基于WinXCom的功能粒子核輻射防護(hù)性能模擬計(jì)算

徐闊之

摘? 要：為了實(shí)現(xiàn)在特定的核輻射環(huán)境中，綜合考慮輻射防護(hù)性能、材料的柔性、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)成本等約束條件下，實(shí)現(xiàn)核輻射防護(hù)材料組合的最佳防護(hù)性能。應(yīng)用WinXCom軟件模擬輻射能量，分別模擬計(jì)算了單質(zhì)物質(zhì)（Pb和W），以及重金屬氧化物WO3和Bi2O3和稀土化合物等氧化物功能粒子，在輻射防護(hù)方面的性能，發(fā)現(xiàn)單質(zhì)物質(zhì)在符合防護(hù)中存在明顯的吸收弱區(qū)，而兩種化合物的恰當(dāng)配比能夠?qū)崿F(xiàn)防護(hù)互補(bǔ)效果，且兩種物質(zhì)的K邊吸收區(qū)能量越靠近，其吸收弱區(qū)的互補(bǔ)能力越高。

關(guān)鍵詞：WinXCom? 輻射? 防護(hù)? 性能

中圖分類號(hào)：TB332? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）10（c）-0050-05

Abstract： In order to achieve the best protection performance of the combination of nuclear radiation protection materials under the comprehensive consideration of radiation protection performance， material flexibility， environmental protection， economic cost and other constraints in a specific nuclear radiation environment. Using WinXCom software to simulate radiation energy， the elementary substances （Pb and W）， as well as heavy metal oxides WO3 and Bi2O3， and rare earth compounds and other oxide functional particles were simulated and calculated. In the aspect of radiation protection， it is found that there is obvious weak absorption zone in the elemental matter conforming to the protection， and the appropriate ratio of the two compounds can achieve complementary effects of protection， and the closer the energy of the K-side absorption area of the two substances is， the higher their complementary ability to absorb the weak area.

Key Words： WinXCom; Radiation; Protection; Performance

當(dāng)前在國內(nèi)外防護(hù)材料的模擬設(shè)計(jì)領(lǐng)域，應(yīng)用較為廣泛的工具主要有MCNP、GEANT、EGS和WinXCom等。MCNP、GEANT、EGS三款軟件均是以蒙特卡羅算法為基礎(chǔ)，以隨機(jī)抽樣的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法追蹤記錄大量粒子在介質(zhì)中的運(yùn)輸軌跡，然后模擬出對(duì)應(yīng)信息，這種利用實(shí)驗(yàn)仿真物理現(xiàn)象的方法，在很多物理問題的研究上，可以減少大型實(shí)驗(yàn)所消耗的資源，同時(shí)得出與之相同的結(jié)論。WinXCom程序的工作原理是利用光子和物質(zhì)間的相互作用，來模擬原子系數(shù)為1～100的元素與其中的元素構(gòu)成的化合物或混合物在入射能量位于10-3MeV～103MeV范圍內(nèi)的伽馬光子的質(zhì)量衰減系數(shù)與三大效應(yīng)的截面，程序引入的數(shù)據(jù)源則以Victoreen的半經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主，在持續(xù)的發(fā)展過程中，在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行收集與評(píng)估的質(zhì)量衰減系數(shù)被新的XCom所取代[1]。隨著運(yùn)算方式及散射理論的發(fā)展與進(jìn)步，最終演變?yōu)楝F(xiàn)在領(lǐng)域中結(jié)果更加穩(wěn)定，使用更為便捷的WinXCom軟件。以上4種模擬計(jì)算軟件都是在經(jīng)典的輻射防護(hù)理論以及粒子運(yùn)輸模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于仿真材料元素對(duì)防護(hù)的性能，能夠比較真實(shí)的表現(xiàn)出來，但是難以從微觀的角度表現(xiàn)出實(shí)際的材料防護(hù)性能，或者對(duì)外部老化環(huán)境及相似的材料的防護(hù)性能很難得到明確的計(jì)算結(jié)果，因此對(duì)功能粒子的輻射防護(hù)性能的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，往往只能夠看作實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在材料的防護(hù)性能方面提供判斷的參考依據(jù)。

1? 相關(guān)研究概述

國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)常利用模擬計(jì)算的實(shí)驗(yàn)方式，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為獲取新材料或者篩選最優(yōu)材料的參考依據(jù)。Singh等[2]利用WinXCom軟件模擬計(jì)算了不含鉛的防護(hù)材料鎢合金及其化合物對(duì)1KeV～100GeV的伽馬射線與2～12MeV的中子的防護(hù)作用效果，證明了鎢合金及其化合物的吸收層效果優(yōu)于鉛;Elm ahroug等[3]使用WinXCom軟件模擬對(duì)比了4種樹脂的防護(hù)性能，得到了不同種類材料的能量局部相互作用的衰減系數(shù)，得出了更加明顯的結(jié)論，對(duì)于掌握材料的屏蔽原理和材料的防護(hù)性能的結(jié)論更加清晰;張志程等[4]通過對(duì)比計(jì)算的方式，分別用MCNP與WinXCom模擬計(jì)算無鉛鉍玻璃的防護(hù)能力，發(fā)現(xiàn)兩次計(jì)算得到的結(jié)果無明顯差距，在避免了大型實(shí)驗(yàn)的情況下，用科學(xué)的方法發(fā)現(xiàn)了取代鉛玻璃的新型防護(hù)材料;楊師儼等[5]采用WinXCom軟件模擬計(jì)算了尾礦砂豁免模型，還利用材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了混合物的最優(yōu)防護(hù)方案，可以作為材料實(shí)際防護(hù)性能判斷的依據(jù)。

綜上，能夠利用模擬軟件替代物理實(shí)驗(yàn)，并得到有力的參考依據(jù)，能夠節(jié)約一定的實(shí)驗(yàn)資源，縮短研究時(shí)間，提高了研究效率，同時(shí)得到科學(xué)的結(jié)論。在射線與物質(zhì)的相互作用以及輻射防護(hù)理論的前提下，采用WinXCom軟件對(duì)核輻射防護(hù)中常見的功能粒子對(duì)射線的防護(hù)性能進(jìn)行模擬計(jì)算，期望得到諸如此類的粒子對(duì)射線的邊界防護(hù)特征或不同粒子的防護(hù)中的補(bǔ)充效應(yīng)[6-7]。模擬計(jì)算的結(jié)果，能夠作為制備柔性符合防護(hù)材料的最優(yōu)配比提供實(shí)驗(yàn)的理論參考依據(jù)。

2? 防護(hù)材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)

從核電站及核應(yīng)用場(chǎng)景的常規(guī)輻射防護(hù)要求和事故特殊防護(hù)需求的角度，能夠滿足最優(yōu)的輻射防護(hù)能力（最高程度的屏蔽各類射線）、柔軟易用（能在各類不規(guī)則的空間穿戴同時(shí)防止輻射泄漏）、穩(wěn)定性強(qiáng)（性能穩(wěn)定，不易出現(xiàn)損壞的可能）、應(yīng)用簡(jiǎn)便等要求，作為材料設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)[8]。核輻射防護(hù)材料的核心是能夠盡可能多的屏蔽射線，保護(hù)作業(yè)人員。核電站及相關(guān)的輻射場(chǎng)景中通常是多種射線并存，形成了復(fù)雜的射線輻射空間，單一的輻射材料雖然能夠有效屏蔽某個(gè)或某些射線，但是很難做到系統(tǒng)性防護(hù)效果。非金屬防護(hù)材料和金屬防護(hù)材料在射線屏蔽上都有各自的優(yōu)點(diǎn)，而兩者以最優(yōu)的方式融合形成的新材料，往往更能夠滿足人們對(duì)射線屏蔽的要求。非金屬材料與金屬材料如何有機(jī)的結(jié)合，成為實(shí)現(xiàn)有效防護(hù)的關(guān)鍵。金屬材料能夠與聚合物材料符合來制備防護(hù)材料，但兩者如何配比，對(duì)最終的材料各方面的性能影響較大。為此，本文的設(shè)計(jì)構(gòu)想為，利用合金纖維化來實(shí)現(xiàn)合金的“軟化”，接著應(yīng)用相應(yīng)的技術(shù)使之與非金屬材料有機(jī)結(jié)合，制備復(fù)合防護(hù)材料。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，不斷接受反饋，進(jìn)行調(diào)整，得到最優(yōu)化的復(fù)合實(shí)驗(yàn)效果。

3? 單一粒子核輻射防護(hù)性能進(jìn)行模擬計(jì)算

常規(guī)的輻射防護(hù)材料主要含有重金屬元素Pb，而Pb存在于吸收弱區(qū)，且伴有韌致輻射，當(dāng)核輻射的能量范圍為30～150KeV（比如醫(yī)院的放射療法的輻射）時(shí)，就會(huì)將Pb的吸收弱區(qū)（40～88KeV）包含在這一范圍之內(nèi)，而且金屬材料鉛的力學(xué)性能較差，比重大，在能夠滿足防護(hù)性能的情況設(shè)計(jì)新型的合金符合材料，主要依據(jù)重原子系統(tǒng)數(shù)對(duì)輻射防護(hù)效果高低來判斷，當(dāng)前比較廣泛的研究者以無鉛的含W，Bi2O3，鋇的化合物或者單質(zhì)和稀土氧化物之中的某些為主要制備設(shè)計(jì)方案。根據(jù)研究較多的金屬單質(zhì)和我國資源可實(shí)用性等條件，選擇Pb與W單一元素的射線屏蔽效果加以對(duì)比模擬計(jì)算，照射的光子輻射能量取0.001～2MeV，其模擬計(jì)算的結(jié)果如圖1所示。

從圖1能夠得到，線性衰減系數(shù)和質(zhì)量衰減系數(shù)之間的關(guān)系會(huì)因?yàn)槲镔|(zhì)密度的不同而變化，粒子的射線屏蔽效果質(zhì)量衰減系數(shù)和射線的能量有很大的相關(guān)性。Pb與W都在低能段表現(xiàn)出它們的吸收弱區(qū)，W的吸收弱區(qū)為40KeV～70KeV，范圍小于Pb，在稍微超出K層吸收邊時(shí)，其質(zhì)量衰減系統(tǒng)突然變大，變化的幅度超出四倍，符合材料優(yōu)化的特性。雖然高原子系數(shù)的粒子也可能在低能量的情況下表現(xiàn)出吸收弱區(qū)，但是防護(hù)的綜合性能仍然優(yōu)于高等段的情況，且會(huì)隨著射線能量的提升而明顯變?nèi)?，低能量段減弱出現(xiàn)了指數(shù)減少特征，高等段表現(xiàn)為線性減少特征，主要是由于高能量的作用方式比較復(fù)雜，會(huì)有累積效應(yīng)，所激發(fā)的電子較多?？梢钥闯鯬b的質(zhì)量衰減系數(shù)優(yōu)于W，其密度卻小于W，因此線性衰減系數(shù)卻劣于W，在忽略重量因素的影響時(shí)，同樣厚度的Pb和W制材料，等量的含W的材料的輻射防護(hù)性能要優(yōu)于Pb。

4? 功能粒子的篩選及優(yōu)化組合模擬計(jì)算

決定物質(zhì)以“光電效應(yīng)”過程吸收射線能量多少的關(guān)鍵不在于吸收粒子原子序數(shù)的大小，而應(yīng)該是吸收粒子的K層吸收邊的位置，即射線粒子把K層電子射出，能夠使其脫離原子核束縛所需要的最低能量的大小，也就是電子密度。如果吸收粒子的K層吸收邊恰好能夠覆蓋所吸收射線的能量或能譜區(qū)，那么其就是吸收這一能量射線的最優(yōu)吸收粒子[9-10]。

基于射線屏蔽能力、經(jīng)濟(jì)劃算與環(huán)境保護(hù)的角度考慮，選用下面的具有屏蔽元素（W、Bi、稀土）的氧化物作為模擬計(jì)算對(duì)象，為了躲避不同元素的吸收弱區(qū)，對(duì)它們實(shí)施篩選以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)組合的模擬。首先對(duì)粒子WO3和Gd2O3在不同配比情況的能量梯度進(jìn)行模擬計(jì)算，選用具備顯著特征峰的放射源：241Am：59.6KeV，57Co：122KeV，133Ba：356KeV，137Cs：662KeV，60Co：1173KeV與1332KeV，進(jìn)行模擬計(jì)算實(shí)驗(yàn)，所得屏蔽效果如圖2所示。

圖2的模擬計(jì)算結(jié)果能夠得出，在低等情況下，Gd2O3的含量越高，防護(hù)性能也越高，當(dāng)能量大于122KeV時(shí)，WO3含量占比更高的防護(hù)性能便越好;在高能情況下，WO3與Gd2O3配比變化時(shí)，材料的防護(hù)性能并沒有顯著改變，但二者的配比值為1：1的情況下，同時(shí)具備中低能量的防護(hù)性能，會(huì)受到材料屏蔽范圍的擴(kuò)大發(fā)生顯著的增加，且表現(xiàn)為低能區(qū)上升顯著，中能區(qū)減弱緩慢，說明二者在射線屏蔽上具有互補(bǔ)的作用。同理，在其他功能粒子的配比實(shí)驗(yàn)中，也在1：1的比值下得到了模擬計(jì)算的相對(duì)優(yōu)化結(jié)果。

以此為基礎(chǔ)，選用更多的重金屬與稀土氧化物和WO3進(jìn)行組合優(yōu)化模擬，光子的能量在0.001～2MeV范圍的材料質(zhì)量衰減系數(shù)如圖3所示;低能量射線6KeV～100KeV的防護(hù)性能如圖4所示。

從圖3中能夠看出功能粒子隨著射線能量的增大，質(zhì)量衰減系統(tǒng)會(huì)減小，在高能射線情況下，屏蔽的結(jié)果相對(duì)較低，并趨于一致，無明顯差異，Bi2O3在中等能量范圍的防護(hù)效果表現(xiàn)最佳。

從圖4可以看出，在普通的醫(yī)療放射環(huán)境下（發(fā)射能量較低），各個(gè)功能粒子的輻射防護(hù)性能表現(xiàn)出比較大的差異，單一粒子出現(xiàn)了單一的吸收峰，同時(shí)復(fù)合功能粒子防護(hù)材料則有兩個(gè)吸收峰，且變化過程比較平滑，可以體現(xiàn)出不同粒子互補(bǔ)的吸收弱區(qū)，特別是稀土元素的K層吸收邊恰好位于此范圍能量周邊，擴(kuò)大了輻射防護(hù)的能量范圍。而其它能量范圍，防護(hù)性能卻不能與含有重原子系數(shù)的W和Bi的氧化物相比。在特定的輻射環(huán)境中，采用以上方案的粒子配比組合制備防護(hù)材料，可以在盡可能降低成本的情況下，提高材料的輻射防護(hù)性能。另外，從圖4中還能看出，WO3做基體混合稀土元素的防護(hù)性能在幅度拓寬方面要優(yōu)于Bi2O3，各類稀土氧化物之間，K層吸收邊越是接近WO3，防護(hù)幅度拓寬效果越好，因此，如果采用兩種相對(duì)靠近的粒子互補(bǔ)的輻射防護(hù)性能也會(huì)更佳。

5? 功能粒子對(duì)硅橡膠的性能改進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)際工作使用時(shí)，除了要求所用材料能夠很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)核輻射的防護(hù)之外，材料本身的綜合性能也會(huì)對(duì)實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生較大的影響。在此，使用實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方式對(duì)柔性的溫室硫化硅橡膠復(fù)合核輻射防護(hù)材料加以模擬與改進(jìn)，希望在實(shí)現(xiàn)防護(hù)性能提升的基礎(chǔ)上達(dá)到使用方便的效果。選用不同組分的鎢含量硅橡膠在防護(hù)幾種常見的具有不同能量梯度，且特征峰差異顯著的放射源（241Am：59.6KeV，57Co：122KeV，133Ba：356KeV，137Cs：662KeV，60Co：1173KeV 和 1332KeV）方面的效果模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

從圖5來看，當(dāng)基體中的含鎢比例增高時(shí)，輻射防護(hù)能力提升，尤其是中低能量范圍內(nèi)，質(zhì)量衰減系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高能區(qū)范圍，甚至超越了一個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)鎢含量在55phr以內(nèi)的情況下，增加一定的鎢含量比例能夠明顯提升材料的防護(hù)性能，超出這個(gè)范圍后，鎢在提升硅橡膠的防護(hù)性能方面的增量開始放緩，可見鎢和硅橡膠的防護(hù)性能差異顯著，硅橡膠以產(chǎn)生康普頓效應(yīng)為主[11]，但是一定含量范圍的鎢主要依靠光電效應(yīng)吸收中低范圍能量射線，鎢含量超過某個(gè)比例時(shí)，康普頓效應(yīng)減弱，防護(hù)性能減緩;而在高能量范圍內(nèi)鎢的含量對(duì)質(zhì)量衰減系數(shù)的影響有限，60Co能量射線和物質(zhì)以發(fā)生康普頓散射效應(yīng)為主，當(dāng)出現(xiàn)光電效應(yīng)時(shí)，鎢的作用便只體現(xiàn)在產(chǎn)生極少的光電效應(yīng)上，所以鎢的多少對(duì)防護(hù)性能的影響十分有限;當(dāng)質(zhì)量衰減系數(shù)持平時(shí)，致密度的影響突出，材料的密度越大則其厚度也會(huì)明顯變小，因此在限制既定的情況下，選用適當(dāng)?shù)暮坎坏軌驅(qū)崿F(xiàn)優(yōu)秀的防護(hù)能力，而且可以降低材料成本，實(shí)現(xiàn)材料應(yīng)用效率的最大化。

6? 結(jié)語

應(yīng)用WinXCom軟件首先對(duì)金屬單質(zhì)Pb和W進(jìn)行了光子屏蔽質(zhì)量衰減系數(shù)的模擬計(jì)算，接著對(duì)重金屬氧化物WO3和Bi2O3進(jìn)行模擬計(jì)算，最后對(duì)稀土氧化物稀土氧化物Gd2O3、Sm2O3和以WO3為基體的其他重金屬氧化物及稀土氧化物的混合進(jìn)行了相同的模擬運(yùn)算。目的是得到功能粒子在核輻射防護(hù)性能上的最佳組合，從而能夠改善核輻射防護(hù)材料的材質(zhì)，制備在特定輻射能量下，能夠?qū)崿F(xiàn)既定要求材料下的防護(hù)性能最優(yōu)的材料。得到的結(jié)果為：

（1）對(duì)于單質(zhì)的物質(zhì)質(zhì)量衰減系數(shù)和輻射能量有很高的相關(guān)性，其質(zhì)量衰減系數(shù)會(huì)因?yàn)檩椛淠芰康脑黾映霈F(xiàn)大幅下降的現(xiàn)象;在低能范圍下，下降規(guī)律呈現(xiàn)指數(shù)變化情況，同時(shí)表現(xiàn)出明顯的吸收弱區(qū)，且在高能情況下具有線性衰減趨勢(shì)。

（2）根據(jù)K邊吸收區(qū)的互補(bǔ)規(guī)律，將多種配比的防護(hù)功能粒子做優(yōu)化組合模擬運(yùn)算，發(fā)現(xiàn)組合材料相對(duì)于單質(zhì)粒子的防護(hù)性能弱化了吸收弱區(qū)，而且兩種組合粒子的K邊吸收區(qū)能量越靠近，其吸收弱區(qū)的互補(bǔ)能力越高。

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