福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站 朱佳山

在核技術應用中，經(jīng)常需要用到防護服以減小輻射對人體的影響。研究布料對射線阻止本領與布料的成分、密度之間的關系是研制防護服的基礎。理論上可以分析不同成分和密度的布料對一定能量射線的阻止本領，通過改變布料成分及密度來調(diào)整布料對射線的阻止能力，從而達到輻射防護標準及特定需求。蒙特卡羅方法可以模擬單個粒子的輸運過程，因此可以用它模擬不同性質(zhì)的布料對射線的阻止能力，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)化為劑量當量率，對照國家標準可以設計出符合要求的防護布料。本文使用 MCNP4C程序?qū)Ψ雷o服布料的成分及厚度進行模擬研究。

1 蒙特卡羅方法及MCNP程序

1.1 蒙特卡羅方法簡介[4]

蒙特卡羅方法是一種隨機抽樣過程。利用已知的光子反應截面數(shù)據(jù), 模擬各種微觀物理過程, 通過概率抽樣對源粒子的行為進行跟蹤，決定每次碰撞后次級粒子的運動方向和速度。根據(jù)需要對相應的物理量進行統(tǒng)計, 逐次跟蹤下去, 就可以得到所需的結(jié)果。該方法相當于一種計算機模擬實驗。由于射線與物體作用是一個隨機過程，所得到的宏觀物理量又是一個統(tǒng)計值, 對復雜條件下輻射場的計算, 射線衰減與散射過程及空間物質(zhì)的幾何分布有關, 做準確的解析困難很大。在這種情況下, 蒙特卡羅方法是很有效的求解方法。

1.2 MCNP程序簡介

MCNP是一個大型多功能的蒙特卡羅計算程序, 可處理復雜場所三維幾何結(jié)構(gòu)的中子—光子—電子耦合輸運問題。MCNP具有較強的通用性, 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系統(tǒng)、輻射屏蔽、核儀器設計和保健物理等許多問題上。它可以很好地用于跟蹤計算、確定輻射劑量、物理實驗模擬、輻射屏蔽防護上。對光子的輸運問題，MCNP詳細處理了各種微觀物理過程。

MCNP程序通過一個輸入文件INP和有關元素的截面數(shù)據(jù)文件對物理問題進行計算。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, 每一個幾何體通過柵元由描述幾何體各表面的曲面按一定關系構(gòu)成, 空間幾何越復雜, 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)果計數(shù)描述、問題截斷條件等。另外還有一些專門的數(shù)據(jù)卡片提供降低方差、減少計算所需時間的技巧方法。

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的透過率情況[5]

依據(jù)實際應用情況設計實驗模擬布料密度分別為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射線的透過率

從圖1可以看出，屏蔽材料密度越大相應透過率越小，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)百分數(shù)）為12%時，透過率分別有最小值。

2.3 以鉛含量為12%為基準屏蔽材料模擬針對Ⅲ類60Co源屏蔽材料的劑量當量

2.3.1 Ⅲ類60Co源[1]

輻射防護學中Ⅲ類放射源為危險源，沒有防護情況下，接觸這類源幾小時就可對人造成永久性損傷，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 劑量當量

劑量當量是用適當?shù)男拚驍?shù)對吸收劑量進行加權(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聯(lián)系起來，公式表示如下：

式中，H——劑量當量，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 最大容許劑量當量標準

輻射效應與受照部位有關，受照部位不同，產(chǎn)生的效應也不同。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。

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

表1 我國電離輻射的劑量標準[2]

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

2.3.4 劑量當量的蒙特卡羅模擬[6，7]

模擬布料密度為4g/cm3、鉛含量為12%為基準，布料與源距離 35cm時每個粒子對劑量當量率的貢獻，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時的誤差較大，由于此問題應用不到如此大厚度，并且此圖能反映降低的趨勢。

表2 不同厚度下每個粒子對劑量當量率的貢獻

圖4 不同厚度下每個粒子對計數(shù)的貢獻

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

表3 不同厚度下每個粒子對劑量當量率的貢獻

3 根據(jù)模擬結(jié)果而做的防護服設計

對于活度為5*E10Bq 的Ⅲ類60Co源，對照上表計算可知，防護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)所得的對不同器官的相應厚度，設計出對Ⅲ類60Co源防護服。

對應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服。

[1]從慧玲.實用輻射安全手冊[M].北京：原子能出版社，2007.

[2]李星洪等.輻射防護基礎[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.蒙特卡羅法在實驗核物理中的應用[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].輻射防護通訊，2008，28（6）：23-25.

[6]楊波，劉義保,顧金虎,等.蒙特卡羅方法對TH-PPL CT屏蔽鉛罐輻射防護的模擬分析[J].東華理工大學學報∶自然科學版，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，2008（2）： 108-111.