《Annals of Nuclear Energy》：Monte Carlo analysis of prompt gamma activation analysis (PGAA): Influence of collimator and filter parameters
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本研究利用Monte Carlo PHITS代码系统评估了PGAA系统的性能，通过优化滤波材料（如sapphire）、准直器孔径、有效剂量和中子/光子能谱，确定sapphire滤波器在降低背景辐射的同时保持高中子通量，实现最佳信噪比，验证了系统优化的必要性。
Jamila Yousfi|Abdessamad Didi|Hamane Lemziouka|Lamiae Mrharrab|Hamid Bounouira|Hamid Amsil|Otman JA?
摩洛哥非斯苏菲迪穆罕默德本阿卜杜拉大学科学学院先进材料与应用实验室
摘要
在本研究中，使用了蒙特卡洛PHITS（粒子与重离子传输代码系统）来评估瞬时伽马活化分析（PGAA）系统的性能。研究重点在于优化过滤材料、准直器孔径、有效剂量以及中子和光子谱。结果表明，蓝宝石（Al2O3）过滤材料在有效降低光子诱导背景的同时，保持了足够的中子通量，从而实现了最高的信噪比（SNR）。有效剂量分布和中子减速分析证实了所提出的PGNAA装置适用于准确且无损的元素分析。总体而言，这些发现强调了系统优化对于提高中子活化分析的准确性和效率的重要性。
引言
瞬时伽马活化分析（PGAA）是一种成熟的中子活化技术，广泛用于各种材料的无损元素分析（Molnár等人，2000年；Yousfi等人，2024年）。该方法基于样品中的原子核捕获热中子或冷中子后立即发射的伽马射线的即时检测（Fazekas等人，1997年；Brolley和Fowler，1960年；Belgya等人，1997年）。PGAA测量的效率和精度高度依赖于检测系统的最佳设计和配置，包括准直器、中子快门和导向装置的几何特性，以及束流成形材料的选择、辐照室设计、高纯度锗（HPGe）探测器、束流阻挡器以及沿中子束路径放置的过滤元件，尤其是位于准直器内的蓝宝石（Al2O3）过滤材料（Rapport définitif de sureté，xxxx；Abdessamad Didi等人，2023年；Monár等人，2002年）。
在此背景下，准直器是一个关键组件，因为它决定了传递到辐照区的中子通量的方向性和强度以及HPGe探测器的性能（图1）（Amsil等人，2023年；Kis等人，2015年）。中子源沿着准直器的z轴方向排列，对应于朝向辐照区和探测器的主通量方向，代表了TRIGA Mark II反应堆的实际中子谱，该谱使用11个能量组进行建模。过窄的准直器孔径会大幅限制中子通量，从而影响检测效率；而过宽的孔径则会导致背景辐射水平升高，进而降低信噪比（SNR）（Jalil等人，2019年；Meier-Leibnitz和Spectroscopy，1969年）。蓝宝石（Al2O3）过滤材料的集成通过选择性地衰减低能光子来提升系统性能，有助于减少背景伽马辐射，同时保持来自分析样品的瞬时伽马射线的传输（Rapport définitif de sureté，xxxx；Abdessamad Didi等人，2023年；Amsil等人，2023年；Kis等人，2015年；Jalil等人，2019年；Harder，2009年）。
本研究是使用PHITS（粒子与重离子传输代码系统）进行详细蒙特卡洛模拟以优化PGAA系统的一部分（Sato等人，2013年）。主要目的是通过研究以下方面来评估不同PGAA系统配置的性能：
PGAA准直器中使用的不同过滤材料对应的光子通量谱。
不同准直器孔径对沿z轴的光子通量分布的影响，特别关注位于95厘米处的蓝宝石（Al2O3）过滤材料处的相互作用。
整个PGAA系统中的有效剂量分布。
系统中的中子和光子差分谱。
样品和HPGe探测器之间的光子谱比较
通过分析多种PGAA几何配置下的光谱分布，本研究旨在确定一种优化方案，以增强有用信号的强度、抑制背景光子和其他不希望出现的成分，并提高整体信噪比。
材料与方法
PGAA系统使用蒙特卡洛PHITS（粒子与重离子传输代码系统）的3.34版本在三维空间中进行了建模（图2）（Niita等人，2006年）。模拟的几何结构包括沿纵向z轴排列的几个关键组件。中子源根据几个关键参数进行定义，以确保对入射束流的真实模拟。源位置设定在坐标z = -1.1厘米，入口半径为8厘米。
结果
通过使用总共107个粒子历史数据进行蒙特卡洛模拟，评估了集成到PGAA系统准直器中的不同过滤材料对应的光子通量谱（图3）。分析的材料包括铝（Al）、蓝宝石（Al2O3）过滤材料、碳化硼（B4C）、铋、钨和石墨。本研究的目的是评估每种过滤材料对透射伽马射线谱的影响，并确定哪种材料提供了最佳性能。
结论
总之，本研究利用蒙特卡洛代码PHITS全面评估了PGAA系统的性能，考虑了准直器孔径、过滤材料等关键参数。建模结果表明，蓝宝石（Al2O3）过滤材料是最平衡的选择，它在有效衰减光子的同时降低了信噪比（SNR），使其成为配置PGAA准直器的理想选择，确保系统的性能。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我衷心感谢我的导师以及CNESTEN的专家们给予我机会准备关于PGAA系统的论文。这个项目得益于CNESTEN与IAEA的合作得以实现。
