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1、G—M计数管能量响应的蒙特卡罗模拟及优化设计第31卷第1期2011年1月核电子学与探测技术NuclearElectronics&DetectionTechnologyVo1.31Jan.N0.1201lG—M计数管能量响应的蒙特卡罗模拟及优化设计王玲,韩刚,杨磊,刘义保,吴和喜,杨波2(1-东华理工大学核资源与环境省部共建国家重点实验室,江西南昌330013:2.东华理工大学核工程技术学院,江西抚州344000)摘要:采用蒙特卡罗方法,通过入射粒子在灵敏体积内的能量沉积,模拟计算G—M计数管的探测效率随入射粒子能量的变化关系,得到相应的能量响应曲线;并在此基础上改变包壳
2、材料,厚度,形状等参数,对其设计制作进行优化,从而节省实验测试时间和减小工作量,并使材料组合和形状组合更趋于多样化.关键词:G—M计数管;蒙特卡罗方法;能量响应中图分类号:04—39文献标识码:A文章编号:0258—0934(2011)01-0044-04G—M计数管属于自持放电型气体探测器,灵敏度很高,理论上只要在其灵敏体积内产生一对电子～离子对,就能获得一次脉冲,且输出的电荷脉冲幅度较大,可达到l0电子电荷量级;同时因其稳定性高,制作简单,价格低廉等一系列优点而被广泛应用于各类核辐射测量中.但G—M计数管在低能段的能量响应较差,在实际制作过程中,改善能量响应的方法是在G—M
3、计数管的外壳加上一层屏蔽材料.但是对于不同的G—M计数管,其尺寸大小,包壳材料,内充气体,气体压强等均不同,需进行大量重复性的测试工作,对包壳材料,包壳材料的厚度,裸露比等进行合适的筛选,工作量较大,耗费时间,精力,费用较多;且辐射源照射的角度,源与探测器的距离等实验条件要尽量一致,收稿日期:2010—08—08基金项目:江西省教育厅青年科学基金项目资助(GJJ10170,CJjl0176).作者简介:王玲(1981一),女,河南南阳人,助教,硕士,从事脉冲辐射测量工作.44这在实际中也不易做到.本文采用蒙特卡罗方法,通过入射粒子在灵敏体积内的能量沉积,模拟计算G—M计数管的探
4、测效率随入射粒子能量的变化关系,得到相应的能量响应曲线,对G—M计数管的设计制作进行优化.从而节省时间和减小工作量,并使材料组合和形状组合更趋于多样化.1理论基础G—M计数管存在的一个主要问题是低能段存在过响应,实验所用的计数管是一种玻璃壳管,低能段的过响应主要由外壳的光电效应引起,采用重金属包层可十分有效地抑制G—M计数管低能段的过响应.由射线与物质相互作用特点可知,重金属原子序数越高,厚度越大,抑制低能段响应的效果越强;可通过蒙特卡罗方法模拟选择合适的重金属以及其最佳厚度.同时使计数管灵敏区适度裸露以适当提高低能段的能量响应,克服该能量段的过抑制问题.G—M计数管直接测量量
5、为注量,当G—M计数管用于辐射防护,测量量表示为单位剂量产生的脉冲计数.本次模拟计算的直接计算量为探测效率.对于一定能量的入射光子,注量与表示剂量的量空气比释动能有一定的对应关系.由此可以得出计数管脉冲计数与空气比释动能之间的对应关系:n==乏'SocN?Soc乏KKK西咖咖n一能进入灵敏区的电子数;Ks一空气比释动能;一注量;E一产生电子并能进入灵敏区对应区域的沉积能量;Ⅳ一入射G—M计数管的初始光子;S—G—M计数管正对粒子源的截面.其中可从MCNP模拟的结果中直接得到,At可从号报告中查得,从而得到单.ICRP74山位得到空气比释动能的能量响应曲线.2蒙特卡罗模拟模拟时,
6、选用J614.y型圆柱体G—M计数管,内外半径分别为7,7.5mill,总长55mm,外壳材料为玻璃,内充Ar气,通过卤素Br猝熄;辐射源为沿垂直于GM管轴向均匀出射的单能面源射线源,为了与ICRP74号报告中所给的半值更好地契合,尽量避免过多的插值,但(D是又要达到更加精确计算结果,依次选取0.01～2MeV共29个能量点,计算结果以"Cs(662keV)处的计算结果进行归一化.入射粒子与管壁,屏蔽材料,阴极,工作气体等发生光电效应,康普顿散射以及电子对效应,跟踪光子及次级电子的历史,以及在灵敏区域的沉积能量,获得GM计数管的探测效率及能量响应曲线,从而在大量的数据中找到最优
7、的设计.(1)阴极材料测试在实际中铁,铜,铅,氧化锡,石墨,镍,钨等金属均可用作阴极材料,这些材料对应的计数管随着能量变化时探测效率会有不同的变化率,本次工作中选择了铁,铜,铅,铝四种材料分别作为阴极材料,进行评价性计算.由图1,图2可知,铝阴极下探测效率的不一致性最大,铅的均匀性最好,但铅的质地较软,熔点低,在高压下易变形,不适合作阴极材料.而铁,铜作为常见的电极材料,有很好的一致性,同时较硬,耐高压,在实际中大部分GM计数管均采用这两种材料作光阴极.因此在以下计算模拟中,均采用铁作阴极材
