使用 Geant4 模拟 CAPture 电极 CdZnTe 探测器对 γ 射线的响应

采用CAPture电极CdZnTe探测器获取X射线注量谱,为建立ISO 4037-1:1996标准以外的参考辐射和计算辐射场特殊剂量物理量的约定真值提供基础。CdZnTe探测器的主要缺点是由于空穴迁移率寿命积过小,导致电荷收集不完全,全能峰左侧出现低能尾。CAPture电极CdZnTe探测器采用扩展阴极降低阴极附近区域的电场强度,弱化空穴输运对电荷收集效率的影响,实现对低能尾的抑制。但由于探测器内的电场不再均匀,电荷收集效率无法用Hecht方程计算。本文根据Shockley-Ramo原理建立了CAPture电极CdZnTe探测器电荷收集效率计算公式,用有限元分析软件模拟了探测器内的电场分布。进而用Geant4软件开展了蒙特卡罗仿真计算,确定了载流子迁移率寿命积,并取得了与实测结果基本一致的脉冲幅度谱,为建立探测器的响应矩阵奠定了基础。

基于N型同轴HPGe探测器获取过滤X射线注量谱

构建ISO 4037-1以外的过滤X射线参考辐射需射束注量谱计算平均能量、分辨率和转换系数等参数。为建立过滤X射线注量谱获取方法,采用N型同轴HPGe探测器测量了N-40~N-250窄谱系列过滤X射线参考辐射并得到了脉冲幅度谱,使用Geant4模拟了探测器对放射源的响应并用实测能谱进行了验证,进而建立了响应矩阵,并通过MAXED软件解谱计算得到了射束的注量谱。由解谱所得注量谱计算的空气比释动能到周围剂量当量和个人剂量当量的转换系数与ISO 4037-3推荐值的相对偏差在0.06%~2.55%之间。

基于碘化钠探测器的闪电γ射线爆发观测研究

本文采用NaI(Tl)探测器搭建了闪电高能辐射地面观测装置并进行了性能测试。于2016年夏季探测到1次自然负地闪过程中的两次回击之前产生的γ射线爆发信号,这是国内首次获得自然闪电高能辐射的实测波形数据。第1次γ射线爆发持续时间为563μs,第2次γ射线爆发持续时间为353μs,两次γ射线爆发的截止时间间隔为76.288ms,与同步观测到的回击电场波形时间间隔一致。经分析发现,梯级先导的负脉冲信号与高能辐射的脉冲信号具有一一对应的特征,表明梯级先导是本次测量所获闪电高能辐射的产生根源。

人工引发雷电X射线爆发观测系统设计

为开展闪电高能辐射观测研究,本文设计了人工引雷X射线爆发事件的观测系统,并完成电磁屏蔽性能测试以及能量刻度实验。基于放射性测量的统计学原理导出人工引雷X射线爆发信号的实时甄别算法。在国内首次观测到人工引雷产生的X射线爆发现象,四次成功的人工引雷实验中观测到三次X射线爆发信号。

X射线编码孔成像技术在近地太空核爆探测中的应用

根据X射线编码孔成像的原理,搭建了地面模拟成像系统,在此基础上建立了编码孔成像技术探测近地太空核爆当量和方位的理论计算方法,获得了系统响应(灰度)与X射线强度、重建图像质心位置与X射线入射角度之间的关系,并开展了核爆当量和方位的模拟探测实验,对实验数据和理论计算数据进行了对比和分析。结果表明,理论计算结果与实验结果吻合较好,验证了采用X射线编码孔成像技术探测近地太空核爆的可行性,同时证明X射线编码孔成像具有较多针孔成像更高的探测灵敏度、信噪比和抗干扰能力。

一种能量响应一致的长计数器蒙特卡罗设计

为了有效降低长计数器中子探测能量下限并解决5MeV以上能量响应急剧下降的问题,利用蒙特卡罗程序MCNP5分析了长计数器各结构参数对能量响应的影响。通过使用不同含氢量的慢化体、添加中子吸收材料及添加补偿材料相结合的方法,优化设计了一种长计数器。结果表明:使用含氢量较低的中子慢化材料聚苯乙烯可提高低能中子能量响应;采用Cd作为中子吸收材料可解决能量响应局部过高的问题;采用Pb作为补偿材料可提高高能中子能量响应。设计优化的长计数器在1eV^15MeV能量范围内能量响应最大相对偏差约为10.1%。

液体闪烁体探测器无监督n/γ甄别算法研究

利用液体闪烁体探测器对^(252)Cf、^(241)Am-Be和^(137)Cs进行探测。分析比较了主成分分析、核主成分分析和局部线性嵌入在数据处理中的降维效果。利用K-Means聚类算法、高斯混合模型和DBSCAN聚类算法对降维结果进行n/γ甄别。分析了FOM值在一些应用场景中的不足,并通过引用精度、召回率和F_(1)分数评估算法甄别效果。综合评估表明:核主成分分析与K-means组合的识别效果最好,在不同的中子γ混合数据集中识别中子和γ的精度、召回率和F_(1)分数均是最高,且精度、召回率和F_(1)分数能够精细化分析算法的甄别效果。

MC法模拟相对论逃逸电子雪崩理论机制

基于GEANT4软件完成闪电高能辐射RREA机制的模拟计算。采用有理数逼近的拟合方法,得到的雪崩距离常数、雪崩时间常数、光子数与逃逸电子数比值的计算公式,均为只有电场强度一个变量的函数,便于各个参数的理论计算和对比分析;评估了GEANT4中不同物理模型对仿真计算结果的影响,结果表明:构造函数EM Opt4采用的物理模型精度最高,输运相等的雪崩距,产生的轫致辐射光子最多,但计算过程耗费的时间也最长。

掺Ag^+硫化锌制备与辐射探测器热压成型工艺参数优化

利用纳米材料制备方法将激活剂Ag^+掺杂于ZnS材料中制备了粒径更小的闪烁材料,进一步提高了该闪烁材料的发光效率。将新制备的闪烁材料用于辐射探测器的设计并对热压成型工艺进行优化,以模压温度、模压压力、模压时间为影响因素设计了系列对比实验并将探测效率和外观两个指标作为判断探测器品质的依据。引入外观评分方法,有效解决外观指标的量化问题并获得了最优工艺参数。实验结果表明,重新制备的Ag^+掺杂ZnS闪烁材料,其平均粒径为几十纳米,其发光强度相比普通商用ZnS∶Ag^+粉末得到明显提升。当温度为200℃、压力为7 MPa、时间为10 min时,利用热压成型工艺制备的闪烁体探测效率和外观均达到最优,辐射探测器的综合性能和成品率也得到较大提升。