γ射線輻射場的建立

閆海霞 李巖 李鋼 楊斌 楊大戰 周冬亮

摘要：本文介紹了電離輻射的基礎理論，以及伽馬輻射場的光闌設計，該類輻射場的應用范圍十分廣泛，對農業、醫學和工業等領域都有著十分重要的意義。

關鍵詞：X射線輻射場;γ射線輻射場;光闌

中圖分類號：TP368 ?文獻標識碼：A

1引言

目前在輻射劑量監測方面無論是核電站還是核儀器儀表單位都要對輻射類工作計量器具進行檢定或校準工作，主要包括X射線、γ射線、中子、α以及β類儀表。γ射線空氣比釋動能標準裝置可以提供相關儀器儀表的量值溯源和量值傳遞，使γ射線儀表能夠更加準確的發揮環境輻射監測的作用，切實的保護工作人員和公眾的電離輻射安全。本文將介紹輻射場的構建過程和光闌的優化設計。

2輻射場建立的基礎理論

X、γ射線與物質的相互作用形式主要有光電效應、康普頓散射和電子對效應三種類型[1]，然而γ射線輻射場的建立與X射線輻射場的建立在原理上又有不同。當光子能量處于不同的范圍時，三種效應占據不同的主導地位，當光子能量由低到高，康普頓效應、光電效應和電子對效應依次占據主導地位。

2.1光電效應

伽馬射線光子把能量全部傳遞給原子中的一個電子，電子掙脫束縛成為光電子，即光電效應。此時核外電子殼層出現空位，內層電子躍遷并發射X射線特征譜[2]。

2.2康普頓散射

除了光電效應外，伽馬射線光子還可能與核外電子發生彈性碰撞，光子的能量和運動方向發生改變，電子脫離束縛，這種現象稱為康普頓散射。

2.3電子對效應

當X射線或γ射線光子從原子核旁邊經過時與原子核的庫倫場發生相互作用形成一對正負電子，此過程就是電子對效應[3]。

3蒙特卡洛方法介紹

蒙特卡洛方法是一種隨機抽樣試驗方法，在核技術應用領域，利用蒙特卡洛方法模擬仿真光子、中子以及電子的粒子疏運過程，可以精確計算出粒子束與物質相互作用的劑量分布等物理量。其中，GEANT4、MCNP和EGS是常用的核物理仿真軟件。

GEANT4使用C++軟件，用于精確模擬粒子在介質中輸運過程的數值計算軟件工具包，基于Linux/Unix操作系統，但源代碼完全開放，用戶可以根據需求進行更改和擴充，主要用來模擬高能物理現象[4]。

MCNP使用Fortran語言，可以計算中子、光子和電子的聯合輸運問題和臨界問題，程序通用性強。

SuperMC是一款國產軟件，中文名字為超級蒙卡，是由中科院核能安全技術研究所FDS團隊歷經近二十年，投入200余人年，研發的一套通用、智能、精準的核設計與輻射安全評價軟件。軟件安裝方便，在Windows系統下就可以輕松安裝，然而在某些方面其計算精度卻不輸于MCNP，甚至更加接近實驗值。

4輻射場光闌的設計

輻射場各個部分的設計都要嚴格參考相關標準，其中，ISO-4037要求輻射場要使用準直器來限制輻射場射野的形狀和大小[5]，而準直孔道還決定著輻射場的均勻性，均勻性是衡量輻射場的重要指標，合理的光闌設計可以有效的減少散射，提高輻射場的各方面參數。將采用MCNP模擬程序研究準直器對輻射場的影響，以便優化對輻射場光闌的設計。

4.1建立模型

輻射場裝置包括放射源，屏蔽體，準直器，軌道，三維定位裝置以及快門和底座等部分構成。輻射裝置和自動化控制軟件分別設置在源室和控制室兩個房間，在控制室可以通過集成軟件控制源室中放射源的升降，調節軌道XYZ三軸的方向，以及攝像頭的角度等。

通過MCNP對輻射場進行模擬，需要對光闌、源的種類和大小、屏蔽體的材質、以及源距離各面的距離等參數進行設置，包括源室的空間引起的散射等都會對輻射場產生影響，通過優化各個參數，設計光闌。

4.2模擬計算

散射對于輻射場的影響不容忽視，根據ISO-4037的要求散射的份額不超過總劑量的5%，通過設置仿真的參數后，對輻射場進行模擬，結果顯示總的散射份額在3.3%-3.6%之間。

5計量標準的主要技術指標

5.1標準輻照裝置

標準輻照場提供的空氣比釋動能率范圍：0.5μGy/h～10μGy/h;

空氣比釋動能率擴展不確定度：2.5%（k=2）。

5.2高氣壓電離室環境劑量率儀

空氣比釋動能率測量范圍：10nGy/h～100μGy/h;

擴展不確定度：5.0%（k=2）;

重復性：0.2%;

長期穩定性：1.5%/a。

5.310L常壓電離室技術指標：

空氣比釋動能率測量范圍：0.2μGy/h～10mGy/h;

擴展不確定度：4.0%（k=2）;

重復性：0.3%;

能量響應：50keV～1.25MeV小于5%（對于137Cs歸一）;

長期穩定性：1.2%/a。

6結語

本文介紹了伽馬射線輻射場的三種效應，通過蒙特卡洛程序來模擬輻射場，解決準直光闌優化設計的參數問題，提高輻射場的均勻性和準直性。為輻射場的構建提供了很好的基礎。

參考文獻

[1]杜繼星. 醫用診斷X射線的特性、測量與防護研究[D].中國人民解放軍軍事醫學科學院，2016.

[2]蔡祥鳴. 伽馬輻射下多層屏蔽體多目標優化[D].南華大學，2017.

[3]李鵬. 防護水平γ射線的空氣比釋動能標準裝置的基礎技術研究[D].中北大學，2012.

[4]仇小鵬，楊平利，田傳艷. 基于VC++.Net開發Geant4數值模擬程序[J]. 計算機仿真，2007，（06）：255-258+262.

[5]成建波，李德紅，姚澤恩，黃建微，金孫均. ～（137）Cs γ輻照器光闌的優化設計[J]. 核電子學與探測技術，2015，35（03）：295-298.

作者簡介：閆海霞，1988.9，女，漢族，黑龍江省哈爾濱市，碩士，助理研究員，主要從事電離輻射計量與核電子學研究。