基于mcnp的強(qiáng)射線參考輻射場(chǎng)的散射特性

1新型探測(cè)器的靈敏度標(biāo)定需求輻射校正實(shí)驗(yàn)室是提供合適的輻射參考的輻射場(chǎng)所的。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)波束大小、均勻性和散射環(huán)境有明確要求。其中，散射能譜和劑量率作為一個(gè)重要的控制指標(biāo)，直接影響到實(shí)驗(yàn)參數(shù)的準(zhǔn)確性，尤其是新探測(cè)器的靈敏度校正需求。而目前輻射場(chǎng)散射、直射能譜測(cè)量以及散射劑量率份額測(cè)量等均存在一定的難度,文中采用理論模擬對(duì)8000Ci鈷源輻射場(chǎng)的散射參數(shù)開展了細(xì)致研究,為輻射場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和屏蔽設(shè)計(jì)提供參考。2散射劑量率的模擬模擬計(jì)算是對(duì)散射參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究的有效方法,計(jì)算中首先根據(jù)1m處劑量率的約定真值(107Gy.h-1),確定計(jì)算模擬中鈷源的裝源活度。根據(jù)照射間的布置情況以及源、照射器的結(jié)構(gòu)參數(shù),采用蒙特卡羅中子/光子和光子/電子耦合輸運(yùn)程序(MCNP/4B)進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)建立的照射間為對(duì)稱分布,為便于研究,程序設(shè)計(jì)中沿照射間的前墻、側(cè)墻以及后墻的里表面20cm處、間隔約1m的距離設(shè)置不同的散射參數(shù)監(jiān)控點(diǎn),同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室中心處設(shè)置監(jiān)控點(diǎn),用以觀察參數(shù)的分布情況。模擬中坐標(biāo)設(shè)置情況為:以放射源幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)(高1.5m,距離后墻2m的中心位置),射線束方向?yàn)閅軸,水平垂直射線束方向?yàn)閄軸,整個(gè)照射間內(nèi)部空間為12m×5m×4m,照射器及屏蔽墻設(shè)有足夠的厚度,源活性區(qū)尺寸為Φ20mm×26.9mm,準(zhǔn)直器發(fā)散角為5°,1m處的束斑約為10cm×10cm,在束斑中心不同距離處設(shè)置不同的散射體來進(jìn)行散射劑量率研究?；谏⑸錇榘l(fā)散束,參數(shù)計(jì)數(shù)中采用點(diǎn)探測(cè)器比較合適,通過記錄劑量率、注量以及能注量來對(duì)各點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行比較研究,計(jì)算模型原理示意見圖1。3實(shí)驗(yàn)樣品的貢獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中,散射主要來源于屏蔽墻和在束散射體(實(shí)驗(yàn)樣品)的貢獻(xiàn),根據(jù)以上建立的模擬方法和計(jì)算模型,對(duì)屏蔽墻的墻體、材料以及散射體特性等技術(shù)參數(shù)對(duì)輻射場(chǎng)能譜和劑量率進(jìn)行了詳細(xì)模擬。3.1輻射場(chǎng)的散射照射器和屏蔽墻為放射源工作時(shí)提供必要的安全防護(hù),其存在會(huì)對(duì)輻射場(chǎng)的散射參數(shù)帶來影響。照射器設(shè)置有減小散射的光闌,相對(duì)屏蔽墻而言它對(duì)散射的貢獻(xiàn)可以忽略。實(shí)驗(yàn)廳空間的大小、材料以及形狀等均會(huì)對(duì)散射造成一定的影響。3.1.1空間大小對(duì)散射參數(shù)的影響照射間需要有一定的實(shí)驗(yàn)空間來減少散射劑量貢獻(xiàn),相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定實(shí)驗(yàn)室有效空間大于3m’4m’4m,常規(guī)實(shí)驗(yàn)室中高和寬度與該值差別不大,然而長度一般差別較大。結(jié)合建立的計(jì)算模型,計(jì)算了不同長度實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的劑量率分布情況,來分析空間大小對(duì)散射參數(shù)的影響,結(jié)果見圖2。圖2結(jié)果表明,隨著實(shí)驗(yàn)室長度的增加,實(shí)驗(yàn)可用區(qū)域散射劑量減小,但減小到一定程度后效果不明顯:當(dāng)源到射線束正對(duì)面墻的距離小于4m時(shí),散射嚴(yán)重;當(dāng)距離增加到10m后,再增加實(shí)驗(yàn)室長度,對(duì)改善6m以內(nèi)實(shí)驗(yàn)區(qū)的散射劑量率效果不明顯。這是由于屏蔽墻散射主要來源于束斑射在對(duì)面墻上的一次散射和多次散射,一次散射起決定性作用。在同一散射墻體上,散射劑量率的大小由束斑大小和劑量率強(qiáng)度的綜合效應(yīng)決定,隨著實(shí)驗(yàn)室距離的增加,束斑直徑線性放大,二次散射源形狀由點(diǎn)源變?yōu)槊嬖?而射線強(qiáng)度按照距離平方反比規(guī)律降低。綜合諸方面的因素,源到正墻的距離設(shè)置在8m~10m之間,性價(jià)比比較合適,則整個(gè)實(shí)驗(yàn)室長度在10m~12m之間較好。3.1.2束流散射的影響按照?qǐng)D1的布置方式,對(duì)10m照射間內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的劑量率以及能譜分布進(jìn)行了詳細(xì)模擬,其劑量率、注量率以及平均能量參數(shù)見表1,為了詳細(xì)了解側(cè)屏蔽墻表面劑量率極大值(為側(cè)墻屏蔽設(shè)計(jì)提供依據(jù)),對(duì)非在束散射時(shí),前墻表面和側(cè)墻表面的劑量率分布進(jìn)行了細(xì)致模擬,見圖3和圖4;同時(shí)對(duì)相關(guān)點(diǎn)的能譜以及平均能量進(jìn)行了詳細(xì)模擬,結(jié)果見圖5。以上各D點(diǎn)和F點(diǎn)的參數(shù)表明,在源心到F0的束斑間,靠前墻越近的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)散射越大,平均能量也越低,這是空氣散射和正墻散射效應(yīng)聯(lián)合所致;D0到B6或F0到B11之間的參數(shù)表明,越靠近束流中心散射產(chǎn)生的平均能量越高,劑量率也越高,這主要是由于(射線在空氣中輸運(yùn)時(shí)小角散射引起的效應(yīng),正墻前的劑量率分布曲線進(jìn)一步驗(yàn)證了該現(xiàn)象;第1到第5個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)參數(shù)表明,該區(qū)域?yàn)樯渚€束的背面,其散射劑量主要來源于束流在正墻的背散射和其它次級(jí)散射貢獻(xiàn),故射線注量率、平均能量及劑量率均較低;散射劑量率及平均能量由束流中心到兩邊側(cè)墻逐漸降低,但降低速度不一樣,越靠前墻降低越慢。這是由于遠(yuǎn)離開前墻束斑小,散射區(qū)域也小,且正墻散射貢獻(xiàn)少的緣故;同樣由于束流對(duì)空氣的散射以及正墻的散射綜合效應(yīng),使得從B11到B2之間劑量率逐漸增加,劑量率貢獻(xiàn)主要來源于正墻散射,此時(shí)正墻束斑內(nèi)Φ1m區(qū)域作為散射平面源,散射劑量率隨距離近似服從線性衰減,故散射平均能量變化不大,劑量逐漸增加。圖3表明劑量率增加到9m后快速下降,主要是在散射接近90°時(shí)屏蔽墻的吸收加劇導(dǎo)致的,模擬結(jié)果表明距離前墻1m左右側(cè)墻前的散射劑量率達(dá)到最大。3.1.3正墻屏蔽體參數(shù)墻體的材料也是影響散射的因數(shù)之一,(光子與材料發(fā)生相互作用的宏觀截面隨原子序數(shù)增加而增加,為減小散照射間的射劑量率,分別計(jì)算了3m實(shí)驗(yàn)室中,正墻分別為混凝土、鐵以及鉛時(shí)束流上E0點(diǎn)和散射點(diǎn)B4的參數(shù)情況,見表2。表2數(shù)據(jù)表明,采用中原子序數(shù)材料作為正墻屏蔽體,可以有效減小低能散射的貢獻(xiàn),同時(shí)提高輻射場(chǎng)射線束的平均能量。其原因在于隨著原子序數(shù)的增加,光電截面逐漸比康普頓截面占優(yōu)勢(shì),產(chǎn)生的各種低能光子(包括軔致輻射的連續(xù)X射線,特征X射線、以及康普頓散射產(chǎn)生的低能(射線)被重物質(zhì)有效吸收,減小了低能成分對(duì)劑量率和平均能量的貢獻(xiàn)。3.2蜀間實(shí)驗(yàn)過程中,射線束難免會(huì)受到實(shí)驗(yàn)物品以及屏蔽設(shè)備的阻擋而發(fā)生散射,需要對(duì)散射體特性、散射體距離進(jìn)行研究,為實(shí)驗(yàn)提供參考。3.2.1散射體材料的影響實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)用到不同形狀、材料及厚度的實(shí)驗(yàn)物品,為參數(shù)比對(duì)方便,實(shí)驗(yàn)中對(duì)物品的特性進(jìn)行了簡化。1)形狀:根據(jù)散射厚度研究結(jié)果(圖6),實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了1cm厚50cm’50cm的鉛板(垂直散射和45°斜散射)以及半徑為1cm的鉛球,將其中心分別放于3m處束斑中心進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn),計(jì)算模擬結(jié)果見圖6和表3。結(jié)果表明,垂直散射體對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的散射比較嚴(yán)重,側(cè)墻前的劑量率主要來源于束流上空氣及散射體和正墻散射的貢獻(xiàn),無論散射體如何放置光子與靶的微觀截面沒有變化,但散射光子的吸收發(fā)生了變化。當(dāng)散射靶斜放時(shí),90°出射的散射光子吸收較少、而透射光子吸收增加,導(dǎo)致B6點(diǎn)處散射的劑量率及平均能量略高于垂直入射情況;而球體散射由于射線與靶物質(zhì)的作用面有限,斜散射增加、透射減弱情況比較復(fù)雜,不易于開展散射研究。綜合以上結(jié)果,雖然斜散射對(duì)研究局部散射情況較好,但其整體性能上比不上垂直散射體(見圖7),結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)布置,選擇垂直散射體比較合適。2)厚度:散射體厚度設(shè)置也是影響散射參數(shù)的因數(shù)之一。按照以上的形狀,變換鉛散射體的厚度進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果見圖6。由圖6劑量率的變化趨勢(shì)可以看出,散射體太薄或太厚均可以降低散射劑量率。在束有散射體時(shí),側(cè)墻劑量率來源于散射體散射(斜散射)和正墻散射劑量率之和,散射體太厚會(huì)減弱透射射線強(qiáng)度,進(jìn)而降低正墻散射,同時(shí)對(duì)斜散射射線的吸收也會(huì)增加;若散射體太薄,斜散射不夠強(qiáng)。散射體設(shè)置在1cm左右可以獲得較強(qiáng)的散射劑量率,便于開展散射最大劑量率研究。3)材質(zhì):確立以上兩個(gè)參數(shù)后,更換水、混凝土、鐵和鉛四種不同的材質(zhì)進(jìn)行散射模擬研究,模擬結(jié)果見圖8,其參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表4。散射體材料的散射效果取決于散射體的微觀作用截面、靶核的量和物質(zhì)的密度,對(duì)比以上四種材料的散射參數(shù),散射靶原子序數(shù)太小或太大,均可以降低散射,采用1cm的中等原子序數(shù)的物質(zhì)如鐵、鉛等,可以獲得最大的散射效果。同樣要獲得與1cm的鐵同等的散射效果,可以適當(dāng)增加輕物質(zhì)的厚度或減薄重物質(zhì)的厚度實(shí)現(xiàn)。3.2.2騎馬型的消失散射體距離不同位置處,分布模擬了在束放置不同厚度垂直散射體時(shí),照射間內(nèi)劑量率分布情況,結(jié)果見圖9。以上分布曲線表明,在垂直點(diǎn)(如1m散射時(shí)的B3點(diǎn))兩邊劑量率分布為非對(duì)稱的馬鞍型,這個(gè)馬鞍型隨散射位置的移動(dòng)而移動(dòng),兩邊峰高度以及峰形也不斷發(fā)生變化,散射體移動(dòng)到8m以上時(shí)馬鞍型消失。馬鞍型出現(xiàn)的劑量率低點(diǎn)是沿著射線束90°方向散射體吸收強(qiáng)的原因所致;實(shí)驗(yàn)中當(dāng)1.25MeV的入射光子穿過投射靶時(shí),出射光子角分布譜前沖趨勢(shì)明顯,這是導(dǎo)致靠墻段劑量率增加較快的主要因素,同時(shí)正墻的散射劑量率貢獻(xiàn)也對(duì)側(cè)墻前劑量率增加起到一定的作用,尤其在散射體靠近正墻時(shí)效果明顯,這就是導(dǎo)致散射體在8m外,馬鞍型分布消失的主要原因。根據(jù)以上劑量率分布特性,可以知道不同散射實(shí)驗(yàn)時(shí),側(cè)墻的劑量率最大值,為實(shí)驗(yàn)防護(hù)提供參考。4散射體的散射控制材料和散射參數(shù)的比較研究,為散射防護(hù)提供了依據(jù)通過以上散射參數(shù)的理論模擬,確立了實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)的劑量率和能譜的分布。