張良+程衛(wèi)亞+李航

摘 要：G（E）函數(shù)法是一種有效的譜-劑量轉(zhuǎn)換方法，在該文中采用蒙卡模擬的方法分析了NaI（Tl）譜儀的G（E）函數(shù)，并通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同劑量環(huán)境時(shí)的G（E）函數(shù)計(jì)算值與劑量率儀測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果表明，在低劑量時(shí)G（E）函數(shù)法域?qū)嶋H測(cè)量值的結(jié)果非常吻合（100 nSv/h左右）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明劑量率的適用范圍與譜儀本身性能有關(guān)。在一定的劑量率范圍內(nèi)，采用蒙卡方法計(jì)算G（E）函數(shù)并進(jìn)行譜-劑量轉(zhuǎn)換，其結(jié)果是可以接受的。使用NaI（Tl）譜儀在測(cè)量能譜的同時(shí)可以分析劑量。

關(guān)鍵詞：G（E）函數(shù) NaI（Tl）譜儀 蒙卡模擬 劑量率

中圖分類(lèi)號(hào)：TL81 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）07（a）-0015-03

為了改善以往劑量測(cè)量?jī)x器的能量響應(yīng)問(wèn)題，研究出了一種直接測(cè)量輻射的物理特性（如能譜、注量等）的方法，然后通過(guò)專(zhuān)門(mén)的計(jì)算給出所定義劑量值[1]。該文針對(duì)NaI（Tl）譜儀，通過(guò)蒙卡模擬的方法得到G（E）函數(shù)，同時(shí)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)在不同劑量率條件下進(jìn)行測(cè)量對(duì)比分析，分析結(jié)果表明在一定劑量率范圍內(nèi)，采用蒙卡模擬計(jì)算得到的G（E）函數(shù)進(jìn)行譜-劑量轉(zhuǎn)換，其結(jié)果是可以接受的。

1 G（E）函數(shù)

G（E）函數(shù)法是目前廣泛關(guān)注的用于全譜分析劑量的方法，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中將采用離散的形式，即（1）式所示：

其中：H為待求量；

C（Ej，E0）為能量為E0的光子入射，測(cè)量譜各道的計(jì)數(shù)；

G（Ej）為能量為E時(shí)的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

在計(jì)算時(shí)，通過(guò)（1）式可以計(jì)算全譜所對(duì)應(yīng)的劑量。

G（E）函數(shù)需采用一系列入射能量為E0，E1，E2，…，Em的光子，對(duì)應(yīng)著一系列的H值（理論值或標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量值），并測(cè)量得到一系列的譜C（E，E0），C（E，E1），C（E，E2），…，C（E，Em）。根據(jù)測(cè)量結(jié)果組建方程組（2）：

通過(guò)求解上述方程組可以得到G（Em）函數(shù)值，通過(guò)擬合確定G（E）函數(shù)表達(dá)式，或者插值方式給出不同能量E所對(duì)應(yīng)的G（E）具體數(shù)值。

2 NaI（Tl）譜儀能量響應(yīng)分析和譜儀的G（E）函數(shù)模擬

實(shí)驗(yàn)采用的NaI探測(cè)器為堪培拉NAIS 2×2-NaI（Tl）LED Temperature Stabilized Scintillation Detector。數(shù)據(jù)處理模塊為OspreyTM數(shù)字多道分析器（MCA）。

針對(duì)該探測(cè)器分別采用兩種方法進(jìn)行了能量響應(yīng)的計(jì)算分析，實(shí)驗(yàn)和蒙卡模擬分析。蒙卡模擬時(shí)采用儀器廠商提供的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。進(jìn)行能量響應(yīng)刻度實(shí)驗(yàn)選用的放射源為Cs-137、Co-60、Am-241、Ba-133，進(jìn)行蒙卡分析選用的γ射線也是這幾種核素。圖1中分別展示了探測(cè)器模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的不同能量響應(yīng)結(jié)果。圖中采用的是探測(cè)器的本征峰效率，即全能峰計(jì)數(shù)與進(jìn)入晶體中光子數(shù)之間的比值。

通過(guò)圖1的結(jié)果比較可以得到結(jié)論：蒙卡模擬能解決刻度源不夠的問(wèn)題，可以為在缺少實(shí)驗(yàn)條件時(shí)可以采用蒙卡的模擬仿真算法來(lái)進(jìn)行插值分析。

在分析NaI譜儀G（E）函數(shù)時(shí)，因?qū)嶒?yàn)條件限制，缺少足夠能量的標(biāo)準(zhǔn)源，根據(jù)上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在一定誤差范圍內(nèi)可以采用蒙卡模擬計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行G（E）分析，在實(shí)驗(yàn)中采用公式（2）對(duì)G（E）函數(shù)值進(jìn)行擬合計(jì)算，具體結(jié)果見(jiàn)圖2。

3 NaI（Tl）譜儀的G（E）函數(shù)測(cè)量劑量法和實(shí)際測(cè)量劑量的比較

通過(guò)上一節(jié)對(duì)G（E）函數(shù)的求解，下面通過(guò)開(kāi)展G（E）函數(shù)法和實(shí)際測(cè)量的比較實(shí)驗(yàn)，來(lái)對(duì)NaI（Tl）譜儀的G（E）函數(shù)測(cè)量劑量法的適用性進(jìn)行分析。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用不同放射源構(gòu)建不同的劑量環(huán)境，同時(shí)對(duì)劑量率儀測(cè)量結(jié)果和G（E）函數(shù)分析結(jié)果進(jìn)行比較，以便分析G（E）函數(shù)法的適用范圍。

在實(shí)驗(yàn)中采用的放射源數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，劑量率測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可以得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)劑量率范圍為90 nSv/h～30 uSv/h時(shí)，誤差范圍在15%以?xún)?nèi)。

（2）當(dāng)劑量率范圍為90 nSv/h～100 uSv/h時(shí)，誤差范圍在30%以?xún)?nèi)。

（3）當(dāng)劑量率繼續(xù)增大時(shí)，劑量分析結(jié)果誤差進(jìn)一步增大。

造成以上結(jié)果的原因如下：

（1）對(duì)于高劑量率范圍時(shí)，由于NaI譜儀本身電子學(xué)線路的局限性，存在計(jì)數(shù)率限制，造成死時(shí)間增多，計(jì)數(shù)相對(duì)減少，所得劑量率計(jì)算值相對(duì)減少。

（2）NaI（Tl）和劑量率儀的角響應(yīng)影響，因?qū)嶒?yàn)用放射源較強(qiáng)，因此散射光子占有一定的份額，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

（3）對(duì)于該實(shí)驗(yàn)采用的NaI譜儀，經(jīng)分析，其全譜計(jì)數(shù)率最高能夠達(dá)到約10萬(wàn)cps，此時(shí)劑量率約100 uSv/h。

4 結(jié)論

通過(guò)該文對(duì)通過(guò)蒙卡的方式擬合計(jì)算NaI（Tl）譜儀的G（E）函數(shù)，并將G（E）函數(shù)法求解劑量率與實(shí)際測(cè)量的劑量率進(jìn)行了比對(duì)，確定采用一臺(tái)譜儀測(cè)量可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)核素能譜分析和劑量率的測(cè)量，能夠有效的減少成本，具體結(jié)論和建議如下：

（1）G（E）函數(shù)進(jìn)行譜-劑量轉(zhuǎn)換的方法在一定的劑量率范圍內(nèi)是可行的，當(dāng)超過(guò)該測(cè)量范圍時(shí)，測(cè)量結(jié)果誤差增大，該方法將不再適用。

（2）在實(shí)驗(yàn)條件缺乏時(shí)，建議通過(guò)蒙卡模擬的方法計(jì)算G（E）函數(shù)，其準(zhǔn)確度是可以接受的。

（3）劑量率有效測(cè)量范圍與譜儀本身的性能有關(guān)，在該劑量率范圍內(nèi)采用G（E）函數(shù)進(jìn)行譜-劑量轉(zhuǎn)換，其結(jié)果是可以接受的。

參考文獻(xiàn)

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