γ射線參考輻射周圍劑量當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)電離室的蒙特卡羅模擬

宋明哲，魏可新，高 飛，侯金兵，王紅玉，倪 寧

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

外照射輻射劑量監(jiān)測(cè)的目的是控制工作人員和公眾的輻射劑量，使其小于國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)(ICRP)所確定的劑量限值。而劑量限值是由防護(hù)量——當(dāng)量劑量和有效劑量確定的[1]，兩者均建立在精確的模擬計(jì)算和生物學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，在實(shí)際工作中無法直接測(cè)量。測(cè)量用儀表的校準(zhǔn)又是輻射劑量準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的前提和保障，然而現(xiàn)行的輻射計(jì)量學(xué)體系不是建立在防護(hù)量而是建立在注量、空氣比釋動(dòng)能和吸收劑量等基礎(chǔ)物理量之上。因此，國(guó)際輻射單位與測(cè)量委員會(huì)定義了一組實(shí)用量，在輻射計(jì)量學(xué)體系中，實(shí)用量由基本量乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)確定。實(shí)用量既能為防護(hù)量提供有效估計(jì)，又能夠作為輻射監(jiān)測(cè)中使用的劑量?jī)x表的校準(zhǔn)量。對(duì)于場(chǎng)所監(jiān)測(cè)，相應(yīng)的實(shí)用量為周圍劑量當(dāng)量H*(d)和定向劑量當(dāng)量H'(Ω,d)；對(duì)于個(gè)人劑量監(jiān)測(cè)，相應(yīng)的實(shí)用量為個(gè)人劑量當(dāng)量Hp(d)[2]。

1992年奧地利的ARCS實(shí)驗(yàn)室研制出H*(10)標(biāo)準(zhǔn)電離室的原型[8]，2006年德國(guó)PTB實(shí)驗(yàn)室的Ankerhold成功將其改進(jìn)，使之在12 keV～7 MeV的光子能量范圍內(nèi)有很好的能量響應(yīng)[9]。此種電離室采用由4層球壁組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其中最薄的一層為310 nm的Bi， Ankerhold發(fā)現(xiàn)，此種電離室由于其復(fù)雜的能量補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，球壁上微小的厚度差別都會(huì)使其能響性能產(chǎn)生根本的改變，因此不宜批量生產(chǎn)。本研究采用蒙特卡羅模擬方法，擬提出一種結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單且性能滿足ISO4037-4要求的H*(10)標(biāo)準(zhǔn)電離室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，為H*(10)標(biāo)準(zhǔn)電離室的建立提供指導(dǎo)。

1 模擬計(jì)算

MCNP4C蒙特卡羅模擬方法 (Monte Carlo N-particle transport code，MCNP)是由美國(guó)LOS Alamos國(guó)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，該軟件操作簡(jiǎn)單，易于描述較為復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。本工作擬采用MCNP4C程序模擬計(jì)算不同結(jié)構(gòu)和材料的電離室球壁對(duì)電離室能量響應(yīng)的影響。

1.1 組織等效球殼能量響應(yīng)

輻射場(chǎng)一點(diǎn)上的周圍劑量當(dāng)量H*(d)是由擴(kuò)展齊向場(chǎng)在ICRU球內(nèi)與齊向場(chǎng)相反方向的半徑上深度d處所產(chǎn)生的劑量當(dāng)量，對(duì)強(qiáng)貫穿輻射的建議深度為d=10 mm，記為H*(10)。H*(10)定義于ICRU球中，為此首先模擬計(jì)算包括ICRU組織在內(nèi)的8種組織等效材料球殼的能量響應(yīng)，模擬采用MCNP4C程序的*F8輸出卡，計(jì)算外徑200 mm，球壁厚10 mm內(nèi)空氣的沉積能量，模擬計(jì)算模型和結(jié)果分別示于圖1和圖2。

圖1 模擬計(jì)算模型Fig.1 Monte Carlo simulation model

圖2 8種組織等效材料球壁能量響應(yīng)模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results of energy response for 8 types tissue equivalent material shell

由圖2可知，無論是采用ICRU組織還是采用其他組織等效材料作為電離室室壁，都無法獲得滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的能量響應(yīng)結(jié)果。

1.2 組織等效球殼內(nèi)附Al壁后的能量響應(yīng)

由圖2同樣可知，除能量低于40 keV時(shí)響應(yīng)差別較大外，各球殼對(duì)40 keV～3 MeV的光子能量響應(yīng)較為一致，且響應(yīng)“低谷”均位于40 keV～200 keV之間。如能夠采用某種方式補(bǔ)償這段能區(qū)的響應(yīng)，可滿足電離室設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)[10]，如在電離室內(nèi)部附加一層Al殼，可以提高100 keV處能量響應(yīng)。為此，分別模擬計(jì)算外徑200 mm，壁厚5 mm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)內(nèi)附0.3 ～0.6 mm的Al層后的能量響應(yīng)，結(jié)果示于圖3。

圖3 PMMA球殼內(nèi)附不同厚度Al層后能量響應(yīng)模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of energy response after adding different thickness Al layer inside PMMA shell

由圖3可知，當(dāng)在5 mmPMMA球殼內(nèi)部附加0.3 mmAl后，球殼對(duì)20～1 330 keV的光子能量響應(yīng)均處于0.8～1.0之間，已經(jīng)能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；但是，如果能夠在不降低100 keV以下光子響應(yīng)的前提下，提高100～500 keV的能量響應(yīng)，就能夠達(dá)到更加理想的能量響應(yīng)結(jié)果。

1.3 組織等效球殼內(nèi)附雙金屬補(bǔ)償片后的能量響應(yīng)

對(duì)比圖2和圖3所示結(jié)果可知，Al的添加使其30 ～100 keV能響顯著增加。如果在PMMA內(nèi)部附加原子序數(shù)更高的金屬，或可得到更為理想的響應(yīng)結(jié)果，為此，分別模擬計(jì)算外徑20 cm，壁厚5 mm的PMMA內(nèi)附0.1～1.2 mm的Pb層后的能量響應(yīng)，結(jié)果示于圖4。

由圖4可知，Pb的添加雖然能夠補(bǔ)償100～500 keV的能量響應(yīng)，卻嚴(yán)重降低了低能端的響應(yīng)。為此，本研究采用了“雙金屬補(bǔ)償法”，以貼片的方式，在PMMA球殼內(nèi)部附加兩種金屬，通過調(diào)整金屬面積獲得最為優(yōu)化的球殼設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。為此，建立如圖5所示模擬模型，圖5中電離室外徑200 mm，PMMA層厚5 mm，內(nèi)附厚度均為1 mm Al和1 mm Pb補(bǔ)償片，改變補(bǔ)償片的面積，周圍劑量當(dāng)量響應(yīng)結(jié)果列于表1。

圖4 PMMA球殼內(nèi)附不同厚度Pb層后能量響應(yīng)模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of energy response after adding different thickness Pb layer inside PMMA shell

圖5 雙金屬補(bǔ)償電離室模型Fig.5 The two metal compensated ionization chamber model

對(duì)于30～1 500 keV的光子，最大響應(yīng)與最小響應(yīng)比為1.12，兩段能區(qū)的光子響應(yīng)均滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO4037-4的要求。

2 結(jié)果與討論

由表1數(shù)據(jù)可知，當(dāng)PMMA球殼內(nèi)附6%的1 mm Pb片和43%的1 mm Al片時(shí)，對(duì)于15～1 500 keV的光子，電離室對(duì)周圍劑量當(dāng)量響應(yīng)的變化范圍為0.91～1.02，其中對(duì)于15～30 keV的光子，最大響應(yīng)與最小響應(yīng)比為1.10；

3 結(jié)論

利用MCNP4C程序，建立了基于雙金屬補(bǔ)償法的H*(10)電離室模擬計(jì)算模型。模擬計(jì)算結(jié)果顯示，對(duì)于15～1 500 keV的光子該電離室能量響應(yīng)能夠滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO4037-4的要求，為H*(10)標(biāo)準(zhǔn)電離室的建立提供了模擬計(jì)算依據(jù)。

表1 不同結(jié)構(gòu)下周圍劑量當(dāng)量響應(yīng)

注：歸一至1 MeV

參考文獻(xiàn)：

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