福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站 朱佳山

在核技術(shù)應(yīng)用中，經(jīng)常需要用到防護(hù)服以減小輻射對(duì)人體的影響。研究布料對(duì)射線阻止本領(lǐng)與布料的成分、密度之間的關(guān)系是研制防護(hù)服的基礎(chǔ)。理論上可以分析不同成分和密度的布料對(duì)一定能量射線的阻止本領(lǐng)，通過改變布料成分及密度來調(diào)整布料對(duì)射線的阻止能力，從而達(dá)到輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及特定需求。蒙特卡羅方法可以模擬單個(gè)粒子的輸運(yùn)過程，因此可以用它模擬不同性質(zhì)的布料對(duì)射線的阻止能力，研究射線的透過率情況[1-3]，并將透過的不同能量的射線轉(zhuǎn)化為劑量當(dāng)量率，對(duì)照國家標(biāo)準(zhǔn)可以設(shè)計(jì)出符合要求的防護(hù)布料。本文使用 MCNP4C程序?qū)Ψ雷o(hù)服布料的成分及厚度進(jìn)行模擬研究。

1 蒙特卡羅方法及MCNP程序

1.1 蒙特卡羅方法簡(jiǎn)介[4]

蒙特卡羅方法是一種隨機(jī)抽樣過程。利用已知的光子反應(yīng)截面數(shù)據(jù), 模擬各種微觀物理過程, 通過概率抽樣對(duì)源粒子的行為進(jìn)行跟蹤，決定每次碰撞后次級(jí)粒子的運(yùn)動(dòng)方向和速度。根據(jù)需要對(duì)相應(yīng)的物理量進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 逐次跟蹤下去, 就可以得到所需的結(jié)果。該方法相當(dāng)于一種計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)。由于射線與物體作用是一個(gè)隨機(jī)過程，所得到的宏觀物理量又是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值, 對(duì)復(fù)雜條件下輻射場(chǎng)的計(jì)算, 射線衰減與散射過程及空間物質(zhì)的幾何分布有關(guān), 做準(zhǔn)確的解析困難很大。在這種情況下, 蒙特卡羅方法是很有效的求解方法。

1.2 MCNP程序簡(jiǎn)介

MCNP是一個(gè)大型多功能的蒙特卡羅計(jì)算程序, 可處理復(fù)雜場(chǎng)所三維幾何結(jié)構(gòu)的中子—光子—電子耦合輸運(yùn)問題。MCNP具有較強(qiáng)的通用性, 在源描述、空間物質(zhì)的幾何分布上具有很大的靈活性,可處理任意三維幾何結(jié)構(gòu)問題, 適用面寬, 現(xiàn)已用于射線無損檢測(cè)系統(tǒng)、輻射屏蔽、核儀器設(shè)計(jì)和保健物理等許多問題上。它可以很好地用于跟蹤計(jì)算、確定輻射劑量、物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M、輻射屏蔽防護(hù)上。對(duì)光子的輸運(yùn)問題，MCNP詳細(xì)處理了各種微觀物理過程。

MCNP程序通過一個(gè)輸入文件INP和有關(guān)元素的截面數(shù)據(jù)文件對(duì)物理問題進(jìn)行計(jì)算。輸入文件包括描述問題所必需的全部信息, 由包含不同輸入信息的數(shù)據(jù)卡片組成, 卡片具有指定的格式。在每一卡片中填寫量化的數(shù)據(jù)信息。輸入卡片按類主要分為柵元卡、曲面卡、數(shù)據(jù)卡三個(gè)部分。柵元卡和曲面卡描述物體分布的空間幾何信息, 每一個(gè)幾何體通過柵元由描述幾何體各表面的曲面按一定關(guān)系構(gòu)成, 空間幾何越復(fù)雜, 需要的曲面卡和柵元卡就越多。數(shù)據(jù)卡包括問題（光子、中子、電子） 類型、柵元物理參數(shù)、曲面物理參數(shù)、源描述、材料描述、結(jié)果計(jì)數(shù)描述、問題截?cái)鄺l件等。另外還有一些專門的數(shù)據(jù)卡片提供降低方差、減少計(jì)算所需時(shí)間的技巧方法。

2 模擬內(nèi)容及模擬方法

2.1 模擬不同密度的布料與源距離不同時(shí)的透過率情況[5]

依據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M布料密度分別為2.5g/cm3，3g/cm3，3.5 g/cm3，4 g/cm3，4.5g/cm3，布料成分（原子數(shù)百分比）統(tǒng)一為Pb 8%、C 42% 、H 4% 、O 46%，布料厚度0.4cm 。射線能量為60Co平均能量 1.25MeV。模擬源離布料的距離分別為0.01cm、2cm、5cm、8cm、15cm、25cm、35cm、45cm、55cm、65cm、75cm 時(shí)不同密度布料的透過率。結(jié)果如圖1。

圖1 鉛含量為8%的不同密度屏蔽材料對(duì)射線的透過率

從圖1可以看出，屏蔽材料密度越大相應(yīng)透過率越小，減小量與密度增加量近似呈線性遞減。

2.2 模擬布料不同含鉛量的透過率情況

實(shí)際情況中，布料密度為3.5～4 g/cm3在可接受范圍內(nèi)，下面模擬布料密度為3.5 g/cm3、4 g/cm3，含鉛量分別為8%、10%、12%、14%、16%、20%（布料中 C、H、O之間比例不變）。布料與源距離分別為2 cm，15 cm，25 cm，35cm。模擬結(jié)果如圖2、圖3。

圖2 與源距離分別為15cm、25cm、35cm時(shí)不同含鉛量材料的透過率（材料密度3.5 g/cm3）

圖3 與源距離分別為15cm、25cm、35cm時(shí)不同含鉛量材料的透過率（材料密度4g/cm3）

從圖中可看出，在鉛含量（原子數(shù)百分?jǐn)?shù)）為12%時(shí)，透過率分別有最小值。

2.3 以鉛含量為12%為基準(zhǔn)屏蔽材料模擬針對(duì)Ⅲ類60Co源屏蔽材料的劑量當(dāng)量

2.3.1 Ⅲ類60Co源[1]

輻射防護(hù)學(xué)中Ⅲ類放射源為危險(xiǎn)源，沒有防護(hù)情況下，接觸這類源幾小時(shí)就可對(duì)人造成永久性損傷，接觸幾天至幾周可致人死亡，查表可知Ⅲ類60Co源放射性活度為3E10～3E11Bq。

2.3.2 劑量當(dāng)量

劑量當(dāng)量是用適當(dāng)?shù)男拚驍?shù)對(duì)吸收劑量進(jìn)行加權(quán)，使得修正后的吸收劑量能更好地和輻射所引起的有害效應(yīng)聯(lián)系起來，公式表示如下：

式中，H——?jiǎng)┝慨?dāng)量，西弗（Sv）。1西弗=1焦耳/千克。并用單位雷姆，1西弗=100雷姆。D——吸收劑量（戈）；N——所有其他修正因素的乘積；Q——品質(zhì)因數(shù)。

2.3.3 最大容許劑量當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)

輻射效應(yīng)與受照部位有關(guān)，受照部位不同，產(chǎn)生的效應(yīng)也不同。例如，以6西弗照射全身可引起致死。而同樣的劑量照射手或足，甚至不會(huì)發(fā)生明顯的臨床癥狀。在相同劑量和劑量率照射條件下，不同部位的輻射敏感性的高低依次排列為：腹部、盆腔、頭部、胸部、四肢。因此要特別注意腹部的防護(hù)。

表1為我國放射防護(hù)規(guī)定（GBj 8—74）給出的各照射部位的年最大容許劑量當(dāng)量。

表1 我國電離輻射的劑量標(biāo)準(zhǔn)[2]

取職業(yè)放射性工作人員劑量限值，每年工作2000小時(shí)，其相應(yīng)器官劑量率為 0.0025rem/hr，0.015rem/hr，0.0375 rem/hr，0.0075 rem/hr。以此值為依據(jù)來設(shè)計(jì)防護(hù)服材料。

2.3.4 劑量當(dāng)量的蒙特卡羅模擬[6，7]

模擬布料密度為4g/cm3、鉛含量為12%為基準(zhǔn)，布料與源距離 35cm時(shí)每個(gè)粒子對(duì)劑量當(dāng)量率的貢獻(xiàn)，布料厚度分別為0.4cm、0.5cm、0.6cm、0.7cm、0.8cm、0.9cm、1.0cm、1.1cm。結(jié)果如表2和圖4所示。模擬中，厚度為0.8，0.9，1.0，1.1時(shí)的誤差較大，由于此問題應(yīng)用不到如此大厚度，并且此圖能反映降低的趨勢(shì)。

表2 不同厚度下每個(gè)粒子對(duì)劑量當(dāng)量率的貢獻(xiàn)

圖4 不同厚度下每個(gè)粒子對(duì)計(jì)數(shù)的貢獻(xiàn)

下面就 0.4～0.6cm 厚度布料細(xì)化模擬得到更精確的數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3。

表3 不同厚度下每個(gè)粒子對(duì)劑量當(dāng)量率的貢獻(xiàn)

3 根據(jù)模擬結(jié)果而做的防護(hù)服設(shè)計(jì)

對(duì)于活度為5*E10Bq 的Ⅲ類60Co源，對(duì)照上表計(jì)算可知，防護(hù)各類器官所需布料厚度分別為，第一類器官：0.6cm；第二類器官：0.44cm；第三類器官：0.4cm；第四類器官：0.5cm。故可以根據(jù)所得的對(duì)不同器官的相應(yīng)厚度，設(shè)計(jì)出對(duì)Ⅲ類60Co源防護(hù)服。

對(duì)應(yīng)于不同活度的各種放射源都可以通過此方法模擬出較符合要求的防護(hù)服。

[1]從慧玲.實(shí)用輻射安全手冊(cè)[M].北京：原子能出版社，2007.

[2]李星洪等.輻射防護(hù)基礎(chǔ)[M].北京：原子能出版社，1981.

[3]J.F.Briesmeistern.Mcnptm-A general monte carlo n-particle transport code version 4c.April 10,2000

[4]許淑艷.蒙特卡羅法在實(shí)驗(yàn)核物理中的應(yīng)用[M].北京：原子能出版社，2006.

[5]王娟，楊波，劉義保.γ射線透過率的蒙特卡洛模擬[J].輻射防護(hù)通訊，2008，28（6）：23-25.

[6]楊波，劉義保,顧金虎,等.蒙特卡羅方法對(duì)TH-PPL CT屏蔽鉛罐輻射防護(hù)的模擬分析[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)∶自然科學(xué)版，2009，32（1）：72-77.

[7]劉立坡，劉義保，王娟.積累因子影響因素的蒙特卡羅模擬[J].輻射防護(hù)，2008（2）： 108-111.