γ射線參考輻射周圍劑量當量標準電離室的蒙特卡羅模擬

宋明哲，魏可新，高 飛，侯金兵，王紅玉，倪 寧

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

外照射輻射劑量監(jiān)測的目的是控制工作人員和公眾的輻射劑量，使其小于國際放射防護委員會(ICRP)所確定的劑量限值。而劑量限值是由防護量——當量劑量和有效劑量確定的[1]，兩者均建立在精確的模擬計算和生物學數(shù)據基礎上，在實際工作中無法直接測量。測量用儀表的校準又是輻射劑量準確監(jiān)測的前提和保障，然而現(xiàn)行的輻射計量學體系不是建立在防護量而是建立在注量、空氣比釋動能和吸收劑量等基礎物理量之上。因此，國際輻射單位與測量委員會定義了一組實用量，在輻射計量學體系中，實用量由基本量乘以轉換系數(shù)確定。實用量既能為防護量提供有效估計，又能夠作為輻射監(jiān)測中使用的劑量儀表的校準量。對于場所監(jiān)測，相應的實用量為周圍劑量當量H*(d)和定向劑量當量H'(Ω,d)；對于個人劑量監(jiān)測，相應的實用量為個人劑量當量Hp(d)[2]。

1992年奧地利的ARCS實驗室研制出H*(10)標準電離室的原型[8]，2006年德國PTB實驗室的Ankerhold成功將其改進，使之在12 keV～7 MeV的光子能量范圍內有很好的能量響應[9]。此種電離室采用由4層球壁組成的復雜結構，其中最薄的一層為310 nm的Bi， Ankerhold發(fā)現(xiàn)，此種電離室由于其復雜的能量補償結構，球壁上微小的厚度差別都會使其能響性能產生根本的改變，因此不宜批量生產。本研究采用蒙特卡羅模擬方法，擬提出一種結構更加簡單且性能滿足ISO4037-4要求的H*(10)標準電離室結構設計方案，為H*(10)標準電離室的建立提供指導。

1 模擬計算

MCNP4C蒙特卡羅模擬方法 (Monte Carlo N-particle transport code，MCNP)是由美國LOS Alamos國家實驗室研制的一個大型的、多功能的粒子輸運程序，該軟件操作簡單，易于描述較為復雜的幾何結構。本工作擬采用MCNP4C程序模擬計算不同結構和材料的電離室球壁對電離室能量響應的影響。

1.1 組織等效球殼能量響應

輻射場一點上的周圍劑量當量H*(d)是由擴展齊向場在ICRU球內與齊向場相反方向的半徑上深度d處所產生的劑量當量，對強貫穿輻射的建議深度為d=10 mm，記為H*(10)。H*(10)定義于ICRU球中，為此首先模擬計算包括ICRU組織在內的8種組織等效材料球殼的能量響應，模擬采用MCNP4C程序的*F8輸出卡，計算外徑200 mm，球壁厚10 mm內空氣的沉積能量，模擬計算模型和結果分別示于圖1和圖2。

圖1 模擬計算模型Fig.1 Monte Carlo simulation model

圖2 8種組織等效材料球壁能量響應模擬結果Fig.2 Simulation results of energy response for 8 types tissue equivalent material shell

由圖2可知，無論是采用ICRU組織還是采用其他組織等效材料作為電離室室壁，都無法獲得滿足標準要求的能量響應結果。

1.2 組織等效球殼內附Al壁后的能量響應

由圖2同樣可知，除能量低于40 keV時響應差別較大外，各球殼對40 keV～3 MeV的光子能量響應較為一致，且響應“低谷”均位于40 keV～200 keV之間。如能夠采用某種方式補償這段能區(qū)的響應，可滿足電離室設計標準要求。根據已有經驗[10]，如在電離室內部附加一層Al殼，可以提高100 keV處能量響應。為此，分別模擬計算外徑200 mm，壁厚5 mm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)內附0.3 ～0.6 mm的Al層后的能量響應，結果示于圖3。

圖3 PMMA球殼內附不同厚度Al層后能量響應模擬結果Fig.3 Simulation results of energy response after adding different thickness Al layer inside PMMA shell

由圖3可知，當在5 mmPMMA球殼內部附加0.3 mmAl后，球殼對20～1 330 keV的光子能量響應均處于0.8～1.0之間，已經能夠滿足標準要求；但是，如果能夠在不降低100 keV以下光子響應的前提下，提高100～500 keV的能量響應，就能夠達到更加理想的能量響應結果。

1.3 組織等效球殼內附雙金屬補償片后的能量響應

對比圖2和圖3所示結果可知，Al的添加使其30 ～100 keV能響顯著增加。如果在PMMA內部附加原子序數(shù)更高的金屬，或可得到更為理想的響應結果，為此，分別模擬計算外徑20 cm，壁厚5 mm的PMMA內附0.1～1.2 mm的Pb層后的能量響應，結果示于圖4。

由圖4可知，Pb的添加雖然能夠補償100～500 keV的能量響應，卻嚴重降低了低能端的響應。為此，本研究采用了“雙金屬補償法”，以貼片的方式，在PMMA球殼內部附加兩種金屬，通過調整金屬面積獲得最為優(yōu)化的球殼設計結構。為此，建立如圖5所示模擬模型，圖5中電離室外徑200 mm，PMMA層厚5 mm，內附厚度均為1 mm Al和1 mm Pb補償片，改變補償片的面積，周圍劑量當量響應結果列于表1。

圖4 PMMA球殼內附不同厚度Pb層后能量響應模擬結果Fig.4 Simulation results of energy response after adding different thickness Pb layer inside PMMA shell

圖5 雙金屬補償電離室模型Fig.5 The two metal compensated ionization chamber model

對于30～1 500 keV的光子，最大響應與最小響應比為1.12，兩段能區(qū)的光子響應均滿足國際標準ISO4037-4的要求。

2 結果與討論

由表1數(shù)據可知，當PMMA球殼內附6%的1 mm Pb片和43%的1 mm Al片時，對于15～1 500 keV的光子，電離室對周圍劑量當量響應的變化范圍為0.91～1.02，其中對于15～30 keV的光子，最大響應與最小響應比為1.10；

3 結論

利用MCNP4C程序，建立了基于雙金屬補償法的H*(10)電離室模擬計算模型。模擬計算結果顯示，對于15～1 500 keV的光子該電離室能量響應能夠滿足國際標準ISO4037-4的要求，為H*(10)標準電離室的建立提供了模擬計算依據。

表1 不同結構下周圍劑量當量響應

注：歸一至1 MeV

參考文獻：

[1] International Commission on Radiological Protection. The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection[R]. Oxford: Pergamon Press,2007.

[2] International Commission on Radiation Units and Measurements. Conversion Coefficients for Use in Radiological Protection Against External Radiation[R]. Bethesda, MD： International Commission on Radiation Units and Measurements,1998.

[3] 高飛, 肖雪夫, 倪寧，等. 全景γ參考輻射場中散射輻射的蒙特卡羅模擬[J].同位素,2013,26(2):110-114.

Gao Fei, Xiao Xuefu, Ning Ning et al. Monte Carlo Simulation of Scattered Radiation of Free-Field Geometries Gamma Reference Radiation Field [J] Journal of Isotopes,2013,26(2):110-114.

[4] 高飛. Co-60、Cs-137光子參考輻射場中散射輻射問題的蒙卡方法研究[D].北京:中國原子能科學研究院,2009.

[5] Oborin, Fedina SA, Tsvetkov II. Rrogress Report on Radiation Dosimetry at the VNIIM[R]. CCRI(I)09-26,2008.

[6] International Standard ISO 4037-3. X and gamma reference for calibrating dosemeters and doserate meters and for determining their response as a function of photon energy—Part3:Calibration of Area and Personal Dosemeters and Dosemeters and the Measurement of their Response as a Function of Photon Energy and Angle of Incidence[S].Geneva： Switzerland ISO Publication Office,1999.

[7] I International Standard ISO 4037-4. X and gamma reference for calibrating dosemeters and doserate meters and for determining their response as a function of photon energy—Part 4: Calibration of area and personal dosemeter in low energy X reference radiation fields[S].Geneva： Switzerland ISO Publication Office, 2004.

[8] Duftschmid KE, Hizo J. A Secondary Standard Ionization Chamber for the Direct Measurement of Ambient Dose EquivalentH*(10) [J]. Radiat Prot Dosim, 1992, 40(1): 35-38.

[9] Ankerhold U. Optimisation of a secondary standard chamber for the measurement of the ambient dose equivalent[J]. Radiat Prot Dosim, 2006, 118(4):16-21.

[10] 金花. 球形電離室型周圍劑量當量計的實驗研究[J].輻射防護,1994,14(6):423-428.

Jin Hua. Experiment Study of the Ambient dose Equivalent Meter [J]Radiation Protection,1994,14(6):423-428.