137Csγ能谱的蒙特卡罗模拟

科研训练-4

137Csγ能谱的蒙特卡罗模拟

李梦楠

物理科学与技术学院 2010级核工程与核技术专业

摘要：利用MCNP5程序模拟了多种情况下识分析能谱特点及成因。

137Cs的γ能谱，并利用所学知

关键词：137Cs MCNP5 γ射线与物质相互作用 1. 实验测定的137Csγ能谱

1.1 137Cs能谱及特点

是实验室常用的γ放射源，半衰期约30.17年，衰变产物为

0.662Mev的γ射线。

137Cs

137mBa，衰变产生

图1: 137Cs的衰变纲图

137Cs

的能谱（采用NaI探测器）如图2所示，由于137Cs衰变产生的γ射线能量低于电子对效应发生的能量下限，因此γ射线与物质的相互作用方式主要有光电效应和康普顿散射。这些相互作用反映在能谱上为0.662Mev的全能峰和能量从0~0.481Mev的康普顿坪。考虑到实际探测过程中，γ射线与闪烁体周围的物质包括放射源衬底材料及屏蔽材料等发生康普顿效应时，反散射光子返回闪烁体，通过光电效应被记录下来，同时根据入射光子和反散射光子能量的关系，我们发现当入射光子能量变化很大时，反散射光子能量变化不大，总是在200Kev左右，因此能谱上大约0.2Mev的位置会出现反散射峰。除此之外，由于衰变产物137Ba的K层特征X射线的贡献，在能谱的低能端会出现32Kev的X射线峰。

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图2：137Cs的γ能谱图

2. 137Cs的蒙特卡罗模拟

2.1蒙特卡罗模拟的思想方法

中子和光子在物质中输运的宏观表现是大量粒子与原子核微观作用的平均结果，蒙特卡罗方法通过逐一模拟和记录单个粒子的历程来求解输运问题。要得到比较合理的平均结果需要跟踪大量的粒子，至于单个粒子在其生命中的某一阶段如何度过，可以在已知统计分布规律的前提下通过抽取随机数来决定。

2.2MCNP5的输入文件

2.2.1 探测器部分

本程序采用3*3Inch的NaI探头，外层采用0.7cm的铝膜包裹，后端为光电倍增管部分，利用塑料近似光电倍增管的结构材料，最外层为3cm的铅板屏蔽。探测器的几何结构如图3所示：

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图3：NaI探测器的几何结构

2.2.2 放射源137Cs部分

放射源采用点源，能量为0.661661Mev 2.2.3 其他    

采用光子-电子联合运输方式；

能谱采用500道，最高能量1.2Mev； 模拟运算107次；

能谱展宽系数为a=0.01688, b=0.06165, c=0.34599。 2.3蒙特卡罗模拟的能谱

2.3.1γ能谱与吸收片厚度的关系

在上述探测器条件下，设置点源距离探测器5.5cm，改变吸收铝片的厚度分别为1cm，2.5cm，5cm，观察能谱的变化。模拟结果如下图：

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图4：137Csγ能谱与吸收片厚度的关系

a. 随着吸收片厚度的增加，能谱计数率下降，峰位保持不变，与实验上的结果一致； b. 就1cm铝吸收片的能谱而言，全能峰和康普顿坪非常清晰，低能端与实验测量结果略有

出入，可能是由于低能端的X射线峰能量较低,只有32Kev，与程序中NaI的单一粒子能量截断相近，在模型较为简单，模拟次数较少的情况下，难以得到理想结果。

c. 就1cm铝吸收片的能谱而言，反散射峰比较平坦，峰位并不突出，但可以观察到反散射

峰的中心位置仍在200Kev左右，与实验上的结果相符。峰位不突出可能与能量展宽系数设置有关。

d. 5cm铝吸收片的能谱与1cm，2.5cm时的能谱相比，康普顿坪较为平坦，峰康比明显减

小，可能是由于吸收片厚度增加同时立体角变小而导致计数率较少的缘故，在后续模拟中我们将继续讨论这一问题。

2.3.2γ能谱与放射源位置的关系

在上述探测器条件下，采用1cm厚的铝吸收片，改变放射源与吸收片之间的距离分别为0.5cm，2cm，8cm，观察能谱的变化，模拟结果如下：

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图5：137Csγ能谱与点源位置的关系

a. 随着点源与吸收片距离的增加，能谱计数率下降，峰位保持不变，与实验上的结果一致，

原因是当距离增大时，点源对探测器所张的立体角变小，探测器能够接收的粒子数目减少，因此计数率下降；

b. 当点源距离为2cm和8cm时，基本看不到突出的反散射峰。原因是点源距离越远，对

于探测器所张的立体角越小，与探测器周围材料发生康普顿散射的机会也较小，康普顿散射产生的散射光子通过光电效应再次被NaI吸收的概率也相应的减小了，因此反散射峰不明显。

2.3.3γ能谱与吸收片种类的关系

在上述探测器条件下，保持点源位置不变，吸收片厚度不变，改变吸收片的种类，观察能谱的变化，模拟结果如下：

图6：137Csγ能谱与吸收片种类的关系

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a． 吸收片Al的全能峰远远高于Zn和Fe，原因是γ射线的光电吸收截面与Z5成正比，30Zn

和26Fe都远大于13Al，因此对γ射线的吸收Zn和Fe也远大于Al，也就造成被探测器记录到的粒子数Al远大于Fe和Zn。

b． Zn和Fe的康普顿坪高于Al，原因是在能量较低的情况下，γ射线的康普顿散射截面与

Z成正比，Zn和Fe的原子序数较大，因此在探测器中与NaI作用概率较大，计数较多。 c． Zn和Fe的反散射峰高于Al,原因是反散射峰叠加在康普顿坪上，因此相应的Zn和Fe的

反散射峰要高于Al，从截面的角度分析，Zn和Fe的原子序数较大，不仅与NaI康普顿散射作用截面大，与周围材料的康普顿散射截面也大，产生的散射光子相应多，于是重新进入探测器被记录到的概率也相对大，因此计数率较多。

3. 存在的问题与分析

a. 采用点源近似放射源与实验所使用的放射源存在差别，如果利用环形放射源，与实际情

况更相符。

b. 在时间允许的情况下，增加模拟运算的次数可以使得能谱更接近实际情况。

c. 能谱低能端的模拟不是很理想，考虑增加运算次数和减小粒子的截断能量来改善能谱形

状。

d. 在分析过程中采用的数据较少，每一部分只有三组数据，进一步考虑增加模拟的组数。

4. 附录：

MCNP5输入文件

3*3 inch NAI(Tl)-point source

1 1 -13.6 (1 -2 -19):(2 -9 18 -19):(9 -13 17 -20):(13 -14 -20) $PB 2 2 -3.67 5 -6 -15 $NaI

3 3 -2.7 (3 -4 -17):(4 -11 16 -17):(11 -12 -17) $Al

4 0 (2 -21 -18):(21 -9 17 -18):(4 -5 -16):(5 -11 15 -16): (12 -13 -17):(1 -9 19 -20)$air 5 4 -1.18 6 -11 -15 $plastic 6 0 -1:14:20

7 3 -2.7 (-3 21 -17) $Al

1 PY 0

2 PY 3 $ 3cm Pb

3 PY 19.5 $ 15.5cm air 4 PY 20.2 $ 0.7cm Al 5 PY 20.9 $ 0.7 cm Air 6 PY 28.52 $ 7.62cm NaI 7 PY 29.52 $ 1cm light trans 8 PY 39.52 $ 10cm 9 PY 40.2 $ 10 PY 40.4 11 PY 52.7 12 PY 52.9

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13 PY 59.9 14 PY 64.9 15 CY 3.81 16 CY 4.7 17 CY 5.0 18 CY 9.0 19 CY 14.0 20 CY 15.0

21 PY 14.5 $ 5cm Al

MODE P E

IMP:P 1 1 1 1 1 0 1

M1 82000 1 $PB -13.6 M2 11000 1 53000 1 $NAI -3.67 M3 13027 1 $Al -2.7

M4 1001 -0.0806 6012 -0.5998 8016 -0.3196 $PLASTIC -1.18 SDEF ERG=0.661661 POS=0 14 0 F8:P 2

E8 0 500i 1.2

FT8 GEB 0.01688 0.06165 0.34599 ELPT:E 1 0.01 1 1 1 1 NPS 10000000 PRINT

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