60Co單源照射裝置的蒙特卡羅方法優(yōu)化設(shè)計(jì)

高 飛，肖雪夫，侯金兵，王紅玉，宋明哲，倪 寧，張 力

（中國原子能科學(xué)研究院 放射性計(jì)量測(cè)試部，北京 102413）

參考輻射是輻射劑量監(jiān)測(cè)儀器校準(zhǔn)工作必備的條件，60Co單源照射裝置是產(chǎn)生參考輻射場(chǎng)的重要設(shè)備。照射裝置的準(zhǔn)直設(shè)計(jì)是為使其產(chǎn)生的參考輻射場(chǎng)具有更良好的輻射特性，但散射貢獻(xiàn)無法避免。輻射場(chǎng)中散射輻射的主要來源有準(zhǔn)直器、源屏蔽容器、地面、墻壁以及刻度車等，只能通過優(yōu)化設(shè)計(jì)將其控制在合理的范圍內(nèi)。由于設(shè)計(jì)思想和實(shí)驗(yàn)方法不同，散射輻射的影響也不相同。如何降低參考輻射場(chǎng)中的散射光子的輻射貢獻(xiàn)始終是一項(xiàng)非常重要的課題[1－4]。本研究以某核電站新研制的一套新型單源照射裝置為例，采用蒙特卡羅模擬方法對(duì)60Co單源照射裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 原理

60Co射線參考輻射場(chǎng)主要用于校準(zhǔn)電離輻射劑量儀和劑量率儀并確定其能量響應(yīng)，通常為準(zhǔn)直設(shè)計(jì)。準(zhǔn)直照射裝置的安全容器由足夠厚的鉛制成，將透過容器輻射的注量減小到有用射線束的0.1%，并在源關(guān)閉時(shí)，將其表面空氣比釋動(dòng)能率限制到可接受水平（通常為2.5μGy／h）。圖1為準(zhǔn)直照射裝置原理圖。

圖1 準(zhǔn)直照射裝置原理圖Fig.1 Principle figure of radiation facility

2 蒙特卡羅模擬計(jì)算模型

單源照射裝置由散射腔、鉛屏蔽體、快門、內(nèi)光闌、放射源、前光闌和底座等部分構(gòu)成。利用MCNP對(duì)γ單源裝置進(jìn)行建模，通過模擬和研究裝置產(chǎn)生的參考輻射的均勻性和散射輻射，實(shí)現(xiàn)其優(yōu)化設(shè)計(jì)。應(yīng)用MCNP模擬計(jì)算輻射場(chǎng)中散射光子問題時(shí)，用到的命令卡包括標(biāo)題卡、柵元卡、曲面卡、數(shù)據(jù)卡，其中數(shù)據(jù)卡包括模擬類型卡、柵元參數(shù)及曲面參數(shù)卡、源卡、計(jì)數(shù)卡等。計(jì)算模型主要包括輻照裝置、水泥臺(tái)、墻壁、地面、刻度車、絲杠及支架等，其中照射裝置包括鉛容器、散射腔、內(nèi)光闌、快門光闌、外光闌等。為簡化計(jì)算，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，對(duì)上述幾何結(jié)構(gòu)均進(jìn)行適當(dāng)?shù)母呕幚?。圖2為MCNP繪制的概化后的單源照射裝置的計(jì)算模型。

照射裝置采用了3組共9片光闌，均由鎢合金（89%的 W、7%的 Ni、4%的Cu）制成，密度為17g／cm3，厚度為1.5cm。實(shí)驗(yàn)室中水泥墻壁的密度為 2.35g／cm3，由 52.9% 的 O、33.7%的Si、1.3%的Fe和12.1%的其他元素組成。空氣密度為1.293mg／cm3，由23.2%的O、76%的N以及C和0.8%的Ar等組成。計(jì)算模型如圖3所示，包括照射裝置、墻壁、地面、天花板、空氣、水泥臺(tái)和刻度車等。單源照射裝置坐落在1.2m高的水泥臺(tái)上，刻度車由車體和轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成，用于架設(shè)實(shí)驗(yàn)儀器。通過遠(yuǎn)程控制刻度車可調(diào)節(jié)儀器到放射源的距離，升降臺(tái)具有升降功能，通過激光定位系統(tǒng)確保實(shí)驗(yàn)儀器位于輻射場(chǎng)軸心位置。放射源支架材料為鋁合金，鋁合金由93.5%的 Al、0.5%的Si和6%的其他元素如Fe和Cu等組成，密度為2.78g／cm3。60Co源的活性區(qū)為φ3mm×6mm的圓柱，材料為 Co，密度為8.9g／cm3，放射源活性區(qū)外部包有不銹鋼包殼，放射源為φ6mm×11mm的圓柱體，如圖4所示。

圖2 MCNP繪制的γ單源照射裝置Fig.2 Radiation facility model built by MCNP

圖3 MCNP繪制的輻射場(chǎng)計(jì)算模型Fig.3 Reference radiation field model built by MCNP

圖4 MCNP繪制的放射源模型Fig.4 Radiation source model built by MCNP

3 散射腔設(shè)計(jì)

散射腔用于降低照射裝置自身的散射輻射，散射腔越大作用越明顯，但裝置也越重。利用MCNP計(jì)算不同尺寸的圓柱形和球形散射腔對(duì)輻射場(chǎng)中散射輻射的影響，模擬計(jì)算的散射腔結(jié)構(gòu)如圖5所示。計(jì)算模型中參考點(diǎn)到放射源的距離為1m，計(jì)算結(jié)果列于表1、2。

由表1可知，散射腔的直徑對(duì)散射輻射影響較小，散射腔的高度對(duì)散射輻射的影響較大，即散射腔的高度越高，由照射裝置屏蔽主體帶來的散射輻射就越小。由表2可知，隨著球形散射腔半徑的增大，裝置屏蔽主體的散射貢獻(xiàn)減小。在相同尺寸條件下，球形散射腔（φ10cm）的散射貢獻(xiàn)比圓柱形散射腔（φ10cm×10cm）的散射貢獻(xiàn)大151%。因此，根據(jù)模擬結(jié)果將圓柱形散射腔設(shè)計(jì)為φ4cm×18cm，可使照射裝置屏蔽主體帶來的散射輻射的空氣比釋動(dòng)能率最低，為總空氣比釋動(dòng)能率的0.015%。

圖5 MCNP繪制的具有不同散射腔的照射裝置模型Fig.5 Radiation facility model with different scattered chambers built by MCNP

表1 不同尺寸圓柱形散射腔的散射輻射Table 1 Scattered dose caused by different sizes of cylindrical scattered chamber

4 準(zhǔn)直光闌設(shè)計(jì)

準(zhǔn)直照射裝置使用準(zhǔn)直器限制光束的形狀和大小，照射裝置采用3組共9片光闌，張角為14°，均由鎢合金制成，密度為17g／cm3，每片光闌厚1.5cm。光闌間由20mm的空隙隔開，空隙作為前一光闌邊緣散射光子的捕集器。最后1片光闌厚3mm，其孔徑略大于該點(diǎn)的射線束截面。為確保輻射場(chǎng)中散射輻射的空氣比釋動(dòng)能率不超過總空氣比釋動(dòng)能率的5%，利用MCNP對(duì)輻射場(chǎng)中散射輻射的分布情況進(jìn)行研究，模擬計(jì)算實(shí)驗(yàn)室內(nèi)刻度車、準(zhǔn)直器、鉛容器、地面和墻壁等的散射貢獻(xiàn)，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

表2 不同尺寸球形散射腔的散射輻射Table 2 Scattered dose caused by different sizes of spherical scattered chamber

圖6 60 Co輻射場(chǎng)中的散射劑量Fig.6 Scattered dose in 60 Co reference radiation field

由圖6可看出，在60Co輻射場(chǎng)中，鉛容器和地面的散射貢獻(xiàn)均很小。由于鉛容器中散射腔的吸收作用使散射光子進(jìn)入計(jì)數(shù)柵元的量很小，因此，在整個(gè)輻射場(chǎng)中鉛容器的散射作用很微弱，不足總劑量的0.1%。另外，由于放射源距地面較高，因此，在距放射源6.5m處，準(zhǔn)直束并未接觸地面，所以在距離6.5m范圍內(nèi)地面的散射貢獻(xiàn)也十分微弱，不足總劑量的0.1%。小車的散射貢獻(xiàn)隨距離的增大而增加，由最初不足總劑量的0.1%上升到0.5%，這是由于隨著距離的增大，光子直射小車體并散射造成的。墻壁的散射貢獻(xiàn)也有類似的變化趨勢(shì)，隨著參考點(diǎn)與放射源的距離增大，其與輻射場(chǎng)后墻壁的距離減小，因此，后墻壁的散射貢獻(xiàn)才逐漸顯現(xiàn)出來。準(zhǔn)直光闌的散射貢獻(xiàn)最大，且變化趨勢(shì)也相反，從最初的3.3%下降到2.6%?？偟纳⑸鋭┝肯冉档秃笥蛛S著距離的增大而上升，相對(duì)變化量在3%～4%之間，總體來講，單源照射裝置產(chǎn)生的參考輻射中散射輻射不大于總劑量的5%，滿足GB／T 12162.1—2000[5]的要求。

為了解準(zhǔn)直光闌對(duì)輻射場(chǎng)均勻性的影響，利用MCNP模擬參考輻射場(chǎng)的橫向均勻性，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，由于準(zhǔn)直光闌對(duì)輻射場(chǎng)的塑型作用，距離輻射源1m處，±12cm范圍內(nèi)的均勻性好于2%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用PTW Unidos劑量計(jì)配32005球形電離室對(duì)所研制的單源照射裝置產(chǎn)生的輻射場(chǎng)空氣比釋動(dòng)能率分布和均勻性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

圖7 距離放射源1m處輻射場(chǎng)均勻性模擬結(jié)果Fig.7 Uniformity result of reference radiation field at distance of 1mwith source

表3列出了輻射場(chǎng)中空氣比釋動(dòng)能率的測(cè)量結(jié)果，并對(duì)空氣衰減進(jìn)行修正。GB／T 12162.1—2000[5]中規(guī)定經(jīng)空氣減弱修正后，空氣比釋動(dòng)能率應(yīng)在±5%內(nèi)與放射源中心到探測(cè)器中心距離平方的倒數(shù)成正比。計(jì)算距放射源2、3和4m處空氣比釋動(dòng)能率修正后的測(cè)量結(jié)果與理論結(jié)果的相對(duì)偏差，結(jié)果列于表4。

表3 輻射場(chǎng)中不同距離的空氣比釋動(dòng)能率Table 3 Air kerma rate distribution in reference radiation field

表4 輻射場(chǎng)中散射輻射分布情況Table 4 Scattered radiaiton in 60Co reference radiation field

由表4可知，輻射場(chǎng)中空氣比釋動(dòng)能率實(shí)測(cè)值修正后的結(jié)果在±2%內(nèi)與放射源中心到探測(cè)器中心距離平方的倒數(shù)成正比，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖8為距放射源1.16m處輻射場(chǎng)均勻性的測(cè)量結(jié)果。以輻射場(chǎng)軸線為中心，±120mm范圍內(nèi)的空氣比釋動(dòng)能率相對(duì)于軸線中心位置空氣比釋動(dòng)能率的相對(duì)偏差為4.4%，滿足±5%的設(shè)計(jì)要求。

圖8 距放射源1.16m處的均勻性Fig.8 Uniformity result of reference radiation field at distance of 1.16mwith source

6 不確定度分析

模擬計(jì)算8×109個(gè)粒子，MCNP計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)不確定度為0.5%；在計(jì)算過程中，無論是計(jì)算輻射場(chǎng)的均勻性，還是計(jì)算輻射劑量的縱向分布，計(jì)數(shù)柵元均非理想的點(diǎn)探測(cè)器而是具有一定體積，因此，利用柵元計(jì)數(shù)只能反映參考點(diǎn)位置柵元體積內(nèi)的平均劑量，為研究柵元體積對(duì)計(jì)算結(jié)果造成的不確定度，模擬計(jì)算了輻射場(chǎng)中同一位置不同體積柵元的平均劑量，最大相差0.6%，因此判斷由計(jì)數(shù)柵元的體積引入的不確定度為0.1%；60Co源活性區(qū)域物質(zhì)的密度并不能精確得知，模擬計(jì)算了不同密度（8.0～9.8g／cm3）的60Co放射源在輻射場(chǎng)中同一位置產(chǎn)生的空氣比釋動(dòng)能率，最大相差0.1%，因此判斷由放射源密度引入的不確定度為0.1%；本文采用ICRU 57號(hào)報(bào)告發(fā)布的注量－空氣比釋動(dòng)能轉(zhuǎn)換因子，它對(duì)計(jì)算結(jié)果帶來的不確定度為0.1%[6]；在康普頓和電子對(duì)能區(qū)內(nèi)光子截面和物理模型引入的不確定度可達(dá)1%[7]。最終得出MCNP計(jì)算結(jié)果的合成不確

定度為1.3%。

7 結(jié)論

利用蒙特卡羅方法對(duì)單源照射裝置產(chǎn)生的參考輻射場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較表明，輻射場(chǎng)中的散射輻射和均勻性均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，為單源照射裝置的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，可避免因設(shè)計(jì)失誤而造成的經(jīng)濟(jì)損失。蒙特卡羅方法能為刻度室輻射場(chǎng)性能的研究提供數(shù)據(jù)和手段。

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