γ射線吸收系數(shù)蒙特卡洛模擬驗證與展望

程鵬亮，胡 平，魏道斌，饒晨曦，文 麗，張 鵬

（1.銅仁市生態(tài)環(huán)境局，貴州 銅仁 554300；2.銅仁市第二小學(xué)，貴州 銅仁 554300）

當(dāng)前，隨著核科技醫(yī)療水平的發(fā)展，核技術(shù)在醫(yī)學(xué)上逐漸得到發(fā)展。γ射線作為核輻射的重要組成部分，其穿過人體細(xì)胞時，會使細(xì)胞結(jié)構(gòu)內(nèi)的原子和分子發(fā)生離解或激發(fā)。如果分子被離解,有的離解部分就會帶上電荷，這就破壞了細(xì)胞的正常功能，使身體出現(xiàn)異常病變。如果生殖細(xì)胞受到損害，還可能遺傳給下一代，使下一代的生長和發(fā)育反?；蚧蝃1]。正因如此，核輻射越來越受到人們的關(guān)注與重視，核輻射防護(hù)日益成為人們所面臨的重要問題之一。自2016年開啟中央生態(tài)環(huán)境督察以來，核輻射防護(hù)作為生態(tài)環(huán)境保護(hù)重要工作面臨困境已進(jìn)入瓶頸期。核技術(shù)利用環(huán)境影響評價一般都采用類比的方法進(jìn)行，該方法不利于前期的輻射防護(hù)屏蔽的設(shè)計。采用蒙特卡洛方法模擬γ射線吸收和理論值進(jìn)行對比，讓人們更加科學(xué)清楚地認(rèn)識核輻射，并為核技術(shù)利用環(huán)境影響評價報告的前期輻射屏蔽的設(shè)計提供了相應(yīng)的計算方法。

1 γ射線與物質(zhì)的相互作用

γ射線與物質(zhì)相互作用時，主要是發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子偶效應(yīng)3種效應(yīng)。該實驗研究的主要是窄束γ射線在物質(zhì)中的吸收規(guī)律。所謂窄束γ射線，是指不包括散射成分的射線束通過吸收片后的γ光子，僅由未經(jīng)相互作用或稱為未經(jīng)碰撞的光子所組成。

射線在介質(zhì)中的衰減服從指數(shù)規(guī)律[2]：

式中：I為射線經(jīng)過某一介質(zhì)厚度的模擬計數(shù)（減去本底）；I0為起始射線未經(jīng)過介質(zhì)的模擬計數(shù)（減去本底）；d為介質(zhì)厚度，cm；μ為γ射線經(jīng)過介質(zhì)的線吸收系數(shù)，cm-1。

2 MCNP模型建立

利用MCNP軟件建立模型的過程中，將放射源作為點源來處理，模擬的點源為60Co和137Cs源，根據(jù)實驗材料的實物幾何，建立模擬實驗?zāi)Ｐ停鐖D1所示。為了和理論數(shù)值能夠很好地統(tǒng)一，經(jīng)查閱有關(guān)文獻(xiàn)[3]，大理石、水泥板組分的數(shù)據(jù)分別如表1、表2所示，各物質(zhì)的密度如表3所示。此次模擬實驗利用MC軟件中的F4卡計數(shù)。

圖1 MCNP實驗器材模擬圖

表1 大理石主要元素組成 單位：%

表2 水泥板主要組成元素 單位：%

表3 模擬實驗各物質(zhì)密度 單位：g/cm3

3 模擬數(shù)據(jù)擬合分析

采用Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法線性擬合，其中大理石、鉛、鐵、水泥板各自對60Co、137Cs吸收系數(shù)擬合分別如圖2～圖9所示。

圖2 大理石對60Co吸收系數(shù)線性擬合

圖3 鉛對60Co吸收系數(shù)線性擬合

圖4 鐵對60Co吸收系數(shù)線性擬合

圖5 水泥板對60Co吸收系數(shù)線性擬合

以上線性擬合線性方程的斜率即是物質(zhì)對不同能量的線性吸收系數(shù)，整理后的模擬值如表4所示。經(jīng)查閱有關(guān)文獻(xiàn)[4-7]，得知表4的理論值，最后得到相對誤差。

圖6 大理石對137Cs吸收系數(shù)線性擬合

圖7 鉛對137Cs吸收系數(shù)線性擬合

圖8 鐵對137Cs吸收系數(shù)線性擬合

表4 數(shù)值分析表

從表4可以看出，模擬實驗結(jié)果與理論值誤差小，較為準(zhǔn)確。在此基礎(chǔ)上對其他材料在不同能量的吸收系數(shù)進(jìn)行的數(shù)值模擬，但發(fā)現(xiàn)相對誤差小的情況下，模擬值均比理論值小，其原因可能有2點：（1）模擬中沒有考慮自然界的輻射背景值；（2）模擬實驗中采用的F4計數(shù)卡也會對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論與展望

（1）鉛對60Co的線性吸收系數(shù)為0.6376，其相對誤差為0.054006；鐵對60Co的線性吸收系數(shù)分別為0.3924，其相對誤差為0.080815；鉛對137Cs的線性吸收系數(shù)為1.1944，其相對誤差為0.015334。

（2）通過結(jié)論（1）的驗證，采用蒙特卡洛數(shù)值模擬得出：大理石60Co的線性吸收系數(shù)為0.1518；大理石對137Cs的線性吸收系數(shù)為0.2151；水泥板對60Co的線性吸收系數(shù)為0.1183；水泥板對137Cs的線性吸收系數(shù)為0.1492；鐵對137Cs線性吸收系數(shù)為0.5566。

（3）通過部分物質(zhì)模擬值和理論值的比較，相對誤差均在9%以內(nèi)，表明該方法具備現(xiàn)實應(yīng)用的可行性和科學(xué)性。

（4）依據(jù)結(jié)論（3）可認(rèn)定，在輻射環(huán)境影響評價過程中，前期輻射屏蔽設(shè)計部分所采用的類比經(jīng)驗法可用蒙特卡洛方法進(jìn)行替代，提高該過程的科學(xué)性。