大型單板源Co-60輻照裝置的排源方法和實(shí)踐

郭 權(quán) 曾民生 郭仕源 王建春 李 陽(yáng) 楊小平

1（深圳市金鵬源輻照技術(shù)有限公司 深圳 518019）

2（中金輻照成都有限公司 成都 611900）

鈷源輻照裝置中鈷源棒在源架上的排列決定了鈷源室的空間劑量場(chǎng)分布及輻照箱內(nèi)產(chǎn)品的吸收劑量分布和劑量不均勻度，進(jìn)而決定了輻照裝置的加工能力。國(guó)內(nèi)已有一些小型輻照裝置排源方法[1-2]。本文通過(guò)計(jì)算BFT-IV大型輻照裝置源架16個(gè)模件的活度占總活度的最優(yōu)化比例，進(jìn)行排源，利用MCNP_4C軟件計(jì)算因各模件內(nèi)部人工排列不同形成的多個(gè)排源方案的劑量分布，選取最優(yōu)方案裝源。

圖1 輻照裝置示意圖Fig.1 Carrier irradiator schematic

1 BFT-IV輻照裝置簡(jiǎn)介

BFT-IV型輻照裝置為雙層四通道輻照裝置，單板源結(jié)構(gòu)。升源后，源架處于輻照箱的中央位置，各輻照箱相對(duì)于源架對(duì)稱(chēng)（圖1）。

輻照裝置源架高2.46 m，寬2.25 m，豎直方向分為4層，每層放置4個(gè)模件，每個(gè)模件可并列豎直安裝源棒50根，如圖2。源棒由鈷源和雙層不銹鋼包殼組成。源棒長(zhǎng)0.452 m，外半徑1.1 cm。

圖2 源架模件示意圖Fig.2 Source racks module

輻照箱尺寸為120 cm×60 cm×150 cm，日常輻照加工過(guò)程中，在輻照箱內(nèi)選取3個(gè)與源架平行的平面作為劑量監(jiān)測(cè)面。輻照箱兩側(cè)面為0面和2面，輻照箱中間面為1面。圖3為部分源架及其所正對(duì)的上層輻照箱的相對(duì)位置示意圖。

圖3 源架和輻照箱Fig.3 Source racks and tote box

2 模件活度最優(yōu)化比例計(jì)算

源架由16個(gè)模件組成，為便捷地得到最優(yōu)化鈷源排列方案，首先計(jì)算各模件裝源活度占總活度的最佳比例，然后考慮各模件內(nèi)源棒的排列。

2.1 計(jì)算模型

2.1.1 單根線(xiàn)源對(duì)空間某點(diǎn)照射量率的計(jì)算

60Co均勻線(xiàn)狀源對(duì)空間任一點(diǎn)照射量率(X)的計(jì)算見(jiàn)公式(1)。

其中， Γ 為照射量率常數(shù)，對(duì)于60Co，Γ = 2.56×10–18C·m2·kg–1·Bq–1·s–1；A 是鈷源活度(Bq)；L 是源棒長(zhǎng)度(m)；a是所計(jì)算空間點(diǎn)到線(xiàn)源的垂直距離(m)；b是垂足到線(xiàn)源最上點(diǎn)的距離(m)（圖4）。

圖4 單根線(xiàn)源對(duì)空間某點(diǎn)照射量率計(jì)算參數(shù)Fig.4 Parameters for the calculation of single source

2.1.2 兩根線(xiàn)源對(duì)空間某點(diǎn)照射量率的計(jì)算

輻照裝置的源架及輻照箱均具有對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，源在源架的排布相對(duì)與源架中心對(duì)稱(chēng)。建立X-Y坐標(biāo)系，原點(diǎn)在源棒下方0.058 m處，鈷源棒及輻照箱截面均關(guān)于X軸對(duì)稱(chēng)。參考線(xiàn)位于輻照箱靠近源架的面中，與鈷源棒平行且水平距離最短，與源棒軸心水平距離為0.1425 m（圖5）。

圖5 輻照裝置上層的源及輻照面簡(jiǎn)圖Fig.5 Parameters for the calculation of double source

參考線(xiàn)上某一點(diǎn) P(0.1425, y) (y∈[-1.558,-0.058]，y∈[0.058, +1.558])的照射量率計(jì)算公式為：

排源是對(duì)固定總活度的多根源棒進(jìn)行排列，設(shè)定數(shù)學(xué)模型中上下兩根源棒的總活度為定值A(chǔ)=7.4×1014Bq，活度比為 1: k，即 A2/A1=k，則A1=A/(k+1)，A2=kA/(k+1)。由源棒活度比擴(kuò)展到模件活度比，則源架豎直方向上4個(gè)模件的活度比例均為1: k: k: 1。

輻照箱完成整個(gè)輻照過(guò)程，會(huì)進(jìn)行上下?lián)Q層輻照，上層參考點(diǎn) P上(0.1425, y)移到下層時(shí)變?yōu)?P下(0.1425, -1.616+y)。將這兩個(gè)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果相加得到只有上層裝源(A1, A2)輻照箱完成全程輻照，參考點(diǎn)P的照射量率。同樣的方法計(jì)算下層裝源時(shí)參考點(diǎn)P的照射量率，將兩者加和得到上下4層均有源棒時(shí)參考點(diǎn)P的照射量率。

2.2 參考點(diǎn)選取

根據(jù)單賢芻等[3]提出了判定最佳源棒的排列標(biāo)準(zhǔn)為：(1)參考面上照射量率的不均勻度最?。?2)輻照貨物在輻照工位上累計(jì)吸收劑量的不均勻度最小。因標(biāo)準(zhǔn)(2)不便用理論公式計(jì)算，本文以標(biāo)準(zhǔn)(1)為約束條件，參考面選取輻照箱靠近源架的面。針對(duì) BFT-IV輻照裝置，輻照箱在水平方向的運(yùn)動(dòng)，排除輻照箱壁對(duì)劑量分布的影響，產(chǎn)品各點(diǎn)吸收劑量在平行于源架的水平方向上大致一致，文中模型僅考慮參考線(xiàn)豎直方向上各點(diǎn)的照射量率和最大不均勻度。

在位于輻照箱2面的參考線(xiàn)上均勻選取10個(gè)點(diǎn)位(P0-P9)為測(cè)量點(diǎn)，它們?cè)谧鴺?biāo)系中的位置為P0(0.1425, 0.058)、P1(0.1425, 0.224)、P2(0.1425,0.390)、P3(0.1425, 0.556)、P4(0.1425, 0.722)、P5(0.1425, 0.888)、P6(0.1425, 1.054)、P7(0.1425,1.220)、P8(0.1425, 1.386)、P9(0.1425, 1.558)。

2.3 各點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

取 K∈[1.5-3.5]，A=7.4×1014Bq，Γ=2.56×10–18C·m2·kg–1·Bq–1·s–1，利用 Excel計(jì)算得出 k 與參考點(diǎn)最大照射量率、最小照射量率以及不均勻度的關(guān)系（圖6）。

圖6 參考線(xiàn)最大照射量率、最小照射量率與不均勻度Fig.6 The max. exposure rate, min. exposure rate and uniformity ratio of the reference line

2.4 模件最優(yōu)化比例計(jì)算結(jié)果

從表1中可以看出，2.0≤k≤2.7時(shí)，參考線(xiàn)具有良好的劑量不均勻度。在未考慮鈷源罩和輻照箱體結(jié)構(gòu)的情況下，k=2.6時(shí)，最低照射量率最大，此時(shí)輻照裝置射線(xiàn)利用率最大。

源架水平方向上，與源架平行的有5個(gè)輻照工位，總長(zhǎng)度約6 m，比源架長(zhǎng)3.54 m。根據(jù)一次靜態(tài)輻照試驗(yàn)結(jié)果，兩端的工位吸收劑量相對(duì)很小，低點(diǎn)劑量不到總劑量的 1%，我們將鈷源在水平方向上均勻排布，無(wú)須按中間大兩端小的方式排列。

鑒于鈷源供應(yīng)商提供的第一次加源排源方案中k=2，第二次加源也取k=2。計(jì)算得出源架各個(gè)模件的活度占源架總活度的百分比（表1）。

表1 源模件活度百分比Table 1 The percentage of the source racks activity (%)

3 鈷源排源

3.1 鈷源分組

將新購(gòu)54根源棒按表1活度比分16組（表2），S/N表示鈷源棒編號(hào)，Curies為源棒活度(Ci)。

表2 16組新購(gòu)源棒Table 2 The 16 groups of new source

3.2 鈷源排布

不改變第一次加源的鈷源排布，將表2中每組源棒均勻的插入到對(duì)應(yīng)源模件中，得到輻照裝置第二次加源的初步排源方案。

4 排源方案優(yōu)化

4.1 MCNP模型建立[4-5]與驗(yàn)證

使用MCNP_4C軟件計(jì)算模擬產(chǎn)品吸收劑量。根據(jù)設(shè)備圖紙及實(shí)際測(cè)量值，進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，編寫(xiě)inp文件的刪元卡和曲面卡。通用源卡為SDEF卡，鈷源每次衰變放出兩個(gè)能量分別為 1.17 MeV和1.33 MeV的光子，概率為0.5: 0.5。鈷源所在柵元和活度由第一次裝源報(bào)告決定。材料卡有空氣、水（液體劑量計(jì)）、0.1g·cm–3纖維素（模擬產(chǎn)品）、鋁（貨箱壁）、鋼（鈷源包殼、貨箱支持機(jī)構(gòu)）和鈷。計(jì)數(shù)卡選用F6卡，得到粒子在液體劑量計(jì)柵元的能量沉積，單位 MeV·g–1，乘以鈷源活度及輻照時(shí)間可以得到液體劑量計(jì)柵元吸收劑量(Gy)。

MCNP_4C軟件運(yùn)行24時(shí)所得結(jié)果經(jīng)處理后，與第一次加源后模擬產(chǎn)品劑量場(chǎng)分布測(cè)試[6-7]結(jié)果比較（圖7），各點(diǎn)位劑量值絕對(duì)偏差小于10%，高低劑量區(qū)域一致，認(rèn)定MCNP程序運(yùn)算結(jié)果有效。

圖7 第一次加源后劑量場(chǎng)測(cè)試和MCNP計(jì)算的側(cè)面和中間面劑量Fig.7 The first dose mapping and MCNP results of lateral and median surface

4.2 最優(yōu)化排源方案的確定

根據(jù)新編制的排源方案編寫(xiě)MCNP輸入文件，計(jì)算模擬產(chǎn)品劑量分布情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，適當(dāng)調(diào)整3.2中鈷源插入位置，修改MCNP輸入文件并進(jìn)行運(yùn)算。重復(fù)進(jìn)行5次以上的調(diào)整和運(yùn)算，得出最終的鈷源排布方案和MNCP_4C運(yùn)算的劑量場(chǎng)分布結(jié)果。

5 裝源及劑量場(chǎng)測(cè)試

輻照裝置完成裝源后進(jìn)行劑量分布測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與 MNCP_4C運(yùn)算的劑量場(chǎng)分布結(jié)果相比較（圖 8），各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的吸收劑量絕對(duì)偏差小于10%，裝置加工性能在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)。

圖8 第二次加源后劑量場(chǎng)測(cè)試和MCNP計(jì)算的側(cè)面和中間面劑量Fig.8 The second dose mapping and MCNP results of lateral and median surface

將輻照裝置加源前后的設(shè)備性能和 MCNP_4C軟件運(yùn)算的設(shè)備性能相比較（表3），可以看出輻照裝置性能得到優(yōu)化。

表3 輻照裝置設(shè)備性能Table 3 The irradiator performance

6 結(jié)論

本文論述了中金輻照成都有限公司 BFT-IV輻照裝置第二次加源所用排源方案的設(shè)計(jì)方法和過(guò)程。首先確定源架各模件放射源活度的最佳比例，然后確定源棒在各模件的位置。對(duì)于大型板源輻照裝置，此方法降低了排源的難度，縮減了排源的工作量。利用MCNP軟件建立輻照裝置數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行劑量場(chǎng)分布測(cè)試，為優(yōu)化和尋求最佳排源方案提供了解決方法。本次輻照裝置加源后的劑量分布測(cè)試結(jié)果優(yōu)于第一次加源后的劑量分布測(cè)試結(jié)果，證明排源方法及方案合理有效。

1 楊磊, 劉義保, 劉玉娟. 基于模擬植物生長(zhǎng)算法的鈷源源棒的排列優(yōu)化 [J]. 核技術(shù), 2009, 32(12): 1-8.YANG Lei, LIU Yibao, LIU Yujuan. Optimization of source pencil deployment based on plant growth simulation algorithm [J]. Nuclear techniques, 2009,32(12): 1-8.

2 雷鵬, 祝清俊, 鄧鵬, 等. 輻照裝置源棒排列與參考面不均勻度的關(guān)系 [J]. 核農(nóng)學(xué)報(bào), 2007, 21(4): 387-389.LEI Peng, ZHU Qingjun, DENG Peng, et al. Relation of source pencil arrangement and ununiformity of standard plane at irradiation facility [J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2007, 21(4): 387-389.

3 單賢芻, 關(guān)遲, 徐力平, 等. 強(qiáng)60Co源輻照裝置的最佳源棒排列設(shè)計(jì)及其輻射場(chǎng)的分布 [J]. 原子能科學(xué)技術(shù),1990, 24(5): 40-45.SHAN Xianchu, GUAN Chi, XU Liping, et al. Optimum designing of bars arrangement and distribution of radiation field for a strong60Co irradiator [J]. Atomic Energy Science and Technology, 1990, 24(5): 40-45.

4 Brisesmeister J F. MCNP-A General Monte Carlo N-particle Transport code, Version 4C [R]. LA-13709-M,Los Alamos National Laboratory, 2000.

5 劉江平.60Co輻照加工產(chǎn)品劑量分布的蒙特卡羅模擬[J]. 輻射研究與輻射工藝學(xué)報(bào), 2010, 28(1): 57-61.LIU Jiangping. Monte Carlo simulation for the dose mapping of products irradiated by60Co γ-ray [J]. Journal of radiation research and radiation processing, 2008, 28(1):57-61.

6 ISO 11137-3-2006. Sterilization of health care products Radiation-Part 3 Guidance on dosimetric aspects [S].

7 ASTM E2303-2011. Standard guide for absorbed-dose mapping in radiation processing facilities [S].