G（E）函数用于NaI（Tl）谱仪的剂量计算分析

张良+程卫亚+李航

摘 要：G（E）函数法是一种有效的谱-剂量转换方法，在该文中采用蒙卡模拟的方法分析了NaI（Tl）谱仪的G（E）函数，并通过相关实验对不同剂量环境时的G（E）函数计算值与剂量率仪测量值进行对比分析，分析结果表明，在低剂量时G（E）函数法域实际测量值的结果非常吻合（100 nSv/h左右）。实验结果同时表明剂量率的适用范围与谱仪本身性能有关。在一定的剂量率范围内，采用蒙卡方法计算G（E）函数并进行谱-剂量转换，其结果是可以接受的。使用NaI（Tl）谱仪在测量能谱的同时可以分析剂量。

关键词：G（E）函数 NaI（Tl）谱仪 蒙卡模拟 剂量率

中图分类号：TL81 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（a）-0015-03

为了改善以往剂量测量仪器的能量响应问题，研究出了一种直接测量辐射的物理特性（如能谱、注量等）的方法，然后通过专门的计算给出所定义剂量值[1]。该文针对NaI（Tl）谱仪，通过蒙卡模拟的方法得到G（E）函数，同时开展实验在不同剂量率条件下进行测量对比分析，分析结果表明在一定剂量率范围内，采用蒙卡模拟计算得到的G（E）函数进行谱-剂量转换，其结果是可以接受的。

1 G（E）函数

G（E）函数法是目前广泛关注的用于全谱分析剂量的方法，在实际应用过程中将采用离散的形式，即（1）式所示：

其中：H为待求量；

C（Ej，E0）为能量为E0的光子入射，测量谱各道的计数；

G（Ej）为能量为E时的转换系数。

在计算时，通过（1）式可以计算全谱所对应的剂量。

G（E）函数需采用一系列入射能量为E0，E1，E2，…，Em的光子，对应着一系列的H值（理论值或标准测量值），并测量得到一系列的谱C（E，E0），C（E，E1），C（E，E2），…，C（E，Em）。根据测量结果组建方程组（2）：

通过求解上述方程组可以得到G（Em）函数值，通过拟合确定G（E）函数表达式，或者插值方式给出不同能量E所对应的G（E）具体数值。

2 NaI（Tl）谱仪能量响应分析和谱仪的G（E）函数模拟

实验采用的NaI探测器为堪培拉NAIS 2×2-NaI（Tl）LED Temperature Stabilized Scintillation Detector。数据处理模块为OspreyTM数字多道分析器（MCA）。

针对该探测器分别采用两种方法进行了能量响应的计算分析，实验和蒙卡模拟分析。蒙卡模拟时采用仪器厂商提供的机械结构进行建模。进行能量响应刻度实验选用的放射源为Cs-137、Co-60、Am-241、Ba-133，进行蒙卡分析选用的γ射线也是这几种核素。图1中分别展示了探测器模拟计算和实验测量的不同能量响应结果。图中采用的是探测器的本征峰效率，即全能峰计数与进入晶体中光子数之间的比值。

通过图1的结果比较可以得到结论：蒙卡模拟能解决刻度源不够的问题，可以为在缺少实验条件时可以采用蒙卡的模拟仿真算法来进行插值分析。

在分析NaI谱仪G（E）函数时，因实验条件限制，缺少足够能量的标准源，根据上面的实验结果，在一定误差范围内可以采用蒙卡模拟计算的结果进行G（E）分析，在实验中采用公式（2）对G（E）函数值进行拟合计算，具体结果见图2。

3 NaI（Tl）谱仪的G（E）函数测量剂量法和实际测量剂量的比较

通过上一节对G（E）函数的求解，下面通过开展G（E）函数法和实际测量的比较实验，来对NaI（Tl）谱仪的G（E）函数测量剂量法的适用性进行分析。在实验室内采用不同放射源构建不同的剂量环境，同时对剂量率仪测量结果和G（E）函数分析结果进行比较，以便分析G（E）函数法的适用范围。

在实验中采用的放射源数据见表1，剂量率测量结果见图3。

由图3可以得到以下结论：

（1）当剂量率范围为90 nSv/h～30 uSv/h时，误差范围在15%以内。

（2）当剂量率范围为90 nSv/h～100 uSv/h时，误差范围在30%以内。

（3）当剂量率继续增大时，剂量分析结果误差进一步增大。

造成以上结果的原因如下：

（1）对于高剂量率范围时，由于NaI谱仪本身电子学线路的局限性，存在计数率限制，造成死时间增多，计数相对减少，所得剂量率计算值相对减少。

（2）NaI（Tl）和剂量率仪的角响应影响，因实验用放射源较强，因此散射光子占有一定的份额，对测量结果产生一定的影响。

（3）对于该实验采用的NaI谱仪，经分析，其全谱计数率最高能够达到约10万cps，此时剂量率约100 uSv/h。

4 结论

通过该文对通过蒙卡的方式拟合计算NaI（Tl）譜仪的G（E）函数，并将G（E）函数法求解剂量率与实际测量的剂量率进行了比对，确定采用一台谱仪测量可以同时实现核素能谱分析和剂量率的测量，能够有效的减少成本，具体结论和建议如下：

（1）G（E）函数进行谱-剂量转换的方法在一定的剂量率范围内是可行的，当超过该测量范围时，测量结果误差增大，该方法将不再适用。

（2）在实验条件缺乏时，建议通过蒙卡模拟的方法计算G（E）函数，其准确度是可以接受的。

（3）剂量率有效测量范围与谱仪本身的性能有关，在该剂量率范围内采用G（E）函数进行谱-剂量转换，其结果是可以接受的。

参考文献

[1] 任晓娜，胡遵素.用NaI（Tl）探测器测量γ辐射场剂量特性的加权积分法研究[J].辐射防护，2003，23（2）：65-73.

[2] 唐丽丽.γ能谱全谱法测定γ剂量方法技术研究[D].成都理工大学，2010.

[3] 李惠彬，贾明雁.就地HPGeγ谱仪能谱/剂量转换函数计算[A].全国核与辐射设施退役学术交流会，2007：464-471.

[4] S Jun，CY Yi，HS Chi，et al.Calculation of Spectrum to Dose Conversion Factors for a NaI（Tl） Scintillation Detector Using the Response Matrix[J].Journal of the Korean Physical Society，1995（31）716-726.endprint