全景γ參考輻射場中散射輻射的蒙特卡羅模擬

高 飛，肖雪夫，倪 寧，張 力

(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

用于輻射監(jiān)測儀器校準(zhǔn)檢定的光子參考輻射及校準(zhǔn)方法通常有兩種，為準(zhǔn)直束法和全景法。準(zhǔn)直束法是指輻射場經(jīng)過準(zhǔn)直限束后沿一個有限的范圍和方向出射，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，參考輻射準(zhǔn)直束應(yīng)具有良好的輻射場特性，在輻射野內(nèi)輻射場均勻，散射貢獻小；全景法是將放射源暴露在曠野或很大的房間內(nèi)(最小尺寸為3 m×3 m×4 m)，輻射源周圍沒有任何屏蔽，將放射源置于某一高度(通常為1 m以上)，在一定的距離上校準(zhǔn)儀表。全景法的優(yōu)點是輻射場均勻性較好而且能同時校準(zhǔn)多臺儀表。缺點是被校儀表除了會受到來自輻射源的有用輻射(初級輻射)以外，還會受到周圍物質(zhì)(如地面、墻壁和支架等)散射輻射。因此，用全景法檢定儀表時，要求輻射場周圍必須有一定的空間，并對散射輻射進行修正。全景法在我國20世紀(jì)80年代廣泛用于環(huán)境γ劑量儀表的校準(zhǔn)[1-2]，并在1983年至1990年間的全國環(huán)境天然放射性水平調(diào)查中得到廣泛應(yīng)用，但之后并沒有系統(tǒng)的建立校準(zhǔn)用途的環(huán)境水平參考輻射場[3]。全景γ參考輻射場在γ劑量儀表的校準(zhǔn)中具有重要的作用。本研究擬利用蒙特卡羅方法對開放和封閉兩種幾何條件下的γ全景參考輻射場中的劑量率分布情況進行模擬計算，并對輻射場中散射輻射情況進行研究。將封閉幾何條件下的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)比較后建立并完善計算全景γ參考輻射場中散射輻射的蒙特卡羅方法。

1 模擬計算

蒙特卡羅方法通過對粒子與物質(zhì)相互作用過程的隨機模擬，跟蹤每一個粒子的輸運過程，來獲得物理量。此方法的精確度很高，尤其對放射性劑量的計算，被公認(rèn)為是當(dāng)前所有劑量計算方法中最精確的一種。

MCNP(Monte Carlo N-Particle transport code)軟件是由美國Los Alamos國家實驗室研制的一個大型的、多功能的粒子輸運程序[4]。MCNP簡單易操作，本工作采用MCNP程序?qū)Ζ萌皡⒖驾椛鋱龅膭┝糠植己蜕⑸淝闆r進行模擬計算。

1.1 開放空間γ全景參考輻射場

開放空間γ全景輻射場結(jié)構(gòu)簡單易于搭建，通常將刻度源和儀表置于地勢平坦的戶外，待檢儀表和放射源處在同一高度上，距離地面高于1.5 m，通過調(diào)整待檢儀表到放射源之間的距離來獲得不同的劑量率。隨著距離的增加，輻射場的散射貢獻將會變大，成分也將更加復(fù)雜，散射來源如圖1所示[5]。

圖1 開放空間γ全景參考輻射場示意圖Fig.1 Open geometries free-field gamma reference radiation field

輻射場主要由直射光子、空氣散射、地面散射和本底等構(gòu)成[5]。利用MCNP蒙特卡羅程序計算了137Cs和60Co刻度源產(chǎn)生的開放空間γ全景參考輻射場中不同距離上的散射分布，并對計算結(jié)果進行了分析比較。

在MCNP計算模型中，土壤由O(53.5%)、Si (34.3%)、Al(3.8%)、Fe(1.8%)、K(1.7%)，Ca(1.6%)和Mg(1.4%)等元素構(gòu)成，密度為1.37 g/cm3?？諝鈩t由N(75.7%)、O(24.3%)兩種元素構(gòu)成，密度為1.29 mg/cm3。放射源為137Cs(能量0.661 6 MeV)和60Co(能量分別為1.173 3 MeV和1.332 5 MeV)，距離地面1.5 m。表1和表2分別列出了137Cs和60Co全景輻射場中，距離放射源0.5 m～50 m范圍內(nèi)，散射空氣比釋動能率占總空氣比釋動能率的百分比。

利用MCNP程序中F4命令計算參考點處的光子注量率Φ，利用DE/DF命令將計算得到的光子注量率乘以Ka/Φ換算因子換算為空氣比釋動能率。Ka/Φ為光子注量率-空氣比釋動能率換算因子，表示輻射場中某一能量光子的注量率產(chǎn)生的劑量率[6]，單位為pGy·cm2。為了滿足統(tǒng)計需要，球形計數(shù)柵元的半徑從5 cm(距離源為0.5 m)增加到40 cm(距離源為50 m)，并通過設(shè)置不同重要性來計算輻射場中地面的散射貢獻。在模擬計算過程中將地面介質(zhì)的重要性設(shè)置為零，所有經(jīng)地面散射并進入計數(shù)柵元的光子將被“殺死”，則剩余的散射貢獻全部由空氣造成，由此區(qū)分輻射場中地面和空氣的散射劑量率。另外，MCNP程序能夠計算直射光子的空氣比釋動能率，從而可以得到參考輻射場中的總散貢獻。

表1 137Cs全景輻射場中散射輻射劑量率占直射輻射劑量率的百分比Table 1 Scattered dose in 137Cs free-field gamma reference radiation field

表2 60Co全景輻射場中散射輻射劑量率占直射輻射劑量率的百分比Table 2 Scattered dose in 60Co free-field gamma reference radiation field

表1和表2計算結(jié)果表明，在放射源距離地面高1.5 m的情況下，地面散射貢獻在距離放射源10 m～15 m范圍內(nèi)最大，空氣散射貢獻則隨著距離的增加而增大。比較可知，在相同距離上，60Co輻射場中總散射比137Cs輻射場中總散射小，散射貢獻隨光子能量的升高而減小。計算過程中輸運粒子數(shù)為109，用時0.5 h～1 h，計算結(jié)果的不確定度≤2%。

1.2 封閉空間γ全景參考輻射場

開放空間γ全景參考輻射場的搭建會受到溫度、濕度、氣候和場所等諸多因素的限制。相比較而言，在實驗室中搭建全景參考輻射場更為方便。用于搭建封閉空間γ全景參考輻射場的實驗室內(nèi)部尺寸不小于4 m×4 m×3 m(高)[7]，封閉空間γ全景參考輻射場示意圖示于圖2，輻射場主要由直射光子、空氣散射、地面散射和本底等構(gòu)成。

圖2 封閉空間γ全景參考輻射場Fig.2 Closed geometries free-field gamma reference radiation field

由圖2可知，封閉空間γ全景參考輻射場中散射情況更為復(fù)雜，除了地面、空氣和本底輻射以外，還有墻壁、屋頂和其他設(shè)備的散射。為研究其散射輻射分布情況，在國防科技工業(yè)電離輻射一級計量站的低能X照射量標(biāo)準(zhǔn)實驗室中搭建了臨時的γ全景參考輻射場，并進行模擬研究。利用MCNP程序計算了距離放射源1、1.25、1.5、1.75、2、2.25、2.5、2.75和3 m處的劑量率，并對輻射場中的散射成分進行模擬研究。MCNP計算程序的柵元標(biāo)記(CF)命令能夠區(qū)分來自不同物體的散射光子，從而能夠確定輻射場中不同物體對參考點處總劑量率的散射貢獻。

MCNP計算模型包括：實驗室墻壁、刻度車、X光機和儲物柜等重要散射物體，模型尺寸和實際物體尺寸一致，計算過程中放射源距離地面1.5 m高，位于房間中央，實驗室的尺寸為5.6 m(寬)×6 m(高)×11 m(長)，墻壁材料為水泥，厚度為30 cm?？潭溶囉糜诔休d探測器，能夠在軌道上自由移動，以調(diào)節(jié)探測器到放射源的距離。另外，小車上有高度可調(diào)的鋁制平臺，以確保探測器與放射源保持在同一高度，輻射場中散射分布的計算結(jié)果示于圖3。

圖3 137Cs封閉空間全景輻射場中散射分布模擬Fig.3 Scattered dose in 137Cs closed free-field gamma reference radiation field

由圖3可知，隨探測器與放射源距離由1 m增加到3 m，總散射占總空氣比釋動能率由3.3%增加到18%。在探測器與放射源間距約1.3 m處，散射超過5%。散射主要來源于墻壁、空氣、小車和儲物柜等物體。而其中墻壁的散射最大，約占總散射的65%，并且隨著距離的增加而增加，由60.6%(距離源為1 m)增加到67.7%(距離源為3 m)，地面散射由1%增加到5.5%，其他散射物體(儲物柜和X光機等)的散射并不明顯，可以忽略。在距離放射源3 m處，封閉空間137Cs γ射線全景參考輻射場中的散射貢獻比開放空間的散射貢獻高出約10%。

圖4 137Cs封閉空間全景輻射場中劑量分布的模擬Fig.4 Dose distribution in 137Cs closed free-field gamma reference radiation field

137Cs(活度為1.66×108Bq)劑量率分布的MCNP蒙特卡羅模擬結(jié)果示于圖4。由圖4可知，隨著距離的增加，劑量率由14 μGy/h(距離源1 m處)下降到1.8 μGy/h(距離源3 m處)。

2 結(jié)果

采用PTWUNIDOS主機和PTW32003球形電離室測量距離放射源1、1.5、2、2.5 m處的劑量率，并將測量結(jié)果與計算結(jié)果進行比較，結(jié)果示于圖5。此電離室靈敏體積較大，測量效率高，統(tǒng)計漲落較小，測量結(jié)果合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度(k=2)為3.9%。

圖5 實驗測量與模擬計算對比Fig.5 Comparison of experimentation and calculation

由圖5可知，137Cs(活度為1.66×108Bq)封閉全景參考輻射場中劑量分布情況模擬結(jié)果和實驗結(jié)果符合較好，最大相對誤差出現(xiàn)在距離放射源1 m處(為-4.4%)，最小誤差為-1.8%(距離為2.5 m)。分析發(fā)現(xiàn)，在不同的距離上實驗測量數(shù)據(jù)高于MCNP模擬計算結(jié)果，因為實驗測量結(jié)果未扣除環(huán)境本底劑量率0.12 μGy/h。另外，為了縮短計算時間，計算模型做了適當(dāng)簡化，可能對散射成分估計不足，從而造成計算結(jié)果偏小。

3 結(jié)論

利用蒙特卡羅方法對封閉和開放幾何條件下的全景γ參考輻射場特性進行了研究，模擬計算了輻射場中空氣比釋動能率的分布和散射情況，建立了研究全景輻射場性質(zhì)的蒙特卡羅模型和研究方法。通過對刻度室中輻射場性質(zhì)的研究，為日后相關(guān)參考輻射場的設(shè)計與建造提供優(yōu)化設(shè)計意見。為刻度室輻射場性能的提高提供理論數(shù)據(jù)。

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