“辐射探测器”的模拟设计

张媛媛,谢小光

(西南科技大学，四川 绵阳 621000)



“辐射探测器”的模拟设计

张媛媛,谢小光

(西南科技大学，四川 绵阳 621000)

摘要：MCNP可以用来运输中子，光子，电子，还可以计算临界系统的特征值，是一个通用的MonteCarlo粒子输运程序。MCNP的功能有很多，譬如可以用来处理材料的三维结构，计算中子的截面库中的所有反应，可以测量处理材料的任意三维构型，栅元的边界可以是一阶和二阶曲面以及四阶椭圆环面。使用逐点的截面数据。对于中子，可以测量光电子吸收后的荧光发射以及轫致辐射。也可以在不考虑外部、自身的感应场的情况下对电子运用Slowingdow模型，通用源、临界源和曲面源都可以被MCNP所使用。有丰富的方差衰减技术；方便的记数结构；广泛的截面数据库本次设计就针对β辐射对探测器进行选择，对计算模型进行设计。

关键词：模型;MCNP;探测器;β射线

1探测系统综合设计

探测器选择和运行原理，利用β射线和物质相互作用的规律，多种类型的射线β探测器被人们设计并且制造了出来。

此次实验中选择使用半导体探测器- P-N结型探测器。

半导体β射线探测器的基本工作原理是,电子空穴的产生是因为入射电子在半导体物质中损失能量,物质中损失的能量越多，入射电子产生电子一空穴对的产生数目也就越多.硅或锗是一般都会选择的电子材料.硅对电子产生的能量小于SMeV的电子在其中所产生的脉冲高度分布,一个能量的很窄的主峰和一个完全独立于电子能量的低能尾巴组成了硅对电子的能量。而且其峰面积与总面积之比也跟电子本身的能量没有关系。

探测器是一种新型核辐射探测器，它又半导体材料作为介质，具有很好的能量β分辨能力。随着现实应用对半导体材料和低噪声电子学的要求越来越高，半导体材料和底噪电子学发展越来越快P-N结型探测器、锂漂移型探测器、高纯锗探测器、化合物半导体探测器等多种探测仪被一一创造出来。

面垒型探测器噪声比较低，能量线性跟分辨率都比较高，而且结构简单操作起来很方便。

面垒型探测器对光灵敏照在探测器表面上的光子可以到达灵敏体积内。可见光光子的能量约为(4～2)eV,大于硅和锗的能隙Eg,因此可见光光子与半导体相互作用可能产生电子—空穴对,普通房间内的光线就能引起很高的噪声。所以建议在真空密闭的环境下使用垒型探测器这样才可以极大的降低噪声的影响，在使用过程中不要用手触摸它的镀金面，因为它的窗很薄。

2利用MCNP程序实现模拟标准β射线源辐照探测器的过程如下：

2.1对源、探头的位置等信息进行了几何描述并且建立射线照射半导体探测器的几何模型。

2.2建立物理模型，包括模拟结果记录的空间位置存在于探头中的各种物质的组成和密度等，β射线源的能量分布和发射位置和模拟结果记录的空间位置，物理内容等。

2.3将模型转化为MCNP程序。

2.4试模拟粒子输运过程，通过使用和调整减小方差的技巧，尽量使得在一定时间内，减小计算结果的统计误差。

2.5从计算结果中提取有用的信息，即对计算结果后续处理。

根据上述步骤，下面建立模拟模型。

本次探测器模拟设计所用的闪烁晶体为高7.6 cm，直径为7.6cm的 NaI(Tl)晶体，其中 MgO反射层厚 0.05 cm，晶体外侧面 Al壳厚 0.20 cm，前部 Al壳厚 0.25 cm，SiO2光学玻璃厚0.2 cm，海绵厚0.1cm。

模型的CAD绘制为了能方便的写出能在MCNP中使用的模型，首先在CAD中做好模型图，探头模型的放射源面定义。

假设β放射源的位置在X轴上原点4cm的位置上，即坐标为(-4,0,0)。那么原点所在的平面可以写为：

1px-4

其中，1代表放射源所在面的序号，定义为1号，这个序号是在取cell块的时候

需要用到；px表示该面是垂直于X轴的面；-4则表示该面与X轴的轴距。

定义探头分割面

由不同的分割面，将各个材料所在的间分割出来来达到材料性质的一致。

如图所示，将探测器探头分割成2至11号

4px3.8

5px0.2

7px4

9px0

2,3号面不同于4 5 7 9号面，它们垂直与z面

2pz0.2

3pz3.8

10 11 12 13面垂直与z面

10py2

11py-2

12py1.8

13py-1.8

8

3总结

本次设计利用MCNP对NaI(Tl)单晶闪烁探测器进行了探测器探头核心的模拟设计，如需要，可以针对本次设计的模型安装对应的其他器材，再在MCNP的输入文件加上所需要的数据卡，即可利用MCNP对探测器进行模拟计算。

参考文献：

[1]《核电子学与探测技术》, 2011, 31(11):1198-1201.

[2]MCNP 入门教程J·K·Shultis R·E·Faw 编著Icrychen (czie@163.com).

中图分类号:P283

文献标志码：A

文章编号：1671-1602(2016)08-0034-01

作者简介：张媛媛(1994.02-),女,汉,河南省濮阳市城关镇杜庄,学生,本科在读,西南科技大学,信息对抗专业。

谢小光(1994.12-),女,汉,四川省绵阳市三台县,学生本科在读 西南科技大学,信息对抗专业。