Дозиметрии и ионизирующего излучения 6 Радиационный
 Скачать 352.38 Kb.
|
Численное моделирование отклика сцинтилляционного детектораПорядок работы с GEANT4 состоит в следующем: сначала составляется план эксперимента, изучаются основные свойства и характер взаимодействия экспериментальных частиц. Затем составляется программа на объектно- ориентированном языке C++, использующая библиотеки, входящие в состав GEANT4. После этого исходные тексты программ компилируются, программа выполняется, и происходит анализ полученных результатов. По мере анализа полученных данных в программу вносятся изменения, затем процесс повторяется до тех пор, пока не будут получены удовлетворительные результаты. Чтобы начать моделирование в GEANT4, нужно в начале задать важные параметры, а именно G4DetectorConstruction: в этом классе задается геометрия детектора (Приложение А). На рисунке 4.2 представлен смоделированный сцинтилляционный детектор. В качестве сцинтиллятора для детектора был использован цезий йод активированный таллием (CsI(Tl)) с плотностью 4,51 г/см3, с размером 15×15×3 мм. Состав CsI(Tl): CsI – 99,6%, Tl – 0,4%. Сцинтиллятор встроен во внутрь отражающих слоев алюминия. Алюминий является материалом с малым атомным номером и низкой плотностью. С другой стороны, он демонстрирует высокую отражательную способность для видимого света, направляя его к соответствующий фотоприемник. Кремниевая чувствительная область смоделирована на задней грани кристалла с размером 3×3 мм.  Рисунок 4.2 – Смоделированный сцинтилляционный детектор CsI(Tl) Источник излучения расположен на расстоянии 8 см. от детектора. В качестве источников излучения использовали: 137Cs (661 кэВ), 60Co (1173, 1332 кэВ), 226Ra (188, 241, 295, 351, 609 кэВ), 22Na (1274 кэВ), 40K (1460 кэВ). Данные источников писались в отдельных mac. файлах для консольного запуска (Приложение Б). В работе моделировались 106 событий (рисунок 4.3).  Рисунок 4.3 – Визуализация прохождения пучка гамма-квантов через детектор Таким образом, в программном пакете GEANT4 на языке С++ было смоделировано взаимодействие излучения со сцинтилляционным детектором. Процесс калибровкиВ результате моделирования отклика сцинтилляционного детектора CsI(Tl) в GEANT4 в виде спектра вторичных электронов, мы получали подсчитанное число частиц и количество энергии, выделяемое в кристалле сцинтиллятора (рисунок 4.4).  Рисунок 4.4 – Пример экспериментального спектра 137Cs В работе не были учтены оптические эффекты, моделировалось только энерговыделение в кристалле. Учёт оптических эффектов, генерация и сбор фотонов, не играют решающей роли в решении поставленной задачи. Для осуществления энергокомпенсации была выполнена калибровка с разбиением на два и на три интервала. Также была выполнена калибровка традиционным методом, т.е. без энергокомпенсации. Для калибровки без разбиения на интервалы, берется общее число зарегистрированных импульсов N во всем спектре (рисунок 4.5).  Рисунок 4.5 – Спектр 137Cs Полученные значения N по всем источникам представлены в таблице 4.2. Во-вторых, выполнили калибровку с разбиением спектра на два интервала. Для этого берется условная граница в спектре, в диапазоне энергий на 0,23 МэВ, которая схематично представлена на рисунке 4.6, где значение N1 это число зарегистрированных импульсов в первом интервале, а N2 во втором интервале, соответственно.  Рисунок 4.6 – Спектр 137Cs разбитый на два интервала То же самое проделали с остальными пятью источниками и полученные данные представили в таблице 4.2. Таблица 4.2 – Значения зарегистрированных импульсов без разделения и при разделении на два интервала
 Далее, спектры разбиваем на три интервала, границы берутся в диапазонах энергий 0,23 МэВ и 0,46 МэВ (рисунок 4.7).Рисунок 4.7 – Спектр 137Cs разбитый на три интервала Полученное число зарегистрированных импульсов по всем источникам представлены в таблице 4.3. Таблица 4.3 – Значения зарегистрированных импульсов при разделении на три интервала
Затем с помощью системы линейных уравнений определяем весовые коэффициенты 𝑤 (этот прием называется линейной регрессией). Также выполнен расчет без энергокомпенсации, где калибровка делалась по источнику 226Ra: Ḋ𝑅𝑎 = 𝑤𝑁𝑅𝑎, (4.4.1) где значения мощности дозы Ḋ взяты из таблицы 4.1, весовой коэффициент равняется: 𝑤=0,00006. Весовые коэффициенты для двух-интервального спектра находим по данным калибровочных источников 60Co и 226Ra по формуле (4.4.2): Ḋ𝐶𝑜 = 𝑤1𝑁𝐶𝑜 + 𝑤2𝑁𝐶𝑜 { 1 2 , (4.4.2) Ḋ𝑅𝑎 = 𝑤1𝑁𝑅𝑎 + 𝑤2𝑁𝑅𝑎 1 2 где весовые коэффициенты равняются: 𝑤1=0,0005 и 𝑤2=-0,0005. Весовые коэффициенты для трех-интервального спектра находим по данным калибровочных источников 60Co, 226Ra и 22Na по формуле (4.4.3): Ḋ𝐶𝑜 = 𝑤1𝑁𝐶𝑜 + 𝑤2𝑁𝐶𝑜 + 𝑤3𝑁𝐶𝑜 1 2 3 { Ḋ𝑅𝑎 = 𝑤1𝑁𝑅𝑎 + 𝑤2𝑁𝑅𝑎 + 𝑤3𝑁𝑅𝑎 , (4.4.3) 1 2 3 Ḋ𝑁𝑎 = 𝑤1𝑁𝑁𝑎 + 𝑤2𝑁𝑁𝑎 + 𝑤3𝑁𝑁𝑎 1 2 3 где весовые коэффициенты равняются: 𝑤1= -0,0007, 𝑤2= 0,0006, 𝑤3=0,0005. Далее по всем интервалам имитируем процесс измерения для оставшихся источников по следующей формуле Ḋ = ∑ ∗ 𝑛 𝑖=1 Ḋ где ∗- рассчитанная мощность дозы. 𝑤𝑖𝑁𝑖, (4.4.4) Полученные значения мощности дозы по данным калибровкам представлены в таблице 4.4. Погрешности расчета мощности дозы по всем интервалам, вычисленные по формуле (4.4.5), представлены в таблице 4.4.  𝜀 = |Ḋ∗−Ḋ| ∙ 100% (4.4.5)Ḋ  Таблица 4.4 – Результат калибровки энергокомпенсации
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||