強(qiáng)n/γ輻射場中輻射劑量模擬計(jì)算

關(guān)志遠(yuǎn) 緒梅 方磊 王明睿 劉云龍

作者單位:102205 北京,陸軍防化學(xué)院核防護(hù)系

強(qiáng)n/γ混合場是由核爆炸源譜造成的,該源譜包括裂變出殼中子能譜和裂變出殼初級γ射線能譜[1-2]。在距離核爆炸爆心一定距離處,人或物質(zhì)受到的照射劑量不僅來源于前兩者,還有一部分來源于中子與空氣和土壤相互作用產(chǎn)生的次級γ射線。筆者探討距爆心投影點(diǎn)0.5～1 km范圍內(nèi),核爆炸早期核輻射中裂變出殼中子、裂變出殼初級γ射線以及中子與空氣和土壤相互作用產(chǎn)生的次級γ射線在人體內(nèi)的沉積劑量。

一、輸運(yùn)模擬幾何模型

在蒙特卡羅模擬計(jì)算過程中,測量初級γ射線在測點(diǎn)處的沉積劑量時,探測器采用光子環(huán)型探測器;測量中子在測點(diǎn)處的沉積劑量時,探測器采用中子環(huán)型探測器,測量中子與空氣和土壤相互作用產(chǎn)生的次級γ射線在測點(diǎn)處的沉積劑量時,探測器采用光子環(huán)型探測器。粒子輸運(yùn)幾何模型。

見圖1[3-4]。探測器采用環(huán)探測器,高度設(shè)置為1.50 m。在不同測量點(diǎn)處,探測位置設(shè)置在距源心投影點(diǎn)0.5～1 km,間隔為100 m的等距采樣點(diǎn)處。模擬源與探測器同高?？諝獠捎煤Ｆ矫娓稍锟諝獬煞?土壤采用我國典型土壤結(jié)構(gòu),密度1.52 g/cm3[5]。中子與土壤相互作用能夠形成感生放射性,且核爆炸中子可以穿透0.50 m厚的土壤層,故為避免模型土壤厚度不足而造成土壤感生放射性模擬不充分帶來的影響,模型設(shè)置土壤厚度為10.00 m[6]。

圖1 輸運(yùn)幾何模型示意圖

二、模擬參數(shù)的設(shè)置

在模擬計(jì)算過程中,模擬輻射源為1 kt當(dāng)量核爆炸釋放的中子能譜和γ射線能譜。輻射源譜采用“小男孩”原子彈的源項(xiàng)數(shù)據(jù),包括裂變出殼中子能譜和裂變出殼γ射線能譜。見圖2。

圖2 “小男孩”原子彈泄漏中子和γ射線能譜

因蒙特卡羅計(jì)算結(jié)果為單一粒子的獨(dú)立重復(fù)模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果,故需對出殼中子和γ射線進(jìn)行量化[7]。模擬仿真過程中，每千噸當(dāng)量的核爆炸釋放的中子的數(shù)量為1.756×10-1moles，其平均能量為3.051×10-1MeV，γ射線的數(shù)量為6.665×10-3moles，其平均能量為1.398 MeV。模型中近地面干燥空氣的核素及原子比例為：N(78.09%)、O(20.95%)、Ar(9.30010-1%)、C(3.016×10-2%)、Ne(1.800×10-3%)、H(6.400×10-4%)、He(5.240×10-4%)、Kr(1.000×10-4%)和Xe(8.000×10-6%)。模型中土壤的核素及原子比例為：O(59.99%)、Si(17.08%)、H(9.52%)、Al(5.69%)、Ca(1.92%)、Fe(1.72%)、Mg(1.58%)、Na(1.25%)、K(1.23)和Mn(0.024%)。

三、模擬源與物質(zhì)相互作用

中子與物質(zhì)的相互作用方式包括:彈性散射、非彈性散射、輻射俘獲以及重原子核的裂變等過程,其中輻射俘獲效應(yīng)是產(chǎn)生次級γ射線的主要來源,其反應(yīng)方程如式1所示。輻射俘獲效應(yīng)是指,中子不需要克服庫倫勢壘而易于進(jìn)入原子核,故在中子與原子核作用過程中,一般是中子先進(jìn)入靶核而構(gòu)成(A+1)同位素核復(fù)合核,進(jìn)而復(fù)合核通過發(fā)射一個或多個光子而回到基態(tài),不在有其他粒子發(fā)射的過程[8]。

(A,Z)+n→(A+1,Z)+γ

(1)

γ射線與物質(zhì)相互作用的主要方式包括:光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng),γ射線與物質(zhì)相互作用的總截面為三者之和。三種效應(yīng)的作用截面如式2～4所示[8]。

光電效應(yīng)總截面στ：

στ≈K×Z4/(hν)3cm2/atom

(2)

康普頓效應(yīng)總截面eσ：

(3)

電子對效應(yīng)截面σκ：

(4)

式中,α為hν/m0c2;K為常數(shù);Z為吸收物質(zhì)的原子序數(shù);re為經(jīng)典電子半徑，單位cm。

四、模擬計(jì)算結(jié)果

模擬仿真結(jié)果為距模擬源心一定距離處,“小男孩”原子彈出殼中子、出殼γ射線以及中子與空氣和土壤相互作用產(chǎn)生的次級γ射線在各測量點(diǎn)處的粒子能量和注量。在考慮不同粒子在人體內(nèi)的沉積劑量時,因中子和γ射線對人體不同組織和器官中的質(zhì)量能量吸收系數(shù)不同,且不同能量的中子或γ射線對人體損傷的程度也不相同,故需要計(jì)算相關(guān)系數(shù)對劑量沉積的影響。

在帶電粒子平衡和輻射場均勻的條件下,中子產(chǎn)生的比釋動能和吸收劑量相等[9-10]。具有譜分布的中子吸收劑量為:

D=K=∑iKfi·Φi

(5)

(6)

具有譜分布的γ射線在物質(zhì)中的吸收劑量為[9]:

(7)

圖3 中子和γ射線對人體軟組織和股骨的損傷因子

在模擬過程中,粒子數(shù)設(shè)置在107～109之間,依據(jù)模擬精度確定。在裂變出殼中子、裂變出殼初級γ射線以及中子與空氣和土壤相互作用產(chǎn)生的次級γ射線三個模擬過程中,均采用mesh權(quán)窗梯度密度迭代的方法,即在每一粒子的模擬計(jì)算時均需進(jìn)行十次迭代[11-14]。通過以上減方差方法,得結(jié)果均滿足環(huán)型探測器測量結(jié)果<10%的要求。見圖4。

圖4 測量點(diǎn)處中子、初級γ射線和次級γ射線的計(jì)算誤差

模擬計(jì)算結(jié)果通過劑量換算,得1 kt當(dāng)量的核武器,采取地面爆炸時,距源心投影點(diǎn)0.5～1 km范圍內(nèi),中子和γ射線在人體股骨和軟組織中的劑量沉積。不同能量的中子和γ射線,在距源心投影點(diǎn)0.5～1 km范圍內(nèi),在人體軟組織和股骨內(nèi)的沉積劑量見圖5～7。

圖5 1 kt當(dāng)量核爆炸釋放的中子在股骨和軟組織中的沉積劑量

圖6 1 kt當(dāng)量核爆炸釋放的初級γ射線在股骨和軟組織中的沉積劑量

圖7 1 kt當(dāng)量核爆炸釋放的次級γ射線在股骨和軟組織中的沉積劑量

經(jīng)模擬計(jì)算1 kt當(dāng)量的核爆炸地面爆炸時,有以下三點(diǎn)結(jié)論:(1)早期核輻射中子、初級γ射線以及中子與空氣和土壤相互作用產(chǎn)生的次級γ射線在人體軟組織和股骨中的沉積劑量,顯示出均隨距源心投影點(diǎn)距離的增加呈指數(shù)遞減的規(guī)律。在距源心投影點(diǎn)0.5～1 km范圍內(nèi),每隔100 m,中子劑量平均衰減2.34倍,初級γ射線平均衰減1.77倍,次級γ射線平均衰減1.94倍.(2)在同一測量點(diǎn)處,早期核輻射在人體軟組織和股骨內(nèi)的沉積劑量,次級γ射線大于初級γ射線遠(yuǎn)大于中子。如在距源心投影點(diǎn)1 km處,人體軟組織和股骨內(nèi),中子激發(fā)的次級γ射線劑量分別為1.20×105Gy和1.05×105Gy,初級γ射線劑量分別為1.80×104Gy和1.58×104Gy,中子劑量分別為2.03×101Gy和1.34×101Gy。人體在受到1 Gy以上的照射時,即會出現(xiàn)骨髓型放射病,屬于急性放射病的一種,當(dāng)達(dá)到6 Gy時,如果不及時治療,全部病員會死亡。由計(jì)算結(jié)果知,距源心投影點(diǎn)0.5～1 km范圍內(nèi)的沉積劑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體能夠承受的劑量。(3)由計(jì)算結(jié)果知,早期核輻射中子、初級γ射線以及中子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的次級γ射線,在軟組織中的沉積劑量均大于在股骨中的沉積劑量。

五、結(jié)論

通過對“小男孩”原子彈裂變出殼中子能譜和裂變出殼γ射線能譜的模擬計(jì)算,以及核爆炸出殼粒子的量化,得到了1 kt當(dāng)量的核爆炸,在距離源心投影點(diǎn)0.5～1 km范圍內(nèi),裂變出殼中子、裂變出殼初級γ射線以及中子與空氣和土壤相互作用產(chǎn)生的次級γ射線的能注量。通過能注量和劑量的轉(zhuǎn)換,得到了裂變出殼中子、裂變出殼初級γ射線以及中子與空氣和土壤相互作用產(chǎn)生的次級γ射線分別在人體軟組織和股骨內(nèi)的劑量沉積。