G（E）函數用于NaI（Tl）譜儀的劑量計算分析

張良+程衛亞+李航

摘 要：G（E）函數法是一種有效的譜-劑量轉換方法，在該文中采用蒙卡模擬的方法分析了NaI（Tl）譜儀的G（E）函數，并通過相關實驗對不同劑量環境時的G（E）函數計算值與劑量率儀測量值進行對比分析，分析結果表明，在低劑量時G（E）函數法域實際測量值的結果非常吻合（100 nSv/h左右）。實驗結果同時表明劑量率的適用范圍與譜儀本身性能有關。在一定的劑量率范圍內，采用蒙卡方法計算G（E）函數并進行譜-劑量轉換，其結果是可以接受的。使用NaI（Tl）譜儀在測量能譜的同時可以分析劑量。

關鍵詞：G（E）函數 NaI（Tl）譜儀 蒙卡模擬 劑量率

中圖分類號：TL81 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（a）-0015-03

為了改善以往劑量測量儀器的能量響應問題，研究出了一種直接測量輻射的物理特性（如能譜、注量等）的方法，然后通過專門的計算給出所定義劑量值[1]。該文針對NaI（Tl）譜儀，通過蒙卡模擬的方法得到G（E）函數，同時開展實驗在不同劑量率條件下進行測量對比分析，分析結果表明在一定劑量率范圍內，采用蒙卡模擬計算得到的G（E）函數進行譜-劑量轉換，其結果是可以接受的。

1 G（E）函數

G（E）函數法是目前廣泛關注的用于全譜分析劑量的方法，在實際應用過程中將采用離散的形式，即（1）式所示：

其中：H為待求量；

C（Ej，E0）為能量為E0的光子入射，測量譜各道的計數；

G（Ej）為能量為E時的轉換系數。

在計算時，通過（1）式可以計算全譜所對應的劑量。

G（E）函數需采用一系列入射能量為E0，E1，E2，…，Em的光子，對應著一系列的H值（理論值或標準測量值），并測量得到一系列的譜C（E，E0），C（E，E1），C（E，E2），…，C（E，Em）。根據測量結果組建方程組（2）：

通過求解上述方程組可以得到G（Em）函數值，通過擬合確定G（E）函數表達式，或者插值方式給出不同能量E所對應的G（E）具體數值。

2 NaI（Tl）譜儀能量響應分析和譜儀的G（E）函數模擬

實驗采用的NaI探測器為堪培拉NAIS 2×2-NaI（Tl）LED Temperature Stabilized Scintillation Detector。數據處理模塊為OspreyTM數字多道分析器（MCA）。

針對該探測器分別采用兩種方法進行了能量響應的計算分析，實驗和蒙卡模擬分析。蒙卡模擬時采用儀器廠商提供的機械結構進行建模。進行能量響應刻度實驗選用的放射源為Cs-137、Co-60、Am-241、Ba-133，進行蒙卡分析選用的γ射線也是這幾種核素。圖1中分別展示了探測器模擬計算和實驗測量的不同能量響應結果。圖中采用的是探測器的本征峰效率，即全能峰計數與進入晶體中光子數之間的比值。

通過圖1的結果比較可以得到結論：蒙卡模擬能解決刻度源不夠的問題，可以為在缺少實驗條件時可以采用蒙卡的模擬仿真算法來進行插值分析。

在分析NaI譜儀G（E）函數時，因實驗條件限制，缺少足夠能量的標準源，根據上面的實驗結果，在一定誤差范圍內可以采用蒙卡模擬計算的結果進行G（E）分析，在實驗中采用公式（2）對G（E）函數值進行擬合計算，具體結果見圖2。

3 NaI（Tl）譜儀的G（E）函數測量劑量法和實際測量劑量的比較

通過上一節對G（E）函數的求解，下面通過開展G（E）函數法和實際測量的比較實驗，來對NaI（Tl）譜儀的G（E）函數測量劑量法的適用性進行分析。在實驗室內采用不同放射源構建不同的劑量環境，同時對劑量率儀測量結果和G（E）函數分析結果進行比較，以便分析G（E）函數法的適用范圍。

在實驗中采用的放射源數據見表1，劑量率測量結果見圖3。

由圖3可以得到以下結論：

（1）當劑量率范圍為90 nSv/h～30 uSv/h時，誤差范圍在15%以內。

（2）當劑量率范圍為90 nSv/h～100 uSv/h時，誤差范圍在30%以內。

（3）當劑量率繼續增大時，劑量分析結果誤差進一步增大。

造成以上結果的原因如下：

（1）對于高劑量率范圍時，由于NaI譜儀本身電子學線路的局限性，存在計數率限制，造成死時間增多，計數相對減少，所得劑量率計算值相對減少。

（2）NaI（Tl）和劑量率儀的角響應影響，因實驗用放射源較強，因此散射光子占有一定的份額，對測量結果產生一定的影響。

（3）對于該實驗采用的NaI譜儀，經分析，其全譜計數率最高能夠達到約10萬cps，此時劑量率約100 uSv/h。

4 結論

通過該文對通過蒙卡的方式擬合計算NaI（Tl）譜儀的G（E）函數，并將G（E）函數法求解劑量率與實際測量的劑量率進行了比對，確定采用一臺譜儀測量可以同時實現核素能譜分析和劑量率的測量，能夠有效的減少成本，具體結論和建議如下：

（1）G（E）函數進行譜-劑量轉換的方法在一定的劑量率范圍內是可行的，當超過該測量范圍時，測量結果誤差增大，該方法將不再適用。

（2）在實驗條件缺乏時，建議通過蒙卡模擬的方法計算G（E）函數，其準確度是可以接受的。

（3）劑量率有效測量范圍與譜儀本身的性能有關，在該劑量率范圍內采用G（E）函數進行譜-劑量轉換，其結果是可以接受的。

參考文獻

[1] 任曉娜，胡遵素.用NaI（Tl）探測器測量γ輻射場劑量特性的加權積分法研究[J].輻射防護，2003，23（2）：65-73.

[2] 唐麗麗.γ能譜全譜法測定γ劑量方法技術研究[D].成都理工大學，2010.

[3] 李惠彬，賈明雁.就地HPGeγ譜儀能譜/劑量轉換函數計算[A].全國核與輻射設施退役學術交流會，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