全面研究伽马射线、快中子组委会的传感特性和CMO闪烁体屏蔽辐射的应用程序

文摘

WinXCom程序用于计算质量衰减系数(μ_米)、有效原子序数(Z_eff)、有效的电子密度(N_埃尔)、半值层(等)和平均自由程(MFP)在能源范围1 kev Gd - 100 GeV₃艾尔₂遗传算法₃O₁₂Ce(组委会)和CaMoO₄(CMO)闪烁体材料。几何级数(表压)方法被用来计算接触形成因素(EBF)和伽马射线能量吸收(EABF)光子能量范围0.015 -15伏,一个40穿透深度(mfp)。此外,删除的值对快中子截面已经被计算。计算发现,组委会公布的数据显示好γ射线和中子传感响应的能量范围广阔。这项工作可以用作核辐射传感器、探测器、核医学应用(医学成像和乳房x光检查),核工程和空间技术。

1。介绍

由于重视无机闪烁体材料领域的电离核辐射检测,他们是一个非常适合空间的利用等许多应用程序技术,核设备的设计,和医疗诊断(1]。发展新型闪烁体材料,质量衰减系数的知识(μ_米)非常考虑闪烁体因为的结果μ_米节目互动的可能性。此外,伽马射线与物质相互作用时,半值层(等),平均自由程(MFP),有效原子序数(Z_eff)、有效的电子密度(N_埃尔)、暴露累积因素(EBF)和伽马射线能量吸收(EABF)所需的基本量解释核放射物质的渗透。MFP等,Z_eff,N_埃尔、EBF EABF参数可以计算使用的值μ_米(2]。精确的μ_米值是想提供基本的结果在许多核辐射电脑断层摄影术、辐射屏蔽核辐射剂量计,伽马射线荧光,安全检查(3]。各种其他研究者报道的伽马辐射屏蔽性能合金,multielemental材料、土壤、解决方案、聚乙烯醇和生物材料4- - - - - -11]。

海恩(12)提出了一个数量的组合变化与能量称为有效原子序数(Z_eff)来描述混合材料的原子序数与能量。由于高产量,快速衰减时间,高密度,高Z_eff和良好的能源解决组委会闪烁体材料,这是一个很好的候选人伽马能谱学等许多应用程序和位置发射断层扫描(PET) (13];此外,组委会没有天然放射性物质(14]。因为缺乏知识的伽马射线和中子与组委会和CMO闪烁体材料,μ_米、液力、MFPZ_eff,N_埃尔、EBF EABF一直在调查范围广泛的能量。已计算的值μ_米、液力、MFPZ_eff,N_埃尔在能源范围1 kev - 100 GeV和EBF EABF在能源使用WinXCom项目范围0.015 -15伏。同时,宏观的快中子移出截面已经被计算。

2。理论

光电效应、康普顿散射和对生产机制可以解释光子之间的相互作用与组委会CMO闪烁体材料。如果初始光束穿透样品的强度我₀,射线的强度将会减弱,指数下降我根据比尔-朗伯定律。在哪里我₀轰击梁的强度,我传输光束的强度,ρ闪烁体样品的密度(克/厘米吗³),d样品的厚度(厘米)。总光子相互作用截面(σ_t)的样品计算的帮助下μ_米根据以下方程: 在哪里样品的分子量,一个_我原子的重量吗我th元素,n_我是公式的数量单位的一个分子,然后呢N_一个阿伏伽德罗常数。有效原子横截面,σ_一个,使用下面的公式计算:

总电子横截面,σ_e计算了在哪里f_我表明部分元素的丰度我和Z_我组成元素的原子序数。的Z_eff有关σ_一个和σ_e通过以下方程:

有效的电子密度(N_埃尔计算的组委会和CMO)从以下:

半值厚度(等)是任何给定材料的厚度,入射能量的50%已经减毒和计算利用线性衰减系数(μ通过以下方程:

另一个值计算本研究组委会和CMO平均自由程(MFP)描述的是15,16]。的详细知识计算表压参数的拟合,暴露累积因子和能量吸收积累的因素,元素表压拟合参数已从ANSI / ANS 6.4.3 [17]。

最后,消除横截面快速中子组委会和CMO材料可以使用以下公式计算: 在哪里ρ_我局部密度和吗的大规模移出截面是吗我th元素取自卡普兰和Chilten [18,19]。

3所示。结果与讨论

3.1。质量衰减系数(μ_米)

相干散射、非相干散射光电吸收,核能对生产、和电子对生产是光子能量与物质的相互作用过程。这些互动过程可以解释总质量衰减系数的依赖(μ_米光子能量),如图1组委会。这个数字表明,低光子能量范围(E < 0.3兆电子伏),中间光子能量范围(0.3 < E < 5兆电子伏),和高光子能量范围(E > 5兆电子伏)是三个光子能量范围在交互过程中。图2显示了计算μ_米组委会和CMO闪烁体材料的值。如图2,μ_米的样本值迅速下降,从3.50×10³1.68×10⁻¹厘米²/ g和4.81×10³1.17×10⁻¹厘米²/ g组委会和CMO分别随着光子能量的增加0.3兆电子伏。在这个光子能量范围、K - L -,和M-absorption边缘已经观察到,Ca,乔治亚州,密苏里州,Ce, Gd如表所示1由于光电效应。这种行为的μ_米与光子能量可以归因于光电吸收横截面,那是相对于E^3.5。在光子能量范围0.3 < E < 5兆电子伏,μ_米组委会和CMO闪烁体材料的值变化缓慢,0.01179 - 0.0345厘米²/ g和0.0971 - 0.0317厘米²/ g组委会和CMO,分别。的区别μ_米值约等于零,如图2。这是因为康普顿散射的过程是一种主要机制(20.]。以来,康普顿散射截面的过程是相对于E⁻¹和线性变化Z号码。图2表明,随着光子能量的增加从5 100 GeV兆电子伏,的值μ_米增加缓慢,成为常数和高度依赖于样本的组成。这可能归因于这样一个事实,这对生产过程是一个主要机制。结果表明,组委会闪烁体材料具有较高μ_米比名头。


元素	Z	K	l₁	l₂	l₃	米₁	米₂	米₃	米₄	米₅

艾尔	13	1.560	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -
Ca	20.	4.038	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -
遗传算法	31日	10.37	1.298	1.142	1.115	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -
莫	42	20.00	2.865	2.625	2.520	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -	- - - - - -
Ce	58	40.44	6.549	6.164	5.723	1.437	1.273	1.185	- - - - - -	- - - - - -
Gd	64年	50.24	8.376	7.930	7.243	1.881	1.688	1.544	1.217	1.185

3.2。及液力MFP

液力和MFP结果描述辐射衰减的最合适的量。最好的辐射屏蔽混合物,降低及液力MFP值是必需的。半值层的值作为光子能量的函数绘制在图3。光子的能量范围1 - 100 keV,半值层的值是光子能量和样品成分无关的。半值层值增加时,光子能量增加6 10伏,组委会和CMO,分别。2000兆电子伏以上,液力挺值依赖于组委会的构成和首席营销官。的值为组委会低于液力CMO [21]。

如图4,平均自由程的值(MFP)增加增加光子的能量。光子的能量范围1 - 300 keV和1 - 150 keV MFP值< 1组委会和名头。5兆电子伏以上,MFP的值依赖于组委会的构成和CMO样本。MFP的值为CMO组委会低于。的结果及液力MFP表明组委会化合物是广泛的优秀γ-ray传感响应能量范围。

3.3。有效原子序数()和电子密度()

图5显示Z_eff光子能量的函数GAGCO和CMO闪烁体材料。在光子能量范围1 kev - 100 GeV的值Z_eff依赖于GAGCO的构成和CMO闪烁体材料。如图5,有两个峰值在10到60 keV GAGCO由于K-absorption Ga和Gd边缘,分别。其他两个高峰在4和20 keV CMO由于K-absorption边缘Ca和密苏里州,分别。光子的能量范围0.03 - 1兆电子伏,的值Z_eff减少迅速随着光子能量的增加,然后慢慢增加到200伏。随着光子能量的增加100 GeV的值Z_eff成为近常数对闪烁体材料。值得注意的是,不同的价值观Z_eff发生由于相应K-absorption边缘。我们已经计算了Z_eff组成元素的值在K-edge能量闪烁体和两个可能的获得Z_eff值,一个对应于较低的一侧,另一个相同的能量(表上的一面2)[22]。


样品标识	元素	K-edge
样品标识	元素	Z_eff较低的	Z_eff上

组委会	艾尔(0.0505)^一个	37.48	35.01
	Ga (0.1960)	56.06	47.38
	Ce (0.1313)	47.32	50.96
	Gd (0.4421)	50.23	57.95
CMO	Ca (0.2003)	32.48	27.88
CMO	莫(0.4796)	29.03	38.36

^一个指的是元素组成(%)。

的N_埃尔调查结果GAGCO和CMO闪烁体材料的光子能量1 kev - 100 GeV计算根据(6)。有轻微的变化N_埃尔结果各种GAGCO和CMO闪烁体材料更高的结果N_埃尔表明增加的概率photon-electron能量传递和能量沉积材料。的结果N_埃尔呈现相同的光子能量依赖观察Z_eff(23]。这种行为已经确认图6显示的相关性Z_eff和N_埃尔。

此外,计算μ_米和Z_eff组委会和CMO闪烁体的值与实验值比较两个闪烁体材料在不同的能量来自[1),结果见表3。一般来说,可以看出实验μ_米和Z_eff值与理论值显示良好的协议。

(一)


能量(凯文)	质量衰减系数(μ_米)(厘米²/ g)
	组委会		CMO
	这项工作	经验值。1]	这项工作	经验值。1]

287.30	0.179	0.1896	0.1271	0.1264
340.80	0.142	0.1541	0.1116	0.1108
399.00	0.118	0.1259	0.1006	0.1032
481.60	0.099	0.1034	0.0900	0.0902
562.70	0.087	0.0900	0.0826	0.0843
662.00	0.077	0.0800	0.0758	0.076

(b)


能量(凯文)	有效原子序数(Z_eff)(e⁻/原子)
	组委会		CMO
	这项工作	经验值。1]	这项工作	经验值。1]

287.30	32.56	38.6	17.79	18.12
340.80	29.95	35.4	17.15	17.32
399.00	28.07	31.91	16.74	17.39
481.60	26.39	29.15	16.40	16.59
562.70	25.37	27.56	16.21	16.66
662.00	24.59	26.64	16.07	16.21

3.4。暴露累积因素(EBF)和伽马射线能量吸收(EABF)

等效原子序数(Z_情商),表压接触(EBF)和能量吸收(EABF)累积因子系数组委会和CMO表中列出4和5。EBF的变化与光子能量和EABF值1、10、20、30、40 mfp GAGCO和CMO闪烁体材料的呈现在图7。这个数字表明,EBF的最大值和EABF依赖闪烁体材料和穿透深度的构成和转移到更高的能量。同时,很明显,EBF和EABF值增加到最大值与光子能量增加然后减少进一步增加光子的能量。low-photon能源地区EBF和EABF值最小,因为大量的光子被吸收,因为主要交互过程是光电效应。中间光子能量地区EBF和EABF值最高,因为主要的康普顿散射过程相互作用。在高能区,光子被再次吸收,因为主要交互过程是对生产。EBF和EABF结果GAGCO CMO观察感染高峰在20和60 keV可能归因于K-absorption莫和Gd边缘,分别。由于多重散射的发生在高渗透深度,EBF的最高价值和EABF观察在40 mfp的穿透深度值最低的是观察到1 mfp。数据8和9显示累积因素的变异(EBF和EABF)与入射光子能量GAGCO和CMO在不同渗透深度(1、10、20和40 mfp)。很明显,在选定的渗透深度,一般GAGCO EBF和EABF值最低,强调GAGCO化合物优越伽马射线传感器材料。


能量(兆电子伏)	Z_情商	EBF					EABF
能量(兆电子伏)	Z_情商	b	c	一个	X_k	d	b	C	一个	X_k	d

0.015	28.83	1.00	2.02	−0.32	10.85	0.26	1.00	2.02	−0.32	10.85	0.26
0.02	29.00	1.01	0.10	0.76	10.78	−1.06	1.01	0.23	0.44	12.61	−0.51
0.03	29.31	1.10	0.38	0.20	12.58	−0.06	1.03	0.39	0.24	11.74	−0.18
0.04	29.56	1.19	0.33	0.23	14.91	−0.09	1.06	0.39	0.19	25.33	−0.28
0.05	35.17	2.13	0.53	−0.05	12.41	−0.04	1.23	0.20	0.04	10.50	0.00
0.06	49.54	2.92	0.22	0.03	5.66	−0.06	1.56	0.24	−0.03	20.84	0.04
0.08	50.32	1.82	0.03	0.77	15.50	−0.14	1.40	0.04	0.69	14.23	−0.21
0.1	50.78	1.40	0.05	0.68	13.87	−0.30	1.35	0.07	0.66	13.51	−0.34
0.15	51.48	1.21	0.31	0.30	13.90	−0.17	1.44	0.17	0.45	13.84	−0.25
0.2	51.89	1.24	0.49	0.18	14.50	−0.10	1.59	0.26	0.35	13.90	−0.20
0.3	52.33	1.37	0.62	0.11	14.09	−0.05	1.88	0.42	0.23	13.72	−0.13
0.4	52.61	1.49	0.76	0.07	14.13	−0.05	2.19	0.55	0.17	13.87	−0.12
0.5	52.77	1.56	0.84	0.05	14.08	−0.04	2.26	0.67	0.12	13.87	−0.09
0.6	52.89	1.60	0.90	0.03	13.93	−0.03	2.31	0.74	0.09	13.72	−0.08
0.8	53.01	1.64	0.97	0.01	13.90	−0.02	2.29	0.83	0.06	13.62	−0.06
1	53.06	1.65	1.00	0.01	13.34	−0.02	2.22	0.88	0.05	13.51	−0.05
1。5	52.13	1.56	1.11	−0.02	14.09	−0.01	1.95	1.00	0.01	13.62	−0.03
2	49.55	1.56	1.11	−0.02	13.08	−0.01	1.85	1.00	0.02	13.12	−0.04
3	45.55	1.54	1.06	0.00	12.91	−0.03	1.72	0.94	0.04	13.24	−0.06
4	42.05	1.50	1.02	0.02	13.36	−0.04	1.60	0.91	0.05	13.52	−0.07
5	42.79	1.52	0.94	0.05	13.60	−0.07	1.57	0.83	0.08	13.79	−0.10
6	42.27	1.50	0.92	0.06	13.82	−0.08	1.51	0.81	0.10	14.00	−0.11
8	41.62	1.53	0.88	0.08	14.13	−0.10	1.48	0.80	0.11	14.28	−0.12
10	41.26	1.49	0.96	0.06	14.20	−0.08	1.40	0.88	0.08	14.35	−0.10
15	41.00	1.55	1.11	0.04	14.18	−0.06	1.39	1.01	0.06	14.31	−0.08


能量(兆电子伏)	Z_情商	EBF					EABF
能量(兆电子伏)	Z_情商	b	c	一个	X_k	d	b	c	一个	X_k	d

0.015	17.98	1.01	0.49	0.14	29.23	−0.28	1.01	0.49	0.14	29.24	−0.28
0.02	29.95	1.14	0.27	0.24	11.00	−0.97	1.03	0.39	0.41	13.09	−0.47
0.03	31.09	1.51	0.50	0.19	15.78	−0.08	1.11	0.51	0.22	14.41	−0.17
0.04	31.62	1.72	0.33	0.20	16.53	−0.08	1.14	0.38	0.18	24.93	−0.23
0.05	31.96	1.61	0.27	0.10	12.65	−0.09	1.15	0.27	0.14	11.68	−0.07
0.06	32.21	1.48	0.26	0.23	14.67	−0.14	1.18	0.25	0.41	14.64	−0.16
0.08	32.54	1.34	0.32	0.37	14.10	−0.15	1.26	0.30	0.33	14.28	−0.16
0.1	32.78	1.24	0.44	0.21	13.84	−0.11	1.32	0.44	0.20	17.56	−0.11
0.15	33.12	1.42	0.61	0.13	14.14	−0.07	1.88	0.42	0.24	13.72	−0.15
0.2	33.34	1.61	0.71	0.10	13.87	−0.06	2.48	0.53	0.19	13.67	−0.13
0.3	33.59	1.76	0.91	0.03	13.30	−0.03	2.71	0.78	0.09	13.30	−0.07
0.4	33.69	1.83	1.04	0.00	12.56	−0.02	2.75	0.93	0.04	12.89	−0.05
0.5	33.75	1.85	1.10	−0.01	11.73	−0.02	2.65	1.02	0.02	12.52	−0.04
0.6	33.80	1.85	1.14	−0.02	10.77	−0.01	2.55	1.07	0.00	11.99	−0.03
0.8	33.82	1.83	1.16	−0.02	9.93	−0.01	2.37	1.11	−0.01	10.81	−0.02
1	33.89	1.80	1.16	−0.03	9.98	−0.01	2.23	1.12	−0.01	9.83	−0.02
1。5	32.14	1.70	1.18	−0.04	15.25	0.01	1.95	1.13	−0.02	9.65	−0.01
2	29.13	1.69	1.12	−0.02	8.94	0.00	1.84	1.11	−0.02	9.53	−0.01
3	26.83	1.63	1.06	0.00	11.84	−0.01	1.68	1.03	0.00	12.51	−0.02
4	26.26	1.55	1.03	0.01	12.93	−0.02	1.56	1.00	0.01	13.96	−0.03
5	25.91	1.48	1.01	0.01	13.12	−0.03	1.48	0.97	0.02	14.14	−0.04
6	25.71	1.44	0.98	0.02	13.38	−0.04	1.40	0.98	0.02	14.33	−0.04
8	25.45	1.35	0.98	0.03	13.68	−0.04	1.30	0.96	0.03	13.99	−0.04
10	25.38	1.30	0.95	0.04	13.98	−0.06	1.24	0.96	0.04	14.26	−0.05
15	25.39	1.20	0.95	0.05	14.35	−0.06	1.15	0.96	0.04	14.59	−0.05

3.5。快中子移出截面

快中子的移出截面GAGCO和CMO闪烁体材料表中列出6。的值0.121和0.048厘米吗⁻¹GAGCO CMO,分别。的高度值被发现对于GAGCO-this可能归因于这一事实的元素有一个高吗Z数量非常负责的快速中子的元素有一个低Z数量做(23]。


元素	W_我	(cm²/ g)	ρ(克/厘米³)	(cm⁻¹)

组委会(6.63克/厘米³)
O	0.179939	0.0405	0.001429	0.007288
艾尔	0.050575	0.0293	2.698000	0.001482
遗传算法	0.196037	0.013	5.907000	0.002548
Ce	0.131318	0.0126	6.770000	0.001655
Gd	0.442132	0.0119	7.895000	0.005261
总				0.121
CMO(4.2克/厘米³)
O	0.179939	0.0405	0.001429	0.007288
Ca	0.050575	0.0243	1.540000	0.001229
莫	0.196037	0.0151	10.22000	0.002960
总				0.048

4所示。结论

伽马射线质量衰减系数,半值层,平均自由程,有效原子序数,有效的电子密度计算了使用WinXCom程序在能源范围1 kev - 100 GeV GAGCO和CMO闪烁体材料。EBF和EABF值在能源范围0.015 -15伏和穿透深度高达40 mfp GAGCO使用表压拟合参数计算方法和CMO闪烁体材料。此外,删除的值为快速中子截面计算。计算值GAGCO显示优秀的礼物γ射线和中子传感响应范围广泛的能源由于高质量衰减系数值和有效原子序数为半值层和较低的值,平均自由程和形成因素。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者欣然承认金融支持这项研究的是来自马来西亚的高等教育(邻蒙古)通过基础研究资助计划,同时,金融支持大学的武装力量和爱资哈尔大学。

引用

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《光谱学