徐 陽(yáng)，高 飛，趙 瑞，林 敏，倪 寧，韋凱迪

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102413；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)(ICRP)定義了當(dāng)量劑量和有效劑量作為評(píng)價(jià)與輻射照射有關(guān)的健康風(fēng)險(xiǎn)范圍[1]，這些防護(hù)量不可測(cè)，須通過(guò)在工作條件下可測(cè)的輻射防護(hù)實(shí)用量來(lái)進(jìn)行估計(jì)。周圍劑量當(dāng)量H*(10)作為其中的一個(gè)實(shí)用量，可以對(duì)場(chǎng)所輻射劑量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還能夠作為輻射監(jiān)測(cè)劑量?jī)x表的校準(zhǔn)量及型式檢驗(yàn)量[2-8]。

1 轉(zhuǎn)換系數(shù)模擬計(jì)算

1.1 模擬軟件

利用MCNP5軟件開(kāi)展轉(zhuǎn)換系數(shù)模擬計(jì)算，該軟件是由美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一款用于計(jì)算三維復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)中的中子、光子、電子或耦合輸運(yùn)問(wèn)題的軟件包。

1.2 建立轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算模型

周圍劑量當(dāng)量H*(10)定義為：在擴(kuò)展齊向場(chǎng)中人體組織等效球體(ICRU)球逆齊向場(chǎng)方向半徑上深度10 mm處產(chǎn)生的劑量當(dāng)量。ICRU球是一個(gè)半徑為15 cm的組織等效球體，密度為1 g/cm3，質(zhì)量組成為11.1%的碳、10.1%的氫、76.2%的氧和2.6%的氮。根據(jù)定義，轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算模型示于圖1。

圖1 H*(10)/Kα轉(zhuǎn)換系數(shù)的蒙特卡羅計(jì)算模型

模型中，一束半徑為20 cm的平行光子束均勻地照射到ICRU球上，周圍環(huán)境為真空，利用設(shè)置在沿入射束軸線方向距前表面深度為10 mm的小體積球形計(jì)數(shù)柵元(直徑為1 mm)記錄該點(diǎn)處的能量沉積Edep。計(jì)數(shù)卡類型為F6，其理論計(jì)算公式如下：

(1)

式中：ρa(bǔ)為ICRU球材料的原子密度，atoms/(b·cm)；ρg為ICRU球材料的克密度，g/cm3；H(E)為ICRU球材料的熱響應(yīng)，cm2·MeV；Φ(r,E,t)為粒子譜，particles/(cm2·s·MeV)；V為計(jì)數(shù)柵元體積，cm3。假設(shè)所有轉(zhuǎn)移給電子的能量為局部沉積，計(jì)算結(jié)果等于光子的劑量當(dāng)量，類似模型在前期已得到驗(yàn)證[12-13]。模擬過(guò)程分為兩步，首先利用15 keV～1.5 MeV單能光子束驗(yàn)證所建模型的正確性，隨后建立中國(guó)原子能科學(xué)研究院X射線照射裝置蒙特卡羅模型，模擬得到N系列X射線連續(xù)譜，并將其作為輸入光子源項(xiàng)，模擬得到N系列相應(yīng)的H*(10)/Kα轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.3 轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算

表1 由MCNP5模擬得到與ISO 4037-3中推薦轉(zhuǎn)換系數(shù)之間的相對(duì)偏差

圖2 N系列重過(guò)濾X射線注量譜模擬結(jié)果

表2 由MCNP5模擬得到窄譜系列與ISO 4037-3中推薦轉(zhuǎn)換系數(shù)之間的相對(duì)偏差

2 次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室法與轉(zhuǎn)換系數(shù)法對(duì)比

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

UNIDOS靜電計(jì)：PTW公司；H*(10)次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室：中國(guó)原子能科學(xué)研究院計(jì)量測(cè)試部自主研制。該次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室類型為能量補(bǔ)償型高氣壓電離室[15]，如圖3所示。電離室主要由高壓極(電壓為-400 V)、收集極(電壓為0 V)、支撐桿與絕緣端子組成，兩電極之間充有8.106×105Pa的高純氬氣(Ar)作為工作氣體，高壓極室壁外側(cè)利用適當(dāng)厚度和適當(dāng)覆蓋面積比的Sn片進(jìn)行能量補(bǔ)償，使其在光子能量65 keV～1.25 MeV范圍內(nèi)可作為次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。X、γ射線與電離室壁材料相互作用，產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，次級(jí)帶電粒子與空腔內(nèi)氣體相互作用，在其徑跡上使工作氣體原子電離并產(chǎn)生正負(fù)離子對(duì)，在高壓極與收集極之間電場(chǎng)的作用下，正負(fù)離子分別向兩極漂移并引起電極上感應(yīng)電荷量的變化，繼而在外電路形成電流。

圖3 H*(10)次級(jí)準(zhǔn)電離室結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 結(jié)果對(duì)比

表3 次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室法測(cè)量結(jié)果

2.2.2轉(zhuǎn)換系數(shù)法計(jì)算周圍劑量當(dāng)量 將上述7個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)處空氣比釋動(dòng)能率分別與轉(zhuǎn)換系數(shù)MCNP5模擬值相乘，計(jì)算結(jié)果記為周圍劑量當(dāng)量率②，結(jié)果列于表4。其中空氣比釋動(dòng)能率由標(biāo)準(zhǔn)電離室測(cè)量得到。由表4可知，轉(zhuǎn)換系數(shù)法與次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室法的周圍劑量當(dāng)量率測(cè)量結(jié)果相對(duì)偏差在3%以內(nèi)。

表4 轉(zhuǎn)換系數(shù)法計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論