60Co單源照射裝置的蒙特卡羅方法優化設計

高 飛，肖雪夫，侯金兵，王紅玉，宋明哲，倪 寧，張 力

（中國原子能科學研究院 放射性計量測試部，北京 102413）

參考輻射是輻射劑量監測儀器校準工作必備的條件，60Co單源照射裝置是產生參考輻射場的重要設備。照射裝置的準直設計是為使其產生的參考輻射場具有更良好的輻射特性，但散射貢獻無法避免。輻射場中散射輻射的主要來源有準直器、源屏蔽容器、地面、墻壁以及刻度車等，只能通過優化設計將其控制在合理的范圍內。由于設計思想和實驗方法不同，散射輻射的影響也不相同。如何降低參考輻射場中的散射光子的輻射貢獻始終是一項非常重要的課題[1－4]。本研究以某核電站新研制的一套新型單源照射裝置為例，采用蒙特卡羅模擬方法對60Co單源照射裝置進行優化設計。

1 原理

60Co射線參考輻射場主要用于校準電離輻射劑量儀和劑量率儀并確定其能量響應，通常為準直設計。準直照射裝置的安全容器由足夠厚的鉛制成，將透過容器輻射的注量減小到有用射線束的0.1%，并在源關閉時，將其表面空氣比釋動能率限制到可接受水平（通常為2.5μGy／h）。圖1為準直照射裝置原理圖。

圖1 準直照射裝置原理圖Fig.1 Principle figure of radiation facility

2 蒙特卡羅模擬計算模型

單源照射裝置由散射腔、鉛屏蔽體、快門、內光闌、放射源、前光闌和底座等部分構成。利用MCNP對γ單源裝置進行建模，通過模擬和研究裝置產生的參考輻射的均勻性和散射輻射，實現其優化設計。應用MCNP模擬計算輻射場中散射光子問題時，用到的命令卡包括標題卡、柵元卡、曲面卡、數據卡，其中數據卡包括模擬類型卡、柵元參數及曲面參數卡、源卡、計數卡等。計算模型主要包括輻照裝置、水泥臺、墻壁、地面、刻度車、絲杠及支架等，其中照射裝置包括鉛容器、散射腔、內光闌、快門光闌、外光闌等。為簡化計算，節省計算時間，對上述幾何結構均進行適當的概化處理。圖2為MCNP繪制的概化后的單源照射裝置的計算模型。

照射裝置采用了3組共9片光闌，均由鎢合金（89%的 W、7%的 Ni、4%的Cu）制成，密度為17g／cm3，厚度為1.5cm。實驗室中水泥墻壁的密度為 2.35g／cm3，由 52.9% 的 O、33.7%的Si、1.3%的Fe和12.1%的其他元素組成。空氣密度為1.293mg／cm3，由23.2%的O、76%的N以及C和0.8%的Ar等組成。計算模型如圖3所示，包括照射裝置、墻壁、地面、天花板、空氣、水泥臺和刻度車等。單源照射裝置坐落在1.2m高的水泥臺上，刻度車由車體和轉臺構成，用于架設實驗儀器。通過遠程控制刻度車可調節儀器到放射源的距離，升降臺具有升降功能，通過激光定位系統確保實驗儀器位于輻射場軸心位置。放射源支架材料為鋁合金，鋁合金由93.5%的 Al、0.5%的Si和6%的其他元素如Fe和Cu等組成，密度為2.78g／cm3。60Co源的活性區為φ3mm×6mm的圓柱，材料為 Co，密度為8.9g／cm3，放射源活性區外部包有不銹鋼包殼，放射源為φ6mm×11mm的圓柱體，如圖4所示。

圖2 MCNP繪制的γ單源照射裝置Fig.2 Radiation facility model built by MCNP

圖3 MCNP繪制的輻射場計算模型Fig.3 Reference radiation field model built by MCNP

圖4 MCNP繪制的放射源模型Fig.4 Radiation source model built by MCNP

3 散射腔設計

散射腔用于降低照射裝置自身的散射輻射，散射腔越大作用越明顯，但裝置也越重。利用MCNP計算不同尺寸的圓柱形和球形散射腔對輻射場中散射輻射的影響，模擬計算的散射腔結構如圖5所示。計算模型中參考點到放射源的距離為1m，計算結果列于表1、2。

由表1可知，散射腔的直徑對散射輻射影響較小，散射腔的高度對散射輻射的影響較大，即散射腔的高度越高，由照射裝置屏蔽主體帶來的散射輻射就越小。由表2可知，隨著球形散射腔半徑的增大，裝置屏蔽主體的散射貢獻減小。在相同尺寸條件下，球形散射腔（φ10cm）的散射貢獻比圓柱形散射腔（φ10cm×10cm）的散射貢獻大151%。因此，根據模擬結果將圓柱形散射腔設計為φ4cm×18cm，可使照射裝置屏蔽主體帶來的散射輻射的空氣比釋動能率最低，為總空氣比釋動能率的0.015%。

圖5 MCNP繪制的具有不同散射腔的照射裝置模型Fig.5 Radiation facility model with different scattered chambers built by MCNP

表1 不同尺寸圓柱形散射腔的散射輻射Table 1 Scattered dose caused by different sizes of cylindrical scattered chamber

4 準直光闌設計

準直照射裝置使用準直器限制光束的形狀和大小，照射裝置采用3組共9片光闌，張角為14°，均由鎢合金制成，密度為17g／cm3，每片光闌厚1.5cm。光闌間由20mm的空隙隔開，空隙作為前一光闌邊緣散射光子的捕集器。最后1片光闌厚3mm，其孔徑略大于該點的射線束截面。為確保輻射場中散射輻射的空氣比釋動能率不超過總空氣比釋動能率的5%，利用MCNP對輻射場中散射輻射的分布情況進行研究，模擬計算實驗室內刻度車、準直器、鉛容器、地面和墻壁等的散射貢獻，計算結果如圖6所示。

表2 不同尺寸球形散射腔的散射輻射Table 2 Scattered dose caused by different sizes of spherical scattered chamber

圖6 60 Co輻射場中的散射劑量Fig.6 Scattered dose in 60 Co reference radiation field

由圖6可看出，在60Co輻射場中，鉛容器和地面的散射貢獻均很小。由于鉛容器中散射腔的吸收作用使散射光子進入計數柵元的量很小，因此，在整個輻射場中鉛容器的散射作用很微弱，不足總劑量的0.1%。另外，由于放射源距地面較高，因此，在距放射源6.5m處，準直束并未接觸地面，所以在距離6.5m范圍內地面的散射貢獻也十分微弱，不足總劑量的0.1%。小車的散射貢獻隨距離的增大而增加，由最初不足總劑量的0.1%上升到0.5%，這是由于隨著距離的增大，光子直射小車體并散射造成的。墻壁的散射貢獻也有類似的變化趨勢，隨著參考點與放射源的距離增大，其與輻射場后墻壁的距離減小，因此，后墻壁的散射貢獻才逐漸顯現出來。準直光闌的散射貢獻最大，且變化趨勢也相反，從最初的3.3%下降到2.6%。總的散射劑量先降低后又隨著距離的增大而上升，相對變化量在3%～4%之間，總體來講，單源照射裝置產生的參考輻射中散射輻射不大于總劑量的5%，滿足GB／T 12162.1—2000[5]的要求。

為了解準直光闌對輻射場均勻性的影響，利用MCNP模擬參考輻射場的橫向均勻性，計算結果如圖7所示。

由計算結果可知，由于準直光闌對輻射場的塑型作用，距離輻射源1m處，±12cm范圍內的均勻性好于2%，滿足設計指標。

5 實驗結果

利用PTW Unidos劑量計配32005球形電離室對所研制的單源照射裝置產生的輻射場空氣比釋動能率分布和均勻性進行實驗測量。

圖7 距離放射源1m處輻射場均勻性模擬結果Fig.7 Uniformity result of reference radiation field at distance of 1mwith source

表3列出了輻射場中空氣比釋動能率的測量結果，并對空氣衰減進行修正。GB／T 12162.1—2000[5]中規定經空氣減弱修正后，空氣比釋動能率應在±5%內與放射源中心到探測器中心距離平方的倒數成正比。計算距放射源2、3和4m處空氣比釋動能率修正后的測量結果與理論結果的相對偏差，結果列于表4。

表3 輻射場中不同距離的空氣比釋動能率Table 3 Air kerma rate distribution in reference radiation field

表4 輻射場中散射輻射分布情況Table 4 Scattered radiaiton in 60Co reference radiation field

由表4可知，輻射場中空氣比釋動能率實測值修正后的結果在±2%內與放射源中心到探測器中心距離平方的倒數成正比，滿足相關標準的要求。

圖8為距放射源1.16m處輻射場均勻性的測量結果。以輻射場軸線為中心，±120mm范圍內的空氣比釋動能率相對于軸線中心位置空氣比釋動能率的相對偏差為4.4%，滿足±5%的設計要求。

圖8 距放射源1.16m處的均勻性Fig.8 Uniformity result of reference radiation field at distance of 1.16mwith source

6 不確定度分析

模擬計算8×109個粒子，MCNP計算結果的統計不確定度為0.5%；在計算過程中，無論是計算輻射場的均勻性，還是計算輻射劑量的縱向分布，計數柵元均非理想的點探測器而是具有一定體積，因此，利用柵元計數只能反映參考點位置柵元體積內的平均劑量，為研究柵元體積對計算結果造成的不確定度，模擬計算了輻射場中同一位置不同體積柵元的平均劑量，最大相差0.6%，因此判斷由計數柵元的體積引入的不確定度為0.1%；60Co源活性區域物質的密度并不能精確得知，模擬計算了不同密度（8.0～9.8g／cm3）的60Co放射源在輻射場中同一位置產生的空氣比釋動能率，最大相差0.1%，因此判斷由放射源密度引入的不確定度為0.1%；本文采用ICRU 57號報告發布的注量－空氣比釋動能轉換因子，它對計算結果帶來的不確定度為0.1%[6]；在康普頓和電子對能區內光子截面和物理模型引入的不確定度可達1%[7]。最終得出MCNP計算結果的合成不確

定度為1.3%。

7 結論

利用蒙特卡羅方法對單源照射裝置產生的參考輻射場進行模擬計算，模擬結果與實驗結果比較表明，輻射場中的散射輻射和均勻性均滿足國家標準的要求，為單源照射裝置的設計提供了理論依據，可避免因設計失誤而造成的經濟損失。蒙特卡羅方法能為刻度室輻射場性能的研究提供數據和手段。

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