一种塑料闪烁体建模与仿真研究方法
发布时间：2021-11-12 03:35
辐射粒子探测器是对空间辐射环境进行探测的工具。为了更好地评估塑料闪烁体探测器,针对辐射粒子输运问题,采用蒙特卡罗方法对辐射粒子输运方程进行数值模拟求解,在Geant4软件平台的基础上进行二次开发,从而实现了对塑料闪烁体中粒子输运过程的模拟。该程序根据需求对探测器参数进行定义,从而实现不同条件下粒子相互作用和闪烁光输运过程的仿真研究,并能扩展入射粒子的种类、能量等。利用开发的PlSc软件程序对电子和γ入射塑料闪烁体的过程进行模拟分析,并与前人的研究成果和理论分析进行对比,验证了通过此程序进行模拟的可行性,特别是降低了对电子射程的模拟的误差;通过对入射粒子、闪烁体尺寸等变量进行变更,演示了此程序的易用性。对中能电子在EJ200塑料闪烁体中沉积能量的模拟研究表明,电子沉积能量分布可以较好地反映入射的单能电子能量,并符合理论预测;对能量为4 MeV的γ的能量沉积谱的仿真研究表明,在本文研究的能量范围内γ能量沉积谱的康普顿边缘较明显,多次康普顿散射和累计效应的影响不明显,为实际探测中通过观测到的康普顿边缘计算入射γ光子能量提供了技术积累。
【文章来源】：电子产品可靠性与环境试验. 2020,38(05)
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
Pl＿Sc程序结构示意图
闪烁体探测器的结构复杂，在本文的模拟过程中，进行模拟运算的对象主要有闪烁体材料（含反射层）、PMT，以此为对象建立探测器的几何模型，如图2所示，其中闪烁体的长度为125 cm，横截面面积为5 cm×5 cm，材料为聚甲基苯乙烯，两头部分为圆柱形PMT，其光阴极的有效直径为46 mm，与闪烁体直接连接。粒子入射闪烁体，引起闪烁光的产生，闪烁光在闪烁体中传输，到达两端的被PMT光阴极收集。在此过程中，闪烁光在闪烁体中会发生损耗，并且会在反射层界面发生反射和折射，经反射层反射的闪烁光继续回到闪烁体中传输，折射逃逸的闪烁光被外层的吸收层吸收。依次构建实体、逻辑几何体和物理几何体，最后对物理几何体的材料进行定义。定义材料时，首先定义元素和同位素，然后定义原子、分子，最后定义具有密度、状态等宏观属性的物质材料。
电子进入闪烁体，引起闪烁体分子、原子的激发，退激时放出光子，从而产生闪烁光。电子进入闪烁体后，在碰撞、散射等过程中，部分电子会逃逸出闪烁体，能量过高电子会穿透闪烁体，导致能量损失，因此入射电子的能量不能够完全沉积在闪烁体内。分别以电子能量E1=0.5 Me V和E2=2.0 Me V为例，设定每次模拟粒子事件为10 000个，多次运算求取均值，形成沉积能量图谱如图3所示。图3a中，能量完全沉积的电子比例为75.27%，经过计算得知0.5 Me V入射的电子沉积能量平均值为0.451 Me V，能量沉积效率η=90.20%。类似地，图3b中沉积能量达到2.0 Me V的有73.14%，平均沉积能量为1.905 Me V，能量沉积效率η=95.25%。两次模拟结果显示，入射电子的能量沉积效率均达到了较高水平，未能完全沉积的原因是部分次级粒子在相互作用过程中逃逸出闪烁体外。在实际探测活动中，电子脉冲波峰值与入射能量、沉积能量呈正相关。为了尽可能真实地反映入射能量的大小，要求完全沉积在闪烁体内的电子数目占有较高的比例，可近似用平均沉积能量来衡量。在模拟实验中，将入射能量从0.5 Me V逐步增加到20 Me V，绘制出单能入射电子平均沉积能量随入射能量变化的曲线，同时与美国国家标准与技术研究院（NIST）提供计算的CSDA Range（连续慢化射程：通过跟踪并记录电子连续减速的过程，实现对电子减速直至停止所经过路径的近似计算；CSDA Range存在误差，总是比实际射程稍长）对比，结果如图4所示。
本文编号：3490084
【文章来源】：电子产品可靠性与环境试验. 2020,38(05)
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
Pl＿Sc程序结构示意图
闪烁体探测器的结构复杂，在本文的模拟过程中，进行模拟运算的对象主要有闪烁体材料（含反射层）、PMT，以此为对象建立探测器的几何模型，如图2所示，其中闪烁体的长度为125 cm，横截面面积为5 cm×5 cm，材料为聚甲基苯乙烯，两头部分为圆柱形PMT，其光阴极的有效直径为46 mm，与闪烁体直接连接。粒子入射闪烁体，引起闪烁光的产生，闪烁光在闪烁体中传输，到达两端的被PMT光阴极收集。在此过程中，闪烁光在闪烁体中会发生损耗，并且会在反射层界面发生反射和折射，经反射层反射的闪烁光继续回到闪烁体中传输，折射逃逸的闪烁光被外层的吸收层吸收。依次构建实体、逻辑几何体和物理几何体，最后对物理几何体的材料进行定义。定义材料时，首先定义元素和同位素，然后定义原子、分子，最后定义具有密度、状态等宏观属性的物质材料。
电子进入闪烁体，引起闪烁体分子、原子的激发，退激时放出光子，从而产生闪烁光。电子进入闪烁体后，在碰撞、散射等过程中，部分电子会逃逸出闪烁体，能量过高电子会穿透闪烁体，导致能量损失，因此入射电子的能量不能够完全沉积在闪烁体内。分别以电子能量E1=0.5 Me V和E2=2.0 Me V为例，设定每次模拟粒子事件为10 000个，多次运算求取均值，形成沉积能量图谱如图3所示。图3a中，能量完全沉积的电子比例为75.27%，经过计算得知0.5 Me V入射的电子沉积能量平均值为0.451 Me V，能量沉积效率η=90.20%。类似地，图3b中沉积能量达到2.0 Me V的有73.14%，平均沉积能量为1.905 Me V，能量沉积效率η=95.25%。两次模拟结果显示，入射电子的能量沉积效率均达到了较高水平，未能完全沉积的原因是部分次级粒子在相互作用过程中逃逸出闪烁体外。在实际探测活动中，电子脉冲波峰值与入射能量、沉积能量呈正相关。为了尽可能真实地反映入射能量的大小，要求完全沉积在闪烁体内的电子数目占有较高的比例，可近似用平均沉积能量来衡量。在模拟实验中，将入射能量从0.5 Me V逐步增加到20 Me V，绘制出单能入射电子平均沉积能量随入射能量变化的曲线，同时与美国国家标准与技术研究院（NIST）提供计算的CSDA Range（连续慢化射程：通过跟踪并记录电子连续减速的过程，实现对电子减速直至停止所经过路径的近似计算；CSDA Range存在误差，总是比实际射程稍长）对比，结果如图4所示。
本文编号：3490084
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