王軍成 楊毓樞 陳嘉浪 王旭
摘 要
本文采用MCNP4C程序模擬了γ射線經(jīng)鉛(11.34g/cm3)、鐵(7.86 g/cm3)、混凝土(2.35g/cm3)及水(1.00g/cm3)在有準(zhǔn)直器及無準(zhǔn)直器情況下屏蔽后劑量率隨這些屏蔽材料的厚度的變化關(guān)系,結(jié)果表明:γ射線穿過屏蔽材料的過程中,部分γ射線被材料吸收,部分γ射線在材料中發(fā)生散射,不同的屏蔽材料對(duì)γ射線的吸收和散射概率不同。隨著屏蔽層厚度的增加,散射占探測器接收的劑量率的份額越來越大。還模擬了準(zhǔn)直器準(zhǔn)直孔幾何結(jié)構(gòu)變化對(duì)經(jīng)一定厚度屏蔽材料屏蔽后劑量率變化的影響,結(jié)果表明:準(zhǔn)直孔深寬比<1時(shí),隨著深寬比增大準(zhǔn)直器不僅不會(huì)起減小散射的作用,反而使散射的貢獻(xiàn)增加;當(dāng)準(zhǔn)直器深寬比在1~7之間時(shí),隨著深寬比增大,散射對(duì)測量結(jié)果的影響會(huì)被迅速地抑制;當(dāng)準(zhǔn)直器深寬比>7時(shí),準(zhǔn)直器可將散射的γ射線全部吸收。通過計(jì)算結(jié)果與測量值的比較證明MCNP是研究γ射線散射的一種很好的方法。
關(guān)鍵詞
MCNP模擬;γ射線散射;準(zhǔn)直器;屏蔽
中圖分類號(hào): ?TL81 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.077
Abstract
MCNP4C program was used to simulate the relationship between the dose rate of γ-rays after exposure to lead(11.34g/cm3), iron(7.86g/cm3), concrete(2.35g/cm3) and water(1.00g/cm3) with and without collimator with the thickness of these materials in this paper, the results show that some γ-rays are absobed by the material and some γ-rays are scattered in the materials when γ-rays penetrate the shielding materials, and different shielding materials have different absorption and scattering probability of γ-rays.With the increase of the thickness of the shielding layer,scattering takes up a larger share of the dose rate received by the detector.The effect of geometric structure change of collimator on dose rate change after shielding with a certain thickness of shielding material is also simulated. The results show that the collimator will not reduce the scattering effect but increase the scattering contribution with the increase of depth-width ratio when the collimator depth-width ratio is <1.When the depth-width ratio of the collimator is between 1 and 7,the influence of scattering on the measurement results is inhibited rapialy with the increase of depth-width ratio.When the collimator depth-width ratio is >7,all the scattered γ-rays can be absorbed by the collimator.It is proved that MCNP is a good method to study γ-ray scattering.
Key Words
MCNP simulation;γ-ray scattering;Collimator;Shielding
0 引言
γ射線是一種波長很短的電磁波,它可以通過重核裂變,裂變產(chǎn)物衰變,輻射俘獲,非彈性散射,活化產(chǎn)物衰變等情形產(chǎn)生。γ射線是一種穿透能力很強(qiáng)的間接電離粒子,其穿過物質(zhì)的過程中與物質(zhì)發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)及電子對(duì)效應(yīng)。在對(duì)屏蔽體進(jìn)行屏蔽檢測的過程中,這些效應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)粒子會(huì)使檢測結(jié)果偏大,而一些研究結(jié)果表明[1-4]檢測結(jié)果偏大主要來源于康普頓散射。
蒙特卡羅方法(Monte Carlo)簡稱為MC方法,隨著科技的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),蒙特卡羅方法逐漸發(fā)展成為一種獨(dú)立的研究方法。蒙特卡羅方法是一種特殊的計(jì)算方法,它是以概率統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)。由于它能夠非常逼真的描述事物的特點(diǎn)及物理實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程,能夠解決一些難以用數(shù)值計(jì)算方法難以解決的問題,因而被應(yīng)用于越來越多的研究領(lǐng)域。MCNP[5]是由美國的洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室研制出來的大型多功能蒙特卡羅計(jì)算程序,能夠計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的中子、光子、電子及它們的耦合輸運(yùn)問題。MCNP對(duì)源的描述、對(duì)物質(zhì)空間幾何分布的描述非常靈活,因此應(yīng)用非常廣。目前已被用于放射性無損檢測、反應(yīng)堆設(shè)計(jì)、輻射屏蔽與防護(hù)、核儀器探測器的設(shè)計(jì)與分析、醫(yī)學(xué)中的放射性治療、物理保健等領(lǐng)域。本文采用MCNP4C程序模擬研究了屏蔽檢測中散射對(duì)檢測結(jié)果的影響。
1 MCNP模型建立
圖1是MCNP模擬程序的簡易圖,模型中采用各向同性的60Co點(diǎn)源,放射源置于內(nèi)徑2cm,外徑102cm的圓柱形鉛準(zhǔn)直器之中,準(zhǔn)直器除準(zhǔn)直方向的各向壁厚都為50cm。準(zhǔn)直器右端距屏蔽材料30cm,放射源距探測器110cm。采用MCNP4C版本[5]程序,模擬粒子數(shù)>2×108,誤差率保持在<0.0835范圍內(nèi),模擬了γ射線經(jīng)鉛(11.34g/cm3)、鐵(7.86g/cm3)、混凝土(2.35g/cm3)及水(1.00g/cm3)在有準(zhǔn)直器及無準(zhǔn)直器情況下屏蔽后劑量率隨這些屏蔽材料的厚度的變化關(guān)系,還模擬了準(zhǔn)直器準(zhǔn)直孔幾何結(jié)構(gòu)變化(準(zhǔn)直孔長度與其直徑之比——深寬比)對(duì)經(jīng)一定厚度屏蔽材料屏蔽后劑量率變化的影響。計(jì)算所采用的混凝土基本組成如表1中所示。
2 結(jié)果及討論
2.1 有無準(zhǔn)直器對(duì)屏蔽后劑量率的影響
圖2中顯示了有、無準(zhǔn)直器情況下經(jīng)鉛、鐵、混凝土及水屏蔽后劑量率隨這些屏蔽材料的厚度的變化關(guān)系。從圖2a、2b、2c及2d中可以看出經(jīng)相同厚度屏蔽材料屏蔽后無準(zhǔn)直器劑量率比有準(zhǔn)直器準(zhǔn)直情況下劑量率大,主要是因?yàn)闊o準(zhǔn)直器情況下大量γ光子經(jīng)散射進(jìn)入到探測器之中。為了更清楚地研究散射對(duì)屏蔽后劑量率的影響,我們將無準(zhǔn)直時(shí)的計(jì)算結(jié)果對(duì)有準(zhǔn)直器時(shí)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理,結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出,隨著屏蔽材料厚度的增加散射在計(jì)算結(jié)果的占比越來越大;不同材料厚度相同時(shí),空間結(jié)構(gòu)相同,空氣散射貢獻(xiàn)完全一樣,然而,從圖3中看出經(jīng)相同厚度的不同材料屏蔽后劑量率存在很大差異,說明γ光子在屏蔽材料中也會(huì)發(fā)生散射,且不同材料對(duì)γ光子的散射差異很大。從圖中還可看出,屏蔽層厚度小于約1.8cm時(shí),相同厚度的水、混凝土、鐵及鉛對(duì)γ射線的散射依次增大;但是,當(dāng)屏蔽層厚度大于1.8cm時(shí),水、混凝土對(duì)γ射線的散射依次增大,而鐵和鉛對(duì)γ射線的散射發(fā)生翻轉(zhuǎn)。查閱文獻(xiàn)[2]發(fā)現(xiàn),γ射線在屏蔽材料中的散射不僅與材料厚度有關(guān),還與材料的線性吸收系數(shù)μ有關(guān),γ射線射入密度較大的材料時(shí),更多的射線被材料吸收,而射入密度較小的材料時(shí),被材料吸收的射線份額相對(duì)少得多,大量的γ射線發(fā)生散射,這是為何在屏蔽材料較厚時(shí)隨著屏蔽材料厚度增加在鐵中γ射線發(fā)生散射的份額比在鉛中發(fā)生散射的份額大的原因。
將厚度為10cm的鉛、鐵、混凝土及水的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[2]中的結(jié)果進(jìn)行比較,如表2中所示。從表2中可以看出,10cm的鉛、鐵、混凝土及水的計(jì)算結(jié)果變化趨勢與文獻(xiàn)給出的結(jié)果符合的很好。從表2中還可看出,鉛、混凝土及水的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[2]給出的結(jié)果符合得很好,但是,鐵的計(jì)算值與文獻(xiàn)給出結(jié)果差異很大,由于計(jì)算用得鐵材料人為設(shè)定為單質(zhì),文獻(xiàn)[2]中用的材料很可能是成分復(fù)雜的合金材料,所以會(huì)出現(xiàn)較大差異。
2.2 準(zhǔn)直器幾何結(jié)構(gòu)對(duì)屏蔽后劑量率的影響
計(jì)算所用模型與圖1相同,將準(zhǔn)直器孔徑改為5cm,準(zhǔn)直孔長度從1cm逐漸增大至80cm。經(jīng)屏蔽層屏蔽后劑量率隨準(zhǔn)直器深寬比變化的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出:準(zhǔn)直器深寬比<1時(shí),經(jīng)屏蔽層屏蔽后劑量率隨準(zhǔn)直器深寬比增大小幅增大,這是由于準(zhǔn)直孔長度增加使得準(zhǔn)直方向來自孔壁單次散射的γ射線增加;當(dāng)準(zhǔn)直器深寬比在1~7之間時(shí),經(jīng)屏蔽層屏蔽后劑量率隨準(zhǔn)直器深寬比增大迅速減小,主要是因?yàn)殡S著準(zhǔn)直器準(zhǔn)直孔長度的增大,大量的γ被準(zhǔn)直器所吸收,從而大大減小了周圍散射γ射線進(jìn)入探測器之中的可能性;當(dāng)準(zhǔn)直器深寬比>7之間時(shí),經(jīng)屏蔽層屏蔽后劑量率隨準(zhǔn)直器深寬比增大幾乎不變,主要因?yàn)楫?dāng)準(zhǔn)直器深寬比接近7時(shí),準(zhǔn)直器已經(jīng)可以將四周發(fā)散的γ射線幾乎全部吸收,只有準(zhǔn)直方向的部分γ光子透過屏蔽材料進(jìn)入探測器中,隨著深寬比進(jìn)一步增大,這種情況幾乎不會(huì)發(fā)生改變。
2.3 計(jì)算結(jié)果與測量值的比較
計(jì)算所采用的模型來源于西安核設(shè)備制造有限公司《乏燃料運(yùn)輸容器屏蔽檢測項(xiàng)目》中的灌鉛試驗(yàn)件,其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。有無準(zhǔn)直器時(shí)的測量值如表3所示,表4中展示了相同測量點(diǎn)處的計(jì)算結(jié)果與測量值。從表3中可以看出,無準(zhǔn)直器時(shí)測量值比有準(zhǔn)直器時(shí)測量值大,這與圖2中顯示的結(jié)果相符,說明γ射線穿過屏蔽材料時(shí)在材料內(nèi)部確實(shí)存在散射。表4中的結(jié)果顯示出相同測量點(diǎn)處的計(jì)算結(jié)果與測量值非常符合,說明MCNP模擬可以用于研究γ射線散射對(duì)屏蔽檢測結(jié)果的影響。
3 結(jié)論
(1)通過MCNP模擬研究在有無準(zhǔn)直器時(shí)γ射線經(jīng)一定厚度的屏蔽材料屏蔽后的劑量率變化發(fā)現(xiàn):運(yùn)用不同的檢測方法對(duì)屏蔽材料進(jìn)行屏蔽性能檢測時(shí),散射會(huì)使的檢測結(jié)果產(chǎn)生很大差異。
(2)γ射線穿過屏蔽材料的過程中,部分γ射線被材料吸收,部分γ射線在材料中發(fā)生散射,不同的屏蔽材料對(duì)γ射線的吸收和散射概率不同。但是,隨著屏蔽層厚度的增加,散射占探測器接收的劑量率的份額越來越大。
(3)通過MCNP模擬研究準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)變化對(duì)測量結(jié)果的影響發(fā)現(xiàn):準(zhǔn)直孔深寬比<1時(shí),準(zhǔn)直器不僅不會(huì)起減小散射的作用,反而使散射的貢獻(xiàn)增加;當(dāng)準(zhǔn)直器深寬比在1~7之間時(shí),隨著準(zhǔn)直孔深寬比增大,散射對(duì)測量結(jié)果的影響迅速受到抑制;當(dāng)準(zhǔn)直器深寬比>7時(shí),準(zhǔn)直器已經(jīng)可以將散射的γ射線全部吸收。
(4)通過計(jì)算結(jié)果與測量值的比較,進(jìn)一步證明了上述結(jié)果。還說明MCNP是研究γ射線散射的一種很好的方法。
參考文獻(xiàn)
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