基于WinXCom的功能粒子核輻射防護性能模擬計算

徐闊之

摘? 要：為了實現在特定的核輻射環境中，綜合考慮輻射防護性能、材料的柔性、環境保護、經濟成本等約束條件下，實現核輻射防護材料組合的最佳防護性能。應用WinXCom軟件模擬輻射能量，分別模擬計算了單質物質（Pb和W），以及重金屬氧化物WO3和Bi2O3和稀土化合物等氧化物功能粒子，在輻射防護方面的性能，發現單質物質在符合防護中存在明顯的吸收弱區，而兩種化合物的恰當配比能夠實現防護互補效果，且兩種物質的K邊吸收區能量越靠近，其吸收弱區的互補能力越高。

關鍵詞：WinXCom? 輻射? 防護? 性能

中圖分類號：TB332? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（c）-0050-05

Abstract： In order to achieve the best protection performance of the combination of nuclear radiation protection materials under the comprehensive consideration of radiation protection performance， material flexibility， environmental protection， economic cost and other constraints in a specific nuclear radiation environment. Using WinXCom software to simulate radiation energy， the elementary substances （Pb and W）， as well as heavy metal oxides WO3 and Bi2O3， and rare earth compounds and other oxide functional particles were simulated and calculated. In the aspect of radiation protection， it is found that there is obvious weak absorption zone in the elemental matter conforming to the protection， and the appropriate ratio of the two compounds can achieve complementary effects of protection， and the closer the energy of the K-side absorption area of the two substances is， the higher their complementary ability to absorb the weak area.

Key Words： WinXCom; Radiation; Protection; Performance

當前在國內外防護材料的模擬設計領域，應用較為廣泛的工具主要有MCNP、GEANT、EGS和WinXCom等。MCNP、GEANT、EGS三款軟件均是以蒙特卡羅算法為基礎，以隨機抽樣的統計學方法追蹤記錄大量粒子在介質中的運輸軌跡，然后模擬出對應信息，這種利用實驗仿真物理現象的方法，在很多物理問題的研究上，可以減少大型實驗所消耗的資源，同時得出與之相同的結論。WinXCom程序的工作原理是利用光子和物質間的相互作用，來模擬原子系數為1～100的元素與其中的元素構成的化合物或混合物在入射能量位于10-3MeV～103MeV范圍內的伽馬光子的質量衰減系數與三大效應的截面，程序引入的數據源則以Victoreen的半經驗數據為主，在持續的發展過程中，在實驗中進行收集與評估的質量衰減系數被新的XCom所取代[1]。隨著運算方式及散射理論的發展與進步，最終演變為現在領域中結果更加穩定，使用更為便捷的WinXCom軟件。以上4種模擬計算軟件都是在經典的輻射防護理論以及粒子運輸模型的基礎上實現的，對于仿真材料元素對防護的性能，能夠比較真實的表現出來，但是難以從微觀的角度表現出實際的材料防護性能，或者對外部老化環境及相似的材料的防護性能很難得到明確的計算結果，因此對功能粒子的輻射防護性能的模擬實驗結果，往往只能夠看作實驗數據，在材料的防護性能方面提供判斷的參考依據。

1? 相關研究概述

國內外學者經常利用模擬計算的實驗方式，將實驗結果作為獲取新材料或者篩選最優材料的參考依據。Singh等[2]利用WinXCom軟件模擬計算了不含鉛的防護材料鎢合金及其化合物對1KeV～100GeV的伽馬射線與2～12MeV的中子的防護作用效果，證明了鎢合金及其化合物的吸收層效果優于鉛;Elm ahroug等[3]使用WinXCom軟件模擬對比了4種樹脂的防護性能，得到了不同種類材料的能量局部相互作用的衰減系數，得出了更加明顯的結論，對于掌握材料的屏蔽原理和材料的防護性能的結論更加清晰;張志程等[4]通過對比計算的方式，分別用MCNP與WinXCom模擬計算無鉛鉍玻璃的防護能力，發現兩次計算得到的結果無明顯差距，在避免了大型實驗的情況下，用科學的方法發現了取代鉛玻璃的新型防護材料;楊師儼等[5]采用WinXCom軟件模擬計算了尾礦砂豁免模型，還利用材料的優化設計實現了混合物的最優防護方案，可以作為材料實際防護性能判斷的依據。

綜上，能夠利用模擬軟件替代物理實驗，并得到有力的參考依據，能夠節約一定的實驗資源，縮短研究時間，提高了研究效率，同時得到科學的結論。在射線與物質的相互作用以及輻射防護理論的前提下，采用WinXCom軟件對核輻射防護中常見的功能粒子對射線的防護性能進行模擬計算，期望得到諸如此類的粒子對射線的邊界防護特征或不同粒子的防護中的補充效應[6-7]。模擬計算的結果，能夠作為制備柔性符合防護材料的最優配比提供實驗的理論參考依據。

2? 防護材料的優化設計

從核電站及核應用場景的常規輻射防護要求和事故特殊防護需求的角度，能夠滿足最優的輻射防護能力（最高程度的屏蔽各類射線）、柔軟易用（能在各類不規則的空間穿戴同時防止輻射泄漏）、穩定性強（性能穩定，不易出現損壞的可能）、應用簡便等要求，作為材料設計的標準[8]。核輻射防護材料的核心是能夠盡可能多的屏蔽射線，保護作業人員。核電站及相關的輻射場景中通常是多種射線并存，形成了復雜的射線輻射空間，單一的輻射材料雖然能夠有效屏蔽某個或某些射線，但是很難做到系統性防護效果。非金屬防護材料和金屬防護材料在射線屏蔽上都有各自的優點，而兩者以最優的方式融合形成的新材料，往往更能夠滿足人們對射線屏蔽的要求。非金屬材料與金屬材料如何有機的結合，成為實現有效防護的關鍵。金屬材料能夠與聚合物材料符合來制備防護材料，但兩者如何配比，對最終的材料各方面的性能影響較大。為此，本文的設計構想為，利用合金纖維化來實現合金的“軟化”，接著應用相應的技術使之與非金屬材料有機結合，制備復合防護材料。在優化設計過程中，不斷接受反饋，進行調整，得到最優化的復合實驗效果。

3? 單一粒子核輻射防護性能進行模擬計算

常規的輻射防護材料主要含有重金屬元素Pb，而Pb存在于吸收弱區，且伴有韌致輻射，當核輻射的能量范圍為30～150KeV（比如醫院的放射療法的輻射）時，就會將Pb的吸收弱區（40～88KeV）包含在這一范圍之內，而且金屬材料鉛的力學性能較差，比重大，在能夠滿足防護性能的情況設計新型的合金符合材料，主要依據重原子系統數對輻射防護效果高低來判斷，當前比較廣泛的研究者以無鉛的含W，Bi2O3，鋇的化合物或者單質和稀土氧化物之中的某些為主要制備設計方案。根據研究較多的金屬單質和我國資源可實用性等條件，選擇Pb與W單一元素的射線屏蔽效果加以對比模擬計算，照射的光子輻射能量取0.001～2MeV，其模擬計算的結果如圖1所示。

從圖1能夠得到，線性衰減系數和質量衰減系數之間的關系會因為物質密度的不同而變化，粒子的射線屏蔽效果質量衰減系數和射線的能量有很大的相關性。Pb與W都在低能段表現出它們的吸收弱區，W的吸收弱區為40KeV～70KeV，范圍小于Pb，在稍微超出K層吸收邊時，其質量衰減系統突然變大，變化的幅度超出四倍，符合材料優化的特性。雖然高原子系數的粒子也可能在低能量的情況下表現出吸收弱區，但是防護的綜合性能仍然優于高等段的情況，且會隨著射線能量的提升而明顯變弱，低能量段減弱出現了指數減少特征，高等段表現為線性減少特征，主要是由于高能量的作用方式比較復雜，會有累積效應，所激發的電子較多。可以看出Pb的質量衰減系數優于W，其密度卻小于W，因此線性衰減系數卻劣于W，在忽略重量因素的影響時，同樣厚度的Pb和W制材料，等量的含W的材料的輻射防護性能要優于Pb。

4? 功能粒子的篩選及優化組合模擬計算

決定物質以“光電效應”過程吸收射線能量多少的關鍵不在于吸收粒子原子序數的大小，而應該是吸收粒子的K層吸收邊的位置，即射線粒子把K層電子射出，能夠使其脫離原子核束縛所需要的最低能量的大小，也就是電子密度。如果吸收粒子的K層吸收邊恰好能夠覆蓋所吸收射線的能量或能譜區，那么其就是吸收這一能量射線的最優吸收粒子[9-10]。

基于射線屏蔽能力、經濟劃算與環境保護的角度考慮，選用下面的具有屏蔽元素（W、Bi、稀土）的氧化物作為模擬計算對象，為了躲避不同元素的吸收弱區，對它們實施篩選以實現最優組合的模擬。首先對粒子WO3和Gd2O3在不同配比情況的能量梯度進行模擬計算，選用具備顯著特征峰的放射源：241Am：59.6KeV，57Co：122KeV，133Ba：356KeV，137Cs：662KeV，60Co：1173KeV與1332KeV，進行模擬計算實驗，所得屏蔽效果如圖2所示。

圖2的模擬計算結果能夠得出，在低等情況下，Gd2O3的含量越高，防護性能也越高，當能量大于122KeV時，WO3含量占比更高的防護性能便越好;在高能情況下，WO3與Gd2O3配比變化時，材料的防護性能并沒有顯著改變，但二者的配比值為1：1的情況下，同時具備中低能量的防護性能，會受到材料屏蔽范圍的擴大發生顯著的增加，且表現為低能區上升顯著，中能區減弱緩慢，說明二者在射線屏蔽上具有互補的作用。同理，在其他功能粒子的配比實驗中，也在1：1的比值下得到了模擬計算的相對優化結果。

以此為基礎，選用更多的重金屬與稀土氧化物和WO3進行組合優化模擬，光子的能量在0.001～2MeV范圍的材料質量衰減系數如圖3所示;低能量射線6KeV～100KeV的防護性能如圖4所示。

從圖3中能夠看出功能粒子隨著射線能量的增大，質量衰減系統會減小，在高能射線情況下，屏蔽的結果相對較低，并趨于一致，無明顯差異，Bi2O3在中等能量范圍的防護效果表現最佳。

從圖4可以看出，在普通的醫療放射環境下（發射能量較低），各個功能粒子的輻射防護性能表現出比較大的差異，單一粒子出現了單一的吸收峰，同時復合功能粒子防護材料則有兩個吸收峰，且變化過程比較平滑，可以體現出不同粒子互補的吸收弱區，特別是稀土元素的K層吸收邊恰好位于此范圍能量周邊，擴大了輻射防護的能量范圍。而其它能量范圍，防護性能卻不能與含有重原子系數的W和Bi的氧化物相比。在特定的輻射環境中，采用以上方案的粒子配比組合制備防護材料，可以在盡可能降低成本的情況下，提高材料的輻射防護性能。另外，從圖4中還能看出，WO3做基體混合稀土元素的防護性能在幅度拓寬方面要優于Bi2O3，各類稀土氧化物之間，K層吸收邊越是接近WO3，防護幅度拓寬效果越好，因此，如果采用兩種相對靠近的粒子互補的輻射防護性能也會更佳。

5? 功能粒子對硅橡膠的性能改進模擬實驗

實際工作使用時，除了要求所用材料能夠很好的實現對核輻射的防護之外，材料本身的綜合性能也會對實際應用產生較大的影響。在此，使用實驗模擬的方式對柔性的溫室硫化硅橡膠復合核輻射防護材料加以模擬與改進，希望在實現防護性能提升的基礎上達到使用方便的效果。選用不同組分的鎢含量硅橡膠在防護幾種常見的具有不同能量梯度，且特征峰差異顯著的放射源（241Am：59.6KeV，57Co：122KeV，133Ba：356KeV，137Cs：662KeV，60Co：1173KeV 和 1332KeV）方面的效果模擬實驗，結果如圖5所示。

從圖5來看，當基體中的含鎢比例增高時，輻射防護能力提升，尤其是中低能量范圍內，質量衰減系數遠遠大于高能區范圍，甚至超越了一個數量級，當鎢含量在55phr以內的情況下，增加一定的鎢含量比例能夠明顯提升材料的防護性能，超出這個范圍后，鎢在提升硅橡膠的防護性能方面的增量開始放緩，可見鎢和硅橡膠的防護性能差異顯著，硅橡膠以產生康普頓效應為主[11]，但是一定含量范圍的鎢主要依靠光電效應吸收中低范圍能量射線，鎢含量超過某個比例時，康普頓效應減弱，防護性能減緩;而在高能量范圍內鎢的含量對質量衰減系數的影響有限，60Co能量射線和物質以發生康普頓散射效應為主，當出現光電效應時，鎢的作用便只體現在產生極少的光電效應上，所以鎢的多少對防護性能的影響十分有限;當質量衰減系數持平時，致密度的影響突出，材料的密度越大則其厚度也會明顯變小，因此在限制既定的情況下，選用適當的含量不但能夠實現優秀的防護能力，而且可以降低材料成本，實現材料應用效率的最大化。

6? 結語

應用WinXCom軟件首先對金屬單質Pb和W進行了光子屏蔽質量衰減系數的模擬計算，接著對重金屬氧化物WO3和Bi2O3進行模擬計算，最后對稀土氧化物稀土氧化物Gd2O3、Sm2O3和以WO3為基體的其他重金屬氧化物及稀土氧化物的混合進行了相同的模擬運算。目的是得到功能粒子在核輻射防護性能上的最佳組合，從而能夠改善核輻射防護材料的材質，制備在特定輻射能量下，能夠實現既定要求材料下的防護性能最優的材料。得到的結果為：

（1）對于單質的物質質量衰減系數和輻射能量有很高的相關性，其質量衰減系數會因為輻射能量的增加出現大幅下降的現象;在低能范圍下，下降規律呈現指數變化情況，同時表現出明顯的吸收弱區，且在高能情況下具有線性衰減趨勢。

（2）根據K邊吸收區的互補規律，將多種配比的防護功能粒子做優化組合模擬運算，發現組合材料相對于單質粒子的防護性能弱化了吸收弱區，而且兩種組合粒子的K邊吸收區能量越靠近，其吸收弱區的互補能力越高。

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