核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)中核輻射場(chǎng)模擬與安全研究

熊鐵軍，鐘丁生，蔡小杰，張艷麗，酈文忠

（1. 成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，樂(lè)山 614007；2. 西南科技大學(xué)，綿陽(yáng) 621010）

進(jìn)行核領(lǐng)域課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，我們需要在核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)踐操作并且對(duì)核輻射原理進(jìn)行深入研究，了解射線的產(chǎn)生、作用和強(qiáng)度?？梢岳煤溯椛涮綔y(cè)器進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，掌握核輻射的能量及分布情況，從而依據(jù)這些數(shù)據(jù)制訂相應(yīng)的防范措施和解決辦法。實(shí)驗(yàn)室中使用放射源主要有：238U、60Co、137Cs、241Am 等。本文在實(shí)驗(yàn)中用MCNP5模擬計(jì)算對(duì)單枚裸源60Co產(chǎn)生的輻射通量和劑量率，得到一個(gè)趨近于實(shí)際的發(fā)生場(chǎng)，在不進(jìn)入輻射場(chǎng)的情況下得到有效的劑量率[1-3]。

1 核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)的構(gòu)成

核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)11.7 m，寬5.6 m，高5 m，實(shí)驗(yàn)室墻體的厚度為15 cm，材質(zhì)均為最常見(jiàn)的混凝土。實(shí)驗(yàn)室只有一個(gè)出入口，兩側(cè)有學(xué)生做實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的核儀器設(shè)備，包括NIM機(jī)箱、后備電源、多道分析器、高壓電源等。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們需要按照最簡(jiǎn)單的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的空間布置。出于安全考慮，實(shí)驗(yàn)時(shí)不允許多個(gè)放射源一起使用。實(shí)驗(yàn)室有一個(gè)信息共享系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)放大器和共享器將放射源信息傳遞到每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組。如圖1所示。

圖1 核輻射探測(cè)信息共享示意圖Fig.1 Schematic diagram of nuclear radiation detection information sharing

2 蒙特卡羅模擬

本文主要研究實(shí)驗(yàn)室里放射源的輻射場(chǎng)分布情況，采用MCNP5 模擬粒子的輸運(yùn)情況，空間位置是實(shí)驗(yàn)室中每個(gè)學(xué)生的座位，幾乎是均勻分布的，在輻照時(shí)間相同的情況下，輻射劑量與離放射源的遠(yuǎn)近相關(guān)，與角度和輻照的部位也相關(guān)[4-8]。

2.1 實(shí)驗(yàn)室模型的建立

實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)長(zhǎng)11.7 m，寬度為5.6 m 的矩形區(qū)域，墻體材料為混凝土，密度為2.35 g∕cm3，可以容納約40 人。學(xué)生的座位分布在實(shí)驗(yàn)室兩側(cè)和內(nèi)側(cè)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)門處有一個(gè)操作臺(tái)，裝有點(diǎn)狀的放射源。實(shí)驗(yàn)時(shí)，放射源將被鉛磚屏蔽，即面對(duì)人群的一側(cè)（鉛磚的厚度為5 cm）。對(duì)放射源劑量的測(cè)量主要是在大氣中進(jìn)行的，測(cè)量時(shí)將放射源看作是一個(gè)點(diǎn)源，用不同位置或者不同坐標(biāo)的球體探測(cè)器模擬學(xué)生上課座位的位置，從而得到實(shí)驗(yàn)室的不同位置的粒子通量。實(shí)驗(yàn)室的平面坐標(biāo)模型如圖2 所示（1～9分別代表空間位置分布；①～⑥分別代表屏蔽材料）。

圖2 核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)室平面示意圖（除去屋頂）Fig.2 Radiation detection laboratory plane diagram(excluding roof)

2.2 MCNP5模擬程序的編寫

我們?cè)贛CNP5模擬程序的Input中輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，模擬的放射源為60Co，將它視為各向同性點(diǎn)源，所在位置在操作臺(tái)上的坐標(biāo)為（150 cm，280 cm，80cm），60Co發(fā)射出1.17MeV和1.32MeV的兩個(gè)γ射線，在實(shí)驗(yàn)室中使用的60Co為3.7×107Bq，在MCNP5程序模擬的平面圖如3所示。

圖3 在MCNP5中模擬的平面圖Fig.3 Simulation plan in MCNP5

2.3 空間模擬

在MCNP5 中模擬60Co 在實(shí)驗(yàn)室中的不同坐標(biāo)的粒子通量見(jiàn)表1。

表160Co在不同位置坐標(biāo)下的粒子通量Table 1 60Co particle flux under different location coordinates

此次模擬實(shí)驗(yàn)中采用的是F5 計(jì)數(shù)卡，采集的數(shù)據(jù)是環(huán)探測(cè)器的一個(gè)粒子通量，單位是“1∕cm2”，在轉(zhuǎn)化為個(gè)點(diǎn)的劑量率時(shí)可以采用如下公式：

式中，φ——光子通量密度，用來(lái)計(jì)算空氣中某一點(diǎn)γ射線的注量率，cm-2s-1；

Eγ——放射源發(fā)出的光子能量，MeV，在這里表示的是平均能量。60Co的全能峰有兩個(gè)，分別對(duì)應(yīng)的能量是1.17 MeV和1.33 MeV，實(shí)驗(yàn)中取這兩個(gè)能量的均值，即1.25 MeV；

μen∕ρ——γ射線在空氣中的質(zhì)能吸收系數(shù)，單位面積吸收的質(zhì)量數(shù)，cm2∕g。

表1為MCNP5模擬的通量值，這里以60Co為數(shù)據(jù)處理對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)室周圍設(shè)置了14 個(gè)球體的探測(cè)器，探測(cè)器的半徑為15 cm，與學(xué)生的整體的身體寬度相似。由于在實(shí)驗(yàn)室用到的放射源的放射性活度是低能的，3.7×107Bq 的60Co 發(fā)出2 個(gè)γ光子，所以，在某一點(diǎn)的光子通量密度要乘以2，再結(jié)合公式算出各個(gè)點(diǎn)的劑量率，見(jiàn)表2。

表2 模擬60Co的粒子通量及空氣吸收劑量率水平Table 2 Particle flux and air absorbed dose rate of60Co

再用式（2）計(jì)算出理論值：

式中，C——放射源強(qiáng)度，這里假定該放射源的放射性強(qiáng)度為3.7×107Bq；

r2——探測(cè)器與源的距離的平方，經(jīng)過(guò)理論公式計(jì)算得出的劑量率與模擬探測(cè)得到數(shù)據(jù)之間的相對(duì)誤差見(jiàn)表3。

表3 理論與模擬的比較Table 3 The comparison of theory and simulation

表3中數(shù)據(jù)表明：理論計(jì)算得出的劑量率與模擬探測(cè)得到的數(shù)據(jù)之間誤差在6%以內(nèi)，說(shuō)明用MCNP5 模擬核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)的輻射情況是可行并且有效的。通過(guò)比較粒子通量在不同空間位置的分布，發(fā)現(xiàn)學(xué)生處于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部受到的輻射劑量較低。

3 屏蔽材料的模擬

為了增強(qiáng)防護(hù)效果，對(duì)屏蔽材料進(jìn)行模擬比對(duì)研究，找出最佳組合，特選玻璃（SiO2）、鐵（Fe）和鉛（Pb）3種常見(jiàn)材料，進(jìn)行單層防護(hù)效果和組合防護(hù)效果模擬。

3.1 單層屏蔽材料的模擬

玻璃的主要成分為二氧化硅（SiO2），能見(jiàn)度較高，造價(jià)較低，可直接在原程序的基礎(chǔ)上加上屏蔽材料。此次實(shí)驗(yàn)主要進(jìn)行了玻璃和鉛塊兩種單層屏蔽材料的模擬。表4是在采用單層屏蔽材料的情況下的模擬探測(cè)器吸收劑量率。模擬結(jié)果表明：在同厚度和同距離的條件下，鉛的效果要好于玻璃。

表4 使用單層屏蔽材料情況下的模擬探測(cè)器吸收劑量率Table 4 Single layer shielding materials simulation單位：Gy∕h

3.2 在多層組合屏蔽材料下的模擬

在原來(lái)單層屏蔽材料的基礎(chǔ)上將多種不同密度的材料組合在一起，在距離和時(shí)間相同條件下進(jìn)行模擬，結(jié)果如表5 和圖4 所示，SiO2-Fe-Pb 或SiO2-Pb-Fe 多層屏蔽材料組合效果較好。

表5 多層屏蔽材料組合的模擬Table 5 Layers of shielding material combination simulation單位：Gy∕h

圖4 不同順序屏蔽材料組合的直方圖Fig.4 Different shielding material combination of histogram sequence

4 核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)的安全

在沒(méi)有屏蔽材料的情況下，實(shí)驗(yàn)室兩側(cè)離源近的學(xué)生所受到的劑量最大。所以在上課時(shí)，需要對(duì)學(xué)生的座位進(jìn)行合適的調(diào)整，將學(xué)生盡量往后面安排。采用鉛塊或者SiO2-Fe-Pb組合屏蔽材料后，各點(diǎn)的粒子通量有所減少。所以，上課時(shí)在源面向?qū)W生的一側(cè)加入15 cm厚的鉛塊或SiO2-Fe-Pb組合屏蔽材料。

在放射性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，盡管受到的輻射照射劑量較小，但還是要時(shí)刻注意輻射安全與防護(hù)，可以采取以下措施：（1）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用密封源和弱源；（2）密封源只有在外層包殼窗口被破壞或者是在進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候才會(huì)有放射性，要減少與放射源近距離的接觸時(shí)間，做好防護(hù)；（3）密封的包殼采用極薄的鈹窗，應(yīng)避免放射性物質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染；（4）長(zhǎng)時(shí)間在核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)室或使用強(qiáng)放射源時(shí)，應(yīng)穿防護(hù)服、戴口罩、戴防護(hù)眼鏡、手套等，采取保護(hù)措施，避免帶來(lái)傷害。

在實(shí)際探測(cè)中，實(shí)驗(yàn)室用到的放射源活度較低，且現(xiàn)拿現(xiàn)用。實(shí)驗(yàn)完畢后，應(yīng)整理放射源，工作時(shí)將多余的放射源及時(shí)放回源庫(kù)內(nèi)，并履行歸還手續(xù)。在整個(gè)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在放射源的兩端，也就是在面向?qū)W生和老師的兩端，均要用鉛塊屏蔽，以保證輻射劑量最小[9-10]。

5 結(jié)論

通過(guò)以上分析，本文得到如下結(jié)論：

（1）通過(guò)蒙特卡羅方法模擬的數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)的誤差在6%以內(nèi)；

（2）點(diǎn)源輻射場(chǎng)的劑量分布是按照與源的距離由近到遠(yuǎn)逐漸遞減的，在實(shí)驗(yàn)室兩側(cè)離點(diǎn)源近的位置劑量率比較高，在兩側(cè)的學(xué)生所受到的劑量是最高的；

（3）適當(dāng)調(diào)整學(xué)生的座位，在放射源前面加放一些鉛塊或者SiO2-Pb-Fe 組合的屏蔽材料，可將射線屏蔽掉大部分；

（4）減少受照射時(shí)間以及穿著有屏蔽效果的服裝也是減少輻射的方法。