某型60Co伽瑪?shù)逗藷狁詈戏治?/h1>
2025-04-10 00:00:00張雙明郭英蕾李丹
機(jī)電信息 2025年7期
摘 要：目前已有60Co伽瑪?shù)对吹膯蚊堆b填活度達(dá)到400 Ci，且為減小體積，包殼厚度已減小至0.5 mm。γ射線在與物質(zhì)的相互作用過(guò)程中，沉積的能量會(huì)轉(zhuǎn)換為熱能，并以溫度的形式表現(xiàn)出來(lái)。為研究γ射線衰變熱在60Co伽瑪?shù)对磧?nèi)造成的溫度分布，使用Geant4程序計(jì)算了γ射線在某型60Co伽瑪?shù)对磧?nèi)的能量沉積情況，并將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Ansys Workbench軟件，對(duì)γ射線衰變熱在60Co伽瑪?shù)对磧?nèi)造成的溫度進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)傳熱有限元分析。分析結(jié)果表明，對(duì)暴露于靜止空氣中的單枚60Co伽瑪?shù)对炊?，由γ射線衰變熱造成的溫升極小，可忽略其引起的熱膨脹效應(yīng)。
關(guān)鍵詞：60Co伽瑪?shù)对?；衰變熱；有限元分析；溫度?chǎng)
中圖分類號(hào)：R197.39" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）07-0047-05
DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.07.012
0" " 引言
在我國(guó)和其他發(fā)展中國(guó)家，癌癥是導(dǎo)致死亡的主要原因之一[1]。據(jù)全球癌癥數(shù)據(jù)庫(kù)（GLOBOCAN）統(tǒng)計(jì)，2020年全球共有1 900余萬(wàn)癌癥病例，因癌癥致死將近1 000萬(wàn)人[2]。60Co伽瑪?shù)斗派渲委熓悄[瘤治療的重要手段，與傳統(tǒng)手術(shù)相比，具有安全、無(wú)痛、省時(shí)、副作用小，且建造與運(yùn)行、維護(hù)成本較低等特點(diǎn)，其已在放射治療領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
60Co在衰變時(shí)會(huì)發(fā)射能量為1.17 MeV和1.33 MeV的γ射線，這些γ射線在與物質(zhì)的相互作用過(guò)程中，沉積的能量會(huì)轉(zhuǎn)換為熱能，并以溫度的形式表現(xiàn)出來(lái)。GB/T 7465—2015《高活度鈷60密封放射源》指出：60Co的衰變熱常數(shù)約為4.16×10-13 W/Bq[3]。衰變熱在60Co伽瑪?shù)对磧?nèi)造成的溫度分布及其引發(fā)的熱應(yīng)力、熱形變有多大，尚未見(jiàn)到相關(guān)報(bào)道。值得注意的是，為提高單套60Co伽瑪?shù)兜目傃b填活度等參數(shù)，一般通過(guò)減薄包殼厚度降低單枚60Co伽瑪?shù)对吹捏w積以增加總裝源數(shù)量和增加單枚伽瑪?shù)对吹难b源活度兩種方式實(shí)現(xiàn)。目前，已設(shè)計(jì)出包殼最薄處僅為0.5 mm、60Co最大裝填活度為400 Ci的60Co伽瑪?shù)对础?/p>
為研究60Co衰變熱在60Co伽瑪?shù)对磧?nèi)造成的溫度分布，本文以某型薄壁60Co伽瑪?shù)稙檠芯繉?duì)象，使用Geant4程序計(jì)算了60Co衰變釋放的γ射線在伽瑪?shù)对锤鞑考械哪芰砍练e，并保守假設(shè)沉積的能量全部轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，將能量沉積數(shù)據(jù)作為穩(wěn)態(tài)傳熱有限元分析的輸入，并使用有限元分析軟件ANSYS Workbench計(jì)算了衰變熱在各部件中造成的溫度分布。
1" " 伽瑪?shù)对茨Ｐ图皡?shù)
1.1" " 幾何模型
本工作研究的某新型60Co伽瑪?shù)对吹慕Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括外包殼、內(nèi)包殼、鈷柱、墊塊、內(nèi)端蓋、外端蓋。其中，包殼和端蓋采用自動(dòng)氬弧焊焊接。包殼最薄處僅為0.5 mm，60Co最大裝填活度為400 Ci。
1.2" " 材料參數(shù)
該型60Co伽瑪?shù)对吹膬?nèi)外包殼及端蓋由316L不銹鋼（022Cr17Ni12Mo2）制成，源芯為重水堆輻照后的鈷柱，墊塊為鎢。
2" " 方法
2.1" " 能量沉積的計(jì)算
由于本文研究的60Co伽瑪?shù)扼w積較小，各部件的尺寸遠(yuǎn)小于1.17 MeV和1.33 MeV的γ射線的平均自由程，因此，γ射線的能量不可能完全沉積在各部件中，不能直接使用60Co的衰變熱常數(shù)計(jì)算衰變熱功率。為此，使用Geant4程序建立了某新型60Co伽瑪?shù)对茨Ｐ?，?jì)算了γ射線及其次級(jí)粒子在伽瑪?shù)对粗胁煌恢玫哪芰砍练e情況。
Geant4是一款開源的多用途粒子輸運(yùn)模擬程序，支持電子、光子、質(zhì)子、中子等多種粒子類型，可模擬粒子與物質(zhì)之間的多種相互作用（如電磁相互作用、強(qiáng)弱相互作用以及衰變過(guò)程等），目前已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)物理研究、醫(yī)療應(yīng)用、核設(shè)施設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)等領(lǐng)域[4]。
本工作保守認(rèn)為γ射線及其次級(jí)粒子在與伽瑪?shù)对床牧舷嗷プ饔眠^(guò)程中的能量沉積全部轉(zhuǎn)換為熱能。建立Geant4計(jì)算模型時(shí)，忽略了倒角、加工公差、表面光潔度等細(xì)節(jié)，假設(shè)60Co在鈷柱內(nèi)均勻分布，各部件同軸分布，如圖2所示。為了能夠精細(xì)地模擬γ射線及其次級(jí)帶電粒子的輸運(yùn)，本工作使用了EM Opt3物理列表（Physics List）。該物理模型提供了一系列高精度的電磁相互作用模型，可精細(xì)地模擬光電效應(yīng)、康普頓散射、正負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生等伽瑪射線的重要電磁過(guò)程[5]。模擬所用的316L不銹鋼成分如表1所示，鈷和鎢則分別使用了Geant4材料庫(kù)內(nèi)置的G4_Co和G4_W。
為了解能量沉積分布情況，使用基于命令行的boxMesh計(jì)數(shù)功能，將模型切分為0.05 mm×0.05 mm×
0.05 mm的網(wǎng)格，記錄γ射線及其次級(jí)粒子在各網(wǎng)格內(nèi)的能量沉積，所得結(jié)果作為穩(wěn)態(tài)傳熱分析的輸入。
2.2" " 有限元分析
在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱有限元分析時(shí)，使用了Ansys Workbench內(nèi)置的Thermal Materials材料庫(kù)，分析所有材料的物性參數(shù)如表2所示。分析時(shí)假設(shè)60Co伽瑪?shù)对幢┞对陟o止空氣環(huán)境中，環(huán)境溫度取22 ℃，采用Ansys Workbench內(nèi)置的“Stagnant Air-Simplified Case”（靜止空氣簡(jiǎn)化模型）作為與表面熱對(duì)流換熱介質(zhì)；使用External Data功能將Geant4計(jì)算的能量沉積數(shù)據(jù)以Imported Heat Generation的方式導(dǎo)入分析模型；忽略接觸區(qū)域帶來(lái)的熱傳導(dǎo)變化；由于空氣間隙較小，計(jì)算時(shí)認(rèn)為其內(nèi)部的空氣處于靜止?fàn)顟B(tài)，不考慮其對(duì)流傳熱。
為提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，對(duì)60Co伽瑪?shù)对吹牟考M(jìn)行了切分，切分后的子結(jié)構(gòu)為圓柱或圓管型。對(duì)于圓柱結(jié)構(gòu)，將其切分成“圓形方孔”結(jié)構(gòu)；對(duì)于圓管型結(jié)構(gòu)，則對(duì)端面使用Face Meshing方法生成網(wǎng)格；Body Size為0.2 mm；最終獲得網(wǎng)格數(shù)為108 427，節(jié)點(diǎn)數(shù)為577 798；網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，單元質(zhì)量大于0.75，即可進(jìn)行下一步計(jì)算[7]。實(shí)際獲得單元質(zhì)量為0.934 5，滿足計(jì)算要求。
3" " 計(jì)算結(jié)果分析
3.1" " 能量沉積分析
通過(guò)Geant4模擬計(jì)算可知，γ射線及其次級(jí)粒子在60Co伽瑪?shù)对锤鞑考?nèi)沉積的能量如表3所示。約有50.18%的能量沉積在了鈷柱內(nèi)，60Co伽瑪?shù)对锤鞑考?nèi)的能量沉積值占總能量沉積值的比例如圖4所示。若保守地認(rèn)為γ射線及其次級(jí)粒子沉積的能量全部轉(zhuǎn)化為熱能，總值約為0.55 W，遠(yuǎn)小于6.156 8 W（注：60Co衰變熱常數(shù)×活度=4.16×10-13 W/Bq×400×3.7×1010 Bq）。
γ射線及其次級(jí)粒子在60Co伽瑪?shù)对锤鞑考?nèi)的能量沉積分布如圖5所示。為了更直觀地顯示能量沉積的趨勢(shì)，分別沿放射源軸向、鈷柱中心徑向，繪制了γ射線及其次級(jí)粒子在單位時(shí)間、單位體積內(nèi)沉積的能量，如圖6所示。
從圖中可以看出，γ射線及其次級(jí)粒子在鈷柱和鎢墊塊內(nèi)的能量沉積是不均勻的：在鈷柱徑向，γ射線及其次級(jí)粒子在單位體積內(nèi)沉積的能量從鈷柱中心向外逐漸減少，在鈷柱軸向呈現(xiàn)相同趨勢(shì)；而對(duì)于鎢墊塊，由于鎢對(duì)γ射線的屏蔽性能好，進(jìn)入鎢墊塊的γ射線會(huì)與鎢發(fā)生相互作用，損失并沉積大部分能量，因此，γ射線及其次級(jí)粒子在單位體積內(nèi)沉積的能量的最大值位于鎢墊塊靠鈷柱一側(cè)的中心處；包殼、空氣間隙的厚度較小，遠(yuǎn)小于1.17 MeV和1.33 MeV的γ射線在316L不銹鋼、空氣中的平均自由程，γ射線及其次級(jí)粒子在單位體積內(nèi)外包殼、空氣間隙中沉積的能量很少；由于鎢墊塊的屏蔽作用，到達(dá)內(nèi)蓋、外蓋的γ射線減少，加之材料厚度較小，γ射線及其次級(jí)粒子在內(nèi)蓋、外蓋中沉積的能量也很少。
3.2" " 溫度分布
穩(wěn)態(tài)傳熱有限元分析得到的溫度分布云圖如圖7所示。從圖中可以看出，對(duì)于本工作分析的60Co伽瑪?shù)对?，將其置于靜止空氣中時(shí)，因衰變熱造成的溫度升高程度很?。鹤罡邷囟瘸霈F(xiàn)在鈷柱中心處，但僅比室溫（22 ℃）高0.043 ℃；由于緊靠鈷柱，受熱傳導(dǎo)影響，下半部分溫度要高于上半部分。考慮到溫度升高程度、各材料的熱膨脹系數(shù)均很小，因此，可忽略因衰變熱而造成的熱膨脹。
4" " 結(jié)論及建議
本文基于核-熱耦合的方法，初步分析了某型薄壁60Co伽瑪?shù)对吹乃プ儫岙a(chǎn)生情況及其造成的溫度分布。通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn)：對(duì)該型60Co伽瑪?shù)对炊?，若保守地假設(shè)γ射線及其次級(jí)粒子在刀源本體內(nèi)沉積的能量全部轉(zhuǎn)換為熱能，熱功率約為0.55 W；將單枚該型60Co伽瑪?shù)对粗糜陟o止空氣中時(shí)，因衰變熱造成的溫升極小，可忽略其造成的熱膨脹效應(yīng)。
然而，在使用整套60Co伽瑪?shù)对雌陂g，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)源容器外表面溫度出現(xiàn)高于環(huán)境溫度，甚至高于人體體溫的情況。因此，后續(xù)可綜合考慮60Co伽瑪?shù)对?、源匣以及治療機(jī)頭等部件，研究整套60Co伽瑪?shù)对此プ儫嵩谄鋬?nèi)部造成的溫度場(chǎng)以及可能引發(fā)的熱膨脹效應(yīng)。
[參考文獻(xiàn)]
[1] XIA C F，DONG X S，LI H，et al.Cancer statistics in China and United State，2022：profiles，trends and determinants[J].Chinese Medical Journal，2022，135（5）：584-590.
[2] SUNG H，F(xiàn)ERLAY J，SIEGEL R L，et al.Global cancer statistics 2020：GLOBOCAN estimates of incidence and mortality world for 36 cancers in 185 countries[J].CA Cancer J Clin，2021，71（3）：209-249.
[3] 高活度鈷60密封放射源：GB/T 7465—2015[S].
[4] ALLISON J，AMAKO K，APOSTOLAKIS J，et al.Recent developments in Geant4[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A：Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associ-
ated Equipment，2016，835（1）：186-225.
[5] AGOSTINELLI S，ALLISON J，AMAKO K，et al.Geant4-a simulation toolkit[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A：Accelera-
tors，Spectrometers，Detectors and Associated Equip-
ment，2003，506（3）：250-303.
[6] REBECCA D R，RONALD L，THOMAS F G，et al.Compendium of Material Composition Data for Radiation Transport Modeling[R].Richland，WA：Pacific Northwest National Laboratory，2021.
[7] 許京荊.ANSYS 13.0 Workbench數(shù)值模擬技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.
收稿日期：2024-12-31
作者簡(jiǎn)介：張雙明（1986—），男，山東棗莊人，工程師，研究方向：核技術(shù)應(yīng)用。
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關(guān)鍵詞：60Co伽瑪?shù)对?；衰變熱；有限元分析；溫度?chǎng)
中圖分類號(hào)：R197.39" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）07-0047-05
DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.07.012
0" " 引言
在我國(guó)和其他發(fā)展中國(guó)家，癌癥是導(dǎo)致死亡的主要原因之一[1]。據(jù)全球癌癥數(shù)據(jù)庫(kù)（GLOBOCAN）統(tǒng)計(jì)，2020年全球共有1 900余萬(wàn)癌癥病例，因癌癥致死將近1 000萬(wàn)人[2]。60Co伽瑪?shù)斗派渲委熓悄[瘤治療的重要手段，與傳統(tǒng)手術(shù)相比，具有安全、無(wú)痛、省時(shí)、副作用小，且建造與運(yùn)行、維護(hù)成本較低等特點(diǎn)，其已在放射治療領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
60Co在衰變時(shí)會(huì)發(fā)射能量為1.17 MeV和1.33 MeV的γ射線，這些γ射線在與物質(zhì)的相互作用過(guò)程中，沉積的能量會(huì)轉(zhuǎn)換為熱能，并以溫度的形式表現(xiàn)出來(lái)。GB/T 7465—2015《高活度鈷60密封放射源》指出：60Co的衰變熱常數(shù)約為4.16×10-13 W/Bq[3]。衰變熱在60Co伽瑪?shù)对磧?nèi)造成的溫度分布及其引發(fā)的熱應(yīng)力、熱形變有多大，尚未見(jiàn)到相關(guān)報(bào)道。值得注意的是，為提高單套60Co伽瑪?shù)兜目傃b填活度等參數(shù)，一般通過(guò)減薄包殼厚度降低單枚60Co伽瑪?shù)对吹捏w積以增加總裝源數(shù)量和增加單枚伽瑪?shù)对吹难b源活度兩種方式實(shí)現(xiàn)。目前，已設(shè)計(jì)出包殼最薄處僅為0.5 mm、60Co最大裝填活度為400 Ci的60Co伽瑪?shù)对础?/p>
為研究60Co衰變熱在60Co伽瑪?shù)对磧?nèi)造成的溫度分布，本文以某型薄壁60Co伽瑪?shù)稙檠芯繉?duì)象，使用Geant4程序計(jì)算了60Co衰變釋放的γ射線在伽瑪?shù)对锤鞑考械哪芰砍练e，并保守假設(shè)沉積的能量全部轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，將能量沉積數(shù)據(jù)作為穩(wěn)態(tài)傳熱有限元分析的輸入，并使用有限元分析軟件ANSYS Workbench計(jì)算了衰變熱在各部件中造成的溫度分布。
1" " 伽瑪?shù)对茨Ｐ图皡?shù)
1.1" " 幾何模型
本工作研究的某新型60Co伽瑪?shù)对吹慕Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括外包殼、內(nèi)包殼、鈷柱、墊塊、內(nèi)端蓋、外端蓋。其中，包殼和端蓋采用自動(dòng)氬弧焊焊接。包殼最薄處僅為0.5 mm，60Co最大裝填活度為400 Ci。
1.2" " 材料參數(shù)
該型60Co伽瑪?shù)对吹膬?nèi)外包殼及端蓋由316L不銹鋼（022Cr17Ni12Mo2）制成，源芯為重水堆輻照后的鈷柱，墊塊為鎢。
2" " 方法
2.1" " 能量沉積的計(jì)算
由于本文研究的60Co伽瑪?shù)扼w積較小，各部件的尺寸遠(yuǎn)小于1.17 MeV和1.33 MeV的γ射線的平均自由程，因此，γ射線的能量不可能完全沉積在各部件中，不能直接使用60Co的衰變熱常數(shù)計(jì)算衰變熱功率。為此，使用Geant4程序建立了某新型60Co伽瑪?shù)对茨Ｐ?，?jì)算了γ射線及其次級(jí)粒子在伽瑪?shù)对粗胁煌恢玫哪芰砍练e情況。
Geant4是一款開源的多用途粒子輸運(yùn)模擬程序，支持電子、光子、質(zhì)子、中子等多種粒子類型，可模擬粒子與物質(zhì)之間的多種相互作用（如電磁相互作用、強(qiáng)弱相互作用以及衰變過(guò)程等），目前已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)物理研究、醫(yī)療應(yīng)用、核設(shè)施設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)等領(lǐng)域[4]。
本工作保守認(rèn)為γ射線及其次級(jí)粒子在與伽瑪?shù)对床牧舷嗷プ饔眠^(guò)程中的能量沉積全部轉(zhuǎn)換為熱能。建立Geant4計(jì)算模型時(shí)，忽略了倒角、加工公差、表面光潔度等細(xì)節(jié)，假設(shè)60Co在鈷柱內(nèi)均勻分布，各部件同軸分布，如圖2所示。為了能夠精細(xì)地模擬γ射線及其次級(jí)帶電粒子的輸運(yùn)，本工作使用了EM Opt3物理列表（Physics List）。該物理模型提供了一系列高精度的電磁相互作用模型，可精細(xì)地模擬光電效應(yīng)、康普頓散射、正負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生等伽瑪射線的重要電磁過(guò)程[5]。模擬所用的316L不銹鋼成分如表1所示，鈷和鎢則分別使用了Geant4材料庫(kù)內(nèi)置的G4_Co和G4_W。
為了解能量沉積分布情況，使用基于命令行的boxMesh計(jì)數(shù)功能，將模型切分為0.05 mm×0.05 mm×
0.05 mm的網(wǎng)格，記錄γ射線及其次級(jí)粒子在各網(wǎng)格內(nèi)的能量沉積，所得結(jié)果作為穩(wěn)態(tài)傳熱分析的輸入。
2.2" " 有限元分析
在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱有限元分析時(shí)，使用了Ansys Workbench內(nèi)置的Thermal Materials材料庫(kù)，分析所有材料的物性參數(shù)如表2所示。分析時(shí)假設(shè)60Co伽瑪?shù)对幢┞对陟o止空氣環(huán)境中，環(huán)境溫度取22 ℃，采用Ansys Workbench內(nèi)置的“Stagnant Air-Simplified Case”（靜止空氣簡(jiǎn)化模型）作為與表面熱對(duì)流換熱介質(zhì)；使用External Data功能將Geant4計(jì)算的能量沉積數(shù)據(jù)以Imported Heat Generation的方式導(dǎo)入分析模型；忽略接觸區(qū)域帶來(lái)的熱傳導(dǎo)變化；由于空氣間隙較小，計(jì)算時(shí)認(rèn)為其內(nèi)部的空氣處于靜止?fàn)顟B(tài)，不考慮其對(duì)流傳熱。
為提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，對(duì)60Co伽瑪?shù)对吹牟考M(jìn)行了切分，切分后的子結(jié)構(gòu)為圓柱或圓管型。對(duì)于圓柱結(jié)構(gòu)，將其切分成“圓形方孔”結(jié)構(gòu)；對(duì)于圓管型結(jié)構(gòu)，則對(duì)端面使用Face Meshing方法生成網(wǎng)格；Body Size為0.2 mm；最終獲得網(wǎng)格數(shù)為108 427，節(jié)點(diǎn)數(shù)為577 798；網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，單元質(zhì)量大于0.75，即可進(jìn)行下一步計(jì)算[7]。實(shí)際獲得單元質(zhì)量為0.934 5，滿足計(jì)算要求。
3" " 計(jì)算結(jié)果分析
3.1" " 能量沉積分析
通過(guò)Geant4模擬計(jì)算可知，γ射線及其次級(jí)粒子在60Co伽瑪?shù)对锤鞑考?nèi)沉積的能量如表3所示。約有50.18%的能量沉積在了鈷柱內(nèi)，60Co伽瑪?shù)对锤鞑考?nèi)的能量沉積值占總能量沉積值的比例如圖4所示。若保守地認(rèn)為γ射線及其次級(jí)粒子沉積的能量全部轉(zhuǎn)化為熱能，總值約為0.55 W，遠(yuǎn)小于6.156 8 W（注：60Co衰變熱常數(shù)×活度=4.16×10-13 W/Bq×400×3.7×1010 Bq）。
γ射線及其次級(jí)粒子在60Co伽瑪?shù)对锤鞑考?nèi)的能量沉積分布如圖5所示。為了更直觀地顯示能量沉積的趨勢(shì)，分別沿放射源軸向、鈷柱中心徑向，繪制了γ射線及其次級(jí)粒子在單位時(shí)間、單位體積內(nèi)沉積的能量，如圖6所示。
從圖中可以看出，γ射線及其次級(jí)粒子在鈷柱和鎢墊塊內(nèi)的能量沉積是不均勻的：在鈷柱徑向，γ射線及其次級(jí)粒子在單位體積內(nèi)沉積的能量從鈷柱中心向外逐漸減少，在鈷柱軸向呈現(xiàn)相同趨勢(shì)；而對(duì)于鎢墊塊，由于鎢對(duì)γ射線的屏蔽性能好，進(jìn)入鎢墊塊的γ射線會(huì)與鎢發(fā)生相互作用，損失并沉積大部分能量，因此，γ射線及其次級(jí)粒子在單位體積內(nèi)沉積的能量的最大值位于鎢墊塊靠鈷柱一側(cè)的中心處；包殼、空氣間隙的厚度較小，遠(yuǎn)小于1.17 MeV和1.33 MeV的γ射線在316L不銹鋼、空氣中的平均自由程，γ射線及其次級(jí)粒子在單位體積內(nèi)外包殼、空氣間隙中沉積的能量很少；由于鎢墊塊的屏蔽作用，到達(dá)內(nèi)蓋、外蓋的γ射線減少，加之材料厚度較小，γ射線及其次級(jí)粒子在內(nèi)蓋、外蓋中沉積的能量也很少。
3.2" " 溫度分布
穩(wěn)態(tài)傳熱有限元分析得到的溫度分布云圖如圖7所示。從圖中可以看出，對(duì)于本工作分析的60Co伽瑪?shù)对?，將其置于靜止空氣中時(shí)，因衰變熱造成的溫度升高程度很?。鹤罡邷囟瘸霈F(xiàn)在鈷柱中心處，但僅比室溫（22 ℃）高0.043 ℃；由于緊靠鈷柱，受熱傳導(dǎo)影響，下半部分溫度要高于上半部分。考慮到溫度升高程度、各材料的熱膨脹系數(shù)均很小，因此，可忽略因衰變熱而造成的熱膨脹。
4" " 結(jié)論及建議
本文基于核-熱耦合的方法，初步分析了某型薄壁60Co伽瑪?shù)对吹乃プ儫岙a(chǎn)生情況及其造成的溫度分布。通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn)：對(duì)該型60Co伽瑪?shù)对炊?，若保守地假設(shè)γ射線及其次級(jí)粒子在刀源本體內(nèi)沉積的能量全部轉(zhuǎn)換為熱能，熱功率約為0.55 W；將單枚該型60Co伽瑪?shù)对粗糜陟o止空氣中時(shí)，因衰變熱造成的溫升極小，可忽略其造成的熱膨脹效應(yīng)。
然而，在使用整套60Co伽瑪?shù)对雌陂g，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)源容器外表面溫度出現(xiàn)高于環(huán)境溫度，甚至高于人體體溫的情況。因此，后續(xù)可綜合考慮60Co伽瑪?shù)对?、源匣以及治療機(jī)頭等部件，研究整套60Co伽瑪?shù)对此プ儫嵩谄鋬?nèi)部造成的溫度場(chǎng)以及可能引發(fā)的熱膨脹效應(yīng)。
[參考文獻(xiàn)]
[1] XIA C F，DONG X S，LI H，et al.Cancer statistics in China and United State，2022：profiles，trends and determinants[J].Chinese Medical Journal，2022，135（5）：584-590.
[2] SUNG H，F(xiàn)ERLAY J，SIEGEL R L，et al.Global cancer statistics 2020：GLOBOCAN estimates of incidence and mortality world for 36 cancers in 185 countries[J].CA Cancer J Clin，2021，71（3）：209-249.
[3] 高活度鈷60密封放射源：GB/T 7465—2015[S].
[4] ALLISON J，AMAKO K，APOSTOLAKIS J，et al.Recent developments in Geant4[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A：Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associ-
ated Equipment，2016，835（1）：186-225.
[5] AGOSTINELLI S，ALLISON J，AMAKO K，et al.Geant4-a simulation toolkit[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A：Accelera-
tors，Spectrometers，Detectors and Associated Equip-
ment，2003，506（3）：250-303.
[6] REBECCA D R，RONALD L，THOMAS F G，et al.Compendium of Material Composition Data for Radiation Transport Modeling[R].Richland，WA：Pacific Northwest National Laboratory，2021.
[7] 許京荊.ANSYS 13.0 Workbench數(shù)值模擬技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.
收稿日期：2024-12-31
作者簡(jiǎn)介：張雙明（1986—），男，山東棗莊人，工程師，研究方向：核技術(shù)應(yīng)用。
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