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圆柱形电离室的能响补偿

  NuclearElectronics DetectionTechnology 2012 June.2012 圆柱形电离室的能响补偿 中国辐射防护研究院,山西太原030006) 摘要:电离室由于其具有结构简单、使用方便的特点,目前仍被广泛应用于辐射监测领域。用于 量响应;并根据计算结果的规律,对圆柱形电离室的能量响应进行了补偿,给出了补偿参数的最优范 关键词:圆柱形电离室;能量响应; 能量补偿; 蒙特卡罗方法 中图分类号: 文献标志码: 文章编号: 0258-0934( 2012) 06-0678-04 TL 814. 气体电离室是核科学技术发展早期就出现的一类辐射探测器。由于电离室结构简单、使 用方便,目前仍被广泛应用于环境放射性监测、 强辐射场测量以及工业应用等领域。 电离室室壁一般选用优质合金钢材料,钢既不是 空气等效材料,又不是组织等效材料。在 场所监测中,将钢质电离室用于空气比释动能 的相对测量时,电离 室对不同能量的光子的响应并不一致,在 200 keV 以下存在过响应问题。如图 所示,是未进行能响补偿时,I 型电离室的能量响应曲线( 型电离室为工作在电流状态下的圆柱形电离室,工作气体为氮气,室壁为不锈 型电离室,研究了电离室的能量响应特性。电离室的灵敏度和能量响应曲线可 以由实验测量得到,也可以通过理论模拟计算 的方式实现。在实验测量中,一方面实验方法 会受到客观条件的限制,如大范围单能 线的实现;另一方面,大量的尝试性试验不仅是 一项费时费力的工作,还会增加放射性工作人 员的受照风险。因此,采用蒙特卡罗方法,理论 分析电离室能响的影响因素,研究 型圆柱形电离室在 80 keV MeV范围内的能响补 型电离室对光子的能响曲线 员,工学硕士,从事辐射防护研究。理论计算方法 理论计算电离室能量响应的总体思路是: 型电离室的输出电流,并将测量电流与辐射场中与电离室灵敏体积有效中心重合点处的 空气吸收剂量率相比,得出电离室灵敏度的测 量值。然后根据实验条件,建立理论计算模型, 得出电离室输出电流和灵敏度的计算值。理论 计算结果与测量结果的对比如表 所示。由表中数据可知,计算结果与测量结果在低剂量处 符合得较好,剂量较高时,差别变大,这是由于 理论计算结果与测量结果的对比分别确定不同能量的 辐射场中某点处所测量的物理量的约定真值与电离室的响应量; 然后将响应量与约定真值的比值作为该入射能 量下电离室的灵敏度,继而得到其能量响应曲 利用MCNP 程序理论模拟电离室对不同 入射能量光子的响应量。对于工作在电流状态 下的电离室,以单位注量的光子对应的输出电 作为其响应量。建立了电离室的几何模型及相关物理条件后,模拟得到单能平行束 光子在电离室灵敏体积内的能量沉积 ,然后根据式( 计算:灵敏度测量值 剂量率μGy 02012 498 18. 为工作气体的平均电离能; CRP74号报告中给出了 10 keV 10MeV 能量范围内,单能光子的注量 分别与空气比释动能和周围剂量当量的转换系数,在理 根据上述内容的说明,就可以理论计算电离室对光子的能量响应曲线。需要指出的是, 在电离室能响的模拟计算过程中,采用了如下 假设或简化处理: 全收集假设。MCNP程序 不具备处理外部电场以及感生电场对电子输运 影响的功能,因此假设电离室工作在饱和状态, 由入射光子引起的电子 忽略时间因素。剂量和剂量率、电荷量和电流之间可以自由转换,即假设在所考虑的剂 量率范围内,电离室具有绝对的线性。( 模型建立过程中根据实际情况不同程度地采取了一些结构上的假设和简化,从而能够在可接 受范围内简化问题的处理过程。 圆柱形电离室的能量响应为了研究电离室各组成部分对其响应的贡 献规律,分别改变 电离室的室壁厚度、工作气体种类以及压力,模拟计算了其对不同能 量的入射光子的响应,计算结果分别如图 mm时,电离室能 137 响曲线( Cs mm范围内变化 时,电离室的能量响应曲线。由图可知,电离室 对能量 400 keV 以上的光子的响应随室壁厚度 的变化不大; 对低于 200 keV 光子的响应近似 随室壁厚度成指数规律减弱。图 是工作气体分别为空气、氮气、氖气和氩气时,电离室的能 量响应曲线。在电离室结构以及气体压力固定 的情况下,不同工作气体的电离室对光子的响 应在大于 200 keV 时基本一致; 而在 50 理论计算的实验验证建模过程中的假设或简化处理、软件以及 计算机的舍入误差等都会影响计算结果的准确 性。为了研究模拟计算结果的可信程度,在核 工业华北放射性计量站利用 圆柱形电离室对模拟计算方法进行了实验验证。测试用辐 射源为 137 Cs,该 679种基本的思路: 一是利用室壁对光子的衰减作 二是改变室壁对电离室响应的贡献。根据光子与物质的相关作用规律,物质对 能量高于 200 keV 的光子的质能吸收系数相对 较小,衰减较弱,而对 200 keV 以下的光子具有 壁来补偿电离室的能量响应,铜、锡、铅等都可 以作为外层套壁的材料。模拟计算结果表 用室壁的衰减作用来优化能响时,电离室在光子 能量约为 150 keV 处的响应是对室壁及 外层屏 蔽厚度变化最不敏感的一点,需要很厚 来衰减这一点的响应,但是,厚的套壁会更加强烈 地衰减更低能量处的射线,从而又造 成电离室 在这一能量范围的响应过低,典型的 80keV 处。因此,能响补偿的关键在于,平 衡外层套壁 对能量为 150 80keV 射线的衰 减作用。采 用原子序数高、密度大并且具有一 定空隙率的 套壁,能够比较有效地解决这一问 题。这样可 以在降低电离室在 150 keV 处响应 的同时,又不 至于过大地衰减 80 keV 电离室能响补偿的效果图。经多次尝试计算, 利用锡补偿的 效果最优,其最佳补偿条件为: mm厚的锡、30% 的空隙率。 工作气体分别为空气、氮气、氖气和氩气时的电离室能响图( 137 Cs keV范围内,工作气体的原子序数或等效原子 序数越大,电离室在此能量段的响应相对于 13 Cs的响应也越大。图 atm时,电离室灵敏度与 atm时的比值。由图可以看出,在能量高于 200 keV 时,随着气体压力的增加,电离室的灵敏度 基本上成比例地变化; 而低于 200 keV 时,灵敏 度的增量要相对小一些。 可知,要优化电离室的能量响应,关键在于压低 200 keV 以下的过响应问题。 此,电离室室壁厚度以及工作气体和压力都可以作为能响补偿的修正因素。但是从电离室饱 和工作状态的条件保证考虑,工作气体的压力 不宜变化,并且氮气响应已经与空气响应比较 相近; 所以改善圆柱形电离室的能量响应,要更 多地从电离室室壁的修正着手。 利用铜、锡或铅质套壁进行电离室能响补偿的效果图( 137 Cs 格雷理论,室壁材料的质能吸收系数越大,则光子被单位质量物质所吸收 的份额越多,从而产生的次级电子的量和工作 气体中沉积的能量也就越多。根据物质的质能 吸收系数随光子能量的变化规律,要降低 200 keV 以下的响应贡献,需要更轻的室壁材料。 而电子能量越低,在固体中的最大射程越小,以 200 keV 的电子为例,其在铝中的最大射程约 16mm,在铁中的也不过 06mm。因此 tm时的比值 对于气体电离室,室壁是对辐射灵敏的主 要部分。对辐射灵敏有 是产生次级带电粒子,在灵敏体积内损失能量,作为电离室响应的主要贡献部分; 二是衰减 射线,尤其在能量较低时,衰减作用更加明显。因此,要优化电离室的能量响应,可以有 680入射光子能量越低,室壁材料对电离室响应的 影响越是取决于最靠近灵敏体积的薄层材料。 基于这一特点,就可以在 型电离室靠近灵敏体积的内表面衬加质能吸收系数比铁更低的 导电材料薄层,从而在改善电离室能量响应的 同时,保证对电离室其它结构和性能的影响最 所衬加的薄层材料一般选取在80 keV MeV能量范围内空气等效性好的材料,如 铝、石墨、钛以及一些导电聚合材料等轻质材 料。模拟计算了电离室钢质高压极内表面的衬 加材料分别为钛、铝、石墨以及导电 PA6 离室的能量响应。计算结果表明,只要在内衬轻质材料的厚度超过 200 keV 的电子在其中的 最大射程,并且对更低能量的光子的衰减不是 很强烈的情况下,电离室的能响随内衬材料厚 度的变化不大。因此,可以在这一范围内根据 其他条件灵活地选取内衬厚度。图 给出了内衬方式较优的补偿效果图。 外加套壁的方式一般选用原子序数高、密度大 的材料; 内衬方式一般选用空气等效性好的轻 质导电材料。从各自的补偿效果来看: 外加套 壁方式会造成 MeV左右出现响应高点,接近 补偿效果的上限; 内衬方式的效果要更优一些, 并且补偿结构的质量和体积也要更小,但工艺 实现难度较大。总之,2 种方式都能够实现光 子能量在 80 keV MeV范围内电离室的响 应在 137 Cs 响应的 30%以内的补偿目标,因此 可以根据实际情况的需要,灵活地选择合适的 能响补偿方式。 总结 通过理论模拟计算,分析了圆柱形电离室能响补偿的 种基本方式,给出了较优的能响补偿条件。由此限定的一些关键参数的选取范 围,对电离室能响的实际补偿具有一定的参考 和指导意义,可以在一定程度上减少尝试性实 验,从而降低补偿成本。在模拟计算过程中筛 选的一些参数规律及限定范围,也可以作为电 离室性能优化以及同类探测器的能响补偿的参 参考文献:[1]刘春雨,韩伟实,李建平,等. 高气压电离室的设计 研究 60Co 137Cs 源的空气吸收剂量率因子 634.[3]王红艳,肖雪夫,马永福. 用蒙特卡罗方法研究球形 利用钛、铝、石墨以及导电PA6 进行 电离室能响补偿的效果图( 137 Cs 种能响补偿思路相比较而言:Energy Compensation CylindricalIonization Chamber CHEN Fa guo,JI Bei,XUYuan ChinaInstitute RadiationProtection,Tai yuan 030006,China) Abstract: Ionization chamber stillbeing widely used radiationmonitoring because itssimple structure convenience.Used gammaray monitoring,the energy response chamberneeds intense inves- tigation propercompensation filters must constantsensitivity which gammaray among specifiederror range. Carlometh- od energyresponse characteristics cylindricalionization chamber gammaray. According simulation,theenergy compensation optimizedcompensation parameters given.Key words: cylindrical ionization chamber; energy response; energy compensation; Monte Carlomethod 681

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