 /光子 /電子，光子 /電子，或者電子 /光子輸運。 準隨機數(shù)由數(shù)學方法產(chǎn)生的優(yōu)化數(shù)列，分布高度均勻但不相互獨 立，應(yīng)用有限。由具有己知分布的總體中產(chǎn)生簡單子樣，就是由簡單子樣中若干個性近似地反映總體的共性。 隨機數(shù)的產(chǎn)生 隨機數(shù)的定義：隨機數(shù)是實現(xiàn)由已知分布抽樣的基本量，在由已知分布的抽樣過程中，將隨機數(shù)作為已知量，用適當?shù)臄?shù)學方法可以由它產(chǎn)生具有任意已知分布的簡單子樣。由此可見，隨機數(shù)是我們實現(xiàn)蒙特卡羅模擬的基本工具。在計算機上可以用物理方法直接產(chǎn)生隨機數(shù)，但是價格昂貴，不能重復(fù)，使用不便。 （ 2） 有了明確的概率過程后，為了實現(xiàn)過程的數(shù)字模擬，必須實現(xiàn)從已知概率分布的隨機數(shù)的抽樣。這就是蒙特卡羅方法的基本思想。 蒙特卡羅方法的優(yōu)點：能夠比較逼真地描述具有隨機性質(zhì)的事物的特點及物理實驗過程；受幾何條件限制?。皇諗克俣扰c問題的維數(shù)無關(guān)；具有同時計算多個方案與多個未知量的能力；誤差容易確定；程序結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。 圖 233 溴化鑭探測器固有本底譜模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果 東華理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 蒙特卡洛方法 15 3 蒙特卡洛方法 蒙特卡洛方法簡介 蒙特卡羅方法 (Monte Carlo 方法 )，又稱隨機抽樣技巧或統(tǒng)計試驗方法，以概率統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)，具有獨特風格的一種數(shù)值計算方法，它既能求解確定性的數(shù)學問題和隨機性問題，也能夠較逼真地描述事物的特點及物理實驗過程，解決一些數(shù)值方法難以解決的問題，因而該方法的應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛。模擬計算是測量 1 h 的結(jié)果，實測時間也是 1 h。其 固有 本底譜主要來自 138La 的 789 keV 和 1436 keV 兩個 γ 躍遷，低能 X 射線主要來自 138La衰變子核 138Ba。 MC模擬計算得到的能譜見圖 231。每個 γ 光子在溴化鑭閃爍晶體中產(chǎn)生的光子數(shù)、光電倍增管的倍增系數(shù)以及第一打拿極收集到的電子數(shù)都是隨機的，電子學系統(tǒng)的噪聲也是隨機的， MC法不能計算這些隨機效應(yīng)，故需實驗結(jié)合模擬的方法。本文是在晶體、包裝材料等相同尺寸條件下，采用各向同性的點源，模擬計算比較 LaBr3:Ce晶體和 NaI(Tl)晶體的峰總比。由下式表示： insp ??? R? （ 29） 本文主要涉及源探測效率或稱絕對探測效率問題和絕對峰探測效率或稱源峰探測效率，其它方面的探測效率占不考慮。 （ 2）本征峰效率 inp? 。一個是探測器效率，它是指探測器計數(shù)與入射在探測器靈敏體積上粒子數(shù)之比；另一個是探測效率，它是指探測器計數(shù)與源所發(fā)射的粒子數(shù)之比。這是因為，散射及其它干擾輻射的脈沖較小，因而就不會影響到全能峰的計數(shù)。這是因為在一般的測量條件下， n 的測量很難準確，它受很多因素的影響。 探測效率 單個粒子 (γ 光子 )射到探測器的靈敏體積內(nèi)就有可能形成一個可以記錄的信號，形成信號的概率就是探測效率。例如對 NaI(Tl),τ 0≈ s。 發(fā)光時間和發(fā)光衰減時間 閃爍發(fā)光時間包括閃爍 脈沖的上升時間和衰減時間兩部分。它是使用一種核輻射在不同閃爍體中損失相同的能量，測量它們的相對脈沖輸出幅度或電流進行比較。 （ 2） 絕對閃爍效率 它就是能量轉(zhuǎn)換效率，表示在一次閃爍中，產(chǎn)生的閃爍光子總能量與核輻射損耗在閃爍體中的總能量之比； phnp EC E? （ 22） 腳標 np 表示由核能轉(zhuǎn)換為光能。 （ 1） 光能產(chǎn)額 它定義為核輻射在閃爍體中損失單位能量閃爍發(fā)射的光子數(shù)。圖 223 為幾種典型閃爍體發(fā)射光譜曲線。在有機液體溶劑（如甲苯、二甲苯）溶入中少量發(fā)光物質(zhì)（如對聯(lián)三苯），稱第一發(fā)光物質(zhì)，另外再溶入一些 光譜波長轉(zhuǎn)換劑（如 POPO化合物）稱為第二發(fā)光物質(zhì)，組成有閃爍體性能的液體。 另一類是有機閃爍體。通常是含有少量雜質(zhì)（稱為“激活劑”）的無機鹽晶體，常用的有碘化鈉（鉈激活）單晶體，即 NaI(Tl)。所以人們把這種器件稱為光電倍增管。它是由光陰極、若干個打拿極和一個陽極組成。當射線（例如γ）進入閃爍體的時候，在某一地點產(chǎn)生次級電子，它使閃爍 體分子電離和激發(fā)，退激時發(fā)出大量的光子。 閃爍探測器 概述 閃爍探測器的基本組成部分和工作過程。 半導(dǎo)體探測器的主要缺點： （ 1） 對輻射損傷比較靈敏，受強輻照后性能變差。它的工作原理類似于氣體電離室，而探測器介質(zhì)是半導(dǎo)體材料。探測器的技術(shù)也仍在不斷 地發(fā)展，特別是在 70 年代以來，在高能物理和重離子物理的實驗中又獲得新的應(yīng)用。 氣體探測器：電離室、正比計數(shù)器和蓋革 — 彌勒（ G— M）計數(shù)器稱為氣體探測器。質(zhì)量衰減系數(shù)只涉及到物質(zhì)中不帶電入射粒子的數(shù)目的減少，并不涉及進一步的物理過程。實驗證明 γ 射線強度和穿過吸收物質(zhì)的厚度服從指數(shù)規(guī)律 00r Nd dI I e I e? ?? ??? （ 11） 式 中 ： I0、 I 分別是穿過物質(zhì)前、后的 γ 射線強度， d 是 γ 射線穿過的物質(zhì)的厚度， σr 是光電、康普頓、電子對三種效應(yīng)截面之和， N 是吸收物質(zhì)單位體積中的原子數(shù)， μ 是物質(zhì)的總線性衰減系數(shù)（ μ=σrN ，單位為 cm1）。γ射線穿透物質(zhì)的本領(lǐng)比α、β粒子的穿透本領(lǐng)打的多。 東華理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） γ 射線與物質(zhì)的相互作用 6 γ射線的吸收 有上面的內(nèi)容我們可以知道，當γ光子穿過物質(zhì)時，與吸收物質(zhì)的原子一旦發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)，原來的能量為 hv 的光子就會消失，或散射后能量改變掉，并偏離原來的方向，即從原來的 γ束中移去。入射光子的能量和動量就是由反沖電子和散射光子兩者之間進行分配。光電效應(yīng)發(fā)生在束縛得最緊的內(nèi)層電子上；康普頓效應(yīng)總是發(fā)生在束縛的最松的外層電子上。 康普頓效應(yīng) 康普頓效應(yīng)是入射γ光子與原子的核外電子之間發(fā)生的非彈性碰撞過程。兩個殼層的結(jié)合能之差，就是躍遷時釋放出來的能量，這種能量將以特征 X射線的形式釋放出來。光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子叫光電子，這個過程如下圖 a） 所示。 （ 2）光致核反應(yīng) 大于一定能量的γ光子與物質(zhì)原子的原子核作用，能發(fā)射出粒子。 除了上述三種主要相互作用方式以外，其它一些相互作用方式有 : （ 1） 想干散射 低能光子（ hvm0c2） 與束縛電子之間的彈性碰撞，而靶原子保持它的初始狀態(tài)。 γ射線與物質(zhì)相互作用，可以有許多種方式。 γ射線與物質(zhì)的相互作用和帶點粒子與物質(zhì)的相互作用有著顯著的不同。蒙特卡羅方法由于其簡單性、靈活性和普遍性在而獲得廣泛應(yīng)用。蒙特卡羅方法又名隨機模擬法或統(tǒng)計試驗法，它是一種具有獨特風格的數(shù)值計算方法，它既能求解確定性的數(shù)學問題，也能求解隨機性問題。目前市場上出現(xiàn)了 (3inch3inch)LaBr3380 型號的探測器， LaBr3380 采用的是 5%Ce參雜 的 LaBr3晶體。在探測高能量 γ 射線時效率更高，該探測器還具有其它優(yōu)點，比如高閃爍光輸出同時短衰減時間。 本文中將涉及到兩種閃爍晶體： NaI(TI)晶體和 LaBr3:Ce晶體。 以鈰離子 Ce3+激活的 LaBr3(溴化鑭 )晶體 LaBr3:Ce3+是近年來發(fā)展起來的一種新型無機閃爍晶體。 （ 2）有機液體閃爍體。此外，近年來還開發(fā)了不摻雜質(zhì)的純晶體，如溴化鑭（ LaBr3）；鍺酸鉍（簡稱 BGO）；鎢酸鎘（ CdWO4，簡稱 CWO）和氟化鋇（ Ba2）等。閃爍體的種類按其化學性質(zhì)可以分為兩大類： 一類是無機晶體閃爍體。最初生長的 LaBr3:Ce3+晶體尺寸較小 ,最近幾年 ,隨著較大尺寸晶體的成功生長 ,晶體的商業(yè)化使用成為現(xiàn)實。 由于溴化鑭晶體具有良好的時間特性 ， 使之可能廣泛運用于核物理飛行時間譜學、核醫(yī)學儀器以及眾多核業(yè)儀表中。總體上，衡量閃爍晶體的主要指標有密度、光產(chǎn)額、衰減時間、能量分辨率等幾個方面，不同的領(lǐng)域?qū)﹂W爍晶體的性能要求不盡相同，并隨之產(chǎn)生了種類眾多的閃爍體材料。另 一種是玻璃體，如鈰激活鋰玻璃 (Ce)。例如蒽、萘、對聯(lián)三苯等有機晶體。他是在有機液體苯乙烯中加入第一發(fā)光物質(zhì)對聯(lián)三苯和第二發(fā)光物質(zhì) —— POPO 后，聚合成的塑料。最初生長的 LaBr3:Ce3+晶體尺寸較小 ,最近幾年 ,隨著較大尺寸晶體的成功生長 ,晶體的商業(yè)化使用成為現(xiàn)實。 LaBr3:Ce 溴化鑭探測器是近年來出現(xiàn)的新型閃爍體探測器，這種新型探測器比 NaI(Tl)探測器具有更高的能量分辨率，其能量分辨率接近于 CZT 探測器，又因其大體積而有高探測效率，在能量為 662keV 時的能量分辨率大約為 3%。 表 1 LaBr3:Ce(5%)與 NaI(Tl)閃爍 體的性能比較 性能參數(shù) LaBr3:Ce(5%) NaI(Tl) 密度 (g/cm3) 閃爍衰減時間 (ns) 16 250 光輸出 (光子 /MeV) 63,000 38,000 有效原子序數(shù) 50 能量分辨率 (662keV) 3% 7% 最強發(fā)射波長 (nm) 380 415 隨著 Ce 參雜和晶體生長技術(shù)的發(fā)展，幾百 cm3的 5%Ce 參雜的溴化瀾晶體已經(jīng)被生長出來。 由于沒有可用的 LaBr3:Ce 探測器，只有借助于蒙特卡羅模擬計算 NaI(Tl)晶體和LaBr3:Ce 晶體的峰總比值進行比較，進一步在理論上研究 LaBr3:Ce 探測器的探測效率。由于蒙特卡羅方法能夠比較逼真地描述事物的特點及物理實驗過程，解決一些數(shù)值方法難以解決的問題，因而該方法的應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛。電磁輻射與物質(zhì)相互作用的機制，與這些電磁輻射的起源是無關(guān)的，只與它們的能量有關(guān)，所以我們這里討論的γ射線與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，對其它來源產(chǎn)生的電磁輻射也是適用的。而γ光子與物質(zhì)原子相互作用時，發(fā)生一次相互作用就導(dǎo)致?lián)p失其大部或者全部能量（大能量轉(zhuǎn)移），光子不是完全消失就是大角度散射。 （ 3） 電子對效應(yīng)γ光子與靶物質(zhì)原子的原子核庫倫作用，光子轉(zhuǎn)化為正 —負電子對。當光子能量高（ hv m0c2），靶物質(zhì)原子序數(shù)小時，這種相干散射與康普頓散射相比，可以忽略。 東華理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） γ 射線與物質(zhì)的相互作用 4 光電效應(yīng) γ光子與靶物質(zhì)的束縛電子作用時，光子把全部能量轉(zhuǎn)移給某個束縛電子，使之發(fā)射出去，而光子本身消失掉，這種過 程稱光電效應(yīng)。一種過程是外層電子向內(nèi)層躍遷，來填補這個空位，使原子恢復(fù)到較低的能量狀態(tài)。這些俄歇電子和特征 X射線再與靶物質(zhì)原子發(fā)生作用。光電效應(yīng)中光子本身消失，能量完全轉(zhuǎn)移給電子；康普頓效應(yīng)中光子只是損失 掉一部分能量。這樣康普頓效應(yīng)就可以認為是γ光子與處于靜止狀態(tài)的自由電子之間的彈性碰撞。不過電子質(zhì)量小，反沖能量大，所以產(chǎn)生電子對的最低入射光子能量至少是 4m0