高 飛, 肖雪夫，侯金兵，宋明哲，倪 寧，王紅玉

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院， 北京 102413)

采用準(zhǔn)直設(shè)計(jì)的60Co源照射裝置具有良好的輻射特性，但是在參考輻射場(chǎng)中仍然存在散射光子的影響，主要來(lái)源有準(zhǔn)直器、源屏蔽容器、地面、墻壁以及刻度車等。散射貢獻(xiàn)無(wú)法避免，只能通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)將其控制在合理范圍內(nèi)，由于設(shè)計(jì)思想和實(shí)驗(yàn)方法不同，散射輻射的影響也不同[1]。降低參考輻射場(chǎng)中的散射光子的輻射貢獻(xiàn)是關(guān)鍵[2]。研究輻射場(chǎng)特性的傳統(tǒng)方法是“影錐法”[3]，即將足夠厚的鉛磚置于次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室和60Co源照射裝置之間，用以阻擋輻射場(chǎng)中的直射射束，此時(shí)電離室測(cè)得的劑量率全部來(lái)源于周圍物體的散射輻射?！坝板F法”只能籠統(tǒng)確定輻射場(chǎng)中散射輻射的劑量率，不能區(qū)分散射來(lái)源，而且只能用于測(cè)量已建成的參考輻射場(chǎng)，不能用于60Co源照射裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)速度的提高和蒙特卡羅程序的不斷發(fā)展，可采用數(shù)學(xué)方法模擬計(jì)算刻度室中劑量的分布情況成[4-16]，該方法能區(qū)分參考輻射場(chǎng)中的散射來(lái)源，為60Co源照射裝置的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，也為計(jì)量檢定用輻射場(chǎng)性能的研究提供數(shù)據(jù)和手段。某核電站檢定室現(xiàn)有的60Co放射源經(jīng)過(guò)8年的衰變，活度已經(jīng)減少至約130 GBq，不能滿足防護(hù)儀表高量程段的校準(zhǔn)要求[17]，需要研制一套新型60Co源照射裝置。新裝置能夠安裝最大活度為740 GBq的60Co放射源，表面接觸劑量率不大于2.5 μGy/h，產(chǎn)生的準(zhǔn)直輻射場(chǎng)中散射輻射的劑量率不大于5%，以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12162.1-2000《用于校準(zhǔn)劑量?jī)x和劑量率及確定其能量響應(yīng)的X和γ參考輻射第1部分：輻射特性及產(chǎn)生方法》的要求[18]。本研究以該核電站新研制的新型60Co源照射裝置為例，闡述采用蒙特卡羅模擬方法對(duì)60Co源照射裝置的模擬計(jì)算。

1 準(zhǔn)直照射裝置原理

準(zhǔn)直60Co源照射裝置原理圖示于圖1。60Co源照射裝置由足夠厚的鉛制成，將透過(guò)容器輻射的注量減小到有用射線束的千分之一[18]，并在源關(guān)閉時(shí)，其表面劑量率限制到可接受的水平，通常為2.5 μGy/h。

圖1 準(zhǔn)直60Co源照射裝置原理圖Fig.1 PrincipleFigure of collimated radiation facility

2 蒙特卡羅計(jì)算模型

60Co源照射裝置由散射腔、鉛屏蔽體、輔快門、主快門、內(nèi)光闌、放射源、前光闌和底座等構(gòu)成?，F(xiàn)利用蒙特卡羅程序MCNP對(duì)60Co源裝置進(jìn)行建模，通過(guò)模擬和研究裝置產(chǎn)生的參考輻射的散射輻射和均勻性來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算模型主要包括：輻照裝置、水泥臺(tái)、墻壁、地面、刻度車、絲杠及支架等；其中輻照裝置又包括：鉛容器、散射腔、內(nèi)光闌、快門光闌、外光闌等。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，對(duì)上述幾何結(jié)構(gòu)均作了適當(dāng)?shù)母呕幚?。MCNP繪制概化后的60Co源照射裝置計(jì)算模型示于圖2。

圖2 MCNP程序繪制概化后60Co源照射裝置圖Fig.2 60Co radiation facility model built by MCNP

照射裝置采用三組共十片光闌，均由鎢合金(W89%、Ni7%、Cu4%)制成，密度為17 g/cm3,厚度為1.5 cm。實(shí)驗(yàn)室中水泥墻壁的密度為2.35 g/cm3，由氧(52.9%)、硅(33.7%)、鐵(1.3%)和其他元素(12.1%)所組成。空氣密度為0.001 293 g/cm3，由氧(23.2%)、氮(76%)以及碳和氬(0.8%)等元素組成。計(jì)算模型包括：照射裝置、墻壁、地面、天花板、空氣、水泥臺(tái)和刻度車等。60Co源照射裝置坐落在高度為1.2 m高的水泥臺(tái)上，放射源距離地面1.25 m?？潭溶囉绍圀w和轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成，高度為1.1 m至1.5 m連續(xù)可調(diào)?？潭溶嚨椒派湓粗g的距離由1.0 m至6.5 m連續(xù)可調(diào)，升降臺(tái)具有升降功能，確保實(shí)驗(yàn)儀器位于輻射場(chǎng)軸心位置，MCNP繪制的簡(jiǎn)化后刻度車示于圖3。

圖3 MCNP繪制的簡(jiǎn)化后刻度車Fig.3 Calibration mobile platform builded by MCNP

圖3中，圓球是為計(jì)數(shù)而設(shè)置的球形柵元，下邊依次為放置被照物品的支架、絲杠、轉(zhuǎn)盤、滑軌和小車。放射源支架材料為鋁合金，鋁合金由鋁(93.5%)、硅(0.5%)和其他元素如：鐵和銅等(總共6%)組成，密度為2.78 g/cm3。60Co源的活性區(qū)為φ3 mm×6 mm的圓柱，材料為金屬鈷元素，密度為8.9 g/cm3，放射源活性區(qū)外部包有不銹鋼包殼，放射源外形尺寸為φ6 mm×11 mm的圓柱體。

3 散射輻射模擬計(jì)算

為了確保輻射場(chǎng)中散射輻射的劑量率不超過(guò)總劑量率的5%，利用MCNP程序中F4命令計(jì)算參考點(diǎn)處的光子注量率φ，利用DE/DF命令將計(jì)算得到的光子注量率乘以Ka/φ換算因子換算為空氣比釋動(dòng)能率[19]，Ka/φ為光子注量率-空氣比釋動(dòng)能率換算因子，表示輻射場(chǎng)中某一能量光子的注量率產(chǎn)生的劑量率[20]，單位為pGy·cm2，再配合使用CF計(jì)數(shù)命令計(jì)算參考輻射場(chǎng)中來(lái)自不同物體(包括：刻度車、準(zhǔn)直器、鉛容器、地面和墻壁等)的散射貢獻(xiàn)[19]，計(jì)算結(jié)果示于圖4。

圖4 60Co參考輻射場(chǎng)中散射劑量的模擬計(jì)算Fig.4 Scattered dose simulation in 60Co reference radiation filed

由于鉛容器中散射腔的吸收作用使得散射光子進(jìn)入計(jì)數(shù)柵元的量很小，因此在整個(gè)輻射場(chǎng)中鉛容器的散射作用很微弱，不足總劑量的0.1%。另外，由于放射源距離地面較高，因此，在距離放射源6.5 m處準(zhǔn)直束并未接觸地面，散射貢獻(xiàn)微弱，不足總劑量的0.1%。在60Co輻射場(chǎng)中鉛容器和地面的散射貢獻(xiàn)都很小，散射腔和地面的散射貢獻(xiàn)可忽略。

由圖4可以看出，隨著距離繼續(xù)增加，當(dāng)準(zhǔn)直射束照射到地面上時(shí)，地面的散射貢獻(xiàn)就會(huì)明顯上升。小車的散射貢獻(xiàn)隨著距離的增大而增加，由最初不足總劑量的0.05%上升到0.55%，這是由于隨著距離的增大，光子直射小車體并散射造成的。墻壁的散射貢獻(xiàn)隨著參考點(diǎn)到放射源之間距離的增大，其到輻射場(chǎng)墻壁的距離在減小，因此墻壁的散射貢獻(xiàn)才逐漸的顯現(xiàn)出來(lái)。準(zhǔn)直光闌的散射貢獻(xiàn)最大，而且變化趨勢(shì)也相反，從最初的3.32%下降到2.52%。

參考輻射場(chǎng)中總的散射劑量先降低后又隨著距離的增大而上升，在3.04%～3.85%之間變化，60Co源照射裝置產(chǎn)生的參考輻射中散射輻射不大于總劑量的5%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12162.1-2000的要求。

4 均勻性模擬計(jì)算

利用MCNP蒙特卡羅程序模擬了參考輻射場(chǎng)的橫向均勻性，計(jì)算結(jié)果示于圖5。

圖5 距離放射源1.16 m處輻射場(chǎng)均勻性模擬結(jié)果Fig.5 Uniformity result of reference radiation filed in the distance of 1 metre

由圖5結(jié)果可知，由于準(zhǔn)直光闌對(duì)輻射場(chǎng)的塑型作用，距離輻射源1.16 m處，±12 cm范圍劑量率相對(duì)于照射裝置出口軸線位置的偏差不大于2%，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)果與分析

利用PTWUnidos劑量計(jì)配30cc柱形電離室對(duì)所研制的60Co源照射裝置產(chǎn)生的輻射場(chǎng)劑量率分布和均勻性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果列于表1。

由表1可見(jiàn)，最小相對(duì)誤差為-4.3%。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12162.1-2000中提供的計(jì)算方法，將輻射場(chǎng)中不同距離的劑量率進(jìn)行空氣減弱修正，修正后的空氣比釋動(dòng)能率≤2%與放射源中心到探測(cè)器中心距離平方的倒數(shù)成正比，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(5%)要求。

表1 參考輻射場(chǎng)中劑量率的分布測(cè)量結(jié)果Table 1 Dose rate distribution in the reference radiation filed

注：以上數(shù)據(jù)已扣除“天然本底”(0.15 μGy/h)

表2 距離放射源1.16 m處的均勻性Table 2 Uniformity of reference radiation filed in the distance of 1.16 metre

注：“-”為該點(diǎn)位于照射裝置出射口軸線的左側(cè)，“+”為位于右側(cè)，0表示測(cè)量點(diǎn)正對(duì)照射裝置出口的軸線位置。

距離放射源1.16 m輻射場(chǎng)均勻性的測(cè)量結(jié)果列于表2，劑量率的模擬值與測(cè)量值的相對(duì)誤差在±3%以內(nèi)。以輻射場(chǎng)軸線為中心，±125 mm范圍內(nèi)的空氣比釋動(dòng)能率的測(cè)量值相對(duì)于軸線中心位置空氣比釋動(dòng)能率測(cè)量值的偏差為3.3%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(5%)的設(shè)計(jì)要求。

6 小結(jié)

利用蒙特卡羅方法對(duì)60Co源照射裝置產(chǎn)生的參考輻射進(jìn)行模擬計(jì)算，果表明，設(shè)計(jì)截面積為φ6 cm×8 cm圓柱形散射腔和鎢合金準(zhǔn)直光闌的60Co源照射裝置能夠有效的將參考輻射場(chǎng)中的散射輻射貢獻(xiàn)降低5%以下，并確保輻射場(chǎng)的均勻性，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。蒙特卡羅研究為60Co源照射裝置的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，可有效避免因設(shè)計(jì)失誤而造成的經(jīng)濟(jì)損失，并為刻度室輻射場(chǎng)性能的研究提供數(shù)據(jù)和手段。

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