全景γ參考輻射場(chǎng)中散射輻射的蒙特卡羅模擬

高 飛，肖雪夫，倪 寧，張 力

(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

用于輻射監(jiān)測(cè)儀器校準(zhǔn)檢定的光子參考輻射及校準(zhǔn)方法通常有兩種，為準(zhǔn)直束法和全景法。準(zhǔn)直束法是指輻射場(chǎng)經(jīng)過準(zhǔn)直限束后沿一個(gè)有限的范圍和方向出射，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，參考輻射準(zhǔn)直束應(yīng)具有良好的輻射場(chǎng)特性，在輻射野內(nèi)輻射場(chǎng)均勻，散射貢獻(xiàn)小；全景法是將放射源暴露在曠野或很大的房間內(nèi)(最小尺寸為3 m×3 m×4 m)，輻射源周圍沒有任何屏蔽，將放射源置于某一高度(通常為1 m以上)，在一定的距離上校準(zhǔn)儀表。全景法的優(yōu)點(diǎn)是輻射場(chǎng)均勻性較好而且能同時(shí)校準(zhǔn)多臺(tái)儀表。缺點(diǎn)是被校儀表除了會(huì)受到來自輻射源的有用輻射(初級(jí)輻射)以外，還會(huì)受到周圍物質(zhì)(如地面、墻壁和支架等)散射輻射。因此，用全景法檢定儀表時(shí)，要求輻射場(chǎng)周圍必須有一定的空間，并對(duì)散射輻射進(jìn)行修正。全景法在我國20世紀(jì)80年代廣泛用于環(huán)境γ劑量儀表的校準(zhǔn)[1-2]，并在1983年至1990年間的全國環(huán)境天然放射性水平調(diào)查中得到廣泛應(yīng)用，但之后并沒有系統(tǒng)的建立校準(zhǔn)用途的環(huán)境水平參考輻射場(chǎng)[3]。全景γ參考輻射場(chǎng)在γ劑量儀表的校準(zhǔn)中具有重要的作用。本研究擬利用蒙特卡羅方法對(duì)開放和封閉兩種幾何條件下的γ全景參考輻射場(chǎng)中的劑量率分布情況進(jìn)行模擬計(jì)算，并對(duì)輻射場(chǎng)中散射輻射情況進(jìn)行研究。將封閉幾何條件下的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較后建立并完善計(jì)算全景γ參考輻射場(chǎng)中散射輻射的蒙特卡羅方法。

1 模擬計(jì)算

蒙特卡羅方法通過對(duì)粒子與物質(zhì)相互作用過程的隨機(jī)模擬，跟蹤每一個(gè)粒子的輸運(yùn)過程，來獲得物理量。此方法的精確度很高，尤其對(duì)放射性劑量的計(jì)算，被公認(rèn)為是當(dāng)前所有劑量計(jì)算方法中最精確的一種。

MCNP(Monte Carlo N-Particle transport code)軟件是由美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室研制的一個(gè)大型的、多功能的粒子輸運(yùn)程序[4]。MCNP簡單易操作，本工作采用MCNP程序?qū)Ζ萌皡⒖驾椛鋱?chǎng)的劑量分布和散射情況進(jìn)行模擬計(jì)算。

1.1 開放空間γ全景參考輻射場(chǎng)

開放空間γ全景輻射場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡單易于搭建，通常將刻度源和儀表置于地勢(shì)平坦的戶外，待檢儀表和放射源處在同一高度上，距離地面高于1.5 m，通過調(diào)整待檢儀表到放射源之間的距離來獲得不同的劑量率。隨著距離的增加，輻射場(chǎng)的散射貢獻(xiàn)將會(huì)變大，成分也將更加復(fù)雜，散射來源如圖1所示[5]。

圖1 開放空間γ全景參考輻射場(chǎng)示意圖Fig.1 Open geometries free-field gamma reference radiation field

輻射場(chǎng)主要由直射光子、空氣散射、地面散射和本底等構(gòu)成[5]。利用MCNP蒙特卡羅程序計(jì)算了137Cs和60Co刻度源產(chǎn)生的開放空間γ全景參考輻射場(chǎng)中不同距離上的散射分布，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析比較。

在MCNP計(jì)算模型中，土壤由O(53.5%)、Si (34.3%)、Al(3.8%)、Fe(1.8%)、K(1.7%)，Ca(1.6%)和Mg(1.4%)等元素構(gòu)成，密度為1.37 g/cm3。空氣則由N(75.7%)、O(24.3%)兩種元素構(gòu)成，密度為1.29 mg/cm3。放射源為137Cs(能量0.661 6 MeV)和60Co(能量分別為1.173 3 MeV和1.332 5 MeV)，距離地面1.5 m。表1和表2分別列出了137Cs和60Co全景輻射場(chǎng)中，距離放射源0.5 m～50 m范圍內(nèi)，散射空氣比釋動(dòng)能率占總空氣比釋動(dòng)能率的百分比。

利用MCNP程序中F4命令計(jì)算參考點(diǎn)處的光子注量率Φ，利用DE/DF命令將計(jì)算得到的光子注量率乘以Ka/Φ換算因子換算為空氣比釋動(dòng)能率。Ka/Φ為光子注量率-空氣比釋動(dòng)能率換算因子，表示輻射場(chǎng)中某一能量光子的注量率產(chǎn)生的劑量率[6]，單位為pGy·cm2。為了滿足統(tǒng)計(jì)需要，球形計(jì)數(shù)柵元的半徑從5 cm(距離源為0.5 m)增加到40 cm(距離源為50 m)，并通過設(shè)置不同重要性來計(jì)算輻射場(chǎng)中地面的散射貢獻(xiàn)。在模擬計(jì)算過程中將地面介質(zhì)的重要性設(shè)置為零，所有經(jīng)地面散射并進(jìn)入計(jì)數(shù)柵元的光子將被“殺死”，則剩余的散射貢獻(xiàn)全部由空氣造成，由此區(qū)分輻射場(chǎng)中地面和空氣的散射劑量率。另外，MCNP程序能夠計(jì)算直射光子的空氣比釋動(dòng)能率，從而可以得到參考輻射場(chǎng)中的總散貢獻(xiàn)。

表1 137Cs全景輻射場(chǎng)中散射輻射劑量率占直射輻射劑量率的百分比Table 1 Scattered dose in 137Cs free-field gamma reference radiation field

表2 60Co全景輻射場(chǎng)中散射輻射劑量率占直射輻射劑量率的百分比Table 2 Scattered dose in 60Co free-field gamma reference radiation field

表1和表2計(jì)算結(jié)果表明，在放射源距離地面高1.5 m的情況下，地面散射貢獻(xiàn)在距離放射源10 m～15 m范圍內(nèi)最大，空氣散射貢獻(xiàn)則隨著距離的增加而增大。比較可知，在相同距離上，60Co輻射場(chǎng)中總散射比137Cs輻射場(chǎng)中總散射小，散射貢獻(xiàn)隨光子能量的升高而減小。計(jì)算過程中輸運(yùn)粒子數(shù)為109，用時(shí)0.5 h～1 h，計(jì)算結(jié)果的不確定度≤2%。

1.2 封閉空間γ全景參考輻射場(chǎng)

開放空間γ全景參考輻射場(chǎng)的搭建會(huì)受到溫度、濕度、氣候和場(chǎng)所等諸多因素的限制。相比較而言，在實(shí)驗(yàn)室中搭建全景參考輻射場(chǎng)更為方便。用于搭建封閉空間γ全景參考輻射場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部尺寸不小于4 m×4 m×3 m(高)[7]，封閉空間γ全景參考輻射場(chǎng)示意圖示于圖2，輻射場(chǎng)主要由直射光子、空氣散射、地面散射和本底等構(gòu)成。

圖2 封閉空間γ全景參考輻射場(chǎng)Fig.2 Closed geometries free-field gamma reference radiation field

由圖2可知，封閉空間γ全景參考輻射場(chǎng)中散射情況更為復(fù)雜，除了地面、空氣和本底輻射以外，還有墻壁、屋頂和其他設(shè)備的散射。為研究其散射輻射分布情況，在國防科技工業(yè)電離輻射一級(jí)計(jì)量站的低能X照射量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中搭建了臨時(shí)的γ全景參考輻射場(chǎng)，并進(jìn)行模擬研究。利用MCNP程序計(jì)算了距離放射源1、1.25、1.5、1.75、2、2.25、2.5、2.75和3 m處的劑量率，并對(duì)輻射場(chǎng)中的散射成分進(jìn)行模擬研究。MCNP計(jì)算程序的柵元標(biāo)記(CF)命令能夠區(qū)分來自不同物體的散射光子，從而能夠確定輻射場(chǎng)中不同物體對(duì)參考點(diǎn)處總劑量率的散射貢獻(xiàn)。

MCNP計(jì)算模型包括：實(shí)驗(yàn)室墻壁、刻度車、X光機(jī)和儲(chǔ)物柜等重要散射物體，模型尺寸和實(shí)際物體尺寸一致，計(jì)算過程中放射源距離地面1.5 m高，位于房間中央，實(shí)驗(yàn)室的尺寸為5.6 m(寬)×6 m(高)×11 m(長)，墻壁材料為水泥，厚度為30 cm。刻度車用于承載探測(cè)器，能夠在軌道上自由移動(dòng)，以調(diào)節(jié)探測(cè)器到放射源的距離。另外，小車上有高度可調(diào)的鋁制平臺(tái)，以確保探測(cè)器與放射源保持在同一高度，輻射場(chǎng)中散射分布的計(jì)算結(jié)果示于圖3。

圖3 137Cs封閉空間全景輻射場(chǎng)中散射分布模擬Fig.3 Scattered dose in 137Cs closed free-field gamma reference radiation field

由圖3可知，隨探測(cè)器與放射源距離由1 m增加到3 m，總散射占總空氣比釋動(dòng)能率由3.3%增加到18%。在探測(cè)器與放射源間距約1.3 m處，散射超過5%。散射主要來源于墻壁、空氣、小車和儲(chǔ)物柜等物體。而其中墻壁的散射最大，約占總散射的65%，并且隨著距離的增加而增加，由60.6%(距離源為1 m)增加到67.7%(距離源為3 m)，地面散射由1%增加到5.5%，其他散射物體(儲(chǔ)物柜和X光機(jī)等)的散射并不明顯，可以忽略。在距離放射源3 m處，封閉空間137Cs γ射線全景參考輻射場(chǎng)中的散射貢獻(xiàn)比開放空間的散射貢獻(xiàn)高出約10%。

圖4 137Cs封閉空間全景輻射場(chǎng)中劑量分布的模擬Fig.4 Dose distribution in 137Cs closed free-field gamma reference radiation field

137Cs(活度為1.66×108Bq)劑量率分布的MCNP蒙特卡羅模擬結(jié)果示于圖4。由圖4可知，隨著距離的增加，劑量率由14 μGy/h(距離源1 m處)下降到1.8 μGy/h(距離源3 m處)。

2 結(jié)果

采用PTWUNIDOS主機(jī)和PTW32003球形電離室測(cè)量距離放射源1、1.5、2、2.5 m處的劑量率，并將測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果示于圖5。此電離室靈敏體積較大，測(cè)量效率高，統(tǒng)計(jì)漲落較小，測(cè)量結(jié)果合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度(k=2)為3.9%。

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)量與模擬計(jì)算對(duì)比Fig.5 Comparison of experimentation and calculation

由圖5可知，137Cs(活度為1.66×108Bq)封閉全景參考輻射場(chǎng)中劑量分布情況模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，最大相對(duì)誤差出現(xiàn)在距離放射源1 m處(為-4.4%)，最小誤差為-1.8%(距離為2.5 m)。分析發(fā)現(xiàn)，在不同的距離上實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)高于MCNP模擬計(jì)算結(jié)果，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果未扣除環(huán)境本底劑量率0.12 μGy/h。另外，為了縮短計(jì)算時(shí)間，計(jì)算模型做了適當(dāng)簡化，可能對(duì)散射成分估計(jì)不足，從而造成計(jì)算結(jié)果偏小。

3 結(jié)論

利用蒙特卡羅方法對(duì)封閉和開放幾何條件下的全景γ參考輻射場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，模擬計(jì)算了輻射場(chǎng)中空氣比釋動(dòng)能率的分布和散射情況，建立了研究全景輻射場(chǎng)性質(zhì)的蒙特卡羅模型和研究方法。通過對(duì)刻度室中輻射場(chǎng)性質(zhì)的研究，為日后相關(guān)參考輻射場(chǎng)的設(shè)計(jì)與建造提供優(yōu)化設(shè)計(jì)意見。為刻度室輻射場(chǎng)性能的提高提供理論數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]金花，岳清宇.高壓電離室靈敏度因子的刻度和估算[J].輻射防護(hù)，1984，4(6)：412-417.

Jin Hua,Yue Qingyu. Calibration and Estimation of the Sensitivity Factor for a Pressurized Ionization Chamber[J].Radiation Protection,1984,4(6)：412-417(in Chinese).

[2]丁民德.測(cè)定環(huán)境天然本底輻射的高氣壓電離室[J].輻射防護(hù)，1980，1：11-16.

Ding Minde. High Pressure Ionization Chamber Used in Determination of Natural Background Radiation[J].Radiation Protection. 1980，1：11-16(in Chinese).

[3]何振蕓，羅國楨，黃家矩.全國環(huán)境天然放射性水平調(diào)查研究(1983-1990年)概況[J].輻射防護(hù)，1992,12(2)：81-95.

He Zhenyun,Luo Guozhen,Huang Jiaju. National Survey of Environmental Natural Radioactivity Level in China[J].Radiation Protection. 1992,12(2)：81-95(in Chinese).

[4]Judith F. Briesmeister. MCNPTM-A General Mo-nte Carlo N-Particle Transport Code[J].Los Alamos National Laboratory Los Alamos, New Mexico.

[5]L.Bφtter-Jensen and P.Hedemann Jensen. Determination of scattered gamma radiation in the calibration of environmental dose rate meters[J].Radiation Protection Dosimetry, 1992，42(4)：291-299(1992).

[6]International Commission on Radiation Units and Measurement. Conversion Coefficients for Use in Radiological Protection against External Radiation. ICRU Report 57[R]. Bethesda Maryland USA:ICRU Publications Office, 1998.

[7]International Organization for Standardization. X and Gamma Reference Radiations for Calibrating Dosemeters and Doserate Meters and for Determining their Response as a Function of Photon Energy—Part1: Radiation Characteristics and Production Method[R]. Geneva Suitzerland: ISO Publication Office, 1997: 4 037-4 038.