基于NaI闪烁体的放射性碘探测装置蒙特卡罗模拟计算.docx

NuclearElectronics＆ DetectionTechnology2014年 1月Jan．2014基于NaI闪烁体的放射性碘探测装置蒙特卡罗模拟计算任才1，2，陈祥磊2，李小华1，桂龙刚1，2，安然2，郭晓彬2(1．南华大学核科学技术学院，衡阳421001; 2．武汉第二船舶研究设计所，武汉430064)摘要:利用蒙特卡罗程序(MCNP)研究了核电站气载放射性监测通道中重要监测设备放射性碘探测装置的探测方式、几何尺寸对 NaI 闪烁体探测器探测效率的影响，根据模拟计算结果对所反应的规律进行了详细说明，研究结论为放射性碘探测装置的研制提供了重要的数据参考和理论支持。关键词:蒙特卡罗方法;NaI闪烁体;气载放射性碘中图分类号:TL816 +． 2文献标志码:文章编号:0258-0934(2014)01-0121-06A131I 是反应堆中核燃料裂变产物，是产生的碘同位素中寿命最长的，也是在环境监测中最可能监测到的碘元素。131 I 具有挥发性，在泄漏后容易随空气迅速传播(碘单质和甲基碘)，同时碘元素很容易被人体吸收，进入甲状腺等人体重要器官，对人体造成严重的内照射伤害。因此在核电站等核设施中必须对重要区域大气和排出流中的放射性碘进行实时监测，以及时发现可能的反应堆和一回路泄漏事件。核电站中放射性碘监测主要应用在反应堆厂房空气监测、核岛烟囱排出流气载放射性监测和主控室通风空气监测中。NaI(Tl)晶体性能优良、价格便宜，它自问世以来就一直是探测X射线、γ射线和α射线的最重要的闪烁体，已广泛用于石油探测、环境监测、核医学、高能物理和工业 CT 等领域［1－2］。在通常核事故下，因为释放到空气中的碘浓度较低，所以它是难以直接探测的，为了降低探测器的探测下限，以确保核电站事故得到及时处理，需要先把弥散在空气中的碘吸附到介质中后再进行探测，在气态放射性碘的捕集材料中，研究最多、应用最广的是各种类型的活性炭及其浸渍炭［3］。许多研究证明，各类非浸渍炭对气态元素碘均有较高的捕集效率，但它不能有效地滤除放射性气流中的甲基碘［4］，故在通常情况下都采用浸渍活性炭来捕集甲基碘。在所用的浸渍剂中，TEDA( 三乙撑二胺)性能较好，被广泛采用，也有人将TEDA与KI联合使用以达到更理想的捕集效果［5～8］。蒙特卡洛方法是用计算机通过模拟大量随机事件以确定某种物理量的一种计算方法。对γ射线探测来说，放射源中的γ光子发射方向、γ光子到达晶体表面的入射点、γ 光子与晶体的相互作用性质以及在晶体中的运动路径等都是随机的。具有一定能量的γ 光子的全部运输过程都由计算机进行模拟，在这些γ光子中，有的与晶体不接触，有的进入晶体; 进入晶体的 γ光子，或发生光电效应、或发生康普顿散射、或发生电子对效应等其他相互作用; 最终121收稿日期:2013－06 －16基金项目:国家自然科学基金资助项目11205082;湖南省自然科学基金资助项目(10JJ6004，12JJ4009);南华大学博士科研启动基金资助项目(2010XQD29，2011XQD28);南华大学粒子物理与原子核物理创新团队。作者简介:任才(1988－)，男，四川省绵阳市人，在读硕士研究生，研究方向: 核辐射探测。这些光子或部分或全部地把能量消耗在晶体中，也可能不与晶体发生任何作用而穿过晶体。当模拟的γ光子数达到一定数量以后，便可以在一定误差范围内求出探测器对这种能量的γ射线的总探测效率以及全能峰效率。源的全能峰探测效率可表示为:ε=Ω ε(E)Ｒ(E)，此式中:Ω为晶体表面对源所张的立体角;ε(E)为被探测器探测到的光子与源发射全部光子的百分比;Ｒ(E)值指能量为E的峰总比。本文利用国际上广泛应用的蒙特卡罗模拟软件MCNP对放射性碘探测装置的多个重要物理参数进行了模拟计算，具体包括:(1)探测装置井型测量方式和端面测量方式的差异;(2)探测装置几何尺寸对探测效率的影响。图1 放射性碘探测结构示意:井型测量方式1模拟计算环境及参数设置分别用建模软件、蒙 特卡罗程序MCAMMCNP完成对探测模型几何构建、模拟计算工作，计算结果的统计误差均小于 1%。在进行模拟计算时，浸渍活性炭各成分的质量比为:图2 放射性碘探测结构示意:端面测量方式右边的底面与浸渍活性炭圆柱侧面的最近距离不变且 NaI圆柱形晶体的轴线为浸渍活性炭圆柱轴线的中垂线，在两种探测方式中，保持两者之间的NaI晶体尺寸一样、浸渍活性炭高度与NaI晶体相同、浸渍活性炭体积一样( 由于两种探测方式中浸渍活性炭的高度一样，而浸渍活性炭的体积又要保持相同，所以端面探测方式中浸渍活性炭底面半径与井型探测方式中的浸渍活性炭厚度呈一一对应关系，因此下文中提到的浸渍活性炭厚度统一指井型探测方式中的浸渍