基于MCNP5的凸度儀固有散射影響分析

胡克敏，吳志芳，苗積臣，張玉愛，李立濤（清華大學核能與新能源技術研究院核檢測技術北京市重點實驗室，北京 100084）

基于MCNP5的凸度儀固有散射影響分析

胡克敏，吳志芳，苗積臣，張玉愛，李立濤
（清華大學核能與新能源技術研究院核檢測技術北京市重點實驗室，北京 100084）

摘要：本文采用MCNP5軟件建立了凸度儀模擬計算模型，并對其進行實驗結果驗證。分析了凸度儀固有散射的影響，隨待測鋼板厚度的增大，固有散射影響減小，對1～15mm厚度的鋼板，系統固有散射占總散射影響的10%以下，而對大于15mm厚度的鋼板，系統固有散射可近似為零。此外，對散射因子曲線在非對應源附近的鼓包現象進行了分析，分析結果表明，探測器支架具有防止另一排探測器散射干擾的作用。

關鍵詞：散射校正；凸度儀；MCNP5

凸度儀是熱軋鋼板生產線上檢測和控制板材凸度的關鍵設備，其精度越高，所產板材質量越高，過去此系統的生產技術主要被國外幾家大公司壟斷。目前清華大學核能與新能源技術研究院研制的凸度在線檢測系統［1］實驗樣機已打破這一壟斷，對0．9～25mm厚度范圍內的被測鋼板，達到±0．1%的測量精度，其中散射影響分析及校正是保證其高精度的關鍵因素。從散射來源分類，主要包括被測鋼板自身造成的散射和凸度儀系統部件的散射兩部分。凸度儀系統部件散射，又稱固有散射，與系統結構、被測鋼板、射線源和環境等均相關，影響因素復雜，很難通過理論模型分析研究。

蒙特卡羅（MC）方法是以概率統計、隨機抽樣為理論基礎，真實地描述各粒子輸運問題、物理實驗過程等，進而解決理論分析、數值計算等難以解決的實際問題［2］，所描述問題、系統越復雜，越能凸顯MC方法的優越性，因此，基于凸度儀復雜的固有散射影響分析，必然首選MC方法。MC方法目前至少有5種計算粒子輸運的程序軟件［3－4］。本文采用通用性、幾何能力和方差技巧等方面均較強，且具有可視化界面的MCNP5軟件［5］，建立與實驗樣機1∶1尺寸的仿真計算模型，并對其進行實驗結果驗證?；诖朔抡婺Ｐ停糠治鐾苟葍x固有散射影響及其隨被測鋼板厚度的變化情況，并給出可降低系統固有散射影響的建議方案。

1　凸度儀仿真模型

凸度儀結構示意圖如圖1所示，主體支撐結構C形架由上臂、側臂和下臂組成，材料為304不銹鋼。上臂內安置兩臺相同的COMET MXR－225／02／FB型X光機，通過上臂下方的準直機構，將射線源準直為具有一定寬度的扇形束從上臂出射；下臂結構相對復雜，主要是兩排電離室探測器，每排224路，各自對應S1、S2射線源，其排列方式在保證窗口中心正對射線源的同時，每路探測器以自身的一個角點為基準沿水平方向排列，圖2為下臂剖面圖（x－z面），虛線框內為扇形射線束照射區域，此區域各主要部件參數列于表1。

圖1　 凸度儀結構示意圖Fig．1 Structure diagram of profile gauge

圖2　 下臂剖面圖Fig．2 Sectional view diagram of lower arm

表1　 射線照射區域內各主要部件參數Table 1 Parameters of main components within irradiated area

基于上述參數建立凸度儀仿真模型，射線源S1、S2分別設置為恰好覆蓋各自224路探測器面的扇形束；下臂結構稍作簡化，但保留射線束照射區域的所有部件；C行架的上臂、側臂和下臂材料均為304不銹鋼；被測鋼板下表面至探測面的距離為60cm；凸度儀仿真模型在MCNP5軟件可視界面下的顯示如圖3～7所示。

圖3　 凸度儀仿真模型3D顯示Fig．3 Simulation model 3Ddisplayof profile gauge

圖4　 上臂粒子出射口Fig．4 Particle exit port of upper arm

2　仿真模型計算結果驗證分析

基于仿真計算模型，設置被測鋼板寬度為1 700mm，厚度為10mm；射線源采用管電壓180kV下的X光機輸出能譜（由MCNP5建模計算得到），將此模型下的散射因子計算結果與實驗結果對比驗證分析，分析結果如圖8所示。

定義散射因子（SPR）為：

圖5　 仿真模型剖面（y－z面）圖（a）及粒子徑跡圖（b）Fig．5 Sectional view（y－z plane）diagram（a）and particle track diagram（b）of simulation model

其中，MCNP5模型計算過程中采用＊F1計數卡，與電離室計數相對應。

由圖8可看出，仿真模型計算結果與實驗結果基本吻合。在鋼板邊緣，散射因子較大，曲線較陡；在靠近正對射線源處，散射因子最??；探測器距正對射線源越遠，射線斜穿鋼板厚度越大，散射因子亦越大，這符合康普頓散射的基本物理規律。仿真模型計算結果與實驗結果存在一定的偏差，主要原因為：1）由于實驗用鋼板寬度和鋼板在輥軸上的位置是人工測量確定的，存在一定的誤差；2）實驗所得A、B排探測器散射因子曲線在遠離對應源的鋼板邊緣位置，相比仿真模型結果出現明顯鼓包現象，如圖9所示。

圖6　 仿真模型下臂剖面（x－z面）圖（a）及粒子徑跡圖（b）Fig．6 Sectional view（x－z plane）diagram（a）and particle track diagram（b）of lower arm in simulation model

圖7　 仿真模型探測器排列（x－y面）圖（a）及排列細節（y－z面）圖（b）Fig．7 Arrangement of detectors（x－yplane）diagram（a）andarrangement detail（y－z plane）diagram（b）

圖8　 散射因子計算結果與實驗結果對比Fig．8 Comparison of scatter－to－primary ratio between simulation result and experimental result

圖9中，陰影區域1是A源射線經鋼板散射后進入到B排探測器，此散射量遠小于B排探測器接收的透射量，因此可忽略；陰影區域2是A源直接照射到A排探測器上發生散射后進入B排探測器，而此位置的B排探測器遠離B源，且射線束經鋼板厚度的衰減，透射量減少，增加的散射量與減少的透射量的比值（即散射因子）增大，形成鼓包現象；鋼板厚度越大，接收的透射量越少，鼓包現象也將越明顯。

圖9　 散射因子曲線鼓包現象分析Fig．9 Analysis of SPR curve bulge phenomenon

MCNP5計算結果并未明顯鼓包的原因是，仿真模型的扇形束寬度恰好照射探測器窗面積，且中間有探測器支架吸收。而實驗結果中扇形束的寬度無法測到，且探測器支架結構相對復雜，仿真模型的簡化造成探測器支架的吸收率增大，因此會出現鼓包現象。

3　仿真模型下凸度儀固有散射影響分析

本部分內容用到兩個模型：1）模型1，凸度儀仿真模型；2）模型2，只有射線源，鋼板和A、B兩排探測器3部分的計算模型。

基于上述兩個模型，分別計算厚度為1、5、10、15mm，寬度為1 700mm鋼板的散射因子，由上述公式計算固有散射因子及其η。圖10、11為B排探測器散射因子、固有散射因子及其η的曲線分布，可看出：1）隨鋼板厚度的增大，除曲線鼓包范圍探測器，凸度儀系統固有散射影響減小，到15mm厚度時，探測器的散射來源可近似全部為鋼板，固有散射影響可忽略；2）隨鋼板厚度的增大，模型2的散射因子曲線鼓包現象變大，說明直接照射在A排的射線散射后造成B排的散射影響變大，與仿真模型對比，探測器支架起了很大的防A排散射干擾的作用；3）1～15mm厚度被測鋼板，除鼓包范圍探測器外，其余各路探測器的η小于10%，即固有散射影響占總散射影響的10%以下，鼓包范圍探測器中，固有散射為負值。

圖10　 不同鋼板厚度下仿真模型和模型2的SPR分布Fig．10 SPR distributions of simulation model and model 2 under different plate thicknesses

圖11　 固有散射因子及η分布Fig．11 Distributions of inherent SPR andη

4　結論

為分析凸度儀固有散射影響，本文采用蒙特卡羅方法MCNP5軟件，建立了凸度儀系統仿真模型，并給出了可視化界面下的3D顯示和各方向的剖面圖；采用實驗數據對仿真模型計算結果進行驗證，兩者基本吻合，但實驗數據存在鼓包現象，經分析為非對應源（如B源）直接照射到與它對應的探測器（B排探測器）上發生散射后對此探測器（A排探測器）的影響；最后分析了凸度儀固有散射的影響，隨待測鋼板厚度的增大，固有散射影響減小，對大于15mm厚度的鋼板，系統固有散射可近似為零；對1～15mm厚度的鋼板，系統固有散射占總散射影響的10%以下。

參考文獻：

［1］ 苗積臣，吳志芳，張玉愛，等．凸度檢測系統厚度測量精度分析［J］．原子能科學技術，2011，45（8）：983－986．MIAO Jichen，WU Zhifang，ZHANG Yuai，et al．Analysis of thickness measure precision in X－ray profile gauge［J］．Atomic Energy Science and Technology，2011，45（8）：983－986（in Chinese）．

［2］ 裴鹿成，張孝澤．蒙特卡羅方法及其在粒子輸運問題中的應用［M］．北京：科學出版社，1980．

［3］ 徐淑艷．蒙特卡羅方法在實驗核物理中的應用［M］．北京：原子能出版社，2006．

［4］ 邱睿，李君利，武禎，等．四種蒙特卡羅程序的比較計算［J］．原子能科學技術，2008，42（12）：1 149－1 152．QIU Rui，LI Junli，WU Zhen，et al．Comparison calculation of four Monte－Carlo codes［J］．Atomic Energy Science and Technology，2008，42（12）：1 149－1 152（in Chinese）．

［5］ MCNP：A general Monte Carlo N－particle transport code［M］．［S．l．］：［s．n．］，2003．

Analysis of Inherent Scattering Based on MCNP5 for Profile Gauge

HU Ke－min，WU Zhi－fang，MIAO Ji－chen，ZHANG Yu－ai，LI Li－tao
（Beijing Key Laboratory on Nuclear Detection and Measurement Technology，
Institute of Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing100084，China）

Abstract：In this paper，based on MCNP5，the simulation model of profile gauge was established and verified by the experimental data．The inherent scattering of profile gauge was analyzed．The value of inherent scattering decreases with the increase of steel plate thickness．For the thickness of 1mm to 15mm，the inherent scattering accounts for less than 10%of the total scattering effect，and for over 15 mm thickness steel plate，inherent scattering can be approximated as zero．In addition，the analysis result of the bulge phenomenon for the scatter－to－primary ratio（SPR）curve proves that the detector stent can prevent another detector row’s scattering．

Key words：scattering correction；profile gauge；MCNP5

作者簡介：胡克敏（1985—），女，山東滕州人，博士研究生，核科學與技術專業

基金項目：北京市科委研發攻關課題資助項目（Z080903027508）

收稿日期：2014－03－18；修回日期：2014－10－19

doi：10．7538／yzk．2015．49．08．1477

文章編號：1000－6931（2015）08－1477－06

文獻標志碼：A

中圖分類號：TL99