Monte Carlo Simulationen in der Gammaspektrometrie unter Verwendung des Programms PECS

Abstract

Gammadetektoren ermöglichen die zerstörungsfreie Analyse von radioaktiven Materialien. Oftmals ist die Bestimmung der Aktivität verschiedener Isotope von hauptsächlichem Interesse. Zu diesem Zweck muss die Ausbeute für Photopeaks berechnet werden, welche dem Verhältnis der Anzahl von detektierten Teilchen zu der Anzahl der emittierten Teilchen der Quelle mit gleicher Energie entspricht. Es nicht möglich, durch einen analytischen Ausdruck die Ausbeute für Photopeaks für eine beliebige Geometrie oder Materialzusammensetzung zu bestimmen. Experimentell wird diese durch die Erzeugung von Kalibrier- oder Eichquellen mit bekannter Aktivität ermöglicht. Dennoch ist dies für viele Probleme oftmals nur sehr kostenaufwändig oder schwer durchführbar. Daher entwickelten sich andere Lösungsmöglichkeiten, zum Beispiel unter der Verwendung der sogenannten Monte Carlo Simulationen wie MCNP. Seit der Version 4 ist es möglich sogenannte Pulse Height Tallys in dem aktiven Volumen des modellierten Detektors zu kalkulieren.<br />Ein Ziel dieser Arbeit war die Konstruktion einer simplen graphischen Benutzeroberfläche (GUI), um die Struktur der Problemstellung aus der Gammaspektrometrie zu vereinfachen. Es gibt hierbei verschiedene Lösungswege wie ISOCS, welche die Resultate vieler vorkalkulierter MCNP Simulationen verwenden und daraus Fit Funktionen erstellen. Eine andere Möglichkeit stellt die Übersetzung der Parametereingaben in MCNP Input Files und anschließender Auswertung der Resultate dar. Dieses Schema wird von PECS (Photopeak Efficiency Calibration Software) verwendet, welches für diese Problemstellung entwickelt wurde. PECS ermöglicht die Berechnung einer beliebigen Anzahl an Energien. Es beinhaltet die komplette physikalische Wechselwirkung zwischen Photonen und Materie. Da für jede Energie eine einzelne Simulation durchgeführt wird, ist es nicht möglich Kaskadensummationen zu berücksichtigen.<br />Die Charakterisierung eines Detektors stellt die Anpassung einer Simulation an reale Messergebnisse dar. Diese wurde für einen Detektor für verschiedene Energien, Geometrien und Materialien durchgeführt. Es besteht die Möglichkeit, weitere Detektoren zu charakterisieren und für die PECS Simulation bereitzustellen.<br />

Gammadetectors allow the non-destructive analysis of radioactive materials. A focus of interest is often the determination of the activity of different isotopes. For this purpose one has to calculate the so called photopeak or absolute full energy peak efficiency, which corresponds to the fraction between the amount of detected particles and the amount of emitted particles by the source with the same energy. Unfortunately it is not possible to determine the photopeak efficiency for an arbitrary geometry or material composition with the help of an analytical expression. The empirical solution is the production of calibration samples with a well-known activity. Nevertheless the usage of calibration samples is often very expensive and hardly to perform for every problem. Hence other possibilities evolved, for example with the help of so called monte carlo simulations like MCNP. Since version 4 it has been possible to calculate the so called pulse height tally in an active volume of the modeled detector. The aim was to construct a simple GUI (graphical user interface) to simplify the mathematical calculations of efficiencies. There have been different approaches like ISOCS, which uses the results of a lot of different MCNP output files and creates fit functions for different distances. Another option is the direct translation of the parameter structure into MCNP input files and further automatic evaluation of the output files. The latter method is used by the program PECS (Photopeak Efficiency Calibration Software), which has been developed for this purpose. It offers the calculation of an arbitrary amount of certain energy values and contains the whole physical models of interaction of photons with matter. Since there is an own simulation for each energy value, it is not possible to consider cascade summation.<br />The adjustment of a detector to experimental results is called characterization. Therefore one has to use different sources with different energy values to ensure a trustworthy efficiency calibration over a wide range of energies. The characterization has been performed for one detector and has been verified by different geometries and materials. There is also the possibility to construct characterizations for other detectors and use them in the PECS simulations.