【正文】 調(diào)用方式如圖 4． 1。 其執(zhí)行過程如下： 用戶在主程序中首先對一些變量進行必要的初始化和其它一些必 要的操作，然后調(diào)用 EGS4系統(tǒng)子程序 (HATCH)從介質(zhì)數(shù)據(jù)文件中讀 取截面數(shù)據(jù)和必要的參數(shù)，并做必要的處理，最后再調(diào)用 EGS4的粒子 跟蹤程序 (SHOWER)，完成一個或多個粒子歷程的跟蹤。 4． )涉及的物理過程比較全面：包括了電子的軔致輻射、電子對 的湮滅、 Moliere多次散射、碰撞能量損失、 d射線的產(chǎn)生 (Bhabha(e+e一 ) 和 MF ller(e— e一 ))，以及光子的對產(chǎn)生、 康普頓散射、光電效應(yīng)和瑞 利 (Rayleigh)散射。 2． )能量范圍廣泛：帶電粒子的動能范圍從幾十 KeV到幾千 GeV， 光子能量范圍可從 1KeV到幾千 GeV。由于其應(yīng)用靈活性和通用性而被廣泛應(yīng)用于高能物理、低 能物理和醫(yī)學物理。 哈爾濱工程火學碩士學 位論文 1 EGS程序 EGS程序是 1985年由美國斯坦福直線加速器中心 (SLAC)、 R本 高能物理國家實驗室 (KEK)和加拿大國家研究所 (NRCC)聯(lián)合推出了 一套模擬電子和光子在物質(zhì)中輸運過程的通用 Mc計算程序系統(tǒng) EGS4 (Electron— Gamma— shower， Versi015 4)，并在 1986年發(fā)表。 4． 1． 1計算程序 為了達到數(shù)值仿真代替實驗，本文利用了 MCNP一 4A程序和 EGSnrc 程序?qū)Σ煌墓ぷ鳉怏w，不同的壁材進行了模擬方針。如果沒有相關(guān)的圖表，則需要通過實驗確定其相關(guān)的曲線，這 樣就使得對于某一探測器的設(shè)計投入得太大了。而電離室靈敏度及其能量響應(yīng)則主要是由電離室的 工作氣體及電離室的壁材決定的。電離室的靈敏度以單位強度的射線輻照下 輸出的電離電流來量度的。 4． 1高氣壓電離室探頭的設(shè)計 高氣壓電離室探頭 的設(shè)計主要有以下的設(shè)計內(nèi)容： 1．高氣壓電離 室的形狀確定 2．氣體選擇 3．氣壓選擇 4．壁材料選擇 5．壁厚確 定 6．探頭大小的確定 7．高氣壓電離室的機械結(jié)構(gòu)等。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 第 4章高氣壓電離窒的設(shè)計 高氣壓電離室由探頭和放大電路兩部分組成。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 從這幾種探測器的優(yōu)缺點比較，結(jié)合環(huán)境 T射線輻射場的特點本 文選定電離室探測 器作為設(shè)計的原型，并通過提高電離室的氣壓以增 大電離室產(chǎn)生的電流使其能更好的對環(huán)境 T射線輻射場進行監(jiān)測。再 有是溫度對光電倍增管的影響很大，因為幾乎所有光電倍增管都或多 或少含有過量堿金屬，當溫度超過一定值時將發(fā)生重新沉積，而使管 子暗電流增加，穩(wěn)定性變壞、靈敏度降低。再有 是光電倍增管對閃爍體探測器探測器也有很大的影響，供給光電倍 增 管的高壓電源，從陰極至陽極必須是遞增的，否則影響光電倍增管的 放大特性。溫度每變化 1℃時，在 一40一一 10℃之間發(fā)光效率變化 1％，在一 10一 0℃之間為 (0． 5一 O． 7)％， 在 O一 10℃之間為 0． 3％， 20一 50℃之間可以忽略， 50— 120℃之間為 一 0． 2％。但是 NaI(T1)閃爍體發(fā)光效率對 T射線的能量響應(yīng)不是很理 想，當 T射線的能量小于 150KEY時 NaI(T1)的能 量響應(yīng)較大，而當 當 T射線的能量小于 150KEY時 NaI(T1)的能量響應(yīng)才比較接近線性。而且產(chǎn)生的光譜能跟光電倍 增管很好的配合。 NaI(T1)閃爍體的主要優(yōu)點是密廢 大，原于序數(shù)高，對 T射線的阻止本領(lǐng)大，因而探測效率高。 對于閃爍體探測器，它對環(huán)境 T射線場的探測很大程度上由探 頭 的成分及光電倍增管的性能所決定。由于在蓋革一彌勒區(qū)工作需要在單位距離 上產(chǎn)生很大的電壓差，所以這一類的探測器基本上都是管狀且直徑不 會很大，使得探測器的靈敏體積較小。但是蓋革一彌勒計數(shù)管工作于蓋革一彌勒區(qū)，要求的電壓比較高， 同時這一區(qū)的坪長短，坪斜大，所以要求高壓電源穩(wěn)定性好，在這區(qū) 域會形成 j下離子鞘，電場減弱，使得在電場恢復之前即使有入射粒子 射入，也不會形成雪崩再生，造成漏計數(shù)。 蓋革一彌勒計數(shù)管的結(jié)構(gòu)非常簡單因而制作簡單，造價便宜。但是電離室不對所產(chǎn)生的電流放大，所以產(chǎn)生的電流非常 弱，一般需要靈敏的 電流計才能測出，這樣對后續(xù)的放大電路要求比 較嚴格。電離室 的結(jié)構(gòu)簡單、牢靠，幾何形狀可做成各種各樣，對于環(huán)境 T射線場可 以把電離室做成球形，這樣對可以使得探測器的角響應(yīng)比較好。則至 q達第一倍增極的光電子數(shù) n’電子為； 以電于 =胛 光子 10光電 K2 (320) (5)光電子經(jīng)各倍增極倍增，最后被陽極收集形成電脈沖。設(shè)閃爍體的透明度 為 T(定義為物質(zhì)對光不吸收的概率 )，光陰極的收集因子為 G(G又稱 為收集效率 )，則到達光陰極的光子數(shù)目 n纛 +為 ” 0； =咒 *旱 TG (3— 18) (4)光陰極將光子轉(zhuǎn)換為光電子。 (2)受激的或者電離后又復合而處在激發(fā)態(tài)的原子和分子在退激 過程中大部分發(fā)射光子，這是對探測有用的，另一部分不發(fā)射光子， 而是將能量轉(zhuǎn)化為晶格震動或熱運動的動能，這部分能量對探測沒有 用。閃爍探測器的工作過程，也就是入 射拉子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭娒}沖的過程。結(jié)構(gòu)如圖 3． 9 哈爾濱工程大學碩士學位論文 r I i I ： 1 b l一反射層 2一閃爍體 3一硅油 4一光導 5一光電倍增管 6一分壓器 7一電信 號記錄儀器 8～高壓電源 圖 3． 9閃爍體探測器組成示意圖 2．閃爍體探測器的工作原理 閃爍體探測器的工作原理為：核輻射進入閃爍體中，使原子 (或分 子 )激發(fā)，受激原子在退激過程中發(fā)光。 閃爍體探測器的主要組成部分有閃爍體、光學收集系統(tǒng)、光電倍 增管 (或其他光電器件 )以及給電倍增管各電極供電的分壓器。 3． 2． 2閃爍體探測器 1．閃爍體探測器的構(gòu)成 閃爍體探測器是利用某些物質(zhì)在核輻射的作用下會發(fā)光的特性探 測核輻射的，這些物質(zhì)稱為熒光物質(zhì)或閃爍體。絲的端部外罩有玻璃套 管，確定了計數(shù)管的靈敏體積。其結(jié) 構(gòu)如圖 3． 8。有機管的坪長一般 在 200— 300V之間，坪斜 (5一 10)％／ lOOV。 Ⅳ由于淬滅不完全，在入射粒子產(chǎn)生的脈沖過后出現(xiàn)假脈沖的幾 率隨工作電壓增大而加大。 11分辨時間由正離子的整個漂移時間決定，約 100— 300“ S。 因此，管內(nèi)所含的溴分子雖少，但其壽命卻比有機管長得多。溴離子在陰極表面上的作用也是發(fā)生離解而不會打出 電于。 Br。 Ne的電離電位為 21． 6eV，它在 16． 5eV處有一亞穩(wěn)態(tài)，因此在電離過 程中有相當一部分氖處于亞穩(wěn)態(tài)，而 Br。 b鹵素淬滅機制 與有機淬滅機制基本相同，兩者之間只略有差 異。激發(fā)能通過自身離解而放出。最后到達陰極的實際上都是酒精離子。這些光子 又被酒精分子強烈地吸收。如酒精 是 11． 3eV，而主要氣體氬為 15． 8eV。 充酒精、石油醚的稱為 有機淬滅計數(shù)管；充溴、氯等鹵素氣體的 稱為鹵素淬滅計數(shù)管。這種蓋革 一彌勒計數(shù)管稱為非自淬滅計數(shù)管，現(xiàn)已不再使用。淬滅有兩種：外電路淬滅與自淬滅。 (2) 淬滅 為防止計數(shù)管內(nèi)連續(xù)放電，必須消除正離子 鞘電荷被收 集時撞擊陰極表面發(fā)射的二次電子所引起的再次放電。幅度相同 而與入射粒子的種類、能量、初電離地點無關(guān)。對蓋革一彌勒計數(shù)管，脈沖主要是正離予運動 的結(jié)果，其大小取決于正離子鞘的總電荷，而基本上與初電離無關(guān)。由 于陽極絲附近的正、負離子對中的電子，很快地漂移到陽極而留下大 量正離子，它們包圍著陽極絲，形成一個 “正離子鞘”，使陽極周圍 的電場強度減弱，氣體放大倍數(shù)減小，最終使光子一光電子增殖終止。 充有純氣體的外淬滅的計數(shù)管中，光電子主要由計數(shù)管壁放出。由于光子可以向各個方向發(fā)射，因此氣體放大 不像正比計數(shù)管那樣只局限在初電離所限定的小范圍內(nèi)，而是在氣體 內(nèi)或陰極上到處產(chǎn)生光電子，使離子增殖沿陽極絲方向擴展，以致整 個陽極絲附近都會產(chǎn)生正負離子對。這些光電 子經(jīng)電場加速又會引起新的增殖。當全 部雪崩電子到達計數(shù)器絲極后，初級湯遜雪崩過程終止。因 此電離一旦開始，電子便很快地增殖。 (1) 放電 蓋革一彌勒計數(shù)管的放電機制由兩種增殖過程組成： ①電子增殖 電離粒子在計數(shù)管內(nèi)生成的電子在電場作用下朝收 集電極運動，一方面被電場加速 ，另一方面在加速過程中經(jīng)受多次碰 哈爾濱工程大學碩士學位論文 撞。蓋革一彌勒區(qū)是氣體放大系數(shù)遠大于 1，脈沖幅度實際上與單次 電離事件在靈敏體積內(nèi)生成的初電離無關(guān)的計數(shù)管的電壓區(qū)間“ 。蘭與 (316) D— a X一 式中：路一一電極間的電壓 儼一集電極 (陽極 )半徑 卜一高壓極 (陰極 )半徑 r一所求的電場強度點距電離室中心的距離。 只是球形電離室 的兩個電極都是球形。中 心收集極一般是一個圓棒或者是一根較細的絲，也有做成圓筒的。一一每秒鐘進入電離室的粒子數(shù) 肛一每個粒子消耗的平均能量 r廠一產(chǎn)生一對離于所需的能量 用于環(huán)境 T射線測量的電離室通常是柱形或是球形的。 在收集極上收集到的飽和電流值為 Is Is=eI％ Nob， Y， z腳 =NoP=心蘭 P． F (3～ 14) 。這類電離室不是記錄單個粒子的電離在 收集電極上感應(yīng)的電荷，而是測量大量粒子的總電離。對于用于環(huán)境 T場測量的電離室， 通常我們關(guān)心的是環(huán)境的輻射劑量水平，所以一般用于環(huán)境 T射線探 測的電離室都是電流電離室““。電離室內(nèi)由入射帶電粒 子產(chǎn)生的離子被電極全部收收集而且既無離子 復合，也無氣體放大作 用。 綜上所述不同工作區(qū)域的探測器，電離粒子與氣體分子作用機制 不同，輸出信號的性質(zhì)也不同；從而，可將它們分為電離室、正比計 數(shù)器、蓋革一彌勒計數(shù)器及連續(xù)放電型探測器等四類不同的氣體電離 探測器。這就是氣體連續(xù)放電區(qū)。蓋革一彌勒計數(shù)管工作于這一區(qū) 間。初電離僅起“點火” 哈爾濱工程大學碩士學位論文 I||目日 _ii|目 j_i|i|目 i‘ tIi|ii_； _i|_目 _iIii_目 _|_目 |_____i_目 _11_ 作用。此時，電極收集到的電離 (電荷 )數(shù)再一次飽 和，且與電壓 V關(guān)系不大，與初總電離數(shù) N。 IIIb區(qū)稱為有限正比區(qū)。收集到的電離數(shù) N，不再與初總電離 N。該效應(yīng)使氣體放大倍數(shù) M不恒定，而與初總 電離 N。它 們所產(chǎn)生的電場部分地抵消了外加電場限制了次級電離的增長。正比計數(shù)器、多絲正比室和漂移室工作于這一 區(qū)間內(nèi)。因此電極上收集到的總電離 (電荷 )數(shù) N，正比于初總電離 N。其氣體放 大倍數(shù)為： M：旦 (313) No 外加電壓 V越高， M越大。如此不斷地繼續(xù)下去， 使電離 的離子對數(shù)目增長很快。在 III區(qū)內(nèi)，外電場很強，初電離電子 的能量已經(jīng)能使氣體分子電離，產(chǎn)生次級離子對。氣體內(nèi)出現(xiàn)氣體放大過程。電離室工作于此區(qū)間內(nèi)”“。全部被收集，達到飽和，而 且在電壓范圍在 Va— Vb 內(nèi)，被收集的電荷數(shù)基本上保持不變。 II．飽和區(qū) 外加電壓達到某一定值 Vb時，復合效應(yīng)基本消失。 z鼎靛怍置【 104 1伊 么 Ntl 0巧 ％ 250 500 750 1000 電壓 (V) 圖 3． 5收集的電荷數(shù)與外加電壓的關(guān)系 以下是對各個特性區(qū)的介紹： 哈爾濱工程大學碩十學位論文 I．復合區(qū) 外加電壓 va很小時，離子漂移速度很小，擴散和復 合效應(yīng)起主要作用。 1012 羞革一彌勒區(qū) (盞革一彌勒計數(shù)管 ) ， 一～。 3． )外加電場與電離粒子的收集 假定在探測器氣體空間形成 No個離子對，在外加電壓 v的作用下， 這些電子和正離子分別向正、負電極漂移而被電極所收集。電子被吸附形成負離子之后，漂移 速度大大減慢，復合幾率增加幾個數(shù)量級。 這個過程稱之為離子復合”“。電子與氣體分子碰撞時，可能被吸附而形成負離子， 即產(chǎn)生電子吸附效應(yīng)。 。 二掰 U2=卵蘭燈 (3— 12) 2 ‘ 3 式中： k一一玻爾茲曼常數(shù) T一一氣體的絕對溫度 (3)復合 可分為電子復合與離子復合兩種情形。宏觀上表現(xiàn)為它們沿 (或反 )外加電場方向 上具有一定的平均速度 W稱為漂移速度。 2． )電子和離子的運動 電子和離子的 運動包括以下幾方面內(nèi)容： (1)擴散 電子和正離子從密度大的區(qū)域向密度小的區(qū)域擴散。 (3)亞穩(wěn)原子 某些受激原子處于禁戒的激發(fā)態(tài)，而不能自發(fā)地 退回基態(tài)，其壽命一般約為 lO～一 10 4S稱為亞穩(wěn)原子。