王子琳劉蘊(yùn)韜高 飛張昕宇劉佳瑞韋凱迪

（中國原子能科學(xué)研究院 核技術(shù)綜合研究所，中核核工業(yè)計(jì)量與測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102413）

1 引 言

針對固定式X、γ 輻射劑量儀的現(xiàn)場校準(zhǔn)需求，研制了一款新型便攜式γ 射線照射裝置，該裝置主要由放射源、屏蔽體、散射腔和準(zhǔn)直光闌構(gòu)成，能提供具有良好輻射特性的準(zhǔn)直參考輻射場。 輻射場和裝置本身均會(huì)產(chǎn)生散射輻射，且無法完全消除，只能通過優(yōu)化設(shè)計(jì)將其控制在可接受范圍內(nèi)，如何降低參考輻射場中的散射輻射受到各國學(xué)者的重視。 通過蒙特卡羅模擬與實(shí)驗(yàn)測量相結(jié)合的方法對便攜式γ 射線照射裝置散射輻射特性進(jìn)行研究。

2 便攜式γ 射線照射裝置

放射性同位素產(chǎn)生的參考輻射場是電離輻射計(jì)量檢定工作的重要條件，其輸出射線劑量穩(wěn)定、重復(fù)性好，且操作簡便。 便攜式γ 射線照射裝置由Cs 放射源、鉛屏蔽體、散射腔、準(zhǔn)直光闌、提升快門、抽拉快門和鎢合金屏蔽塞等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 便攜式γ 射線照射裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure drawing of portable irradiation facility

便攜式γ 射線照射裝置內(nèi)置1.85 × 10Bq的Cs 放射源，通過調(diào)節(jié)探測器靈敏體積中心與放射源之間的距離，可提供54 μGy／h～171 mGy／h 的參考輻射場劑量率范圍；散射腔為圓柱形設(shè)計(jì)，可有效降低裝置自身散射輻射；4 片鎢合金準(zhǔn)直光闌嵌于鉛屏蔽體內(nèi)，間隔一定空隙搭接而成，可有效限制射束形狀，提供準(zhǔn)直參考輻射場。 依次打開鎢合金屏蔽塞、提升快門、抽拉快門即可開始照射。

3 蒙特卡羅模擬

3.1 注量譜計(jì)算散射輻射

散射輻射與照射裝置的散射腔和準(zhǔn)直光闌設(shè)計(jì)有關(guān)：散射腔大小與裝置自身散射輻射呈負(fù)相關(guān)；準(zhǔn)直光闌自身會(huì)貢獻(xiàn)部分散射輻射，同時(shí)其間隙也能吸收部分散射輻射。 利用MCNP 程序F4 卡模擬距離放射源1 m，2 m，3 m 處裝置正常工作狀態(tài)、無散射腔工作狀態(tài)和無準(zhǔn)直光闌工作狀態(tài)下的注量譜，模擬結(jié)果如圖2至圖4所示。

圖2 距離放射源1 m 處注量譜模擬圖Fig.2 Simulated fluence spectrum in the distance of 1 m

圖4 距離放射源3 m 處注量譜模擬圖Fig.4 Simulated fluence spectrum in the distance of 3 m

圖2中，距離放射源1m 處無準(zhǔn)直光闌工作狀態(tài)下的注量譜與裝置正常工作狀態(tài)相比出現(xiàn)0.074 MeV，0.479 MeV，0.519 MeV，0.556 MeV，0.624 MeV 等5 個(gè)主要散射輻射特征峰，0.183 MeV，0.569 MeV，0.596 MeV，0.658MeV 等4 個(gè)主要散射輻射特征峰消失；無散射腔工作狀態(tài)下的注量譜與裝置正常工作狀態(tài)相比出現(xiàn)0.172 MeV，0.214 MeV，0.232 MeV，0.341 MeV 等4 個(gè)主要散射輻射特征峰。 圖3中，距離放射源2 m 處無準(zhǔn)直光闌工作狀態(tài)下的注量譜與裝置正常工作狀態(tài)相比出現(xiàn)0.444 MeV，0.646 MeV 等2 個(gè)主要散射輻射特征峰，0.612 MeV，0.624 MeV 等2 個(gè)主要散射輻射特征峰消失；無散射腔工作狀態(tài)下的注量譜與裝置正常工作狀態(tài)相比出現(xiàn)0.433 MeV 的主要散射輻射特征峰。 圖4中，距離放射源3 m 處無準(zhǔn)直光闌工作狀態(tài)下的注量譜與裝置正常工作狀態(tài)相比出現(xiàn)0.277 MeV 的主要散射輻射特征峰，無散射腔工作狀態(tài)下散射輻射特征峰與正常工作狀態(tài)幾乎一致。

圖3 距離放射源2 m 處注量譜模擬圖Fig.3 Simulated fluence spectrum in the distance of 2 m

分析可知，去掉散射腔后照射裝置會(huì)得到更多的散射輻射特征峰，是因?yàn)樯⑸淝荒軌蚪档脱b置自身散射輻射；去掉準(zhǔn)直光闌后裝置會(huì)增加部分散射輻射特征峰，同時(shí)也會(huì)消失一部分原本存在的散射輻射特征峰，是因?yàn)闇?zhǔn)直光闌的存在會(huì)貢獻(xiàn)一部分散射輻射特征峰，而光闌間空隙能夠吸收前一光闌邊緣的散射光子從而使一部分原本存在的散射輻射特征峰消失。 各工作狀態(tài)下模擬得到的主要散射輻射特征峰數(shù)量隨參考點(diǎn)與放射源距離的增加而逐漸減少，分析可能存在以下兩點(diǎn)原因：一是隨著光子路程的增加，部分散射光子由于存在一定出射角未進(jìn)入到計(jì)數(shù)柵元；二是光子在運(yùn)輸路徑上受到實(shí)驗(yàn)室各部件散射不斷損失能量所致。

由于Cs 放射源特征峰為0.662 MeV，其他任何小于該能量的特征峰都可以認(rèn)為是裝置自身的散射貢獻(xiàn)，模擬計(jì)算得到裝置自身貢獻(xiàn)的散射輻射如表1所示。 距放射源（1～3）m 時(shí)正常工作狀態(tài)下裝置散射輻射貢獻(xiàn)為13.07 %～13.13 %，去掉散射腔或準(zhǔn)直光闌后都會(huì)導(dǎo)致裝置自身散射貢獻(xiàn)上升。

表1 F4 卡模擬裝置自身散射輻射Tab.1 Simulated scattered radiation caused by the facility via F4 card

3.2 CF 卡計(jì)算散射輻射

利用MCNP 程序的柵元標(biāo)記卡CF 對裝置各部件進(jìn)行標(biāo)記，計(jì)算來自被標(biāo)記柵元的散射光子比例。 模擬計(jì)算的散射腔散射貢獻(xiàn)和準(zhǔn)直光闌散射貢獻(xiàn)如表2所示。

表2 CF 卡模擬裝置自身散射輻射Tab.2 Simulated scattered radiation caused by the facility via Cell-Flagging card

由表2可知，距放射源（1～3）m 處總散射分別為4.55 %，7.78 %，0 %，且?guī)缀跞渴怯蓽?zhǔn)直光闌貢獻(xiàn)得到。

CF 卡模擬得到的裝置自身散射輻射較F4 卡模擬結(jié)果大幅度降低。 根據(jù)CF 卡計(jì)算原理，如圖5所示，柵元標(biāo)記僅在離開標(biāo)記柵元時(shí)打上，若粒子離開標(biāo)記柵元后又穿過未標(biāo)記柵元到達(dá)計(jì)數(shù)柵元，則該粒子不作為標(biāo)記柵元的計(jì)數(shù)貢獻(xiàn)。 通過標(biāo)記散射腔周圍屏蔽體計(jì)算散射腔散射貢獻(xiàn)時(shí)，到達(dá)計(jì)數(shù)柵元的粒子中被屏蔽體打上標(biāo)記的粒子離開屏蔽體后又進(jìn)入未標(biāo)記柵元或準(zhǔn)直光闌，不計(jì)入散射腔散射貢獻(xiàn)。 因此，距放射源（1～3）m 處散射腔散射貢獻(xiàn)幾乎為0，利用CF 卡計(jì)算得到的散射貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于利用F4 卡模擬注量譜計(jì)算得到的散射貢獻(xiàn)。

圖5 柵元標(biāo)記卡計(jì)算原理圖Fig.5 Calculation principle of Cell-Flagging card

4 散射輻射實(shí)驗(yàn)

4.1 反平方律驗(yàn)證散射輻射

將便攜式γ 射線照射裝置置于實(shí)驗(yàn)室中心位置，確保墻壁的散射貢獻(xiàn)可忽略。 利用已溯源的PTW30013、PTW32005 和PTW32002 配合UNIDOS E 靜電計(jì)標(biāo)定輻射場軸向空氣比釋動(dòng)能率，如表3和圖6所示。

表3 參考輻射場劑量率分布Tab.3 Dose rate distribution in reference radiation field

由表3和圖6可知，實(shí)際測得的輻射場空氣比釋動(dòng)能率經(jīng)空氣衰減修正后，在0.2%內(nèi)與探測器靈敏體積中心到放射源中心的距離平方倒數(shù)成正比，滿足ISO 4037－1：2019和GB／T 12162.1－2000的散射輻射要求。

圖6 參考輻射場反平方律實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果圖Fig.6 The inverse square of the focus to detector distance experiment result of reference radiation field

4.2 移出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證散射輻射

根據(jù)ISO 4037－1：2019 和GB／T 12162.1－2000對便攜式參考輻射場開展移出實(shí)驗(yàn)，分別在距離放射源1 m 和1.5 m 處，測量射束軸線上空氣比釋動(dòng)能率，及垂直于射束軸線平面上移出射線束兩倍射束半徑加半影區(qū)位置處的空氣比釋動(dòng)能率。 測量結(jié)果如表4所示。

表4 參考輻射場移出實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果Tab.4 Moving-out experiment result of reference radiation field

由表4可得，距離放射源1 m 和1.5 m 處移出空氣比釋動(dòng)能率占束中的百分比分別為3.68 %和3.94 %，均在4 %之內(nèi)，滿足ISO 4037－1 ∶2019 和GB／T 12162.1－2000 的散射輻射要求。

反平方律實(shí)驗(yàn)和移出實(shí)驗(yàn)得到的散射輻射均小于蒙特卡羅模擬結(jié)果。 因?yàn)闊o論是F4 卡還是CF卡模擬計(jì)算得到的散射輻射比例都是裝置自身貢獻(xiàn)，而平方反比律實(shí)驗(yàn)和移出實(shí)驗(yàn)測量得到的則是輻射場的散射貢獻(xiàn)，因此，盡管蒙特卡羅方法模擬得到的散射輻射比例超過5 %，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍能夠滿足ISO 4037－1：2019 和GB／T 12162.1－2000 要求。

5 能量沉積譜實(shí)驗(yàn)

CAPture 電極CdZnTe 探測器的探測效率高、分辨率好、體積小、可室溫下工作，已廣泛應(yīng)用于核安全、天體物理、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。 利用MCNP 軟件建立探測器模型，模擬計(jì)算內(nèi)置Cs放射源的便攜式γ 射線照射裝置的能量沉積譜，并用實(shí)驗(yàn)測得的能量沉積譜進(jìn)行比對驗(yàn)證。 為盡可能貼近真實(shí)情況，模擬計(jì)算的便攜式γ 射線照射裝置內(nèi)Cs 源所用能量和發(fā)射概率如表5所示。 將模擬得到的能量沉積譜進(jìn)行高斯展寬后，與實(shí)驗(yàn)測得的能量沉積譜比對，如圖7所示。

表5 137Cs 放射源的能量和發(fā)射概率Tab.5 The energy and emission probability of137Cs

由圖7可知，利用CdZnTe 探測器測量內(nèi)置Cs放射源的便攜式γ 射線照射裝置的能量沉積譜時(shí)，由于Cs γ 射線與鉛、鎢的康普頓散射截面較大，經(jīng)過鉛屏蔽體和鎢合金準(zhǔn)直光闌出射的射線中含有鉛、鎢的特征X 射線。 眾所周知，CdZnTe 單晶中陷阱密度較高，載流子壽命較短（電子壽命為2 μs，而空穴壽命僅0.05 μs），由于空穴壽命比空穴從產(chǎn)生點(diǎn)到收集電極所需的渡越時(shí)間短，產(chǎn)生的空穴不能被完全收集，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測得的能譜峰值幅度降低，低能側(cè)加寬并抬高，即空穴尾效應(yīng)。 因此，實(shí)驗(yàn)譜低能側(cè)較模擬譜偏高，全能峰較模擬譜偏低。

圖7 模擬譜與實(shí)驗(yàn)譜對比圖Fig.7 Comparison of pulse height spectra between simulated result and measured result

總體上模擬譜和實(shí)驗(yàn)譜全能峰吻合良好，反散射峰、康普頓邊緣及全能峰位置等基本一致，證明了利用MCNP 軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)照射裝置的可靠性及模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)束語

利用F4 卡模擬得到注量譜計(jì)算得到的散射輻射比例高于利用CF 卡標(biāo)記裝置各部件計(jì)算得到的散射輻射比例。 由于柵元標(biāo)記僅在最后一個(gè)離開的柵元中打上，若粒子離開標(biāo)記柵元后又穿過未標(biāo)記柵元到達(dá)計(jì)數(shù)柵元，則該粒子不作為標(biāo)記柵元的計(jì)數(shù)貢獻(xiàn)，可能會(huì)產(chǎn)生大量漏計(jì)數(shù)；F4 卡模擬得到的注量譜中除所用放射源的特征能量外，其他任何能量特征峰都認(rèn)為是散射光子貢獻(xiàn)。 因此，建議照射裝置自身所致散射利用F4 卡模擬計(jì)算。

蒙特卡羅方法模擬得到的便攜式γ 射線照射裝置散射輻射比例遠(yuǎn)大于參考ISO 4037－1 ∶2019 和GB／T 12162.1－2000 開展平方反比律實(shí)驗(yàn)和移出實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果。 這是因?yàn)槟M計(jì)算得到的散射輻射比例為裝置自身貢獻(xiàn)所致，而平方反比律實(shí)驗(yàn)和移出實(shí)驗(yàn)測量得到的則是輻射場的散射貢獻(xiàn)。 為減少歧義，建議將ISO 4037－1 ∶2019 的“4.4.3 散射輻射”部分及GB／T 12162.1－2000 的“4.5.3 散射輻射”部分補(bǔ)充描述為輻射場散射輻射驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。