电子打靶x射线能谱分布的mcnp模拟

电子打靶x射线能谱分布的mcnp模拟

x射线灯分析可用于物质和浓度的测量。入射原级射线激发样品时产生被测元素的特征谱线,由其能量和强度信息得到浓度的测试结果由于测量X射线能谱需要高精度的探测系统和细致的刻度校正方法,普通实验室很难直接测量X射线的谱分布蒙特卡罗采用随机事件模拟方法,是核物理计算研究射线产生和作用的重要手段之一1韧致辐射的连续谱通常选用元素的K系或L系谱线进行荧光分析。对大多数元素,激发特征X射线的入射光子能量不超过100keV,相应X射线机的加速电子能量在keV到几十keV左右。X荧光分析中为配合不同种类的待测元素,其靶材料从钼、铑、银等中等原子序数到钨、铂等高原子序数材料。选用略高于待测元素的材料作为靶元素,可充分利用靶材料的特征谱线以更好激发待测元素。原级X射线能谱通常包括连续谱和特征谱线两部分。入射电子在靶材料中减速,能产生韧致辐射的连续谱。若入射电子的能量大于靶材料的吸收限,还可产生相应能级的特征谱线。受X射线机出射窗的影响,原级X射线最低能端的光子大部被吸收,同时被激发的X射线光子最大能量不超过入射电子的能量。韧致辐射谱分布曲线的两端为零,则曲线在中间某一能量处取得最大值。连续谱采用微分的谱分布描述时,各能量点的数值代表单位能量间隔的光子数,曲线下的面积对应所选能量区间的光子数。靶材料的特征谱线具有确定的能量,其谱线宽度为几电子伏特,可忽略不计。一般将特征光子的强度值直接加在连续谱上的谱分布曲线上。应该注意,该数值与所在能量区间内连续谱的光子数同量纲,而不是与谱分布的数值同量纲除特征谱线外,微分形式的谱分布数值乘以能量区间宽度才是该区间内连续谱的光子数。如果采用多道方式测量能谱分布,对连续谱部分,每个道宽内的计数是谱分布曲线上的数值与多道道宽的乘积。在包含特征谱线的能区,多道计数为特征峰的高度(该高度对应特征峰的光子数)加上所在多道区间内连续谱下的面积。多道测量方法划分能量区间并统计区间内光子数。能量区间变小,包含特征峰的能量区间只有连续谱部分光子数量减小,特征峰部分的高度不变,其余连续谱也会因为统计区间变小而计数变小。所以,多道曲线的特征峰和连续谱部分的比例会因能量间隔区间的不同而改变,这在采用类似多道方式统计能谱分布时应注意。2mcnp数据卡MCNP程序通过输入文件INP对物理问题进行模拟,输入文件由包含几何、物质分布和不同物理条件等输入信息的数据卡片组成。电子、光子等的截面数据文件由MCNP内部提供。MCNP程序对电子在材料中的作用设置了若干参数,在缺省选择下详尽考虑了产生光子等的各种过程。由于电子输运的计算量比光子输运大很多,MCNP在PHYS数据卡上也提供了一些简化选项。我们需要考虑电子和光子等产生和作用的完整过程,故使用PHYS卡的缺省设置。另外,对光子采用MCNP的细致物理处理过程,包括光电效应、Thomson相干散射、康普顿散射以及电子对产生。光子或电子的能量低于1keV时,MCNP作为吸收处理。MCNP程序详细处理了电子-光子输运的各种微观物理过程。根据计算模型在指定卡片上描述靶材料信息、入射电子的能量、几何位置关系和计算结果输出要求等,即可计算所需的原级X射线能谱分布。建立合适的模型后,改变靶的材料或入射电子能量,或几何布置和滤光条件等,可得到不同参数下的系列数据。MCNP可分解实际过程很难分割的因素。采用模拟计算较真实实验具有灵活、便捷的优势。如实测的X射线原级光子一定先经过X光机的窗材料,但采用模拟方法可计算无出射窗时直接从靶上激发出的能谱分布,这对于实验测量几乎是无法实现的。在X荧光分析中,X射线能谱分布也可采用一些计算公式取得,其计算方法通常来源于已有测量曲线的拟合结果3模型和结果的计算3.1mcnp的计算过程选择单能入射的电子作为源粒子,入射粒子打在靶材料上,在指定方向上统计激发的原级光子的能量分布。计算采用图1所示的几何条件。首先取能量30keV的电子入射,入射角和出射角均为45°,靶为X荧光分析中常用的钼材料。铍窗距离靶点6cm,厚度可选。在距离入射点10cm处取半径3cm的圆盘统计光子通过信息。该电子激发X射线模型可模拟实际X射线的产生过程。对于低能电子入射,由于射程很短,电子与材料作用的区域主要在靶材料表面,原级X光子基本来自入射点附近。出射射线束按锥形考虑,在距离入射点垂直距离10cm的位置处统计原级X射线能量分布。圆盘半径为3cm,X射线圆锥方向内的立体角为0.265。MCNP的计算结果归一化到每个源粒子,取光子计数类型F1,按一定的能量区间划分,其计算值代表每个区间内X射线的光子数。MCNP的光子能量下限为1keV,在1~30keV范围内按0.2keV的间隔平均分成145个区间。光子数按能量箱统计,这类似于多道的能谱统计方式。使用MCNP/4C版本,WindowsXP环境,CPU为IntelP8400,主频2.26GHz。取源粒子抽样为1.0×103.2x-ct-msnp的计算用MCNP程序对电子打靶产生X射线能谱的研究,已包括连续的韧致辐射和靶元素的特征X射线峰的影响。可改变靶材料或入射电子的能量设定,以计算各种条件下的原级X射线能谱。30keV电子以45°入射至钼靶,出射角45°,按能量区间F1计数的计算结果如图2所示。X射线机出口窗材料为铍,考虑其厚度分别设为0、0.2、0.5mm3种。厚度为0代表没有铍窗存在时的情况。由图2可见,谱分布主要由轫致辐射的连续谱和钼的K特征谱线构成,钼的K由于铍窗的吸收,原级X射线将随铍窗厚度增加而减弱,其低能端衰减比例远高于高能端。铍窗分别是0.2和0.5mm厚时,窗的存在使X射线能谱低能端的比例衰减至接近0。窗材料的厚度不同,对不同能量光子的衰减影响也不同,其谱分布特性将随之改变。由于MCNP计算采用的是各区间的光子数量统计,将图2中连续谱部分的计数结果,除以本模型采用的能量区间值0.2keV,将得到以keV另外,将靶材料改为钨,其它条件不变,按同样模型计算的结果如图3所示。图3中不同铍窗的能谱分布与钼靶的类似,钨靶9.67keV的L4能谱分布数据分析的应用应用MCNP程序模拟原级X射线,在keV到几十keV范围内可反映电子束打靶产生X射线束的各种射线作用过程,详细的计算还可获得能