MCNP模擬鈷-60輻照裝置空間劑量場

曾弟明，顧 俊，宋艷超

(蘇州中核華東輻照有限公司，蘇州 215200)

MCNP(Monte Carlo N-Particle Transport Code System)是一個多用途、連續(xù)能量、廣義幾何、時間相關的蒙特卡羅粒子輸運程序，旨在跟蹤廣泛能量范圍內的眾多粒子類型[1]。利用MCNP程序對大型工業(yè)輻照裝置空間劑量場及輻照產品吸收劑量的模擬研究較多。模擬研究鈷源作為點源、線源、體源等不同形式下輻照場和輻照產品的劑量分布，建立三維模型、劑量率與距離的函數(shù)關系，采用各種制式劑量計對可能多的計算點進行測量，選取特定參考平面或位置點確定高劑量區(qū)域和低劑量區(qū)域等[2-10]。目前缺少輻照室內輻照工位外整個空間較詳細的空間劑量場研究。

在實際生產過程中，除采用正常的輻照工藝對輻照產品進行輻照加工，還可在輻照室內輻照工位外的空間進行低劑量率需求的產品或樣品的輻照實驗。正常運行工況下，輻照產品數(shù)量較大，同類產品的吸收劑量值比較固定，不利于新產品的研發(fā)。2020年，作者利用MCNPX模擬了輻照室內輻照工位外的固定位置處不同包裝規(guī)格和不同質量的研發(fā)樣品，討論了樣品質量和包裝規(guī)格之間的吸收劑量變化規(guī)律[11]。本研究利用MCNP程序對動態(tài)步進輻照裝置進行幾何建模，建立以單板源架中心為坐標原點的笛卡爾坐標系，模擬輻照室內輻照工位有輻照產品(密度為0.10 g/cm3)時，周圍空間坐標軸方向上空氣平面(10 cm間距)劑量率分布，以及坐標軸上的劑量率分布規(guī)律。同時，在不考慮源架、輻照箱、輻照產品、輻照室地面和屋頂?shù)纫蛩貙︹?60源γ射線散射的影響情形下，研究鈷-60源γ射線的自吸收和非自吸收對空間空氣平面劑量率的影響，從而指導放置特定輻照產品或樣品位于合理且合適的位置進行輻照。

1 鈷-60動態(tài)步進輻照裝置

蘇州中核華東輻照有限公司[12]的SQ(T)系列工業(yè)γ輻照裝置由北京三強核力輻射工程技術有限公司[13]設計建造，設計裝源活度為1.11×1017Bq。產品輸送系統(tǒng)為鏈電機驅動的懸掛鏈式，輻照箱分為上下兩層空間，每層空間內包含一個小輻照箱，在操作大廳處利用跺碼機進行上下?lián)Q層，輻照箱在輻照室內通過懸掛鏈系統(tǒng)進行換面，確保被輻照物品的劑量均勻性。輻照室內有6路，每路6個輻照工位，總共36個。輻照箱按照相同的停留時間(主控時間)從一個工位移到下一個工位，采用氣缸推動輻照箱移位，約為5 s，工位時間約為350 s，移動時間僅占工位時間的1.41%，MCNP程序模擬時忽略該過程的影響，產品輸送路線圖示于圖1。

圖1 產品輸送路線圖

輻照裝置鈷-60源架采用獨立單板源架結構，包含12個源模塊，每個源模塊可容納50枚鈷-60源棒，源架總共能容納600枚鈷-60源棒。MCNP建模時，源架有319枚鈷-60源棒，總活度約為6.66×1016Bq，鈷-60源棒為圓柱體結構的體源，源棒基本呈對稱排列[14]，源架上鈷-60源棒排列示于圖2，圖中紅色圓柱體表示鈷-60源棒。

圖2 鈷-60源棒排列圖

2 MCNP建立模型

2.1 模型建立

MCNP建模時，以單板鈷源架在工作位時的中心為坐標原點(0,0,0)建立笛卡爾直角坐標系，垂直于源架平面為x軸，平行于源架平面為y軸(方位為正北)，豎直方向為z軸。建立模型時做適當近似處理。

輻照室內輻照工位與屏蔽墻之間分為四個空間區(qū)域，分別為北區(qū)、南區(qū)、東區(qū)和西區(qū)，空間區(qū)域平面分布圖和空間區(qū)域剖面分布圖示于圖3。

a——平面；b——剖面

四個空間區(qū)域形狀為長方體，分別與輻照工位、輻照室地面相距10 cm，豎直方向上(z軸方向上)與源架高度一致。其中北區(qū)和南區(qū)范圍相同，即為760 cm×180 cm×330 cm，東區(qū)范圍為500 cm×640 cm×330 cm，西區(qū)范圍為300 cm×880 cm×330 cm。四個空間區(qū)域的范圍參數(shù)列于表1。

表1 四個空間區(qū)域的范圍參數(shù)

2.2 MCNP輸入文件

MCNP模擬時，輻照室內輻照工位的輻照產品采用模擬樣品(瓦楞紙)，密度為0.10 g/cm3。計數(shù)結果使用Fmesh卡(網格計數(shù)卡)與FMn卡(計數(shù)乘子卡)、DEn卡(劑量能量卡)和DFn卡(劑量函數(shù)卡)結合將計數(shù)結果單位轉換為劑量率，單位為kGy/h。問題截斷采用NPS卡(歷史截斷卡)，輸運的歷史數(shù)目為107。

3 空間劑量場劑量分布

3.1 空間四個區(qū)域劑量率分布

3.1.1z=0平面劑量率分布 根據(jù)Fmesh卡計數(shù)結果，在笛卡爾直角坐標系下選取z=0的平面，利用可視化Xming軟件結合MCNP繪圖命令，繪制空間四個區(qū)域劑量率分布圖，結果示于圖4。

根據(jù)圖4可知，沿源架中心坐標軸方向上，x軸和y軸方向均呈對稱分布；圖4c和圖4d劑量率分布圖中心區(qū)域劑量率偏小，主要原因是板源架x軸方向上鈷-60源棒相互屏蔽阻擋。

a——北區(qū)；b——南區(qū)；c——西區(qū)；d——東區(qū)

3.1.2垂直x軸和y軸平面劑量率分布 利用Fmesh卡計數(shù)結果，坐標軸上每隔10 cm間距繪制等高線劑量率分布圖。北區(qū)共18個等高線劑量率分布圖，南區(qū)共18個等高線劑量率分布圖，西區(qū)共30個等高線劑量率分布圖，東區(qū)共50個等高線劑量率分布圖。

輻照室內單板源架、輻照工位、輻照空間及空間區(qū)域呈對稱分布，分別選擇北區(qū)(正y軸)和東區(qū)(正x軸)三個劑量率分布圖進行對比分析，即第1個劑量率分布圖(靠近輻照工位)、中間劑量率分布圖(四個空間區(qū)域中間位置附近)和最后一個劑量率分布圖(靠近輻照室墻壁位置)。

北區(qū)(正y軸方向上)共18個劑量率分布圖，選取第1個、第10個(空間區(qū)域中間位置附近)和第18個劑量率分布圖進行分析，結果示于圖5～圖7。第1個劑量率分布圖對應y軸上的間距位置為260～270 cm，劑量率分布圖所在平面為y=265 cm平面(圖5)；第10個劑量率分布圖(空間區(qū)域中間位置附近)對應y軸上的間距位置為350～360 cm，劑量率分布圖所在平面為y=355 cm平面(圖6)；第18個劑量率分布圖對應y軸上的間距位置為430～440 cm，劑量率分布圖所在平面為y=435 cm平面(圖7)。

圖6 北區(qū)第10個劑量率分布圖(y=355 cm)

圖7 北區(qū)第18個劑量率分布圖(y=435 cm)

單板源架中心位置處，輻照箱上層和下層之間(沿z軸方向)和輻照箱之間(沿軸方向)有間隔，源架上鈷-60源衰變產生的γ射線可直接穿過該間隔空間。據(jù)圖5～圖7可知，y軸上2.6～3.0 m范圍，高劑量率區(qū)域呈“十”字形分布；y軸上距離增加至4.3 m，由于輻照產品、空氣、墻面等因素影響，高劑量率區(qū)域逐漸呈現(xiàn)“圓”狀形分布。

東區(qū)(正x軸方向上)共50個劑量率分布圖，選取第1個、第25個(空間區(qū)域中間位置附近)和第50個劑量率分布圖進行分析，結果示于圖8～圖10。第1個劑量率分布圖對應x軸上的間距位置為390～400 cm，劑量率分布圖所在平面為x=395 cm平面(圖8)；第25個劑量率分布圖(空間區(qū)域中間位置附近)對應x軸上的間距位置為630～640 cm，劑量率分布圖所在平面為x=635 cm平面(圖9)；第50個劑量率分布圖對應x軸上的間距位置為880～890 cm，劑量率分布圖所在平面為x=885 cm平面(圖10)。

圖9 東區(qū)第25個劑量率分布圖(x=635 cm)

圖10 東區(qū)(Eastern)第50個劑量率分布圖(x=885 cm)

單板源架中心位置處，輻照箱上層和下層之間(沿z軸方向)、輻照箱之間(沿軸方向)和輻照箱與源架之間均有間隔，源架上鈷-60源衰變產生的γ射線可直接穿過該間隔空間。據(jù)圖8～圖10可知，x軸上3.9～4.0 m范圍，高劑量率區(qū)域呈“十”字形分布。x軸上距離增加至8.8 m，由于輻照產品、空氣、墻面等因素影響，y軸兩側的高劑量區(qū)域由y軸上的±50 cm左右位置逐漸變至±100 cm左右位置，主要原因是負x軸上的鈷-60源棒衰變產生的γ射線作用逐漸增加。輻照箱上層和下層之間間隔基本無影響，主要原因是輻照箱上層和下層之間的間距相對第50個劑量率分布圖平面與輻照工位之間的距離而言，可忽略前者的影響(相差約20倍)。劑量率分布圖中間(y軸附近)劑量率偏小，劑量率值范圍為0.11～0.40 kGy/h；該區(qū)域位置呈集中分布，僅由y軸上±10 cm左右范圍變至±35 cm左右范圍，主要原因是鈷-60源棒沿x軸方向排布，在x軸方向上鈷-60源γ射線的自吸收有較大影響。

3.1.3x軸和y軸上劑量率分布 在輻照室內輻照工位有輻照產品的情況下，繪制四個空間區(qū)域沿坐標軸方向上的劑量率分布曲線(z=0)，并通過二次多項式函數(shù)進行擬合，結果示于圖11～圖14。

圖11 北區(qū)正y軸上劑量率分布曲線(z=0)

據(jù)圖11～圖14可知，四個空間區(qū)域的坐標軸上劑量率隨距離增加呈下降趨勢，由于單板源架上鈷-60源排列、輻照產品屏蔽、墻面散射等因素影響，整體下降趨勢不完全符合指數(shù)降低的規(guī)律，在95%以上置信區(qū)間時，坐標軸上劑量率變化更符合二項式擬合。

圖12 南區(qū)負y軸上劑量率分布曲線(z=0)

圖13 東區(qū)正x軸上劑量率分布曲線(z=0)

圖14 西區(qū)負x軸上劑量率分布曲線(z=0)

3.2 鈷源自吸收的影響

使用點源和體源對比模擬時，當源(源架)的體積和活度比較大時，把體源假設成點源計算會存在一定的誤差，要了解實際源的劑量分布時，用體源模擬更接近實際。本文通過調整鈷-60源棒的物質成分為空氣，即忽略鈷-60源γ射線自吸收的影響，選擇輻照室東區(qū)第1個劑量率分布圖、第25個劑量率分布圖和第50個劑量率分布圖進行分析，結果示于圖15～圖17。

根據(jù)圖15～圖17可知，在考慮鈷-60源γ射線非自吸收的情況下，劑量率分布圖中間(y軸附近)劑量率偏大，劑量率值范圍為0.44～1.87 kGy/h，主要原因是x軸上的所有鈷-60源棒產生的γ射線可直接穿過輻照箱與單板源架之間的間隔，使得高劑量率(包括輻照箱散射、源架散射、地面散射等)區(qū)域位置呈集中分布，僅由y軸上±25 cm左右范圍變至±50 cm左右范圍；與圖8～圖10相比對，劑量率值分布呈相反分布，前者是后者的4倍左右；兩者y軸附近位置分布基本相同。

圖15 東區(qū)第1個劑量率分布圖(鈷-60源γ射線非自吸收)(x=400 cm)

圖16 東區(qū)第25個劑量率分布圖(鈷-60源γ射線非自吸收)(x=640 cm)

圖17 東區(qū)(Eastern)第50個劑量率分布圖(鈷-60源γ射線非自吸收)(x=890 cm)

4 結論

對于大型工業(yè)鈷-60動態(tài)步進輻照裝置，除了正常的輻照加工外，還可利用輻照室內輻照工位外的空間進行產品或樣品的輻照實驗，主要可用于輻照低吸收劑量率要求的對象。第一，本文通過蒙特卡羅粒子輸運程序MCNP建立符合實際的輻照裝置模型，理論模擬輻照室內輻照工位外的空間劑量場，在坐標軸上選取10 cm間隔平面繪制等高線劑量率分布圖，可明確輻照工位外空間劑量場劑量率分布情況。根據(jù)產品或樣品規(guī)格和吸收劑量要求，以及輻照室實際情況，可選擇合理的位置輻照。第二，工業(yè)鈷-60輻照裝置為了增加鈷-60源的利用率，輻照工位盡量靠近板源架設置，減少輻照工位與板源架之間的間隔；同時，應減少輻照箱之間的間隔，盡量減少鈷-60源γ射線直接浪費。第三，由于輻照產品阻擋的衰減、空氣散射、墻面散射等影響，源架中心坐標軸上的劑量率隨距離增加而降低，不完全符合指數(shù)降低規(guī)律；在95%以上置信區(qū)間時，坐標軸上劑量率變化更符合二項式函數(shù)規(guī)律。第四，在鈷-60源γ射線非自吸收和鈷-60源γ射線自吸收兩種情形下(其他因素影響不變)，比較東區(qū)(x軸上)空間劑量率分布可知，考慮鈷-60源γ射線非自吸收時，劑量率分布圖中間(y軸附近)劑量率偏大，高劑量率區(qū)域位置呈集中分布，y軸上的±25 cm左右范圍變至±50 cm左右范圍；考慮鈷-60源γ射線自吸收時，劑量率分布圖中間(y軸附近)劑量率偏小，y軸兩側的高劑量區(qū)域由y軸上的±50 cm左右位置逐漸變至±100 cm左右位置；兩者劑量率值分布呈相反分布，前者是后者的4倍左右。第五，鈷-60源γ射線自吸收對空間劑量場分布影響較大，大型工業(yè)鈷-60輻照裝置不能忽略鈷-60源棒排列分布的活性區(qū)域、圓柱體鈷-60源、板源架尺寸的影響通過本次研究，認為MCNP理論模擬計算分析對于利用鈷-60輻照裝置輻照工位外的周圍空間劑量場具有重要的實際指導意義。