γ能谱的蒙特卡罗计算方法探讨与模拟软件设计

摘要

能谱的蒙特卡罗模拟问题，是核技术应用领域中的一个重要研究方面。利用蒙特卡罗方法模拟NaI(T1)闪烁探测器对射线的响应函数(能谱)是解决Y射线能谱学问题的一个有效方法。 本文来源于国家863计划资源环境技术领域重大项目“航空伽玛能谱勘查系统研发”课题(编号2006AA06A207)、国家自然科学基金项目“核地球物理学天然伽玛场的研究”(编号40774063)和成都理工大学科技立项“能谱的蒙特卡罗模拟及其软件开发”(编号2007043K)项目。探讨了用蒙特卡罗方法对NaI(T1)闪烁探测器中射线能谱响应函数的数值模拟；开发了蒙特卡罗模拟软件。该研究在资源环境技术领域中核资源勘查及辐射环境监测方面具有重要的实用价值和指导作用。主要研究内容与成果表现在： (1)论述了蒙特卡罗方法的基本原理和射线与物质的作用机制。 (2)从射线在NaI(T1)闪烁探测器中响应函数形成机理的基础上，论述了NaI(T1)闪烁计数器谱仪的能谱和能谱的蒙特卡罗数值模拟计算方法。 (3)在Visual C++平台下开发能谱蒙特卡罗模拟软件，应用蒙特卡罗模拟软件模拟光子在Nal(T1)闪烁探测器中的光子能量沉积谱和能谱。 (4)利用设计的蒙特卡罗模拟软件，分别模拟天然能量范围内较低和较高能量的射线在Nal(T1)闪烁探测器中的响应函数，以检验模拟方法的正确性和通用性。通过数字化多道谱仪系统(Nal(T1)晶体φ75mm×75mm)实测的点源射线能谱与蒙特卡罗模拟软件模拟谱相比较。对天然射线能量范围内较低能量如137Cs源放出的射线模拟结果较好，模拟谱与实测谱相比，峰康比和能量分辨率相对误差分别为1.879％和5.585％，对能量较高如60Co源放出射线的模拟结果，双峰面积比的相对误差为0.7505％，也能得到满意的效果。用Vi sual C++开发的蒙特卡罗模拟软件，可模拟出整个光子的输运过程。软件抽样次数在2000万次以上，界面友好，功能较强。可调整放射源能量(即选用不同放射源)、源与探测器距离、探测器尺寸等，同时可显示并保存模拟结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1选题目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3研究内容

第2章蒙特卡罗方法的基本原理

2.1基本原理

2.2蒙特卡罗方法的收敛性及误差

2.3随机数

2.4解决粒子输运问题的主要步骤

第3章γ射线的探测与能谱分析

3.1 γ射线与物质的作用机制

3.1.1光电效应

3.1.2康普顿效应

3.1.3电子对效应

3.2 γ射线的探测

3.2.1 γ射线的探测原理

3.2.2 γ射线探测装置

3.3 γ射线在NaI(T1)探测器中的能谱分析

3.3.1 NaI(T1)谱仪测得的γ能谱

第4章γ射线MC模拟的响应函数

4.1响应函数及其功能

4.2响应函数的数学计算方法

4.3响应函数的MC计算方法

4.3.1光子在探测器内的作用机制

4.3.2电子在探测器内的反应机制

4.3.3光子的模拟步骤

4.3.4电子、正电子的模拟方法

4.3.5模拟结果记录方法

4.4响应函数的高斯扩展方法

4.4.1 NaI(T1)谱仪的能量分辨率

4.4.2高斯分布抽样原理

4.4.3 MCNP的高斯扩展

4.4.4解析法高斯扩展

4.4.5引入实验参数的高斯扩展法

第5章蒙特卡罗模拟过程与软件设计

5.1蒙特卡罗模型的建立

5.2蒙特卡罗方法模拟过程

5.2.1源光子分布抽样

5.2.2光子与探测器内作用原子抽样

5.2.3光子反应类型抽样

5.2.4碰撞后光子能量和运动方向抽样

5.3蒙特卡罗模拟软件设计

5.3.1软件中采用的模拟方法

5.3.2软件设计流程图

5.3.3软件设计中的主要程序

5.3.4软件运行界面

第6章软件模拟结果分析

6.1 NaI(T1)裸晶体中晌应函数模拟结果

6.1.1软件模拟的γ射线响应函数

6.1.2模拟结果分析

6.2 NaI(T1)探测器中响应函数模拟结果

6.2.1软件模拟的γ射线响应函数

6.3软件对较高能量γ射线的模拟

6.3.1 60Co源γ射线响应函数

结论及建议

致谢

参考文献

附录A响应系数表