放射性核素電離空氣電子離子對產(chǎn)生率計算

武秀峰，張利峰，馬俊平，羅志福

(中國原子能科學研究院 同位素研究所，北京 102413)

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放射性核素電離空氣電子離子對產(chǎn)生率計算

武秀峰，張利峰，馬俊平，羅志福

(中國原子能科學研究院 同位素研究所，北京 102413)

α衰變核素和β衰變核素發(fā)射的射線具有電離空氣能力而被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。為研究α或β衰變核素對空氣電離能力的大小，本研究采用蒙特卡洛方法模擬理想放射源發(fā)出帶電粒子在空氣中的能量沉積，并結(jié)合空氣電離理論，計算放射源表面不同距離處電子離子對產(chǎn)生率。利用此計算方法，研究放射源形狀、粒子能量、活度和粒子能量分布對電子離子對產(chǎn)生率的影響。結(jié)果表明，放射源表面空氣中電子離子對產(chǎn)生率的大小主要受放射源活度的影響，而粒子能量及能譜分布等主要影響電離空氣范圍及電子離子對產(chǎn)生率衰減速率； 3.7×106Bq/cm2的α放射源最大電子離子對產(chǎn)生率可達1011～1012cm-3·s-1量級， 3.7×106Bq/cm2的β放射源最大電子離子對產(chǎn)生率可達109～1010cm-3·s-1量級。研究結(jié)果可提供數(shù)據(jù)支持，為新的放射性同位素應用技術開發(fā)提供理論指導。

放射性核素；電離空氣；電子離子對產(chǎn)生率；蒙特卡羅方法

α衰變核素和β衰變核素發(fā)射出的射線具有電離能力，廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中，如靜電消除器、離子感煙探頭、電子捕獲鑒定器、放射性避雷針等[1]。通常利用α或β核素電離空氣產(chǎn)生電子離子對，電子和離子在遷移過程中轉(zhuǎn)移電荷達到預期目的。主要應用的核素有210Po、238Pu、241Am、3H、147Pm、85Kr、63Ni、90Sr等。放射性靜電消除器[1]研究深入且應用廣泛，其原理是α或β核素放射出的α或β粒子電離空氣產(chǎn)生電子和正離子對，在消除器周圍形成高密度電離云，當帶靜電荷的物體靠近放射性靜電消除器時，消除器和帶靜電荷的物體間形成電場，在電勢的作用下，消除器周圍的離子云分布發(fā)生變化，并分別被消除器和物體吸附，中和掉物體表面靜電，達到消除靜電的目的。

目前，已有的研究主要關注放射源電離空氣的總能力[2-3]。劉喃喃等[4]通過理論模擬計算分析兩種特定核素90Sr-90Y和210Po放射源致空氣電離特性，并未對放射源電離空氣相關規(guī)律進行討論。研究放射源表面空氣被電離的情況隨距離變化規(guī)律，可為等離子體隱身技術等提供幫助[5]。本研究擬通過計算理想放射源電離空氣電子離子對產(chǎn)生率，考察放射源形狀、粒子能量、活度和粒子能量分布等的影響，分析理想放射源表面電子離子對產(chǎn)生率隨距離的變化規(guī)律。

1 模擬計算方法

1.1 蒙特卡羅方法

蒙特卡羅模擬計算方法是以概率統(tǒng)計為理論基礎的一種數(shù)學計算方法,可真實地模擬實際粒子運動的物理過程，其仿真計算結(jié)果與實際結(jié)果吻合較好。軟件MCNP(Monte Carlo N—Particle transport code)是計算粒子輸運過程的一套蒙特卡羅模擬計算軟件，用戶可以在輸入文件中給出計算模型，提供源的屬性，感興區(qū)內(nèi)各種物體的屬性，記錄粒子信息的方法，進行模擬計算。本研究相關計算選用MCNPX版本，抽樣次數(shù)為一百萬次，用f6卡統(tǒng)計α或β粒子在空氣中的能量沉積。

應用于電離空氣的α核素主要有238Pu、210Po和241Am，發(fā)射的粒子能量分別為5.5 MeV、5.3 MeV和5.5 MeV，本研究中α粒子的能量取值范圍為4.5～6.0 MeV；用于電離空氣的β核素發(fā)射的粒子能量通常不超過2.5 MeV，本研究中β粒子的能量取值范圍為0.5～2.5 MeV。

1.2 電子離子對產(chǎn)生率的計算

具有一定能量的帶電粒子入射到靶物質(zhì)中時，與物質(zhì)原子相互作用，包括與原子核和核外電子發(fā)生彈性碰撞和非彈性碰撞，都為帶電粒子在原子核和核外電子的庫侖場中的作用，帶電粒子穿過原子核的庫侖位壘與原子核發(fā)生核反應需要的粒子能量極高，對于衰變產(chǎn)生的帶電粒子可以忽略。帶電粒子與原子核或核外電子彈性碰撞中為了滿足能量和動量守恒要求，轉(zhuǎn)移能量極少，其中，與原子核的彈性碰撞一般僅在研究物質(zhì)的輻射損傷中考慮，而與核外電子的彈性碰撞只有能量極低(<100 eV)的β粒子入射到物質(zhì)中時考慮。帶電粒子與原子核的非彈性碰撞中，伴隨著帶電粒子運動速率和方向的改變發(fā)射電磁輻射，但是α粒子質(zhì)量較大，運動狀態(tài)改變不大，能量轉(zhuǎn)移可以忽略，β粒子輻射能量損失是一種重要的能量損失機制，轉(zhuǎn)移量與β粒子能量和靶物質(zhì)的性質(zhì)有關[6]。

綜上所述，α射線與空氣作用過程中主要是與空氣中原子核外電子作用，導致原子電離或激發(fā)，而入射粒子本身的能量逐漸損失。β射線與α射線不同，電子質(zhì)量小，與空氣作用時，主要引起電離能量損失、輻射能量損失和多次散射。輻射損失與電離能量損失之比為：

(1)

(2)

式中，V為體積；E為帶電粒子在體積為V的空間內(nèi)單位時間沉積的能量；w為入射帶電粒子在氣體中電離氣體產(chǎn)生一對電子離子對需要消耗的平均能量[6]。

1.3 模擬計算

利用2.2節(jié)中建立的計算方法，研究放射源形狀、粒子能量、活度和粒子能量分布對電子離子對產(chǎn)生率的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 放射源形狀的影響

假設存在圖1所示的理想的點源、無限長的線源和無限大的面源，為簡化研究，假設α放射源和β放射源發(fā)射出的粒子均為單能粒子，與源不同距離處空氣中電子離子對產(chǎn)生率的變化關系分別示于圖2與圖3。

圖1 理想放射源形狀示意圖Fig.1 The diagram of the shape of the source

a——3.7×1010 Bq的α點源；b——3.7×1010 Bq/cm的α線源；c——3.7×1010 Bq/cm2的α面源圖2 不同形狀α放射源的電子離子對產(chǎn)生率隨距離變化關系a——3.7×1010 Bq alpha point source；b——3.7×1010 Bq/cm alpha line source；c——3.7×1010 Bq/cm2 alpha non-point sourceFig.2 The relationship between the electron ion pairs production rate and distance of different shapes alpha source

a——3.7×1010 Bq的β點源；b——3.7×1010 Bq/cm的β線源；c——3.7×1010 Bq/cm2的β面源圖3 不同形狀β放射源的電子離子對產(chǎn)生率隨距離變化關系a——3.7×1010 Bq beta point source；b——3.7×1010 Bq/cm beta line source；c——3.7×1010 Bq/cm2 beta non-point sourceFig.3 The relationship between the electron ion pairs production rate and distance of different shapes beta source

圖2中點源橫坐標是到放射源的距離，對于面源和線源橫坐標是到放射源(線或面)的中心垂直距離。由圖2可知，由于α粒子質(zhì)量較大，運動軌跡幾乎為直線，隨著剩余射程的減少，比電離逐漸增加，在剩余射程的末端即與放射源距離較遠處比電離存在Bragg峰，在點源中最明顯，在線源和面源中離開中心點發(fā)射的射線的Bragg峰出現(xiàn)在垂直線上較近的距離，最后的疊加導致Bragg峰變得不明顯甚至消失。由圖3可知，由于β粒子質(zhì)量較小，運動軌跡雜亂，不存在上述現(xiàn)象。對比圖2和圖3結(jié)果可知，α源和β源的點源電子離子對產(chǎn)生率隨著距離降低最快，線源次之，面源最慢；α面源電子離子對產(chǎn)生率隨距離變化很小，在最大距離處迅速衰減至零，而β面源電子離子對產(chǎn)生率隨距離的增加而逐漸減小，最終衰減至零。

2.2 放射源衰變粒子能量的影響

實際應用中更為常見的是面源，此處計算中的放射源均為無限大的理想面源，對3.7×106Bq/cm2的單能α放射源和β放射源計算結(jié)果分別示于圖4與圖5。

圖4 不同能量α放射源的電子離子對產(chǎn)生率隨距離變化關系Fig.4 The relationship between the electron ion pairs production rate and distance of different energy alpha source

由圖4可知，不同能量的無限大理想α面源表面電子離子對產(chǎn)生率大致相等，隨著距離的增加衰減的速率非常?。挥捎谀芰坎煌瑫r，α粒子射程不同，可電離空氣的范圍隨著粒子的能量增加而增加。由圖5可知，不同能量的無限大理想β面源表面處電子離子對產(chǎn)生率也大致相等，但是隨著距離的增加而快速衰減，粒子能量越高，射程越大，衰減速率越慢。對比圖4和圖5結(jié)果可知，3.7×106Bq/cm2的α放射源最大電子離子對產(chǎn)生率可達1011～1012cm-3·s-1的量級，而3.7×106Bq/cm2的β放射源最大電子離子對產(chǎn)生率為109～1010cm-3·s-1的量級。

圖5 不同能量β放射源的電子離子對產(chǎn)生率隨距離變化關系Fig.5 The relationship between the electron ion pairs production rate and distance of different energy beta source

2.3 放射源活度的影響

圖6 不同活度α放射源的電子離子對產(chǎn)生率隨距離變化關系Fig.6 The relationship between the electron ion pairs production rate and distance of different activity alpha source

放射源的活度也會影響在空氣中的能量沉積，不同活度的無限大理想α放射源和β放射源面源不同活度計算結(jié)果分別示于圖6與圖7。

圖7 不同活度β放射源的電子離子對產(chǎn)生率隨距離變化關系Fig.7 The relationship between the electron ion pairs production rate and distance of different activity beta source

放射源在空氣中的能量沉積與放射源活度成正比，因此電子離子對產(chǎn)生率也與活度成正比，圖6和圖7結(jié)果與理論預期相符。

2.4 粒子能譜分布的影響

a——單能；；c——Maxwell分布p(E)=E1/2·e-E圖8 電子能量分布圖a——single energy；；c——Maxwell distribution of p(E)=E1/2·e-EFig.8 Energy spectra of differentelectron steam

圖9 不同活度β放射源的電子離子對產(chǎn)生率隨距離變化關系Fig.9 The relationship between the generation of the electron ion pairs and distance of different energy spectra beta source

由圖9可知，由于電子分布譜圖的不同，電子能量有所差別；在空氣中的射程不同，最終影響電離空氣的范圍，最大電子離子對產(chǎn)生率相差不大。

3 小結(jié)

放射源表面空氣中電子離子對產(chǎn)生率的大小主要受放射源活度的影響，粒子能量及能譜分布等主要影響電離空氣范圍及電子離子對產(chǎn)生率衰減速率；3.7×106Bq/cm2的α放射源最大電子離子對產(chǎn)生率可達1011～1012cm-3·s-1的量級，3.7×106Bq/cm2的β放射源最大電子離子對產(chǎn)生率為109～1010cm-3·s-1的量級，但是β放射源可以在更大范圍內(nèi)電離空氣產(chǎn)生電子離子對；放射源的形狀或面積在一定程度上會影響表面的電子離子對產(chǎn)生率。本研究完善了放射源電離空氣的相關規(guī)律，并能計算得到一定量的放射性同位素對空氣的電離數(shù)據(jù)，為研究和開發(fā)新的放射性同位素應用技術提供參考。

[1] 孫樹正. 放射源的制備與應用[M]. 北京：原子能出版社，1992：384-414.

[2] 蔡善鈺. 放射性靜電消除器在易燃環(huán)境中應用評估[J]. 靜電，1992，7(2)：22-26.

Cai Shanyu. Evaluation on application of radioisotope static eliminator in flammable atmosphere[J]. Static, 1992, 7(2): 22-26(in Chinese).

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[4] 劉喃喃.90Sr-90Y和210Po放射性源致空氣電離特性理論模擬[D]. 西安:西北核技術研究所,2008.

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[6] 復旦大學，清華大學，北京大學. 原子核物理實驗方法[M]. 北京：原子能出版社，1981:36-38.

Calculation on the Electron Ion Pair Production Rate of the Radioisotope Ionizing Air

WU Xiu-feng, ZHANG Li-feng, MA Jun-ping, LUO Zhi-fu

(DepartmentofIsotope,ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)

The emission of alpha decay and beta decay are widely used in industrial production for its ability of ionizing air. To evaluate the ability of radioisotope ionizing air, a method to calculate the electron ion pair production rate was established. Energy deposition of the ideal radiation source in the air could be obtained through simulating with Monte Carlo method, and then electron ion pair production rate could be calculated. The effect on ionizing air of radiation source shape, energy, activity and particle energy distribution were studied. We found that the electron ion pair production rate was mainly affected by the activity of radioactive source. However, the particle energy and energy spectrum distribution mainly affect the ionization range and the decay rate of the electron ion pair production rate. Computations for a flat surface coated with 3.7×106becquerel alpha radioisotope per square centimeter showed that the largest electron ion pair production rate could be 1011cm-3·s-1to 1012cm-3·s-1, and 109cm-3·s-1to 1010cm-3·s-1for beta radioisotope with the same activity. This conclusion can provide theoretical guidance for existing related application and developing new application of radioactive source.

radioisotope; ionizing air; electron ion pair production rate; Monte Carlo method

2016-05-23;

2016-07-05

TL929

A

1000-7512(2016)04-0198-06

10.7538/tws.2016.29.04.0198