閆海霞 李巖 李鋼 楊斌 楊大戰(zhàn) 周冬亮

摘要：本文介紹了電離輻射的基礎(chǔ)理論，以及伽馬輻射場(chǎng)的光闌設(shè)計(jì)，該類輻射場(chǎng)的應(yīng)用范圍十分廣泛，對(duì)農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和工業(yè)等領(lǐng)域都有著十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：X射線輻射場(chǎng);γ射線輻射場(chǎng);光闌

中圖分類號(hào)：TP368 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

目前在輻射劑量監(jiān)測(cè)方面無(wú)論是核電站還是核儀器儀表單位都要對(duì)輻射類工作計(jì)量器具進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)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(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)裝置可以提供相關(guān)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(zhǔn)確的發(fā)揮環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)的作用，切實(shí)的保護(hù)工作人員和公眾的電離輻射安全。本文將介紹輻射場(chǎng)的構(gòu)建過(guò)程和光闌的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2輻射場(chǎng)建立的基礎(chǔ)理論

X、γ射線與物質(zhì)的相互作用形式主要有光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對(duì)效應(yīng)三種類型[1]，然而γ射線輻射場(chǎng)的建立與X射線輻射場(chǎng)的建立在原理上又有不同。當(dāng)光子能量處于不同的范圍時(shí)，三種效應(yīng)占據(jù)不同的主導(dǎo)地位，當(dāng)光子能量由低到高，康普頓效應(yīng)、光電效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)依次占據(jù)主導(dǎo)地位。

2.1光電效應(yīng)

伽馬射線光子把能量全部傳遞給原子中的一個(gè)電子，電子掙脫束縛成為光電子，即光電效應(yīng)。此時(shí)核外電子殼層出現(xiàn)空位，內(nèi)層電子躍遷并發(fā)射X射線特征譜[2]。

2.2康普頓散射

除了光電效應(yīng)外，伽馬射線光子還可能與核外電子發(fā)生彈性碰撞，光子的能量和運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，電子脫離束縛，這種現(xiàn)象稱為康普頓散射。

2.3電子對(duì)效應(yīng)

當(dāng)X射線或γ射線光子從原子核旁邊經(jīng)過(guò)時(shí)與原子核的庫(kù)倫場(chǎng)發(fā)生相互作用形成一對(duì)正負(fù)電子，此過(guò)程就是電子對(duì)效應(yīng)[3]。

3蒙特卡洛方法介紹

蒙特卡洛方法是一種隨機(jī)抽樣試驗(yàn)方法，在核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)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(yùn)過(guò)程，可以精確計(jì)算出粒子束與物質(zhì)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(zhì)中輸運(yùn)過(guò)程的數(shù)值計(jì)算軟件工具包，基于Linux/Unix操作系統(tǒng)，但源代碼完全開放，用戶可以根據(jù)需求進(jìn)行更改和擴(kuò)充，主要用來(lái)模擬高能物理現(xiàn)象[4]。

MCNP使用Fortran語(yǔ)言，可以計(jì)算中子、光子和電子的聯(lián)合輸運(yùn)問(wèn)題和臨界問(wèn)題，程序通用性強(qiáng)。

SuperMC是一款國(guó)產(chǎn)軟件，中文名字為超級(jí)蒙卡，是由中科院核能安全技術(shù)研究所FDS團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)近二十年，投入200余人年，研發(fā)的一套通用、智能、精準(zhǔn)的核設(shè)計(jì)與輻射安全評(píng)價(jià)軟件。軟件安裝方便，在Windows系統(tǒng)下就可以輕松安裝，然而在某些方面其計(jì)算精度卻不輸于MCNP，甚至更加接近實(shí)驗(yàn)值。

4輻射場(chǎng)光闌的設(shè)計(jì)

輻射場(chǎng)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)都要嚴(yán)格參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中，ISO-4037要求輻射場(chǎng)要使用準(zhǔn)直器來(lái)限制輻射場(chǎng)射野的形狀和大小[5]，而準(zhǔn)直孔道還決定著輻射場(chǎng)的均勻性，均勻性是衡量輻射場(chǎng)的重要指標(biāo)，合理的光闌設(shè)計(jì)可以有效的減少散射，提高輻射場(chǎng)的各方面參數(shù)。將采用MCNP模擬程序研究準(zhǔn)直器對(duì)輻射場(chǎng)的影響，以便優(yōu)化對(duì)輻射場(chǎng)光闌的設(shè)計(jì)。

4.1建立模型

輻射場(chǎng)裝置包括放射源，屏蔽體，準(zhǔn)直器，軌道，三維定位裝置以及快門和底座等部分構(gòu)成。輻射裝置和自動(dòng)化控制軟件分別設(shè)置在源室和控制室兩個(gè)房間，在控制室可以通過(guò)集成軟件控制源室中放射源的升降，調(diào)節(jié)軌道XYZ三軸的方向，以及攝像頭的角度等。

通過(guò)MCNP對(duì)輻射場(chǎng)進(jìn)行模擬，需要對(duì)光闌、源的種類和大小、屏蔽體的材質(zhì)、以及源距離各面的距離等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括源室的空間引起的散射等都會(huì)對(duì)輻射場(chǎng)產(chǎn)生影響，通過(guò)優(yōu)化各個(gè)參數(shù)，設(shè)計(jì)光闌。

4.2模擬計(jì)算

散射對(duì)于輻射場(chǎng)的影響不容忽視，根據(jù)ISO-4037的要求散射的份額不超過(guò)總劑量的5%，通過(guò)設(shè)置仿真的參數(shù)后，對(duì)輻射場(chǎng)進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示總的散射份額在3.3%-3.6%之間。

5計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)指標(biāo)

5.1標(biāo)準(zhǔn)輻照裝置

標(biāo)準(zhǔn)輻照?qǐng)鎏峁┑目諝獗柔寗?dòng)能率范圍：0.5μGy/h～10μGy/h;

空氣比釋動(dòng)能率擴(kuò)展不確定度：2.5%（k=2）。

5.2高氣壓電離室環(huán)境劑量率儀

空氣比釋動(dòng)能率測(cè)量范圍：10nGy/h～100μGy/h;

擴(kuò)展不確定度：5.0%（k=2）;

重復(fù)性：0.2%;

長(zhǎng)期穩(wěn)定性：1.5%/a。

5.310L常壓電離室技術(shù)指標(biāo)：

空氣比釋動(dòng)能率測(cè)量范圍：0.2μGy/h～10mGy/h;

擴(kuò)展不確定度：4.0%（k=2）;

重復(fù)性：0.3%;

能量響應(yīng)：50keV～1.25MeV小于5%（對(duì)于137Cs歸一）;

長(zhǎng)期穩(wěn)定性：1.2%/a。

6結(jié)語(yǔ)

本文介紹了伽馬射線輻射場(chǎng)的三種效應(yīng)，通過(guò)蒙特卡洛程序來(lái)模擬輻射場(chǎng)，解決準(zhǔn)直光闌優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)問(wèn)題，提高輻射場(chǎng)的均勻性和準(zhǔn)直性。為輻射場(chǎng)的構(gòu)建提供了很好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]杜繼星. 醫(yī)用診斷X射線的特性、測(cè)量與防護(hù)研究[D].中國(guó)人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院，2016.

[2]蔡祥鳴. 伽馬輻射下多層屏蔽體多目標(biāo)優(yōu)化[D].南華大學(xué)，2017.

[3]李鵬. 防護(hù)水平γ射線的空氣比釋動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)裝置的基礎(chǔ)技術(shù)研究[D].中北大學(xué)，2012.

[4]仇小鵬，楊平利，田傳艷. 基于VC++.Net開發(fā)Geant4數(shù)值模擬程序[J]. 計(jì)算機(jī)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(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2015，35（03）：295-298.

作者簡(jiǎn)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(jì)量與核電子學(xué)研究。