關(guān)志遠(yuǎn) 緒梅 方磊 王明睿 劉云龍

作者單位:102205 北京,陸軍防化學(xué)院核防護(hù)系

強(qiáng)n/γ混合場(chǎng)是由核爆炸源譜造成的,該源譜包括裂變出殼中子能譜和裂變出殼初級(jí)γ射線能譜[1-2]。在距離核爆炸爆心一定距離處,人或物質(zhì)受到的照射劑量不僅來(lái)源于前兩者,還有一部分來(lái)源于中子與空氣和土壤相互作用產(chǎn)生的次級(jí)γ射線。筆者探討距爆心投影點(diǎn)0.5～1 km范圍內(nèi),核爆炸早期核輻射中裂變出殼中子、裂變出殼初級(jí)γ射線以及中子與空氣和土壤相互作用產(chǎn)生的次級(jí)γ射線在人體內(nèi)的沉積劑量。

一、輸運(yùn)模擬幾何模型

在蒙特卡羅模擬計(jì)算過(guò)程中,測(cè)量初級(jí)γ射線在測(cè)點(diǎn)處的沉積劑量時(shí),探測(cè)器采用光子環(huán)型探測(cè)器;測(cè)量中子在測(cè)點(diǎn)處的沉積劑量時(shí),探測(cè)器采用中子環(huán)型探測(cè)器,測(cè)量中子與空氣和土壤相互作用產(chǎn)生的次級(jí)γ射線在測(cè)點(diǎn)處的沉積劑量時(shí),探測(cè)器采用光子環(huán)型探測(cè)器。粒子輸運(yùn)幾何模型。

見(jiàn)圖1[3-4]。探測(cè)器采用環(huán)探測(cè)器,高度設(shè)置為1.50 m。在不同測(cè)量點(diǎn)處,探測(cè)位置設(shè)置在距源心投影點(diǎn)0.5～1 km,間隔為100 m的等距采樣點(diǎn)處。模擬源與探測(cè)器同高?？諝獠捎煤Ｆ矫娓稍锟諝獬煞?土壤采用我國(guó)典型土壤結(jié)構(gòu),密度1.52 g/cm3[5]。中子與土壤相互作用能夠形成感生放射性,且核爆炸中子可以穿透0.50 m厚的土壤層,故為避免模型土壤厚度不足而造成土壤感生放射性模擬不充分帶來(lái)的影響,模型設(shè)置土壤厚度為10.00 m[6]。

圖1 輸運(yùn)幾何模型示意圖

二、模擬參數(shù)的設(shè)置

在模擬計(jì)算過(guò)程中,模擬輻射源為1 kt當(dāng)量核爆炸釋放的中子能譜和γ射線能譜。輻射源譜采用“小男孩”原子彈的源項(xiàng)數(shù)據(jù),包括裂變出殼中子能譜和裂變出殼γ射線能譜。見(jiàn)圖2。

圖2 “小男孩”原子彈泄漏中子和γ射線能譜

因蒙特卡羅計(jì)算結(jié)果為單一粒子的獨(dú)立重復(fù)模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果,故需對(duì)出殼中子和γ射線進(jìn)行量化[7]。模擬仿真過(guò)程中，每千噸當(dāng)量的核爆炸釋放的中子的數(shù)量為1.756×10-1moles，其平均能量為3.051×10-1MeV，γ射線的數(shù)量為6.665×10-3moles，其平均能量為1.398 MeV。模型中近地面干燥空氣的核素及原子比例為：N(78.09%)、O(20.95%)、Ar(9.30010-1%)、C(3.016×10-2%)、Ne(1.800×10-3%)、H(6.400×10-4%)、He(5.240×10-4%)、Kr(1.000×10-4%)和Xe(8.000×10-6%)。模型中土壤的核素及原子比例為：O(59.99%)、Si(17.08%)、H(9.52%)、Al(5.69%)、Ca(1.92%)、Fe(1.72%)、Mg(1.58%)、Na(1.25%)、K(1.23)和Mn(0.024%)。

三、模擬源與物質(zhì)相互作用

中子與物質(zhì)的相互作用方式包括:彈性散射、非彈性散射、輻射俘獲以及重原子核的裂變等過(guò)程,其中輻射俘獲效應(yīng)是產(chǎn)生次級(jí)γ射線的主要來(lái)源,其反應(yīng)方程如式1所示。輻射俘獲效應(yīng)是指,中子不需要克服庫(kù)倫勢(shì)壘而易于進(jìn)入原子核,故在中子與原子核作用過(guò)程中,一般是中子先進(jìn)入靶核而構(gòu)成(A+1)同位素核復(fù)合核,進(jìn)而復(fù)合核通過(guò)發(fā)射一個(gè)或多個(gè)光子而回到基態(tài),不在有其他粒子發(fā)射的過(guò)程[8]。

(A,Z)+n→(A+1,Z)+γ

(1)

γ射線與物質(zhì)相互作用的主要方式包括:光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng),γ射線與物質(zhì)相互作用的總截面為三者之和。三種效應(yīng)的作用截面如式2～4所示[8]。

光電效應(yīng)總截面στ：

στ≈K×Z4/(hν)3cm2/atom

(2)

康普頓效應(yīng)總截面eσ：

(3)

電子對(duì)效應(yīng)截面σκ：

(4)

式中,α為hν/m0c2;K為常數(shù);Z為吸收物質(zhì)的原子序數(shù);re為經(jīng)典電子半徑，單位cm。

四、模擬計(jì)算結(jié)果

模擬仿真結(jié)果為距模擬源心一定距離處,“小男孩”原子彈出殼中子、出殼γ射線以及中子與空氣和土壤相互作用產(chǎn)生的次級(jí)γ射線在各測(cè)量點(diǎn)處的粒子能量和注量。在考慮不同粒子在人體內(nèi)的沉積劑量時(shí),因中子和γ射線對(duì)人體不同組織和器官中的質(zhì)量能量吸收系數(shù)不同,且不同能量的中子或γ射線對(duì)人體損傷的程度也不相同,故需要計(jì)算相關(guān)系數(shù)對(duì)劑量沉積的影響。

在帶電粒子平衡和輻射場(chǎng)均勻的條件下,中子產(chǎn)生的比釋動(dòng)能和吸收劑量相等[9-10]。具有譜分布的中子吸收劑量為:

D=K=∑iKfi·Φi

(5)

(6)

具有譜分布的γ射線在物質(zhì)中的吸收劑量為[9]:

(7)

圖3 中子和γ射線對(duì)人體軟組織和股骨的損傷因子

在模擬過(guò)程中,粒子數(shù)設(shè)置在107～109之間,依據(jù)模擬精度確定。在裂變出殼中子、裂變出殼初級(jí)γ射線以及中子與空氣和土壤相互作用產(chǎn)生的次級(jí)γ射線三個(gè)模擬過(guò)程中,均采用mesh權(quán)窗梯度密度迭代的方法,即在每一粒子的模擬計(jì)算時(shí)均需進(jìn)行十次迭代[11-14]。通過(guò)以上減方差方法,得結(jié)果均滿足環(huán)型探測(cè)器測(cè)量結(jié)果<10%的要求。見(jiàn)圖4。

圖4 測(cè)量點(diǎn)處中子、初級(jí)γ射線和次級(jí)γ射線的計(jì)算誤差

模擬計(jì)算結(jié)果通過(guò)劑量換算,得1 kt當(dāng)量的核武器,采取地面爆炸時(shí),距源心投影點(diǎn)0.5～1 km范圍內(nèi),中子和γ射線在人體股骨和軟組織中的劑量沉積。不同能量的中子和γ射線,在距源心投影點(diǎn)0.5～1 km范圍內(nèi),在人體軟組織和股骨內(nèi)的沉積劑量見(jiàn)圖5～7。

圖5 1 kt當(dāng)量核爆炸釋放的中子在股骨和軟組織中的沉積劑量

圖6 1 kt當(dāng)量核爆炸釋放的初級(jí)γ射線在股骨和軟組織中的沉積劑量

圖7 1 kt當(dāng)量核爆炸釋放的次級(jí)γ射線在股骨和軟組織中的沉積劑量

經(jīng)模擬計(jì)算1 kt當(dāng)量的核爆炸地面爆炸時(shí),有以下三點(diǎn)結(jié)論:(1)早期核輻射中子、初級(jí)γ射線以及中子與空氣和土壤相互作用產(chǎn)生的次級(jí)γ射線在人體軟組織和股骨中的沉積劑量,顯示出均隨距源心投影點(diǎn)距離的增加呈指數(shù)遞減的規(guī)律。在距源心投影點(diǎn)0.5～1 km范圍內(nèi),每隔100 m,中子劑量平均衰減2.34倍,初級(jí)γ射線平均衰減1.77倍,次級(jí)γ射線平均衰減1.94倍.(2)在同一測(cè)量點(diǎn)處,早期核輻射在人體軟組織和股骨內(nèi)的沉積劑量,次級(jí)γ射線大于初級(jí)γ射線遠(yuǎn)大于中子。如在距源心投影點(diǎn)1 km處,人體軟組織和股骨內(nèi),中子激發(fā)的次級(jí)γ射線劑量分別為1.20×105Gy和1.05×105Gy,初級(jí)γ射線劑量分別為1.80×104Gy和1.58×104Gy,中子劑量分別為2.03×101Gy和1.34×101Gy。人體在受到1 Gy以上的照射時(shí),即會(huì)出現(xiàn)骨髓型放射病,屬于急性放射病的一種,當(dāng)達(dá)到6 Gy時(shí),如果不及時(shí)治療,全部病員會(huì)死亡。由計(jì)算結(jié)果知,距源心投影點(diǎn)0.5～1 km范圍內(nèi)的沉積劑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體能夠承受的劑量。(3)由計(jì)算結(jié)果知,早期核輻射中子、初級(jí)γ射線以及中子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的次級(jí)γ射線,在軟組織中的沉積劑量均大于在股骨中的沉積劑量。

五、結(jié)論

通過(guò)對(duì)“小男孩”原子彈裂變出殼中子能譜和裂變出殼γ射線能譜的模擬計(jì)算,以及核爆炸出殼粒子的量化,得到了1 kt當(dāng)量的核爆炸,在距離源心投影點(diǎn)0.5～1 km范圍內(nèi),裂變出殼中子、裂變出殼初級(jí)γ射線以及中子與空氣和土壤相互作用產(chǎn)生的次級(jí)γ射線的能注量。通過(guò)能注量和劑量的轉(zhuǎn)換,得到了裂變出殼中子、裂變出殼初級(jí)γ射線以及中子與空氣和土壤相互作用產(chǎn)生的次級(jí)γ射線分別在人體軟組織和股骨內(nèi)的劑量沉積。