鐘經(jīng)華，葛良全，張 建，張慶賢，楊 津

(成都理工大學(xué)四川省地學(xué)核技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

目前，X、γ 個(gè)人劑量計(jì)所用的探測(cè)器有蓋革(G-M)管、Si二極管等。Si二極管優(yōu)點(diǎn)是工作電壓低、功耗少，缺點(diǎn)是靈敏度低。G-M管時(shí)間特性差、死時(shí)間長(zhǎng)、計(jì)數(shù)率低，因而當(dāng)輻射場(chǎng)劑量較高時(shí)，尤其是在發(fā)生核事故時(shí)會(huì)阻塞，沒有計(jì)數(shù)輸出，G-M管劑量計(jì)就停止工作不再顯示劑量值。近幾年來持續(xù)發(fā)展出現(xiàn)的一種發(fā)光效果好的溴化鑭晶體無機(jī)晶體[1-3]，具備較好的綜合型能，光亮振幅間隔時(shí)間短、光產(chǎn)額大，隨環(huán)境溫度變化小、分辨率好。溴化鑭探測(cè)器靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快、作為一種同時(shí)兼顧時(shí)間響應(yīng)與能量響應(yīng)的替代材料被開發(fā)出來是較為理想的探測(cè)器，但由于溴化鑭晶體結(jié)構(gòu)對(duì)有所同總能量X射線、伽馬射線探測(cè)效能并不完全一致，總有較大總能量響應(yīng)的差別，則需在測(cè)定氣體比釋動(dòng)能率時(shí)對(duì)其展開能響補(bǔ)償，測(cè)量結(jié)果才能符合國家政府計(jì)量單位的測(cè)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[4]。

當(dāng)前普遍通過修正構(gòu)造溴化鑭晶體以達(dá)到提升探測(cè)器性能的目的，在這樣的背景下，采用累積電荷法對(duì)溴化鑭探測(cè)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來測(cè)量空氣比釋動(dòng)能率，提出了一種更為簡(jiǎn)單的確定能量響應(yīng)屏蔽物大小和形狀的方法。王仁波等[5]對(duì)碘化鈉晶體結(jié)構(gòu)的研究工作驗(yàn)證改用硬件補(bǔ)償是真實(shí)有效的，其嘗試工作中使用了MCNP應(yīng)用程序與科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式，證明MCNP應(yīng)用程序建?？梢宰鳛檎覍ゃU屏蔽物最佳大小和外形的有效地方式[6]。為進(jìn)一步研究溴化鑭探測(cè)器在探測(cè)X、γ射線空氣比釋動(dòng)能率時(shí)的能量響應(yīng)補(bǔ)償問題，簡(jiǎn)化其研究工作，利用蒙特卡洛MCNP軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)探測(cè)器更加適用。

1 理論推導(dǎo)

1.1 空氣比釋動(dòng)能率 吸收劑量率

輻射劑量在帶電粒子平衡情況下，氣體比釋動(dòng)能率可以借助測(cè)定光子的注量率來計(jì)算。因此，借助光子注量率與吸收劑量率具有相關(guān)性來測(cè)定。任意空間位置的光子，它的注量率與吸收率之間的關(guān)系式：

(1)

若電磁輻射場(chǎng)中有攜帶不同能量伽馬的輻射射線時(shí)，那么在該電磁輻射場(chǎng)中某點(diǎn)處。

(2)

(3)

式(3)中：k為常數(shù)；Kai、DLaBr3分別為第i種能量射線的空氣比釋動(dòng)能率和LaBr3吸收劑量率。

通過加合適的屏蔽物進(jìn)行能量響應(yīng)補(bǔ)償后，以空氣比釋動(dòng)能率作為校準(zhǔn)量的溴化鑭探測(cè)器所測(cè)得的吸收劑量率DLaBr3與空氣比釋動(dòng)能Kai可接近正比關(guān)系Ka=kDLaBr3。

1.2 能量響應(yīng)補(bǔ)償

本工作采用硬件補(bǔ)償-屏蔽法來降低探測(cè)器低能段的響應(yīng)，即在溴化鑭探測(cè)器的前部增加一定暴露面積p(開孔在屏蔽層上的面積百分比)和厚度t的鉛屏蔽體。在GM計(jì)數(shù)管能響補(bǔ)償?shù)难芯恐?，王成竹等[8]給出了能響補(bǔ)償?shù)钠帘误w的暴露面積-厚度(p-t)對(duì)應(yīng)關(guān)系：

(4)

式(4)中：Ki為探測(cè)器的原始能響；ui為屏蔽材料的線衰減系數(shù)，二者均隨入射粒子能量的改變而變化。

實(shí)際工作中，采用 MCNP 軟件模擬不同能量 X、γ 射線在閃爍體中的原始能響，結(jié)合屏蔽材料的線衰減系數(shù)，得到不同能量 X、γ 輻射時(shí)鉛屏蔽體的p-t關(guān)系。值得注意的是，由于溴化鑭探測(cè)器低能段響應(yīng)對(duì)補(bǔ)償影響較大，因此可由低能區(qū)的幾個(gè)能量的p-t曲線交匯情況推測(cè)最佳補(bǔ)償參考值，進(jìn)而通過模擬修正得到鉛屏蔽體的最佳尺寸。

根據(jù)《輻射防護(hù)儀X、γ、中子和β射線輻射用個(gè)人劑量當(dāng)量Hp(10)和Hp(0.07)的測(cè)量直讀式個(gè)人劑量當(dāng)量計(jì)和監(jiān)測(cè)器》IEC 61526—2010[9]中對(duì)能量響應(yīng)的要求：入射粒子能量范圍滿足50 keV～1.5 MeV，測(cè)量結(jié)果對(duì)137Cs 歸一化后，能量響應(yīng)相對(duì)于137Cs的誤差應(yīng)該在±30%內(nèi)。即能量響應(yīng)的參考標(biāo)準(zhǔn)為137Cs，將其定義為1，那么相對(duì)于各個(gè)能量下的響應(yīng)需在0.7～1.3，最理想的情況是各個(gè)能量的響應(yīng)均接近于標(biāo)準(zhǔn)，也就是說需要各個(gè)能量下的響應(yīng)盡可能接近1。通過以137Cs 核素的響應(yīng)進(jìn)行歸一化處理，則可得到空氣比釋動(dòng)能率的能量響應(yīng)曲線。

2 MC模擬

2.1 物理模型建立

模型中采用的探測(cè)器材料為溴化鑭晶體；尺寸為Φ38.1 mm×38.1 mm；貼近晶體的外圍是用0.05 cm的MgO 反射層密封；前側(cè)和外側(cè)面的寬度分別為0.2、0.25 cm的Al殼；固體底下為0.2 cm的光學(xué)的玻璃，如圖1所示。

圖1 LaBr3探測(cè)器結(jié)構(gòu)模型

溴化鑭探測(cè)器最前端外側(cè)緊貼著中間具有孔半徑的鉛屏蔽層；探頭外圍空間充滿空氣。材料幾何參數(shù)列于表1。

表1 LaBr3探測(cè)器結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 MC 模擬計(jì)算

按照鉛屏蔽層打孔大小(曝露面積比例)和鉛的厚度對(duì)模型分別進(jìn)行模擬[10-11]。通過對(duì)比有所不同鉛屏蔽體厚度和暴露總面積框架的能量響應(yīng)，找尋到能量響應(yīng)補(bǔ)償?shù)囊?guī)律性。最終通過相比較有所不同框架的標(biāo)準(zhǔn)偏差選定最佳的大小。框架歸類:鉛屏蔽物分成1～10 mm 10種不同厚度。按鉛屏蔽物中間開孔孔徑r的大小(曝露面積)分為 5%～95% 19種暴露比例，部分暴露面積比例和孔半徑如表2所示。最終構(gòu)成190種不相同的框架。模擬γ射線總能量為0.02～2 MeV，共50個(gè)總能量點(diǎn)。轉(zhuǎn)變孔直徑的尺寸，相比較模擬探測(cè)器能量響應(yīng)的結(jié)果，則可得到最佳的形狀尺寸。

表2 鉛屏蔽物暴露面積比例與開孔孔半徑的關(guān)系

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 能量響應(yīng)與暴露面積比例(孔半徑大小)的相比較

圖2(a)為暴露面積比例為5%的能量積極響應(yīng)，圖2(b)為暴露面積比例為10%的能量積極響應(yīng)。由圖2可知：晶體的能量響應(yīng)主要分為三段，低能段(0.02～0.2 MeV)、中段(0.2～0.661 MeV)、高能段(0.661～1.5 MeV)。對(duì)比圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著暴露面積的增加，低能段響應(yīng)增加迅速，而另外兩段響應(yīng)變化較小。

圖2 屏蔽物厚度暴露面積比例5%、15%的能量響應(yīng)

3.2 不同屏蔽物框架的標(biāo)準(zhǔn)偏差相比較

從圖3可以看出：當(dāng)暴露面積比例為8%、鉛屏蔽物厚度在6 mm時(shí)，可以獲得探測(cè)器能量響應(yīng)效果最佳框架。

圖3 屏蔽物不相同框架(露出面積)標(biāo)準(zhǔn)偏差比較

3.3 最佳補(bǔ)償模型

圖4為不加屏蔽物和最佳屏蔽補(bǔ)償137Cs 歸一化處置后的能量響應(yīng)。從圖4可知，經(jīng)過最佳補(bǔ)償后，溴化鑭探測(cè)器能量響應(yīng)得到了很大的改善，根據(jù)所獲得統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，能量在 60～1.5 MeV，模擬相對(duì)于能量響應(yīng)范圍為72.1%～110.5%，所得數(shù)據(jù)滿足根據(jù)IEC61526—2010中對(duì)能量響應(yīng)中小于±30%的標(biāo)準(zhǔn)偏差要求[9]。

圖4 137Cs 的不加屏蔽補(bǔ)償和最佳補(bǔ)償處理后能量響應(yīng)比較

4 結(jié)論

利用MCNP軟件，模擬射線在溴化鑭晶體中的能量沉積，得出不同射線在不同鉛屏蔽下的相對(duì)能量響應(yīng)并通過對(duì)比分析得出了最佳的屏蔽尺寸。模擬結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的能量補(bǔ)償層對(duì)能量響應(yīng)是有效的，滿足根據(jù)IEC 61526—2010[9]中對(duì)能量響應(yīng)中小于±30% 的標(biāo)準(zhǔn)偏差要求。也說明了溴化鑭探測(cè)器在合理補(bǔ)償情況下其能量響應(yīng)可以滿足測(cè)量X、γ 輻射空氣比釋動(dòng)能率。

針對(duì)溴化鑭探測(cè)器在測(cè)量X、γ 輻射空氣比釋動(dòng)能率時(shí)的能響補(bǔ)償，該方法基于硬件補(bǔ)償-屏蔽法，結(jié)合探測(cè)器的原始能響和能量響應(yīng)補(bǔ)償屏蔽體曲線對(duì)比，可便捷地得到最佳鉛屏蔽體尺寸的參考值，進(jìn)而通過模擬驗(yàn)證以確定最佳鉛補(bǔ)償體的尺寸。而真正要得到能實(shí)際使用的能量補(bǔ)償層，必須經(jīng)過實(shí)際實(shí)驗(yàn)后加以調(diào)整，特別是穿孔孔徑的調(diào)整，為閃爍體探測(cè)器的研究提供可參考的建議。