Ⅲ類60Co源防護(hù)布料的蒙特卡羅方法模擬

福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站 朱佳山

在核技術(shù)應(yīng)用中，經(jīng)常需要用到防護(hù)服以減小輻射對(duì)人體的影響。研究布料對(duì)射線阻止本領(lǐng)與布料的成分、密度之間的關(guān)系是研制防護(hù)服的基礎(chǔ)。理論上可以分析不同成分和密度的布料對(duì)一定能量射線的阻止本領(lǐng)，通過(guò)改變布料成分及密度來(lái)調(diào)整布料對(duì)射線的阻止能力，從而達(dá)到輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及特定需求。蒙特卡羅方法可以模擬單個(gè)粒子的輸運(yùn)過(guò)程，因此可以用它模擬不同性質(zhì)的布料對(duì)射線的阻止能力，研究射線的透過(guò)率情況[1-3]，并將透過(guò)的不同能量的射線轉(zhuǎn)化為劑量當(dāng)量率，對(duì)照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可以設(shè)計(jì)出符合要求的防護(hù)布料。本文使用 MCNP4C程序?qū)Ψ雷o(hù)服布料的成分及厚度進(jìn)行模擬研究。

1 蒙特卡羅方法及MCNP程序

1.1 蒙特卡羅方法簡(jiǎn)介[4]

蒙特卡羅方法是一種隨機(jī)抽樣過(guò)程。利用已知的光子反應(yīng)截面數(shù)據(jù), 模擬各種微觀物理過(guò)程, 通過(guò)概率抽樣對(duì)源粒子的行為進(jìn)行跟蹤，決定每次碰撞后次級(jí)粒子的運(yùn)動(dòng)方向和速度。根據(jù)需要對(duì)相應(yīng)的物理量進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 逐次跟蹤下去, 就可以得到所需的結(jié)果。該方法相當(dāng)于一種計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)。由于射線與物體作用是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，所得到的宏觀物理量又是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值, 對(duì)復(fù)雜條件下輻射場(chǎng)的計(jì)算, 射線衰減與散射過(guò)程及空間物質(zhì)的幾何分布有關(guān), 做準(zhǔn)確的解析困難很大。在這種情況下, 蒙特卡羅方法是很有效的求解方法。

1.2 MCNP程序簡(jiǎn)介

MCNP是一個(gè)大型多功能的蒙特卡羅計(jì)算程序, 可處理復(fù)雜場(chǎng)所三維幾何結(jié)構(gòu)的中子—光子—電子耦合輸運(yùn)問(wèn)題。MCNP具有較強(qiáng)的通用性, 在源描述、空間物質(zhì)的幾何分布上具有很大的靈活性,可處理任意三維幾何結(jié)構(gòu)問(wèn)題, 適用面寬, 現(xiàn)已用于射線無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)、輻射屏蔽、核儀器設(shè)計(jì)和保健物理等許多問(wèn)題上。它可以很好地用于跟蹤計(jì)算、確定輻射劑量、物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M、輻射屏蔽防護(hù)上。對(duì)光子的輸運(yùn)問(wèn)題，MCNP詳細(xì)處理了各種微觀物理過(guò)程。

MCNP程序通過(guò)一個(gè)輸入文件INP和有關(guān)元素的截面數(shù)據(jù)文件對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算。輸入文件包括描述問(wèn)題所必需的全部信息, 由包含不同輸入信息的數(shù)據(jù)卡片組成, 卡片具有指定的格式。在每一卡片中填寫(xiě)量化的數(shù)據(jù)信息。輸入卡片按類主要分為柵元卡、曲面卡、數(shù)據(jù)卡三個(gè)部分。柵元卡和曲面卡描述物體分布的空間幾何信息, 每一個(gè)幾何體通過(guò)柵元由描述幾何體各表面的曲面按一定關(guān)系構(gòu)成, 空間幾何越復(fù)雜, 需要的曲面卡和柵元卡就越多。數(shù)據(jù)卡包括問(wèn)題（光子、中子、電子） 類型、柵元物理參數(shù)、曲面物理參數(shù)、源描述、材料描述、結(jié)果計(jì)數(shù)描述、問(wèn)題截?cái)鄺l件等。另外還有一些專門的數(shù)據(jù)卡片提供降低方差、減少計(jì)算所需時(shí)間的技巧方法。

2 模擬內(nèi)容及模擬方法

2.1 模擬不同密度的布料與源距離不同時(shí)的透過(guò)率情況[5]

依據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M布料密度分別為2.5g/cm3，3g/cm3，3.5 g/cm3，4 g/cm3，4.5g/cm3，布料成分（原子數(shù)百分比）統(tǒng)一為Pb 8%、C 42% 、H 4% 、O 46%，布料厚度0.4cm 。射線能量為60Co平均能量 1.25MeV。模擬源離布料的距離分別為0.01cm、2cm、5cm、8cm、15cm、25cm、35cm、45cm、55cm、65cm、75cm 時(shí)不同密度布料的透過(guò)率。結(jié)果如圖1。

圖1 鉛含量為8%的不同密度屏蔽材料對(duì)射線的透過(guò)率

從圖1可以看出，屏蔽材料密度越大相應(yīng)透過(guò)率越小，減小量與密度增加量近似呈線性遞減。

2.2 模擬布料不同含鉛量的透過(guò)率情況

實(shí)際情況中，布料密度為3.5～4 g/cm3在可接受范圍內(nèi)，下面模擬布料密度為3.5 g/cm3、4 g/cm3，含鉛量分別為8%、10%、12%、14%、16%、20%（布料中 C、H、O之間比例不變）。布料與源距離分別為2 cm，15 cm，25 cm，35cm。模擬結(jié)果如圖2、圖3。

圖2 與源距離分別為15cm、25cm、35cm時(shí)不同含鉛量材料的透過(guò)率（材料密度3.5 g/cm3）

圖3 與源距離分別為15cm、25cm、35cm時(shí)不同含鉛量材料的透過(guò)率（材料密度4g/cm3）

從圖中可看出，在鉛含量（原子數(shù)百分?jǐn)?shù)）為12%時(shí)，透過(guò)率分別有最小值。

2.3 以鉛含量為12%為基準(zhǔn)屏蔽材料模擬針對(duì)Ⅲ類60Co源屏蔽材料的劑量當(dāng)量

2.3.1 Ⅲ類60Co源[1]

輻射防護(hù)學(xué)中Ⅲ類放射源為危險(xiǎn)源，沒(méi)有防護(hù)情況下，接觸這類源幾小時(shí)就可對(duì)人造成永久性損傷，接觸幾天至幾周可致人死亡，查表可知Ⅲ類60Co源放射性活度為3E10～3E11Bq。

2.3.2 劑量當(dāng)量

劑量當(dāng)量是用適當(dāng)?shù)男拚驍?shù)對(duì)吸收劑量進(jìn)行加權(quán)，使得修正后的吸收劑量能更好地和輻射所引起的有害效應(yīng)聯(lián)系起來(lái)，公式表示如下：

式中，H——?jiǎng)┝慨?dāng)量，西弗（Sv）。1西弗=1焦耳/千克。并用單位雷姆，1西弗=100雷姆。D——吸收劑量（戈）；N——所有其他修正因素的乘積；Q——品質(zhì)因數(shù)。

2.3.3 最大容許劑量當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)

輻射效應(yīng)與受照部位有關(guān)，受照部位不同，產(chǎn)生的效應(yīng)也不同。例如，以6西弗照射全身可引起致死。而同樣的劑量照射手或足，甚至不會(huì)發(fā)生明顯的臨床癥狀。在相同劑量和劑量率照射條件下，不同部位的輻射敏感性的高低依次排列為：腹部、盆腔、頭部、胸部、四肢。因此要特別注意腹部的防護(hù)。

表1為我國(guó)放射防護(hù)規(guī)定（GBj 8—74）給出的各照射部位的年最大容許劑量當(dāng)量。

表1 我國(guó)電離輻射的劑量標(biāo)準(zhǔn)[2]

取職業(yè)放射性工作人員劑量限值，每年工作2000小時(shí)，其相應(yīng)器官劑量率為 0.0025rem/hr，0.015rem/hr，0.0375 rem/hr，0.0075 rem/hr。以此值為依據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)防護(hù)服材料。

2.3.4 劑量當(dāng)量的蒙特卡羅模擬[6，7]

模擬布料密度為4g/cm3、鉛含量為12%為基準(zhǔn)，布料與源距離 35cm時(shí)每個(gè)粒子對(duì)劑量當(dāng)量率的貢獻(xiàn)，布料厚度分別為0.4cm、0.5cm、0.6cm、0.7cm、0.8cm、0.9cm、1.0cm、1.1cm。結(jié)果如表2和圖4所示。模擬中，厚度為0.8，0.9，1.0，1.1時(shí)的誤差較大，由于此問(wèn)題應(yīng)用不到如此大厚度，并且此圖能反映降低的趨勢(shì)。

表2 不同厚度下每個(gè)粒子對(duì)劑量當(dāng)量率的貢獻(xiàn)

圖4 不同厚度下每個(gè)粒子對(duì)計(jì)數(shù)的貢獻(xiàn)

下面就 0.4～0.6cm 厚度布料細(xì)化模擬得到更精確的數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3。

表3 不同厚度下每個(gè)粒子對(duì)劑量當(dāng)量率的貢獻(xiàn)

3 根據(jù)模擬結(jié)果而做的防護(hù)服設(shè)計(jì)

對(duì)于活度為5*E10Bq 的Ⅲ類60Co源，對(duì)照上表計(jì)算可知，防護(hù)各類器官所需布料厚度分別為，第一類器官：0.6cm；第二類器官：0.44cm；第三類器官：0.4cm；第四類器官：0.5cm。故可以根據(jù)所得的對(duì)不同器官的相應(yīng)厚度，設(shè)計(jì)出對(duì)Ⅲ類60Co源防護(hù)服。

對(duì)應(yīng)于不同活度的各種放射源都可以通過(guò)此方法模擬出較符合要求的防護(hù)服。

[1]從慧玲.實(shí)用輻射安全手冊(cè)[M].北京：原子能出版社，2007.

[2]李星洪等.輻射防護(hù)基礎(chǔ)[M].北京：原子能出版社，1981.

[3]J.F.Briesmeistern.Mcnptm-A general monte carlo n-particle transport code version 4c.April 10,2000

[4]許淑艷.蒙特卡羅法在實(shí)驗(yàn)核物理中的應(yīng)用[M].北京：原子能出版社，2006.

[5]王娟，楊波，劉義保.γ射線透過(guò)率的蒙特卡洛模擬[J].輻射防護(hù)通訊，2008，28（6）：23-25.

[6]楊波，劉義保,顧金虎,等.蒙特卡羅方法對(duì)TH-PPL CT屏蔽鉛罐輻射防護(hù)的模擬分析[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)∶自然科學(xué)版，2009，32（1）：72-77.

[7]劉立坡，劉義保，王娟.積累因子影響因素的蒙特卡羅模擬[J].輻射防護(hù)，2008（2）： 108-111.