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等效电子源空腔能量沉积的蒙—卡计算及实验测量

任晓娜  
【摘要】:人类一直受着天然电离辐射源的照射(如环境照射),并且随着人类核活动的增加,人类也受到不同程度的人工辐射源的照射(如职业照射和医用治疗照射)。辐射应用对人类生活有着重要的影响。但只有合理利用才能造福人类,因此正确确定剂量显得十分重要。用剂量计测量剂量是主要和常用方法。从剂量计工作原理来说,应用最广的是空腔电离理论。从Bragg-Gray理论、Spencer-Attix理论、等效电子源理论、Burlin模型和Kearsley模型,逐步完善的空腔电离理论使空腔电离理论应用于剂量计的设计和辐射计量上更准确。 等效电子源理论的提出至今已有40年了。这是一个把空腔电离作为输运问题来解而导出的在理论上近乎完美的结论。在国际学术刊物上发表后,也曾受到各国同行的重视。然而,这一理论的实际应用却和它理论的完美很不相称。这一方面固然是由于以等效电子源表达式为基础的剂量计算过程颇为复杂,特别在复杂的几何条件下,等效电子源在空腔中产生的电离量是一个非均匀介质的电子迁移问题,难于给出通用的计算程序。另一方面,一些通用的计算方法(如蒙特卡罗方法)的广泛应用和计算机技术的发展,使得粒子输运问题有了针对具体对象现实可用的计算手段。本工作试图在等效电子源理论的实用性方面作一点探索,为此将两种方法的计算结果与实验结果作了比较。 本文的主要研究工作有3个部分,第一部分是对不锈钢球形电离室响应进行实验研究。不锈钢电离室由于强度好,可以充不同气压的气体,在辐射场的测量中得到了广泛的应用,但对不锈钢电离室的系统实验工作目前开展的不是很多,我们针对不锈钢球形电离室,开展了一系列实验研究,包括气体的饱和特性、电离室的能量响应及电离室的单位压力灵敏度等。电离室内气体气压从4kPa到1000kPa,实验气体包括5种,氦气、氮气、氩气、氪气和氙气,原子序数从2到54,实验能量从33keV到1.25MeV。第二部分是利用蒙特卡罗通用程序——EGS4蒙卡程序计算电离室响应。计算了NE2571电离室不同电极尺寸对电离室的响应影响,以及不锈钢球形电离室的能量响应和单位压力的灵敏度。进行EGS4蒙卡程序计算是为了从计算方法上与等效电子源理论进行比较。第三部分是利用等效电子源理论计算不锈钢 中国原子能科学研究院博士学位论文 球形电离室响应。在等效电子源理论计算中,先通过解析的方法得到等效电子源, 然后用蒙特卡罗技术计算等效电子源在电离室内的能量沉积,将蒙特卡罗技术和等 效电子源理论结合起来。 本研究结果表明,用等效电子源理论计算的电离室响应最接近实验值,在实验 值变化幅度最大达数十倍的情况下仍能保持良好的一致性。除了初始射线能量为 33kev及气压为计示0.05个大气压的点外,对于氢气,等效电子源理论计算的结果 与实验结果的相对偏差在士15%以内(除1个点外),对于氮气在士巧%以内,对于 氮气在士19%以内,对于氦气在士25%以内(除2个点外),对于氛气在士25%以内 (除1个点外),实验误差氛气为12.1%,其余气体为7.5%,所以等效电子源理论 在室壁与气体原子序数接近时(如氢气和氟气),理论计算结果与实验符合的很好, 而对于室壁与气体原子序数相差比较大(如氦气和氮气)时,理论计算结果也与实 验结果符合的比较好。在初始辐射能量比较低(33kev)时,厚度为1 .19~的不 锈钢室壁对初级射线的衰减可达1500倍以上,当电离室壁厚不均匀,或电离室壁 厚测量有误差时,很容易造成100%的相对偏差。在低气压情况下,由于测量时间 长和电离室的轻微漏气,电离室内气体的纯度会发生变化,而在计算过程中,气体 的纯度是不变的,所以在低气压情况下,理论计算结果与实验结果相差比较大。对 不锈钢电离室,在充氛气时电离室最灵敏,在”7Cs源照射下,电离室内压力相同, 充氛电离室的灵敏度比充氢电离室高5.6倍,在低能射线照射下(83keV),充氛电 离室比充氢电离室更灵敏(灵敏度相差55.1倍)。但在实验过程中,对充氨气(电 离室响应)和氦气(饱和特性)电离室的一些现象还有待进一步分析。 关键词:等效电子源理论蒙特卡罗方法不锈钢电离室响应氨气氦气氮气氟气氮气


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