閆海霞 李巖 李鋼 楊斌 楊大戰(zhàn) 周冬亮

摘要：本文介紹了電離輻射的基礎(chǔ)理論，以及伽馬輻射場的光闌設(shè)計，該類輻射場的應(yīng)用范圍十分廣泛，對農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和工業(yè)等領(lǐng)域都有著十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：X射線輻射場;γ射線輻射場;光闌

中圖分類號：TP368 ?文獻標(biāo)識碼：A

1引言

目前在輻射劑量監(jiān)測方面無論是核電站還是核儀器儀表單位都要對輻射類工作計量器具進行檢定或校準(zhǔn)工作，主要包括X射線、γ射線、中子、α以及β類儀表。γ射線空氣比釋動能標(biāo)準(zhǔn)裝置可以提供相關(guān)儀器儀表的量值溯源和量值傳遞，使γ射線儀表能夠更加準(zhǔn)確的發(fā)揮環(huán)境輻射監(jiān)測的作用，切實的保護工作人員和公眾的電離輻射安全。本文將介紹輻射場的構(gòu)建過程和光闌的優(yōu)化設(shè)計。

2輻射場建立的基礎(chǔ)理論

X、γ射線與物質(zhì)的相互作用形式主要有光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對效應(yīng)三種類型[1]，然而γ射線輻射場的建立與X射線輻射場的建立在原理上又有不同。當(dāng)光子能量處于不同的范圍時，三種效應(yīng)占據(jù)不同的主導(dǎo)地位，當(dāng)光子能量由低到高，康普頓效應(yīng)、光電效應(yīng)和電子對效應(yīng)依次占據(jù)主導(dǎo)地位。

2.1光電效應(yīng)

伽馬射線光子把能量全部傳遞給原子中的一個電子，電子掙脫束縛成為光電子，即光電效應(yīng)。此時核外電子殼層出現(xiàn)空位，內(nèi)層電子躍遷并發(fā)射X射線特征譜[2]。

2.2康普頓散射

除了光電效應(yīng)外，伽馬射線光子還可能與核外電子發(fā)生彈性碰撞，光子的能量和運動方向發(fā)生改變，電子脫離束縛，這種現(xiàn)象稱為康普頓散射。

2.3電子對效應(yīng)

當(dāng)X射線或γ射線光子從原子核旁邊經(jīng)過時與原子核的庫倫場發(fā)生相互作用形成一對正負(fù)電子，此過程就是電子對效應(yīng)[3]。

3蒙特卡洛方法介紹

蒙特卡洛方法是一種隨機抽樣試驗方法，在核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，利用蒙特卡洛方法模擬仿真光子、中子以及電子的粒子疏運過程，可以精確計算出粒子束與物質(zhì)相互作用的劑量分布等物理量。其中，GEANT4、MCNP和EGS是常用的核物理仿真軟件。

GEANT4使用C++軟件，用于精確模擬粒子在介質(zhì)中輸運過程的數(shù)值計算軟件工具包，基于Linux/Unix操作系統(tǒng)，但源代碼完全開放，用戶可以根據(jù)需求進行更改和擴充，主要用來模擬高能物理現(xiàn)象[4]。

MCNP使用Fortran語言，可以計算中子、光子和電子的聯(lián)合輸運問題和臨界問題，程序通用性強。

SuperMC是一款國產(chǎn)軟件，中文名字為超級蒙卡，是由中科院核能安全技術(shù)研究所FDS團隊歷經(jīng)近二十年，投入200余人年，研發(fā)的一套通用、智能、精準(zhǔn)的核設(shè)計與輻射安全評價軟件。軟件安裝方便，在Windows系統(tǒng)下就可以輕松安裝，然而在某些方面其計算精度卻不輸于MCNP，甚至更加接近實驗值。

4輻射場光闌的設(shè)計

輻射場各個部分的設(shè)計都要嚴(yán)格參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中，ISO-4037要求輻射場要使用準(zhǔn)直器來限制輻射場射野的形狀和大小[5]，而準(zhǔn)直孔道還決定著輻射場的均勻性，均勻性是衡量輻射場的重要指標(biāo)，合理的光闌設(shè)計可以有效的減少散射，提高輻射場的各方面參數(shù)。將采用MCNP模擬程序研究準(zhǔn)直器對輻射場的影響，以便優(yōu)化對輻射場光闌的設(shè)計。

4.1建立模型

輻射場裝置包括放射源，屏蔽體，準(zhǔn)直器，軌道，三維定位裝置以及快門和底座等部分構(gòu)成。輻射裝置和自動化控制軟件分別設(shè)置在源室和控制室兩個房間，在控制室可以通過集成軟件控制源室中放射源的升降，調(diào)節(jié)軌道XYZ三軸的方向，以及攝像頭的角度等。

通過MCNP對輻射場進行模擬，需要對光闌、源的種類和大小、屏蔽體的材質(zhì)、以及源距離各面的距離等參數(shù)進行設(shè)置，包括源室的空間引起的散射等都會對輻射場產(chǎn)生影響，通過優(yōu)化各個參數(shù)，設(shè)計光闌。

4.2模擬計算

散射對于輻射場的影響不容忽視，根據(jù)ISO-4037的要求散射的份額不超過總劑量的5%，通過設(shè)置仿真的參數(shù)后，對輻射場進行模擬，結(jié)果顯示總的散射份額在3.3%-3.6%之間。

5計量標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)指標(biāo)

5.1標(biāo)準(zhǔn)輻照裝置

標(biāo)準(zhǔn)輻照場提供的空氣比釋動能率范圍：0.5μGy/h～10μGy/h;

空氣比釋動能率擴展不確定度：2.5%（k=2）。

5.2高氣壓電離室環(huán)境劑量率儀

空氣比釋動能率測量范圍：10nGy/h～100μGy/h;

擴展不確定度：5.0%（k=2）;

重復(fù)性：0.2%;

長期穩(wěn)定性：1.5%/a。

5.310L常壓電離室技術(shù)指標(biāo)：

空氣比釋動能率測量范圍：0.2μGy/h～10mGy/h;

擴展不確定度：4.0%（k=2）;

重復(fù)性：0.3%;

能量響應(yīng)：50keV～1.25MeV小于5%（對于137Cs歸一）;

長期穩(wěn)定性：1.2%/a。

6結(jié)語

本文介紹了伽馬射線輻射場的三種效應(yīng)，通過蒙特卡洛程序來模擬輻射場，解決準(zhǔn)直光闌優(yōu)化設(shè)計的參數(shù)問題，提高輻射場的均勻性和準(zhǔn)直性。為輻射場的構(gòu)建提供了很好的基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]杜繼星. 醫(yī)用診斷X射線的特性、測量與防護研究[D].中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院，2016.

[2]蔡祥鳴. 伽馬輻射下多層屏蔽體多目標(biāo)優(yōu)化[D].南華大學(xué)，2017.

[3]李鵬. 防護水平γ射線的空氣比釋動能標(biāo)準(zhǔn)裝置的基礎(chǔ)技術(shù)研究[D].中北大學(xué)，2012.

[4]仇小鵬，楊平利，田傳艷. 基于VC++.Net開發(fā)Geant4數(shù)值模擬程序[J]. 計算機仿真，2007，（06）：255-258+262.

[5]成建波，李德紅，姚澤恩，黃建微，金孫均. ～（137）Cs γ輻照器光闌的優(yōu)化設(shè)計[J]. 核電子學(xué)與探測技術(shù)，2015，35（03）：295-298.

作者簡介：閆海霞，1988.9，女，漢族，黑龍江省哈爾濱市，碩士，助理研究員，主要從事電離輻射計量與核電子學(xué)研究。