第39卷第1期
Nuclear Electronics & Detection Technology
Vol. 39 No. 1
Jan. 2019
滕忠賦▽，宋明哲1，倪宁1，张曦1，田丽霞2*
收稿日期：2019-09-03
基金项目：国家自然科学基金(11505028)资助。
作者简介：滕忠斌(1993-)，男，山东莘县人，在读硕士 研究生，核科学与技术专业。
咸潮入侵* 通讯作者：田丽霞(1983—)，女，博士,E-mail ：tianlixia
@ ecit 。
(1.中国原子能科学研究院计量与校准技术国防科技重点实验室，北京102413；
2.东华理工大学，江西南昌330013)
摘要：蒙特卡罗程序常被用于高气压电离室能量响应特性的研究。但在相同辐射场条件下，用不同
蒙特卡罗程序计算的高气压电离室能量响应的结果各不相同，与实验相比也存有差异。本次研究通过 使用MCNP5、EGSnrc 和FLUKA 计算得到了低空气比释动能系列X 射线和^Cs 能量光子的高气压电离 室的灵敏度因子，并与实验结果比较。结果表明这三种MC 程序计算的灵敏度因子基本一致，在®Cs 光 子能量时与实验结果相差均小于25%。通过比较各MC 程序计算所用时间，发现EGSnrc 计算效率最 高。最后分析得到因为这三种MC 程序对电子输运的处理方法的不同导致了计算结果和计算效率的 差异。
关键词：高气压电离室;MCNP ； EGSnrc ；FLUKA ；能量响应
中图分类号：TL72 文献标志码：A 文章编号：0258-0934(2019) 1-0095-06
能量响应是体现高气压电离室的性能的一 个重要技术指标。在高气压电离室设计时，希 望高气压电离室具有较平的能量响应曲线，以
便得到较为线性的校准因子，减轻实际检定和 校准时的工作量。高气压电离室的能量响应一
般可以由实验测量和蒙特卡罗(MC )程序模拟
计算得到A3］。其中mc 程序模拟计算能较为
准确地模拟实验过程，得到的计算结果与实验 结果较为符合。并且，它在模拟实验时具有简
便、快捷和节省成本的特点。此外，相对于利用 X 光机和放射源得到的高气压电离室能量响应
来说,MC 程序还可以模拟计算更大的光子能 量范围(keV-PeV)的能量响应。高气压电离
室内所充气体中的能量全部是由光子或者光子
产生的次级电子沉积的(实际上都是由次级电 子与物质相互作用沉积的能量)。该物理过程
只涉及光子和次级电子与物质的相互作用。由 于各MC 程序对电子输运的处理方式存在不 同，它们的计算结果和计算效率通常存有差异，
因此有必要进行比较和分析用不同MC 程序计
算得到的高气压电离室响应的差异，同时让用 户明白这些程序在计算高气压电离室能量响应 时的差异来源和限制。本次研究分别使用
MCNP5、EGSnrc 和FLUKA 程序计算高气压电
离室的灵敏度因子，并且将计算结果与实验结
果进行比较。最终，本次研究得到了在低空气比释动能率对应的X射线和Cs光子能量时，由MCNP5、EGSnrc和FLUKA计算的充氮气和氮气的高气压电离室的灵敏度因子，并与实验结果对比。最后分析了各MC程序的计算结果和计算效率的差异来源。本次研究可以为计算高气压电离室灵敏度因子时，MC程序使用的选择提供参考。
1MC程序简介和高气压电离室参数
1.1MCNP5
MCNP5⑷是美国Los Alamos国家实验室研发的一种可以模拟中子、光子和电子的粒子输运的MC程序。它可以解决能量在10x 10'n~100MeV的中子、1keV-100MeV的光子和1keV以上的电子的输运问题。在光子和电子的联合输运过程中涉及的物理过程有：光电效应、康普顿散射、电子对效应、光子的弹性散射、电子的弹性和非弹性散射、轲致辐射和8电子的产生等。它具有较强的通用性和几何处理能力，被广泛应用于探测器设计、辐射防护和放射等领域中。本次计算使用的MCNP5版本为1.14。采用光电子联合输运方式MODE P,E，使用*F8卡记录光子和电子在空腔中总的沉积能量。*F8卡记录了光子在外壁或空腔气体中产生的次级电子的吸收或逃逸等行为，记录了每个电子与气体作用沉积的能量，所以被认为是最适合计算沉积能量或吸收剂量的计数卡⑸。
1.2EGSnrc
EGSnrc[6]是一款由美国斯坦福直线加速器中心、日本高能物理国家实验室和加拿大国家研究所联合推出的用于模拟光子和电子输运的MC程序。其中，光子与物质相互作用主要通过四种基本形式：电子对效应、光电效应、康普顿散射和瑞丽散射。电子与物质作用涉及电子与核外电子的非弹性碰撞、与原子核的非弹性碰撞、轲致辐射和湮灭光子的产生。EGSnrc 系统程序中内置了一些用户程序，例如DOSRZnrc A FLURZnrc和CAVRZnrc等，适用于一些模型中剂量、注量和其他物理量的计算。本次计算使用了CAVSPHnrc(v6.0)用户程序来计算高气压电离室内的沉积能量。在计算沉积能量前，需要用PEGS4程序得到不同材料的包含粒子作用截面和次级电子的阻止本领的数据文件，其中光子和电子
的输运截止能量设置为ECUT=PCUT=1keV o
1.3FLUKA
FLUKA®是由欧洲粒子物理研究中心和意大利核物理研究所联合开发的一种用于计算粒子输运的MC程序，它可用于辐射探测器的设计、质子或电子加速器周边的辐射屏蔽、靶物质选择与设计和放射等。该程序可以模拟的粒子种类有60种，其能量在keV~TeV数量级之间。它内置的粒子与物质相互作用的物理模型中包含了强子的非弹性碰撞、弹性碰撞，光子的光电效应、康普顿散射、电子对效应和瑞利散射以及电子的多重散射、轲致辐射和8射线的产生等过程。它可以计算得到粒子与物质相互作用相关的物理量，如能量沉积、注量、径迹长度等。本次计算使用的FLUKA版本为2011. 2c-2x。在输入文件中，选择DEFAULT卡中的EM-CASCADe纯光电子联合输运选项，并使用EMF-CUT卡改变光子和电子的输运截止能量为ECUT=PCUT=1keV o使用USRBIN卡中的ENERGY选项记录空腔气体中的沉积能量。因为无法在BEAM源项卡中设置具有能量分布的光子源，所以还需要编写和调用SOURCE. F用户程序来完成计算。
1.4高气压电离室参数
球型高气压电离室由高压极、收集极、高压极与收集极之间所充的气体、绝缘子以及附加的电子学电路构成。球型不锈钢电离室的尺寸为：夕卜径20cm，高压极壁厚1.6mm，收集极外径8cm，收集极壁
厚0.5mm。高压极和收集极间充有10个大气压的氟气或者氮气。高压极和收集极的材料为不锈钢。绝缘子的材料为尼龙。
2计算和实验方法
2.1灵敏度因子
高气压电离室的能量响应是指在一定能量的光子辐射场中，电离室的辐射量的测量值与辐射场中该点处的辐射量真值的比值。具体由
灵敏度因子的大小表示为⑵:
金 ⑴
式中：
E Q=—
（2）
W
Q 为光子在电离室内气体中作用产生的电离电
荷量;E 为MC 模拟计算的空腔气体中的沉积 能量
*为电子在空腔气体中产生一个带电离
子对需要消耗的能量。
D = ~ ⑶
a
D 为该位置处空气中的吸收剂量真值丛为光 子在空气中的注量到空气比释动能的转换系 数⑷；a 为电离室空腔的截面面积。
2.2 MC 模拟方法
球型电离室被侧方入射的平行光子束照
射，平行光子束的截面半径与电离室外壁半径 相等，计算模型如图1所示。粒子源项使用低
空气比释动能率系列的X 射线，包括L-55、L-
70、L-100、L-125、L-170、L-210 和 L-240（如 图2所示），以及0.622 MeV 的单能光子。在高 气压电离室内部填充10个标准大气压对应密
度的氨气或氮气。为了使模拟更加接近实际, 在EGSnrc 、FLUKA 和MCNP 中，所有材料使用
的电子和光子输运截止能量（动能）为ECUT = PCUT=1 keV，产生次级光子和次级电子的阈 值能量为AE = AP= 1 keV 0在各MC 程序计算 时，输运的源粒子数均为1x10?个，使用计算机
单核计算，使用缺省的减方差技术。
离室中心与X 光机或放射源照射装置出口对
齐，二者之间的距离分别为2 m 和2.49 m 0在 低能X 射线参考辐射场中，通过改变X 光机管 电压和管电流的大小得到不同平均能量的X
射线，并实时记录在不同X 射线能量时高气压
电离室输出的电流大小，然后再利用其除以此
海尔大王子冰箱测量点处的辐射真值，得到不同光子能量时的 灵敏度因子。对于内部所充气体不同的电离 室，需要进行两次相同的实验。
——
L55 --L70 —
— L100L125 —L170L210--L240
图2低空气比释动能系列X 射线能谱
3结果与讨论
3.1计算与实验结果比较
利用上述方法，在不同入射光子能量时，得
到了使用三种MC 程序计算和实验测量的灵敏 度因子。图3和表1分别给出了不同能量的归 一化灵敏度因子和在®Cs 能量时的灵敏度因 子。值得注意的是，在MCNP5中可以选择不
同的能量标记算法和不同的子步长数目，它们
的大小都会对计算结果产生影响。并且电离室 在实际加工时，外壳的厚度也会发生改变。所
以针对MCNP5程序，本次计算分别考虑使用 DEFAULT JTS 和NEW 能量标记算法、缺省的 ESTEP = 3和推荐的ESTEP = 10电子子步长⑷
和1.4 mm 的外壳厚度，用于比较得到在使用 MCNP5计算高气压电离室能量响应时，输入文
件中合适的参数选择，计算结果如图4所示。
2.3实验方法
本次高气压电离室能量响应实验在低能X 射线和|"Cs 参考辐射场中进行。将高气压电
图3(a)充10alm的氮气时，不同MC程序计算和实验的归一化灵敏度因子图3(b)充10atm的氨气时，不同MC程序计算和实验的归一化灵敏度因子
表10.662Me V能量时，三种MC程序计算和实验的灵敏度因子
灵敏度因子/[pA/(piGy•h)]
氮气相对误差】)/%氫气相对误差"/%实验0.518200.6065782650
MCNP50.379944875-26.680.481321948-20.65 EGSnrc0.551688214 6.460.478919523-21.05 FLUK
A0.370339236-28.530.473666988-21.91 1)相对误差=(MC灵敏度因子-实验灵敏度因子)/实验灵敏度因子xl00%o
图4充10atm的氮气时，用不同的参数设置的MCNP5计算和实验的归一化灵敏度因子
3.2不同MC程序的计算效率对比
本次计算在个人计算机上进行，处理器：英特尔i5-7200U2.5GHz，内存：8GB O在使用不同MC程序计算高气压电离室灵敏度因子时，记录了各程序计算所消耗的时间，见表2。从表2中可以看出,EGSnrc计算所消耗的时间要明显少于MCNP5和FLUKA，这说明它计算的效率最高。计算效率的差异主要来源于三种MC程序中电子能量沉积的处理方式和记录方式的不同C9-,0]o
表2不同MC程序计算充氮气
电离室的灵敏度因子的时间
平均
能量/MeV
计算时间/h
MCNP5EGSnrc FLUKApc-based
五力模型
0.0480.900.005147.283
0.06 1.020.005175」67
续表
平均
能量/MeV
计算时间/h
MCNP5EGSnrc FLUKA
0.087 1.100.00525 5.35
0.109 1.030.00511 6.388
0.1490.880.00519 4.433过硫酸钠
0.1850.810.00525 5.433
注意力测试0.2110.790.00531 5.6
0.662 1.180.01392 4.9
3.3结果讨论
从计算和实验的结果中可以得到：（1）三种MC程序的计算结果与实验结果间存在差异，但归一化的灵敏度因子随能量的变化趋势大致相等。并且通过模拟不同壁厚，排除了实际壁厚的变化对模拟结果与实验结果差异的影响。（2）各程序的计算结果也各不相同。引起该差异的原因主要是这三种MC程序在处理电子输运方法上的不同。
针对电子的输运，上述三种MC程序均采用压缩历史的方法。并且在每个电子步长的末端使用多重散射理论近似得到电子的能量损失和角度变化⑷。压缩历史法分为两种，其中，MCNP5属于第一种压缩历史算法，尽管该方法针对电子的能量损失使用了较为准确的能量损失网格，但它并没有明确地处理能量损失和次级粒子的产生之间的关系。EGSnrc和FLUKA 属于第二种压缩历史算法，在每个步长末尾计算的初级电子的能量损失主要受次级粒子产生的影响。该类方法重点关注了电子在非弹性散射过程中产生的轲致辐射和8电子的输运⑴）。此外，除了这三种MC程序的统计误差、使用的光子和电子作用截面和上述对次级电子的处理方法的不同，空腔气体中能量沉积的差异主要来自于：（1）使用不同的多重散射理论⑺。MCNP5在每个电子步长的最后使用Goudsmit-Saunderson理论得到角度偏移。EGSnrc使用了基于筛选过的Rutherford截面的和考虑了电子散射旋转效应的Goudsmit-Saunderson理论〔⑵。FLUKA则使用改进后的Molifere多重散射理论。且当电子能量在50-100keV时，对于低原子序数材料，使用单散射理论〔7】。（2）对电子步长的处理。压缩历史方法需要有确
定的步长大小，通常步长应该足够长，可以包含多次碰撞，但也应该足够短，保证每步的平均能量损失很小，以至于满足多重散射理论条件的成立。在MCNP5中，每电子步长缺省的损失能量约为电子总能量的8.3%。为了使计算更加准确，该程序可以将一个电子步长分成多个相同长度的子步长，具体的子步长数目与介质材料的有效原子序数有关⑷。EGSnrc使用PRESTA-D电子步长算法，缺省步长的长度等于材料中电子损失能量占总能量25%时的长度。其中单个电子作用步长会被分成两个子步长，子步长的长度不会大于电子到界面的垂直距离⑴〕。并且当电子与几何边界的距离小于子步长时，使用单散射模型⑷。在FLUKA中的EMFFIX卡中，电子缺省步长的长度等于材料中电子损失能量占总能量20%时的长度，并考虑了精准的路径修正。当电子靠近边界时，步长将会逐渐缩短，在电子穿越边界时，使用单散射模型⑺⑶。
4结束语
通过本次研究发现，用三种MC程序计算的灵敏度因子大致相等，与实验结果相比基本符合。但EGSnrc的计算效率最高。因此在计算球型高气压电离室灵敏度因子时，推荐使用EGSnrcMP系统中的CAVSPHnrc用户程序。但在CAVSPHnrc用户程序中只能建立球型模型，不能建立实际高气压电离室中的绝缘子和支撑杆等非球型部件。所以，当需要建立详细的模型时需要考虑使用其他MC程序。虽然MCNP5中提供了针对电子输运不同的参数选择，但改变它们的大小对计算结果并没有较大改变。用FLUKA计算时需要编写SOURCE.F 用户程序，增加了计算的复杂程度，此外它还有计算时间较长的
缺点。本次研究使用三种不同MC程序计算了高气压电离室能量响应，并且分析了三种MC程序计算结果的差异的原因，得到的结果可以为相关研究提供合适的MC计算参考。
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