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1、 毕业设计（论文） 题 目 MCNP能峰展宽的NaI探测效率 英文题 MCNP Peak Broadening Simulation of the Detection Efficiency of NaI 学生姓名： 专 业：核工程与核技术 班 级： 指导教师： 二零一一年六月摘 要本论文主要通过对伽马射线与物质的相互作用、NaI探测器的工作原理、蒙特卡罗方法及MCNP模拟程序的详细介绍，使本论文有了充分的理论支撑，在此基础上对NaI探测器进行合理建模。用光子和电子藕合输运MC程序的电子脉冲计数类型的能峰展宽模拟计算了NaI（Tl）探测器的能谱，与来自参考文献的实验结果符合较好，显示了通过能峰展
2、宽的电子脉冲计数在能谱模拟方面有很大的优越性。通过改变能峰高斯展宽系数大小可以用于模拟任意分辨率NaI（Tl）晶体探测射线的能谱。MCNP程序提供能峰高斯展宽的模拟方法也可以用于计算NaI（Tl）晶体对射线的探测效率等方面研究，对实验结果的可靠性和准确性提供依据。然后利用MCNP计算了NaI（Tl）对不同能量射线的探测效率(峰总比)，结果与参考文献的实验结果一致，验证了这种计算方法用于模拟NaI（Tl），对能谱的探侧效率是可行的。关健词: NaI；MCNP能峰展宽；射线； 探测效率； 峰总比AbstractThe -ray interaction with matter, the workin
3、g principle of NaI detector , the monte carlo method and the simulation program of MCNP have been described detailedly in this paper, which supplied ample theories for the research work. On basis of it, NaI detector has been modeled reasonablely. In the article, Monte Carlo method for Photon-Electro
4、ns coupling transport was used to calculate the spectra of NaI(Tl) detector by peak broadening of electronic pulse height tally，which was completely fit with the experiment date of reference documents. It showed that the peak pulses have great advantages of simulation by counting the spectrum stretc
5、her of electronic. The detection of NaI (Tl) crystal gamma-ray spectrometry would be simulated randomly through changing the size of Gaussian detuning coefficient. The simulation method of the peak of gaussian which MCNP program has provided not only was used to calculate NaI (Tl) crystal gamma-ray
6、detection efficiency and so on, but also provided basis for the reliability and accuracy of the experiment result. NaI(Tl) detection efficiency was calculated with MCNP in various of y-ray (the peak-to-total ratios). The result was accordance with the experiment data of reference documents which pro
7、ved it is feasible to simulate NaI(Tl) detection efficiency of spectra.Key words：Nal(Tl) crystal； MCNP； Peak broadening；-ray；Detection efficiency； peak-to-total ratio目 录绪 论11 NaI ( Tl)探测器基本原理21.1射线与物质的相互作用31.1.1光电效应31.1.2康普顿效应31.1.3电子对效应41.1.4 射线的吸收41.2NaI探测器的基本组成51.3NaI ( Tl)探测器工作原理61.4峰总比的定义62 蒙特卡
8、罗方法与MCNP程序72.1蒙特卡罗方法72.2蒙特卡罗方法的解题步骤82.3基于蒙特卡罗方法的MCNP程序92.3.1 MCNP程序的特点102.3.2 MCNP的应用状况113 NaI( Tl)探测器模型的建立134 NaI(Tl)探测器模拟计算结果与分析145 结 论17致谢18参考文献19附录一20附录二21东华理工大学毕业设计（论文） 绪论绪 论在某些核辐射探测中，由于射线贯穿本领大，一些常规的气体探测器和半导体探测器由于尺寸的限制而无法用于射线测量；而闪烁探测器尤其是NaI ( Tl)探测器由于其自身的优越性，使得其在射线分析测量中得到广泛应用。开展实验研究NaI(Tl)探测器对射
9、线的响应存在多方面的困难，而理论计算是一种较易行且有效的方法2。本论文就是利用蒙特卡罗耦合输运方法模拟计算Na1(Tl)探测器对各向同性的点状射线源的响应，通过模拟程序提供能峰高斯展宽的电子脉冲卡对不同能量的射线在NaI(TI)晶体中的脉冲高度分布进行理论计算，将模拟的能谱与实验测量能谱以及不同能量射线的峰总比计算值与实验值进行比较分析，验证这种模拟计算方法的可靠性。理论上，该模拟方法可用于计算某一探测器对任一点源在空间所发出的任意能量射线的效率分布，为无源效率刻度方法的研究奠定基础。本论文中第一部分对射线与物质的相互作用以及NaI探测器的基本结构与原理做了详细的阐述，使本论文的研究工作有了充
10、分的理论支持；第二部分对蒙特卡罗方法和MCNP程序进行了详细的介绍，使本论文的研究工作有了基本的模拟方法和程序技术支持；第三部分对峰总比的定义进行了阐述；第四部分对模型的建立；第五部分对模拟结果进行了分析与研究，使本论文的研究具有一定的实际意义；第六部分是本论文最后的结论部分，是对本论文模拟结果的总结，同时对在本论文模拟过程中出现的问题不足以及改进方向进行了介绍。东华理工大学毕业设计（论文） 绪论东华理工大学毕业设计（论文） NaI ( TI)探测器基本原理1 NaI ( Tl)探测器基本原理核辐射与某些透明物质相互作用，会使其电离、激发而发射荧光，闪烁探测器就是利用这一特性来工作的。射线引起
11、物质发光的现象，人们是很熟悉的。例如，作X光透视时，人体器官的图象就是透过人体组织不同强度的X射线打在荧光屏上使之发光而形成的;将放射性物质和荧光粉混合后敷涂在钟表的数字和指针上，射线荧光荧光粉发光，这就是“夜光”钟表原理.利用荧光物质的发光现象来记录核辐射很早以前就有了。历史上，原子核的发现也有闪烁探测器的一份贡献:1911年著名的a大角散射实验，导致了卢瑟福的原子核式结构模型的建立.当时的a探测器是通过显微镜用肉眼直接观察。粒子引起硫化锌荧光屏上微弱闪光的装置。到40年代中期，第一次将闪烁体配以光电倍增管，以后又发展了相应的电子学分析记录仪器，现代的闪烁探测器才获得了广泛的应用.经过几十年
12、来的不断进步，现在，它已成为相当完善的一种探测技术。1.1 射线与物质的相互作用射线、韧致辐射、湮没辐射和特征射线等，虽然它们的起源不一、能量大小不等，但都属于电磁辐射。电磁辐射与物质相互作用的机制、与这些电磁辐射的起源是无关的，只与它们的能量有关。射线与物质的相互作用和带电粒子与物质的相互作用有着显著的不同。光子不带电，它不像带电粒子那样直接与靶物质原子、电子发生库伦碰撞而使之电离或激发，或者与靶原子核发生碰撞导致弹性碰撞能量损失或辐射损失，因而不能像带电粒子那样用阻止本领dE/dx和射程来描述光子在物质中的行为。带电粒子主要通过连续的与物质原子的核外电子的许多次非弹性碰撞逐渐损失能量的，每
13、一次碰撞中所转移的能量很小。而光子与物质相互作用时，发生一次相互作用就导致损失其大部分或全部能量。光子不是完全消失就是大角度散射掉。光子可以通过与物质的相互作用被间接探测到。这些作用过程产生带电的次级粒子，随后在探测器的灵敏体积内通过电离过程被记录下来。射线与物质相互作用，可以有多种方式。当射线能量在30MeV以下时，在所有的相互作用中最主要的有三种方式：光电效应、康普顿效应和电子对效应。还有一些其它的相互作用方式，如：相干散射、光致核反应和核共振反应等。1.1.1 光电效应射线与靶物质原子的束缚电子作用时，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失掉，这种过程称为光电效应
14、。光电效应中发射出去的电子叫做光电子。原子吸收了光子的全部能量，其中一部分消耗于光电子脱离原子核束缚所需的能量即电离能，另一部分就作为光电子的动能。所以，释放出来的光电子的能量就是入射光子的能量和该束缚电子所处的电子壳层的结合能之差。因此，要发生光电效应，光子的能量必须大于电子的结合能。光电子可以从原子的各个电子壳层中发射出来，但是自由电子(非束缚电子)却不能吸收入射光子能量而成为光电子。这是因为动量守恒要求，在光电效应过程中，除入射光子和光电子外，还需要有一个第三者参加，这第三者就是原子核，严格地讲是发射光电子之后剩余下来的整个原子。它带走一些反冲能量，但这能量十分小。由于它的参加，动量和能
15、量守恒才能满足。而且，电子在原子中束缚的越紧，就越使原子核参与上述过程，产生光电效应的概率就越大。发生光电效应时，从原子内壳层上打出电子，在此壳层上就留下空位，并使原子处于激发状态。这种激发状态是不稳定的，退激过程有两种。一种过程是外层电子向内层跃迁，来填补这个空位，使原子恢复到较低的能量状态。两个壳层的结合能之差，就是跃迁时释放出来的能量，这能量将以特征X射线形式释放出来。另一种过程是原子的激发能交给外壳层的其它电子，使它从原子中发射出来，这电子称俄歇电子。因此，在发射光电子的同时，还伴随着原子发射的特征X射线或俄歇电子。这些特征X射线和俄歇电子再与靶物质原子发生作用。1.1.2 康普顿效应
16、康普顿效应是入射光子与原子的核外电子之间发生的非弹性碰撞过程。这一作用过程中，入射光子的一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而光子的运动量发生变化。康普顿效应与光电效应不同。光电效应中光子本身消失，能量完全转移给电子；康普顿效应中光子只是损失掉一部分能量。光电效应发生在束缚得最紧的内层电子上；康普顿效应总是发生在束缚的最松的外层电子上。虽然光子与束缚电子之间的康普顿散射，严格地讲是一种非弹性碰撞过程。但外层电子的结合能是较小的，一般是电子伏数量级，与入射光子的能量相比较，完全可以忽略，所以可以把外层电子看作是“自由电子”。这样康普顿效应就可以认为是光子与处于静止状态的自由电子之间的
17、弹性碰撞。入射光子的能量和动量就由反冲电子和散射光子两者之间进行分配。1.1.3 电子对效应当光子从原子核旁经过时，在原子核的库伦场的作用下，光子转化为一个正电子和一个负电子，这种过程称为电子对效应。根据能量守恒定律，只有当入射光子能量hv1.02MeV时，才能发生电子对效应。光子的能量除一部分转变为正负电子对的静止能量（1.02MeV）外，其余就作为他们的动能。除了在原子核库仑场中发生电子对效应外，在电子的库仑场中也会产生正-负电子对。不过电子质量小，反冲能量较大，所以产生电子对的最低入射能量至少是4MC2而且产生电子对的概率要小得多。对于一定能量的入射光子，电子对效应产生的正电子和负电子的
18、动能从0到hv2MC2都是可能的，电子和正电子之间的能量分配是任意的。电子对过程中产生的快速正电子和电子，在吸收物质中通过电离损失和辐射损失消耗能量。正电子在吸收体中被很快慢化后，将发生湮没，湮没光子在物质中再发生相互作用。1.1.4 射线的吸收当光子穿过物质时，与吸收物质的原子一旦发生光电效应、康普顿效应或电子对效应，原来能量为hv的光子就消失，或散射后能量改变掉，并偏离原来入射方向，即从原来入射的束中移去。没有与物质发生相互作用的光子穿过吸收层，其能量保持不变。射线穿过物质时，强度逐渐减弱，这种现象称为射线的吸收。对于射线其吸收呈负指数规律减弱，即： （1-1）式中是射线穿过吸收物质前的照
19、射量率。是射线穿过吸收物质后的照射量率。是吸收物质的线吸收系数（cm-1）。是吸收物质的厚度（cm）。射线与物质相互作用产生的次级粒子，如光电子、康普顿散射电子、正负电子对、俄歇电子以及康普顿散射光子、湮灭光子和特征射线等，可以继续在物质中发生相互作用，直到全部能量完全耗尽为止。这些级联过程的发生与射线的能量、靶物质的性质以及探测器的几何尺寸有关。这些也是关系到探测器的能量相应的方面。1.2 NaI探测器的基本组成闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。图1是闪烁探测器组成的示意图。最左边的是一个对射线灵敏能产生闪烁光的闪烁体。当射线(例如)进入闪烁体时，在某一地点产生
20、次级电子，它使闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子。一般光谱范围从可见光到紫外光，并且光子向四面八方发射出去。在闪烁体周围包以反射物质(但有一面要透光)，这样能使光子集中向光电倍增管方向射出去。光电倍增管是一个电真空器件，它由光阴极、若干个打拿极和一个阳极组成，光阴极前有一个玻璃或者石英制成的窗，整个器件外壳为玻璃，各电极由针脚引出。通过高压电源和分压电阻，使阳极一各个打拿极一阴极间建立从高到低的电位分布。闪烁光子入射到光阴极上时，由于光电效应会产生光电子，这些光电子受极间电场加速和聚焦，打在第一个打拿极上，产生3 6个二次电子，这些二次电子在以后.各级打拿极上又发生同样的倍增过程，直到最
21、后在阳极上可接收到104109个电子。所以人们把这种器件称为光电倍增管。大量电子会在阳极负载上建立起电信号，通常为电流脉冲或电压脉冲，然后通过起阻抗匹配作用的射极跟随器，由电缆将信号传输到电子学仪器中去。通常闪烁体透光一面由玻璃封装，如果它与光电倍增管窗之间存在空气层就会使闪烁光子经受全反射，不易到达光阴极。故其间充以折射系数和玻璃差不多的硅油，就能使光子损失大大减少。 实用上常将闪烁体、光电倍增管和分压器及射极跟随器都安装在一个暗盒中，统称探头。探头中有时在光电倍增管周围包以起磁屏蔽作用的坡莫合金.防止环境中磁场透入管子中去。电子仪器的组成单元则根据闪烁探侧器的用途而异，常用的有高(低)压电
22、源、线性放大器、单道或多道脉冲幅度分析器，有时也可包括门电路、定时电路、符合电路、定标器、计数率仪以及其它辅助电子学单元(例如示波器、脉冲发生器)，还可方便而灵活搭配。图1 闪烁探测器组成示意图1.3 NaI ( Tl)探测器工作原理NaI ( Tl)探测器探测射线的工作原理为: 1)射线进入NaI(Tl)晶体，晶体将与射线作用发生光电效应、康普顿效应和电子对效应吸收其能量; 2)NaI(Tl)晶体通过吸收的射线能量使得晶体中的原子、分子激发和电离，退激时产生荧光光子; 3)利用光导将荧光光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，通过光电效应，在光阴集上击出光电子;4)光电子在光电倍增管中倍增
23、4 -9个量级到达阳极负载处形成本征电流，并产生脉冲信号。5)此信号由电子仪器记录和分析。1.4 峰总比的定义峰总比R(E)是入射能量为E的单色光子束的全能峰下的面积与整个全谱面积之比，它直接量度NaI(T1)探测器对入射射线的探测效率，是探侧器固有的参数。决定它大小的是探测器尺寸、探测器与射线间几何关系以及射线能量.6东华理工大学毕业设计（论文） 蒙特卡罗方法与MCNP程序2 蒙特卡罗方法与MCNP程序蒙特卡罗方法（Monte Carlo Method），也称统计模拟方法，由S.M.乌拉姆和J.冯诺伊曼在20世纪40年代为研制核武器而首先提出，又称随机抽样或统计试验方法，是以概率和统计理论方
24、法为基础的一种计算方法。是指使用随机数（或更常见的伪随机数）来解决很多计算问题的方法。7东华理工大学毕业设计（论文） 蒙特卡罗方法与MCNP程序2.1 蒙特卡罗方法蒙特卡罗方法的名字来源于摩纳哥的一个城市蒙特卡罗，该城市以赌博业闻名，而蒙特卡罗方法正是以概率为基础的方法，与它对应的是确定性算法。蒙特卡罗方法在金融工程学，宏观经济学，计算物理学（如粒子输运计算、量子热力学计算、空气动力学计算）等领域应用广泛。传统的经验方法由于不能逼近真实的物理过程，很难得到满意的结果。而蒙特卡罗方法由于能够真实地模拟实际物理过程，故解决问题与实际非常符合，可以得到很圆满的结果。中子和光子在物质中输运的宏观表现是
25、大量粒子与原子核微观作用的平均结果，蒙特卡罗方法通过逐一模拟和记录单个粒子的历程来求解输运问题。要得到比较合理的平均结果需要跟踪大量的粒子，至于单个粒子在其生命中的某一阶段如何度过，可以在已知统计分布规律的前提下通过抽取随机数来决定。图2 中子与物质相互作用过程模拟图图2显示了模拟中一个中子射入物质后的随机历程。首先根据中子与物质作用的物理规律，选取一个随机数决定中子在何处与原子核碰撞，本例中在1点碰撞，然后再用抽取随机数的方法决定中子与原子核发生了哪种反应，这里抽出的是非弹性散射反应。散射中子的能量和向哪个方向飞行也是用抽取随机数的方法从已知分布函数中决定的，碰撞过程中是否产生光子以及光子的
26、能量、飞行方向等参数还是要通过抽取随机数从已知分布中决定，这里产生了一个光子。跟踪光子，确定它在7点与原子核碰撞并被吸收。散射后的中子在2点与原子核发生（n，2n）反应，其中一个出射中子射向探测器，另一个中子在3点被吸收。在2点的碰撞还产生了一个光子，它在5点又与原子核发生了一次散射反应，并离开物质。这一入射中子的历史过程结束了，有一个中子到达了探测器，感兴趣的结果被记录下来。跟踪越来越多的入射粒子历程后，平均结果就能反映出宏观效果。2.2 蒙特卡罗方法的解题步骤当所要求解的问题是某种事件出现的概率，或者是某个随机变量的期望值时，我们可以通过某种试验的方法，得到这种事件出现的频率，或者这个随机
27、变量的平均值，并用它们作为问题的解，这就是蒙特卡罗方法的基本思想。蒙特卡罗方法通过抓住事物运动的几何数量和几何特征，利用数学方法来加以模拟，即进行一种数字模拟实验。它是一个以概率模型为基础，按照这个模型所描绘的过程，通过模拟实验的结果，得到问题的近似解。蒙特卡罗解题过程可以归结为三个主要步骤：1）构造或描述概率过程对于本身就具有随机性质的问题，如粒子输运问题，主要是正确描述和模拟这个概率过程，对于本来不是随机性质的确定性问题，比如计算定积分，就必须事先构造一个入为的概率过程，它的某些参量正好是所要求问题的解。即要将不具有随机性质的问题转化为随机性质的问题。2）实现从已知概率分布抽样构造概率模型
28、以后由于各种概率模型都可以看作是由各种各样的概率分布构成的，因此产生已知概率分布的随机变量（或随机向量），就成为实现蒙特卡罗方法模拟实验的基本手段，这也是蒙特卡罗方法被称为随机抽样的原因，最为简单、最基本、最重要的一个概率分布是（0，1）上的均匀分布（或称矩形分布）。随机数就是具有这种均匀分布的随机变量。随机数序列就是具有这种分布的总体的一个简单子样，也就是一个具有这种分布的相互独立的随机变数序列。产生随机数的问题，就是从这个分布的抽样问题。在计算机上，可以用物理方法产生随机数，但价格昂贵，不能重复，使用不便。另一种方法是用数学递推公式产生。这样产生的序列，与真正的随机数序列不同，所以称为伪随
29、机数，或伪随机数序列。不过，经过多种统计检验表明，它与真正的随机数，或随机数序列具有相近的性质，因此可把它作为真正的随机数来使用。由已知分布随机抽样有各种方法，与从（0，1）上均匀分布抽样不同，这些方法都是借助于随机序列来实现的，也就是说，都是以产生随机数为前提的。由此可见，随机数是我们实现蒙特卡罗模拟的基本工具。123）建立各种估计量一般说来，构造了概率模型并能从中抽样后，即实现模拟实验后，我们就要确定一个随机变量，作为所要求的问题的解，我们称它为无偏估计，当然还可以引入其它类型的估计，如最大似然估计，渐进有偏估计等。但是在蒙特卡罗计算中，使用最多的是无偏估计。建立各种估计量，相当于对模拟实
30、验的结果进行考察和登记，从中得到问题的解。蒙特卡罗方法有很强的适应性，问题的几何形状的复杂性对它的影响不大。该方法的收敛性是指概率意义下的收敛，因此问题维数的增加不会影响它的收敛速度，而且存贮单元也很节省，这些是使用该方法处理大型复杂问题时的优势。因此，随着电子计算机的发展和科学技术问题的日趋复杂，蒙特卡罗方法的应用也越来越广泛。它不仅较好地解决了多重积分计算、微分方程求解、积分方程求解、特征值计算和非线性方程组求解等高难度和复杂的数学计算问题，而且在统计物理、核物理、真空技术、系统科学、信息科学、公用事业、地质、医学，可靠性及计算机科学等广泛的领域都得到成功的应用。2.3 基于蒙特卡罗方法的
31、MCNP程序20世纪40年代美国Los Alamos实验室的Fermi、Von Neumann和Ulam等人提出用蒙特卡罗方法模拟辐射输运的思想。1947年Fermi发明了第一台用蒙特卡罗方法计算中子链式反应的机器。从50年代开始，Von Neumann领导一个小组研究输运问题的蒙特卡罗处理方法，编写出模拟中子输运的程序MCS。1963年蒙特卡罗方法描述语言标准化。1965年完成的中子输运程序MCN有了很大改进，使用了标准的截面库，并且具有复杂几何描述功能。后来，Los Alamos实验室又开发了模拟光子输运的程序MCG（高能）和MCP（能量低至1keV）。1973年MCN和MCG合并成MCN
32、G，为MCNP的雏形。自那时起，每隔2-3年更新一次，版本不断发展，功能不断增加，适应面也越来越广。已知的MCNP程序研制版本的更新时间表如下：MCNP-3：1983年写成，为标准的FORTRAN77版本，截面采用ENDF/B-III。MCNP-3A：1986年写成，增加了多种标准源，截面采用ENDF/B-IV。MCNP-3B：1988年写成，具有阵列几何处理能力(即重复结构描述），多群截面和计数输出的图形化功能，截面采用ENDF/B-IV和ENDL-851。MCNP-4：1990年7月由LANL写成，截面采用ENDF/B-V。MCNP-4.2：1991年3月由ORNL的RSIC写成，程序有较
33、大改进，增加了基于Sandia国家实验室的ITS(Integrated Tiger Series)连续能量电子输送包，将其编入MCNP程序，专用于UNIX系统，从此，MCNP程序成为中子、光子、电子耦合输运程序。MCNP-4A：1993年诞生，仍为UNIX系统，开始赢了PVM并行，适当共享储存并行计算机，截面为ENDF/B-V。MCNP-4B：1997年3月正式推出，有PC版本（需要LAHEY编译系统支持），UNIX版，采用ENDF/B-VI截面库和彩色图形系统仍采用PVM并行编程。MCNP-4B2：为MCNP-4B的升级版，其支持FORTRAN90系统。MCNP-4C：2000年正式推出，在
34、前一个版本的基础上增加了共振自屏、瞬发本征值、微扰和多群伴随中子输运计算等处理，采用F90编译器，工作站版本PVM和SMPP并行。MCNP4C也是本课题说采用的版本。MCNP-5：2003年推出，在这个版本中完成了从FORTRAN-77到FORTRAN-90的重新组织，支持以前的MCNP-4C2/4C3全部功能，同时在提高图形显示，易安装性以及更好的在线文档方面有较大改善。另外，在MCNP系列版本中，出现了MCNPX版本，该版本程序仍为该实验室研制并由其负责维护和更新。MCNPX开始于1994年作为MCNP-4B和LAHET-2.8的代码整合项目，并第1次在1999年对外发布，版本为2.1.5
35、。2002年，MCNPX升级为MCNP-4C，其变化包括支持FORTRAN 90系统、增加了12种特性，并作为2.4.0版本对外发布，自从2002年开始，MCNPX测试组织全球300个机构中的1400多名用户进行了公开测试，在加入了数10个新特性后作为2.5.0版本对外发布。MCNPX现在已经成为世界上使用最为广泛的粒子输运程序之一。2.3.1 MCNP程序的特点MCNP软件包(a general Monte Carlo code for Neutron and Particle transport)是一套通用的、模拟三维空间中连续能量的中子、粒子联合输运的程序，其名字早先来源于the ana
36、log Monte Carlo method for Neutron and Protons transport的缩写。MCNP3版(1983年)和3A版(1985年)发行后，这一软件在核测井领域逐渐成为最流行的通用程序，程序模拟结果和模型井实验结果较好地吻合，此时程序使用的主要核数据库是ENDF/B-4。1988年发行的3B版程序增加了几何重构功能。1991年4版问世，加入了模拟带电粒子（离子）输运部分，可以模拟探测器的测量结果，使用了新的ENDF/B-6评价核数据库。MCNP程序的应用范围十分广阔，主要包括：反应堆设计、核临界安全、辐射屏蔽和核防护、探测器的设计与分析、核测井、个人剂量与物
37、理保健、加速器靶的设计、医学物理与放射性治疗、国家防御、废物处理、射线探伤等。MCNP程序的源代码是用FORTRAN语言编写的。程序包中携带了大量的核反应数据库文件。MCNP具有很强的通用性，主要体现在：（1）可以处理任意三维几何结构条件下的问题。在输入文件INP中，空间被曲面（surface)分割成相互邻接的区域，称为栅元（cell），可以给栅元填充各种物质。栅元的界面可以是各种平面、二阶曲面或某些四阶曲面（如椭圆环状面）。可以模拟中子输运、光子输运和二者联合输运。（2）用户可以非常方便地在任何位置指定体源、面源、线源或点源，设置源粒子位置、能量、时间、飞行方向等参数的分布。（3）程序提供多
38、种记录模拟结果方法，包括通过某一界面的粒子流量或通量、进入某一栅元的通量、沉积能量和点通量。模拟结果在MCNP中称为记数（tally），可以按位置、能量、时间、粒子来向和粒子种类记数。程序包携带了大量核反应数据库文件，包括连续和离散的中子截面库、光子点截面库、热中子点截面库等，几乎可对所有天然物质进行计算。程序能比较精细地模拟中子和光子输运过程，并对一些特定的物理过程允许用户选择使用哪种方式进行处理如对热中子处理可选用自由气体模型或S（a,b）模型，对低能光子处理可以考虑或忽略相干散射等。（4）为了提高计算时效，给用户提供了许多可选用的减小方差（variance）技巧，主要包括：重要抽样、权重
39、截断和轮盘赌、时间和能量截断、模拟俘获、指数变换、强迫碰撞、能量分裂和轮盘赌、源的偏倚、点探测器记数、确定论输运、权窗等。用户可通过设置源粒子数或运行时间来通知程序何时终止运行还可以在原有计算结果的基础上接续运行程序，结果不会因计算的意外中断而丢失。（5）在输出文件OUTP中给用户提供丰富的信息，包括输入列表、使用的截面表、粒子生成和丢失表、栅元中的粒子活动情况、中子诱发光子表、记数和记数涨落表等，还可以根据用户要求给出其它信息。（6）提供了简单的问题调试工具。2.3.2 MCNP的应用状况由于MCNP的通用性、灵活性以及强大的功能，使其在世界上有广泛的应用，仅国内的用户就在百家之上，应用领域
40、也从过去主要的核领域，逐渐推广到石油，医学在内的许多领域。从20世纪90年代开始，国外已经有研究人员开始研究MCNP输入文件制作的简化和计算结果的图形显示。特别是随着计算机软硬件技术的发展，在近几年取得了一些有价值的研究成果。所开发的MCNP可视化软件能够将应用场景的二维DXF格式文件和三维SAT格式的图形文件转换成MCNP的输入文件。同时在场景的某些界面将MCNP的计算结果绘制成二维图形，实现了计算机结果的可视化。为便于计算结果的分析、存储和共享，有的后处理软件能够将MCNP计算机结果输出到电子表格等数据库中。近几年，国内在MCNP前处理与后处理技术领域的研究也取得了长足的进步，主要有以下几
41、个方面：（1）在MCNP的计算效率、局限性和二维交互绘图等方面进行了有益的探索。（2）为了简化MCNP输入文件的制作、显示MCNP的计算进程和计算的抽取与显示，研究开发了专用的MCNP程序可视化运行平台，并能以图形化的方式显示MCNP的计算机和运行时间的相关信息。（3）为了简化MCNP的几何建模，提高MCNP计算机输入文件的编写效率，研究将有关CAD文件中的几何模型转化为MCNP仿真模型的算法问题，通过对目前商用图形软件包进行二次开发，开发出专用的MCNP辅助建模工具。另外，可视化技术已经在自然科学领域得到广泛的应用。目前在规则数据场的体绘制和面绘制算法等已经趋于成熟。国内外的一些研究机构相继
42、推出了一系列可视化软件工具及专用可视化软件。但在三维数据实时动态显示、非规则数据场和矢量 场的可视化计算以及基于网络的科学计算可视化理论等方面有待进一步的研究完善。MCNP是目前世界上比较成熟的MC软件包之一，在许多领域得到了广泛。本课题便是采用MCNP4C对电离室的能量响应进行模拟，并根据模拟结果指导实际的电离室设计。随着核科学技术的发展，以及其它相应技术如计算机可视化的发展，MCNP会越来越受到重视，其应用领域也必将在目前的基础上向其它的相关领域扩展。东华理工大学毕业设计（论文） NaI( Tl)探测器模型的建立东华理工大学毕业设计（论文） NaI(Tl)探测器模型的建立3 NaI( Tl
43、)探测器模型的建立在模拟计算时点源与晶体之间的几何关系如图3所示，模型为3inch x3inch NaI ( Tl)晶体，其中Mg0反射层厚0.05cm，晶体外侧面A1壳厚0.20cm,前部A1壳厚0. 25cm, SiO2光学玻璃厚0.2cm1。针对上述模型用蒙特卡罗光子和电子祝合输运程序对模型进行模拟计算，在计算中对光子和电子的所有次级过程都进行模拟跟踪，采用F8电子脉冲计数卡来计算点源射线在NaI(T1)晶体中的脉冲高度能谱分布。1 2 3 4 51：Al；2：空气；3：MgO；4：NaI（TI）晶体；5：光学玻璃图3 NaI ( TI)探测器模拟模型示意图13东华理工大学毕业设计（论文
44、） NaI(Tl)探测器模拟计算结果与分析 4 NaI(Tl)探测器模拟计算结果与分析用MCNP程序通过电子脉冲计数卡(能峰高斯展宽系数a=0和c=0时，b=0. 0452, 0.0528或0. 0678)模拟计算源距为3cm时，3inchX3inch NaI (Tl)晶体测能量为0. 662,1.173和1.332MeV的射线能谱，并与实验测137Cs ，60Co能谱进行了比较，如图4：a、b所示。可知b=0. 0528时的模拟谱与来自参考文献【1】的实验测量能谱符合较好。通过整个模拟能谱与实验能谱1比较说明应用能峰高斯展宽电子脉冲计数的蒙特卡罗方法用于模拟射线的能谱是可靠的。能峰展宽系数a,b,c的大小决定了入射射线的全能峰分辨率，在简化a= 0和c=0情况下，b=0. 0452时0. 662MeV峰的分辨率为5. 3%，b=0. 0528时0. 662MeV峰的分辨率为6.5%，而b=0. 0678时的分辨率为8. 3%，实验测得能谱0.662MeV峰的分辨率为6.7%.a 入射能量为0.662Mev射线的模拟谱b 入射能量为1.173，1.332Mev 射线的模拟谱图4 入射能量为0.662,1.173,1.332模拟谱15图5 实验和模拟的峰总比R（E
