航空伽马阵列探测器互响应研究

论文摘要

航空伽马能谱测量技术是铀矿资源勘查、辐射环境评价和核事故应急监测的重要手段,具有成果好、效率高、成本低等显著优势。为了提高航空伽马能谱测量技术对地探测灵敏度和测量精度,采用高能量分辨率的伽马射线探测器是航空伽马能谱仪的发展方向。在国内外市场上,商品化的航空伽马能谱仪普遍采用大体积NaI（Tl）晶体闪烁计数器,其能量分辨率为8%左右(FWHM@137Cs源0.661MeV),单晶体体积为100×100×400mm3。为了保证在有限的采样时间内（一般为1秒）对地测量精度,航空伽马能谱仪的探头一般采用4条晶体或8条晶体的组合。目前,一些新型具有较高能量分辨的伽马射线探测器已商品化,如溴化镧晶体的能量分辨率可达到2%左右,溴化铈晶体的能量分辨率可达4%左右;但溴化镧晶体的最大体积仅为φ75×75 mm3左右,而溴化铈晶体体积则更小,仅为φ50×50 mm3左右。若将航空伽马能谱仪的能量分辨率提高到4%左右,同时保证对地探测精度,则只能采用10×10阵列式新型闪烁晶体组合,增大航空伽马能谱探头的体积。随着探测器阵列的规模不断扩大,其能谱互响应问题变得不可忽视。一方面,互响应问题会影响到阵列探测器对特征峰的分辨能力和增加低能本底计数;另一方面,若能同时记录阵列探测器中每一个探测器的粒子及其能量,则可利用反康增峰技术提高阵列探测器的峰康比,进而提高特征能峰的分辨能力。因此探究伽马光子在阵列探测器之间的能量沉积过程显得至关重要。通过建立伽马射线在阵列探测器中能量沉积分布模型,可以得到任意能量的伽马射线入射阵列探测器后在相邻探测器中的能量沉积能谱,进而可以对探测器仪器谱进行修正。论文研究内容来源于国家重点研发计划“高分辨率航空伽马能谱测量及机载成像光谱测量技术”（项目编号:2017YFC0602105）和国家自然科学基金“高分辨航空伽马阵列探测器群能谱响应研究”（项目编号:41774147）。本论文开展航空伽马能谱阵列探测器互响应研究具有重要的科学意义和实用价值。本文通过理论、蒙特卡洛模拟与物理实验对阵列探测器互响应进行了研究,主要研究成果如下:（1）通过对探测器的结构分析和基于伽马光子与物质的相互作用机理,分析得到了伽马光子在阵列探测器中的输运过程与能量损失机理。（2）将航空伽马测量中主要关注的几种能量（0.661MeV、1.173MeV、1.332MeV、1.46MeV、1.76MeV、2.62MeV）作为源射线的能量,通过建立的模拟模型,设置入射点在主探测器底面三个方向上移动,得到三个方向上主探测器全能峰计数与侧探测器的全谱计数曲线,根据曲线特征得到:主探测器全能峰计数随入射点离原点的距离呈二次函数曲线变化,侧探测器全谱计数随着入射点与侧探测器的距离的增大而递减,整体也呈二次函数曲线变化趋势;根据左右侧探测器的模拟结果,说明左右侧探测器各点计数就Y轴对称;依据单能1.173MeV和1.332MeV和双能60Co模拟计数分布曲线,证明双能入射互响应可由单能入射结果解释计算得到,二者的相对误差为4%。（3）建立了物理实验模型,验证了阵列探测器互响应的存在。当窄束射线垂直入射主探测器底面时,侧探测器全谱上存在计数,随着入射射线能量的增加,阵列探测器的互响应影响越严重。（4）将实验数据与模拟值进行对比发现,实验和模拟归一化计数变化曲线基本相同,相对误差均在8%以内。利用实验和模拟所得各点侧探测器全谱计数与主探测器全能峰计数之比,计算得到模拟值的修正因子,修正结果与实验结果之间的相对误差大部分小于10%;利用修正因子模拟数据,建立了经过修正的137Cs和60Co源的阵列探测器晶体能量沉积分布模型和1.46MeV、1.76MeV、2.62MeV的模拟阵列探测器晶体能量沉积分布模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
•   1.1 国内外航空伽马仪器研究进程
•   1.2 航空伽马仪器的发展趋势和问题
•   1.3 选题目的与意义
•   1.4 论文的研究内容
•   1.5 论文的组织结构
• 第2章 航空伽马探测器基本原理和理论
•   2.1 地空界面伽马射线来源分布
•     2.1.1 地表伽马射线
•     2.1.2 空间伽马射线
•     2.1.3 人工伽马射线
•   2.2 伽马射线与物质的相互作用
•     2.2.1 光电效应
•     2.2.2 康普顿散射
•     2.2.3 电子对效应
•   2.3 航空伽马仪器谱的形成
•   2.4 航空伽马能谱仪探头的基本结构
•   2.5 伽马光子输运过程与能量损失机理
• 第3章 阵列探测器的蒙特卡洛模拟
•   3.1 MCNP程序简介
•   3.2 探测器几何模型
•   3.3 模拟参数设置
•   3.4 模拟结果
• 第4章 实验平台
•   4.1 探测器性能
•   4.2 实验方案
•   4.3 实验数据处理
•   4.4 实验数据分析
• 第5章 能量沉积分布模型建立
•   5.1 实验值与模拟值归一化对比
•   5.2 修正系数计算
•   5.3 能量沉积分布模型
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 何庆驹

导师: 葛良全,郭生良

关键词: 航空伽马能谱测量,阵列探测器,互响应,能量沉积

来源: 成都理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学,地球物理学

单位: 成都理工大学

基金: 国家重点研发计划“高分辨率航空伽马能谱测量及机载成像光谱测量技术”(项目编号:2017YFC0602105),国家自然科学基金“高分辨航空伽马阵列探测器群能谱响应研究”(项目编号:41774147)

分类号: P631.63

DOI: 10.26986/d.cnki.gcdlc.2019.000707

总页数: 73

文件大小: 3443K

下载量: 37