岩石对γ射线衰减系数的测量和MCNP模拟

杨慧

(忻州师范学院物理系,山西忻州 034000)

岩石对γ射线衰减系数的测量和MCNP模拟

杨慧

(忻州师范学院物理系,山西忻州 034000)

岩石线性衰减系数是解决地质问题的重要的物性参数.本文以实验和MCNP模拟相结合的方法给出岩石(石英砂岩)样品的衰减系数的模拟和测量方法.这种方法对岩矿石等混合物的γ射线衰减系数的确定以及解决地质问题具有重要的意义.

衰减系数;MCNP模拟;γ射线＊

0 引言

随着放射性同位素在工业、农业、医学、考古等领域应用范围的扩大,有关中子,x射线、γ射线与物质作用的相关参数的研究成了一个热门话题.其中x射线和γ射线的衰减系数是科学、工程、医学、地质学等许多领域都需要的,国际上也对其开展了一系列的研究工作.各种材料的衰减系数已经基本完善,可以从文献中查到,其中也有部分混合物的.本文主要是以实验和蒙特卡罗中子-光子耦合输运程序M CN P相结合的方法,对岩矿石标准(GSR 4)的γ射线衰减系数进行了研究.

1 实验过程

1.1 基本原理

衰减系数[1]又叫线性衰减系数、窄束衰减系数和吸收系数,四种叫法经常交叉使用.光子与物质的作用主要分三种,分别是光电效应(τ)、康普顿散射(σ)和电子对效应(к),还有相干散射等,线性吸收系数是多种相互作用的线性吸收系数的总和,即:

脚标表示不同的反应过程.在低能区,以光电效应为主;而在高能区,以电子对效应为主;中能区,康普顿效应占主要地位.相干散射的作用非常小,因为它没有能量损失,只有小的偏差,一般可忽略.而μphoto较μcoherent又显得非常大,所以数值计算中我们一般就忽略μcoherent.发生这三种作用的总几率μ被称为线性衰减系数,它是这三种作用几率的总和.μ (cm-1)=τ+σ+κ,其中

(a是与Z和Eγ无关的常数;m,n是3～5之间的常数,与Eγ无关;N是原子序数,Z是原子数).

γ射线的强度与厚度的关系可由朗伯-比耳定律(B eer-L am bert L aw)表出:

两边取对数,得:

这里,I0为原始入射光强度,I为透射光强度,d为吸收体厚度,μ为衰减系数.

1.2 实验设计

源距探测器的距离是40cm

探测系统由H PGeγ探测器(O rtec,相对效率40%,对1332keV的分辨率为1.8 keV)、O rtecD espec2p lus数字化谱仪、计算机组成[2].用计算机软件SPAN进行γ谱峰分析.本实验测量并计算了137C s和152Eu对2 cm厚的岩矿石样品的衰减系数,见表1,此实验分两步:第一步测量了准直后的γ射线穿过空的聚乙烯瓶后的γ谱I0,第二步测了其穿过样品后的聚乙烯瓶的γ谱I,样品尺寸为d=2 cm、h=2 cm.实验结果见表2.

1.3 模拟

M CN P(M on te Ca rlo N 2p a rtic le code)是由美国Lo s A lam o s实验室开发的用于多粒子传输模拟计算的蒙特卡罗程序.该程序能对任意三维空间构成的材料——其几何由一维或者二维,甚至特殊的四维(如椭圆面)曲面组成――进行计算.其中M CN P4C是由M CN P4B版本发展而来,是将M CN P和LAH ETTM合并而成的,能够进行34种不同类型粒子的生成和输运.合并后已进行了多次升级和增强,程序的最新版本是2005年4月发布的M CN PX 2.5.0,其特殊功能是能够输运带电粒子,如:质子、轻离子、直至粒子(氘核、氚核、H e和粒子).可跟踪的中子最高能量达到GeV以上.在计算临界系统的特征值以及辐射防护研究中得到了广泛的应用.我们使用的是M CN P4C版本[3].

M cnp4C的模拟值的误差都≤0.05,模拟值一半可靠,将这些值带入(2)得吸收系数,见表2

表1

表2

2 结论

?

根据公式的计算结果可知:M CN P4C模拟值与实验值的相对偏差在04%～8.07%的范围内,及两者结果基本一致,表明用M CN P4C模拟计算衰减系数是可信的.使实验无法测到的γ射线能量范围内吸收体衰减系数的确定变得非常容易,应该指出的是,室内测定衰减系数时,岩矿石的自然条件(温度、压力、含水量等)与室外条件不同,因此往往室内取得的数据与实际参数有较大偏差,而且有的岩矿石容易风化破碎,难以制成标本.而野外所求的衰减系数值包含着钻孔内液体的影响,在实际应用时应引起注意.

[1]R.M.W.Overwater.The PhysicsofB ig Samp le Instrum entalNeutron A ctivation Analysis[J].DelftUniversity of Techno logy,Delft,1994.

[2]肖才锦等.玻璃参考物质中重金属污染元素的中子活化比对分析[J].核技术,2008,32(7):533-536.

[3]Briesmeister,J.F.(Ed.).MCNP-AGeneral Monte Carlo N Particle Transport Code[J].Version 4C,LA-13709-M, 2000.

Abstract:Rock linear attenuation coefficient is an important Physical parameter to solve geological problems.We give the simulation and measurement m ethods of rock’attenuation coefficient by combining methods of experiments and MCNP simulated.It is important to amixture of rocks andminerals such asγ-ray attenuation coefficient to determine and the solution of geological problem s.

keyword:attenuation coefficient MCNP simulationγ-ray

Measurement ofγ-ray Attenuation Coefficient and Simulation of MCNP by Rock

YANG Hui
(Department of Physics Science,Xinzhou Teachers University,Xinzhou 034000,China)

O572.21

A

1004-7077(2010)02-0009-03

2010-03-23

杨慧(1982-),女,山西忻州人,忻州师范学院助教,研究方向为原子与分子物理、实验教学研究.

[责任编辑:陈庆朋]