TP1实验报告_V2

γ射线与β射线吸收能谱模拟与分析中法核工程与技术学院核能与核技术工程郭辉14213743摘要：本文采用TRIPOLI4对内含有碘化钠晶体的和放射源的铅室进行了γ和β射线辐照模拟，画出吸收能谱图。分析结果表明γ射线通过光电效应，康普顿散射和电子对效应与物质作用，在入射光子能量附件形成较高的全能峰。此外电子对效应会发出0.511MeV的逃逸光子，在能谱上形成逃逸峰。同时逃逸光子也会继续与其它物质作用。同时受γ射线的作用，物质也会发出特征X射线。在β射线行进过程中能量逐步损失，空气对其吸收能力较弱，但经过空气后在到达其它物质时峰值的能量会被削减。1.引言近年来，随着对微观粒子的不断深入研究，对微观粒子的吸收屏蔽分析也受到越来越广泛的关注。衰变及裂变反应的伴随产物Gamma粒子，beta粒子对人体具有伤害，因此对其防护及吸收的意义重大。也有多种粒子探测器可以检测粒子，但费用成本较高，操作要求严格。TRIPOLI4是法国原子能中心（CEA）开发的基于三维蒙特卡罗粒子运输计算程序[1]，在反应堆物理分析，辐射防护设计，核电安全评估等领域得到广泛应用。它能够详细模拟中子，光子以及中子光子耦合的运输过程，使用精细的点截面以及多群等效截面的数据库，广泛用于裂变反应堆堆芯物理计算以及屏蔽分析中。本文利用TRIPOLI4模拟光子运输工程的功能及其精细的点截面数据库来分别模拟了Gamma射线及beta射线对含NaI晶体及以铅作为边界的的空气室的作用。分析了NaI晶体，铅及空气对Gamma射线和beta射线的吸收能谱。从而更深刻理解Gamma粒子及beta粒子与物质的相互作用。2.模型与方法TP1-1：一个20cm×20cm×20cm空气室，底部有一个点状gamma源，顶部有一个NaI晶体。模拟NaI晶体的能量吸收谱。取室温300K，标准大气压。已知空气密度为1.205×10-3g/cm3，NaI晶体的密度为3.67g/cm3，gamma射线能量为2.754MeV。研究空气和NaI的吸收能谱。TP1-2：以上例脚本为底板，通过修实现以下研究。在空气室外加一个1cm厚的铅，形成铅室，（铅的密度为3.67g/cm3）；把gamma源改为24Na源（两条gamma射线，能量分别为1.368MeV，2.754MeV，发射概率均为100%）；同时输出空气、NaI晶体和铅室的吸收能谱。TP1-3：把上例的gamma射线源改为90Sr-beta源（Ebeta=0.546MeV），研究空气、NaI晶体和铅室的吸收能谱。需要应用TRIPOLI4的几何构造语句在脚本文件中建立几何模型；规定好各种物质的属性，并按照模型填充到相应位置；然后规定放射源的位置，方向，强度，能量大小及分布。3结果与讨论3.1TP1-1的脚本注释与结果讨论3.1.1TP1-1脚本注释GEOMETRYTITRENaI_GammmaTYPE1CYLZ10.02.5!定义一个平行于Z轴的圆柱体，半径为10cm，高为5.0cmTYPE2BOITE20.020.020.0!定义一个边长为20cm的立方体VOLU11!定义一个有坐标的体积COMBI1!用1几何体0.00.07.25空气NaI放射源FINV!把1几何体中心放到坐标0.00.07.25，并将所形成的空间称为11VOLU12COMBI20.00.00.0VMOINS111FINV!把2几何体中心放到坐标0.00.00.0，并将所形成的空间称为12FINGEOMCOMPOSITION2!要定义两种物质PUNCTUAL300!温度为300KNAI_dete2!该物质含两种元素NA231.47E-2!MNNAV2410NaI的密度为3.67g/cm3，M=150.本文件和说明书，回答脚本本件后的问题。I1271.47E-2!定义物质NaIPUNCTUAL300AIR2N144.00E-5O169.74E-6!MNNAV2410，空气密度1.205×10-3g/cm3，M=29，NANVNairairNMN*NNM*8%7*M2）（；FIN_COMPOSITIONGEOMCOMPNAI_dete111!将NAI_dete放到之前定义的空间11中AIR112!把Air放到1个几何体里，该几何体为12FIN_GEOMCOMPLIST_SOURCE1!以下要规定1个放射源SOURCEINTENSITE1.0!该源占百分比为1PHOTON!发射粒子为光子PONCTUAL0.00.0-9.9!定义为点源该源的位置0.00.0-9.9ANGULAR_DISTRIBUTIONISOTROPIC!规定该源角发布为各向同性ENERGETIC_DISTRIBUTIONSPECTREMONOCINETIQUE2.754!能量发布为单能，为2.754MeVTIME_DISTRIBUTIONDIRAC0.!时间分布，随时间连续均匀分布定义源FIN_SOURCESFIN_LIST_SOURCELIST_DECOUPAGE1!定义一种能量间隔的分割GRID_E281!将能量划分为281个区间0.00100.01100.02100.03100.04100.05100.06100.07100.08100.09100.10100.11100.12100.13100.14100.15100.16100.17100.18100.19100.20100.21100.22100.23100.24100.25100.26100.27100.28100.29100.30100.31100.32100.33100.34100.35100.36100.37100.38100.39100.40100.41100.42100.43100.44100.45100.46100.47100.48100.49100.50100.51100.52100.53100.54100.55100.56100.57100.58100.59100.60100.61100.62100.63100.64100.65100.66100.67100.68100.69100.70100.71100.72100.73100.74100.75100.76100.77100.78100.79100.80100.81100.82100.83100.84100.85100.86100.87100.88100.89100.90100.91100.92100.93100.94100.95100.96100.97100.98100.99101.00101.01101.02101.03101.04101.05101.06101.07101.08101.09101.10101.11101.12101.13101.14101.15101.16101.17101.18101.19101.20101.21101.22101.23101.24101.25101.26101.27101.28101.29101.30101.31101.32101.33101.34101.35101.36101.37101.38101.39101.40101.41101.42101.43101.44101.45101.46101.47101.48101.49101.50101.51101.52101.53101.54101.55101.56101.57101.58101.59101.60101.61101.62101.63101.64101.65101.66101.67101.68101.69101.70101.71101.72101.73101.74101.75101.76101.77101.78101.79101.80101.81101.82101.83101.84101.85101.86101.87101.88101.89101.90101.91101.92101.93101.94101.95101.96101.97101.98101.99102.00102.01102.02102.03102.04102.05102.06102.07102.08102.09102.10102.11102.12102.13102.14102.15102.16102.17102.18102.19102.20102.21102.22102.23102.24102.25102.26102.27102.28102.29102.30102.31102.32102.33102.34102.35102.36102.37102.38102.39102.40102.41102.42102.43102.44102.45102.46102.47102.48102.49102.50102.51102.52102.53102.54102.55102.56102.57102.58102.59102.60102.61102.62102.63102.64102.65102.66102.67102.68102.69102.70102.71102.72102.73102.74102.75102.76102.77102.78102.791020.0000FIN_LIST_DECOUPAGEREPONSE1!模拟过程需要关注1个事件，即只返回一种结果DEPOSITED_SPECTRUMPHOTONELECTRONPOSITRON!计算光子和正负电子的吸收能谱FIN_REPONSESCORE2!需要计数两个沉积能谱1DEPOSITED_SPECTRUMDECOUPAGEGRID_EVOLULIST111!第一个1是关注1个事件；第二个1是统计一个区域；11指的是统计第前面定义的11区域1DEPOSITED_SPECTRUMDECOUPAGEGRID_EVOLULIST112FIN_SCORESIMULATIONBATCH10SIZE10000EDITION100PARTICULES3ELECTRONPHOTONPOSITRON!模拟过程中统计3中粒子：电子、光子、正电子ENERGY_SUPPHOTON3.0!能量大于3.0的光子不统计ENERGY_SUPELECTRON3.0!能量大于3的电子不统计ENERGY_SUPPOSITRON3.0!能量大于3的正电子不统计FIN_SIMULATION3.1.2TP1-1结果讨论由图1可知，共出现了3个峰值，其中全能峰为2.751-2.761MeV，；单逃逸峰为2.241-2.251MeV；双逃逸峰为1.731-1.741MeV。其中全能峰峰值最高，因为全能峰是光电效应，电子对效应和康普顿散射的叠加，全能峰出现在光子入射能量的位置体现出全能峰是光子所有能量都被吸收。由于电子对效应产生一个正电子和一个负电子，正电子在物质里结果多种作用最终能量被物质吸收，而负电子在动能减退后遇到负电子而发生湮没发出两个能量相等方向相反的光子。2011cm2hh光子的能量为0.511MeV，产生的光子可能会穿透物质，γ射线会损失一份或者两份0.511MeV能量，计算结果E（全能峰）-E(单逃逸峰)=0.510MeV，E（全能峰）-E(双逃逸峰)=1.020MeV与理论相印证。而同时失去两个的概率比一个要小，所以双逃逸峰小于单逃逸峰。0.00.51.01.52.02.50.0000.0020.0040.0060.0080.010概率能量MeV图1无铅室时NaI吸收能谱由于对于空气而言，经过习题课计算1MeV的γ射线在空气中的平均自由程为百米量级，所以入射的光子不被空气吸收。光子进入碘化钠后，会刺激Na原子与I原子发出特征X射线如表一所示，Na的特征X射线能量为0.001MeV左右，I的特征X射线能量为0.03MeV左右，与图2的统计结果一致。0.03MeV的的峰值比0.001MeV大是因为随能量增大光子的反应界面急剧减小造成的。0.000.010.020.030.040.050.060.070.00000.00010.00020.00030.00040.00050.0