MC法模拟计算土壤样品γ自吸收修正因子.pdf

第卷第期年月核电子学与探测技术 法模拟计算土壤样品自吸收修正因子叶二雷，沈春霞，南宏杰（陆军防化学院，北京）摘要：采用法对圆柱形几何体中土壤样品的探测效率进行计算，评估了范围内的自吸收修正因子。研究了样品密度、高度和湿度 等参数对自吸收因子的影响，并得到了相应的修正函数。研究结果表明，对于特定能量的光子，样品密度的变化对自吸收的影响最大；对于与标准样品密度相差不大的样品，应重点考虑高度、湿度的变化对自吸收带来的影响；在对含低 能量光子放射性核素的样品测量时，应综合考虑密度、高度和湿度带来的误差。综合分析了土壤样品密度、高度和湿度等因素对自吸收的影响及修正函数，可对计算复杂基质下土壤样品 的自吸收效应提供参考。关键词：自吸收；模拟计算；土壤样品；修正因子中图分类号：文献标志码：文章编号：（）在核试验、核设施产生的放射性物质及各种天然放射性会对土壤造成 放射性污染。在对放射性样品进行测量的过程中，必须对放射性样品做自吸收修正研究发现，自吸收效应 在低能区比在高能区表现的更加明显。另外，土壤物理性质（样品基质、密度、高度等）的改变也会引起自吸收效应相应的变化。针对自吸收修正因子的求解有多种方法，其中法）通过使用软件对探测器和待测样品建立模型求解放射性样品的自吸收校正因子。数值方法考虑了样品 的几何形状、衰减系数等参数，通过一定的数学公式推导出自吸收校正因子。为确定圆柱体土壤样品 的自吸收修正因子，本文利用法模拟了 圆柱形几何测量体样品 的全能峰探测效率，计算了相应的自吸收因子，探讨了不同 因素对放射性土壤样品自吸收稿日期作者简介：叶二雷（），男，河南周口人，在读研究生，攻读方向为核辐射监测技术研究。收的影响，通过控制变量的方法解释了单一影响因素对圆柱形几何测量体自吸收的影响规律。实验建模实验使用的溴化镧探测器尺寸为（），探测器外部包裹有的反射层和铝 制外壳，底 部材料模拟 为。模拟土壤的化学成分如表所示。针对所关心的天然放射性核素，、核爆炸沉降物和核电站周围所监测的人工放射性核素进行模拟计算，所测放射性核素及其对应的特征射线能量如表所示。采用法计算放射性土壤样品 的自吸收校正因子，图为溴化镧探测器与土壤样品 的相对测量位置。样品紧贴于探测器端面，容器为由聚乙烯塑料制成的大小为的 圆柱体，厚度为。土壤 样品几何形状为）的圆柱体。在模拟计算时，通过改变土壤的参数可以调节样品 的密度、湿度，进而可以获得土壤样品不同参数对自吸收的影响。计算公式如式（）所示：（）式中：为待测土壤样品的探测效率为当样品密度为时得到的探测效率。自吸收修正因子为模拟计算样品实际基质和空气基质时的探测效率的比值。当样品盒内的基质为空气时，这是个理想模型，认为此时的自吸收因子。表土壤样品和样品盒的化学成分和密度样品化学成分（质量分数）密度（）土壤基质（），（），（），（），（），（），（），（）样品盒（）表放射性核素及其相应的特征射线能量核素奶特征？能量 半衰期？土壤样品？聚乙浠外壳 晶体 图模拟探测器与土壤样品图模拟计算实验中，利用程序模拟了将、和点 源置于距探测器中心位置水平距离处的情况，计算该位置处三种放射性点 源所发射的能量为、和的光子的探测效率值，并与实验值作比较图为利用程序计算出在距离探测器处光子探测效率随能量的变化曲线与实际测量值的对比。可以发现两者 拟合情况较好，最大误差 不超过，证明了法模拟探测器并计算粒子输运的可靠性在此基础上，用该模型计算不同髙度、密度和湿度下土壤样品的自吸收因子。结果与讨论样品密度对自吸收因子的影响首先计算不同样品密度下光子能量对自吸收的影响，通过使用软件对具有不同密度土壤样品 的峰值效率进行模拟，模拟的光子能量范围为。根据式（）计算自吸收因子，图显示了不同密度下自吸收因子随光子能量的变化曲线。可以发现，自吸收因子在不同的能量范围所表现出的变化趋势具有一定的差异性：在低能区（）时，自吸收因子随密度的变化较为剧烈；在其余能量区，自吸收因子的变化趋势随密度的增加开始变慢。这说明土壤样品的自吸收影响在低能区比较严重，最高达到了左右。在高能区，卩使土壤密度增加一倍左右，自吸收效应的影响也在以 内。能量图不同光子能量下自吸收因子与密度的函数 实验，能图（）探测器效率随射线能量变化的模拟和实验曲线在研究土壤密度对自吸收因子的影响时，使用软件模拟了密度在范围内土壤样品的自吸收因子，图的曲线表示自吸收因子随土壤密度的变化，通过多项式方程拟合得到，可以用式（）来表：（）图、图的拟合曲线描述了土壤样品自吸收因子随着样品密度及其发射的特定能量光子变化的函数。这说明 了自吸收因子与光子能量和样品密度具有相关性，同时也说明 了对于几何形状一致的样品，光子的能量越低，不同密度之间自吸收因子的差异差别越大。随着能量的增加，这种差别逐渐变小。样品的密度越大，自吸收因子随着能量的变化越剧烈。因此认为，样品（尤其是含有低能射线的放射性核素）进行活度测定时，需重点考虑待测样品密度差异引起的自吸收因子变化对测量结果的影响。鲁 水的比例图自吸收校正因子随样品湿度的变化（标准参考密度取）湿度的增加会使得原子序数低的核素（氧锰和铁等）占比降低，这使得土壤样品总体的和氢）的占比增大，原子序数高的核素（铝、硅、相对原子序数降低。对于低能光子来说，相？密度（）图自吸收因子和湿度校正函数样品湿度对自吸收因子的影响在模拟计算不同湿度对土壤样品自吸收的影响时，使用的标准土壤样品湿度为，密度为。在增加土壤湿度的时候，按比例増加水的加权因子，分别使水的比重占、和，相应地将、等材料按比例乘以、和。模拟结果如图所示。从图可知，对于高能量区的特征射线来说，湿度的增加会伴随着自吸收因子的降低，但是这种 变化非 常小，在以内，可以忽略不计。对于低能量区的特征射线（、），湿度的增加会使自吸收因子变大，即增大了低能量光子的探测效率。高度图样品高度对自吸收系数的影响（标准参考密度取）对原子序数的降低会使得光子在土壤中的衰减变得减弱，进而使得自吸收因子变大。相反，若湿度 降低，则会使得低能光子在土壤中的衰减变大，自吸收因子就会降低。由于湿度的改变对于原子序数的影响并不是很大，这也使得自吸收因子的变化在低能区很明显，而在髙能区几乎可以忽略不计。该结果与￥人的研究结果相符合，在他的研究中证明，随着样品原子序数的增加，样品自吸收会使得低能端光子的探测效率降低，而对髙能端的影响可以忽略不计。因此，当待测样品密度与标准样品密度相差不大时，应重点考虑样品湿度（或者说是样品基质）的变化对光子（尤其是低能光子）的自吸收影响。样品高度对自吸收因子的影响用模拟密度为、水分占比为，髙度在的放射性土壤样品，分别选取能量在不同范围内的光子进行计算，计算结果如图、图所示。从拟合曲线中可以发现，高度的变化对于低能量的光子影响较大，在髙度为时，对探测效率的影响可达到以上。对于能量较高的光子，对于探测效率的影响一直保持在以内。图描述了、和能量下土壤样品自吸收因子随样品高度的变化曲线。从图中可以看出，随着样品高度的增加，自吸收因子逐渐减小。自吸收因子随高度变化的曲线可以用式（）来表：（）从图和图可知，无论样品的筒度是多少，自吸收因子的变化都呈现出低能区变化剧烈、高能区变化缓慢的趋势。但是随着样品高度的增加，自吸收因子在低能量区快速变化的趋势会得到减缓。认为这是随着样品髙度的增加，土壤对高能量光子的自吸收有了进一步的增加，这导致了低能量光子与高能量光子的自吸收效应差距的减少。在对含有低能光子的放射性样品进行活度测量时，需重点注意由于样品高度变化带来的对自吸收因子的影响。结论本文通过使用软件模拟计算了不同基质、能量和物理状态下放射性土壤样品的自吸收修正因子，拟合得到了自吸收修正因子与样品 的密度、湿度、高度和特征飞光子能量的函数关系。结果表明，对放射性样品的精确测量，必须考虑自吸收效应。其中，由于密度差异所引起测量结果的变化最为剧烈，在对放射性样品进行定量分析时，应重点修正密度差异带来的误差；在对低能射线进行分析时，还应将样品湿度、髙度造成的影响考虑在内。本文拟合的修正函数可有效提髙对放射性土壤样品活度测量的准确性，可为辐射监测工作提供技术参考？能萤图不同高度的自吸收系数随能量变化曲线（标准参考密度取）参考文献：，（）：，（）：，：，（）：，“”，（）：，？，（）：？，（）：，？，（）：，？，（）：，？，（）：，：，（）：？；，（）：，？，（）：，？，（）：，（）：，：，（）：，（）：，？：，（）：，（，）：，；，：；