【正文】 4 鼎o．3蜜oz00把空氣 作為電離室的介質(zhì)比前兩種氣體較差一些。3． 甲烷的能量響應(yīng)42哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文再更換模型中所充的氣體，使所充的氣體為甲烷，則得到如圖4．7 的曲線。酒 接 罌 咖l吲 m 鋤0 200 400 600 800 1000 1200T射線能量(KeY)圖4．6空氣能量響應(yīng)幽空氣在lOlOOKer的能級的T射線照射下，電子的產(chǎn)出經(jīng)歷了一 個陡峭的下降過程，在100—200KEY這個區(qū)蚓電子的產(chǎn)出有一定坡度的 增長：而在200—500KeV的區(qū)間中，電子的產(chǎn)出比前兩階段的變化較為 緩慢；在500一1000KeV的區(qū)間中電子的產(chǎn)出比較平緩。1． 氯氣的能量響應(yīng) 以下是氬氣的能量響應(yīng)模擬結(jié)果，從圖4．5上可看出氬氣對于200KEY以下的T射線有較高的電子產(chǎn)出，而對于200—1000KeV之間 的T射線氬氣的電子產(chǎn)出比較平緩，從這樣的曲線可看出氬氣對于作 為電離室所充的氣體應(yīng)該是可以的。為了對氣體的能量響應(yīng)作出模擬，本文采用MCNP中建立一個半徑 為1 5厘米的面源，面源產(chǎn)生不同能級的單能T射線，并通過這些不 同的單能T射線對一個半徑為12．5厘米的球形空間照射，球形空間 中充10大氣壓的氣體。我們只能得出在 一定的T射線輻照該種氣體所產(chǎn)生的電子數(shù)，從這個側(cè)面來判斷該氣 體的能量響應(yīng)特性。但是如果只是通過做實(shí)驗(yàn)的方法來尋找合 適的氣體將會比較耗費(fèi)人力物力還有時(shí)間，因此本文通過MCNP一4A程哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文序?qū)Σ煌臍怏w在T射線輻照下進(jìn)行模擬，比較不同氣體的性能。對于電流型電離室理想的能量響應(yīng)是一條平行的直線，但 是在現(xiàn)實(shí)中基本上做不出這樣的電離室。因此本文選取球形電離室作為設(shè)計(jì)對象。球殼所收的應(yīng)力盯，=％=pD／4t (43)通過應(yīng)力的分析，可得出，在相同P、D、t的情況下，柱形電離 室的環(huán)向應(yīng)力比較大，這樣對于充入高壓氣體后可能由于所受的應(yīng)力 太大而需要加大壁的厚度，這樣將會使由于壁材對環(huán)境T射線的阻擋 加大，不利于探測。“。由此可見，對于角響應(yīng)，球形 電離室優(yōu)于柱形電離室。的變化情況一致)，從而得出柱形電離室在這一變化方向上的角響應(yīng)情況。一900變化(由于柱形電離室的對稱性，從900一180。一 模型如圖4．2。通過EGSnrc程序建立的一。1角響應(yīng)分析高氣壓電離室通常是柱形或是平板形，但是考慮到環(huán)境的T輻射 場的特性，環(huán)境T射線是各個方向都有的，而柱形的高氣壓電離室在 測量這樣的輻射場時(shí)角響應(yīng)度可能不好。本次計(jì)算正是 應(yīng)用的程序正是MCNP一4A。MCNP是目前 被學(xué)術(shù)界認(rèn)可的和廣泛應(yīng)用的一個相當(dāng)成熟的軟件。可用于計(jì)算中子、光子、或中子一 光子耦合輸運(yùn)問題及本征值問題等。并且有可視人機(jī)界面方便 建模和修改。是由加拿大國家研究所(NRCC) 在EGS4計(jì)算程序的基礎(chǔ)上改進(jìn)的而成的。其可靠性獲得廣泛 證明，得到國際社會的高度評價(jià)，被認(rèn)為是“參照模型(a reference mode)”、“公認(rèn)的(recognized)”、“國際性的(international)”、“世 界范圍的(world—widej”和“普遍標(biāo)準(zhǔn)(Ui3iversal standard)”。在西歐 和北美的一些國家，已被廣泛應(yīng)用在醫(yī)院，用于輻射治療和輻射檢測 中的劑量計(jì)算。隨著它的推廣，EGS4計(jì)算程序在國際上應(yīng)用廣泛，在輻射物 理和醫(yī)學(xué)物理等方面都有著越來越廣泛的應(yīng)用。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(jìn)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(xué)物理。哈爾濱工程火學(xué)碩士學(xué)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(shí)驗(yàn)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(yùn)過程的通用Mc計(jì)算程序系統(tǒng)EGS4 (Electron—Gamma—shower，Versi015 4)，并在1986年發(fā)表。4．1．1計(jì)算程序?yàn)榱诉_(dá)到數(shù)值仿真代替實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行了模擬方針。如果沒有相關(guān)的圖表，則需要通過實(shí)驗(yàn)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(jì)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(qiáng)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(jì)高氣壓電離室探頭的設(shè)計(jì)主要有以下的設(shè)計(jì)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(jī)械結(jié)構(gòu)等。哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文第4章高氣壓電離窒的設(shè)計(jì)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(xué)碩士學(xué)位論文從這幾種探測器的優(yōu)缺點(diǎn)比較，結(jié)合環(huán)境T射線輻射場的特點(diǎn)本 文選定電離室探測器作為設(shè)計(jì)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(jìn)行監(jiān)測。再 有是溫度對光電倍增管的影響很大，因?yàn)閹缀跛泄怆姳对龉芏蓟蚨?或少含有過量堿金屬，當(dāng)溫度超過一定值時(shí)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(shí)，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(dāng)T射線的能量小于150KEY時(shí)NaI(T1)的能量響應(yīng)較大，而當(dāng) 當(dāng)T射線的能量小于150KEY時(shí)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(diǎn)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(jì)數(shù)管工作于蓋革一彌勒區(qū)，要求的電壓比較高， 同時(shí)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(fù)之前即使有入射粒子 射入，也不會形成雪崩再生，造成漏計(jì)數(shù)。蓋革一彌勒計(jì)數(shù)管的結(jié)構(gòu)非常簡單因而制作簡單，造價(jià)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(jì)才能測出，這樣對后續(xù)的放大電路要求比 較嚴(yán)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(dá)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(dá)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(fù)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(yùn)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(xué)碩士學(xué)位論文rIiI：1bl一反射層2一閃爍體3一硅油4一光導(dǎo)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(jìn)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(xué)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(jì)數(shù)管的靈敏體積。其結(jié)構(gòu)如圖3．8。有機(jī)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(shí)間由正離子的整個漂移時(shí)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(jī)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(dāng)一部分氖處于亞穩(wěn)態(tài)，而Br。b鹵素淬滅機(jī)制 與有機(jī)淬滅機(jī)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(dá)陰極的實(shí)際上都是酒精離子。這些光子 又被酒精分子強(qiáng)烈地吸收。如酒精 是11．3eV，而主要?dú)怏w氬為15．8eV。 充酒精、石油醚的稱為有機(jī)淬滅計(jì)數(shù)管；充溴、氯等鹵素氣體的稱為鹵素淬滅計(jì)數(shù)管。這種蓋革 一彌勒計(jì)數(shù)管稱為非自淬滅計(jì)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(jì)數(shù)管內(nèi)連續(xù)放電，必須消除正離子鞘電荷被收 集時(shí)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(diǎn)無關(guān)。對蓋革一彌勒計(jì)數(shù)管，脈沖主要是正離予運(yùn)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(fù)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(qiáng)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(jì)數(shù)管中，光電子主要由計(jì)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(jì)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(kuò)展，以致整 個陽極絲附近都會產(chǎn)生正負(fù)離子對。這些光電 子經(jīng)電場加速又會引起新的增殖。當(dāng)全 部雪崩電子到達(dá)計(jì)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(jì)數(shù)管的放電機(jī)制由兩種增殖過程組成：①電子增殖 電離粒子在計(jì)數(shù)管內(nèi)生成的電子在電場作用下朝收 集電極運(yùn)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(xué)碩士學(xué)位論文撞。蓋革一彌勒區(qū)是氣體放大系數(shù)遠(yuǎn)大于1，脈沖幅度實(shí)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(jì)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(qiáng)度點(diǎn)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(xì)的絲，也有做成圓筒的。一一每秒鐘進(jìn)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IsIs=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(fù)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(jī)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(jì) 數(shù)器、蓋革一彌勒計(jì)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(jì)數(shù)管工作于這一區(qū)間。初電離僅起“點(diǎn)火”哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)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(shí)，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(jì)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