Ⅲ类60Co源防护布料的蒙特卡罗方法模拟

福建省辐射环境监督站 朱佳山

在核技术应用中，经常需要用到防护服以减小辐射对人体的影响。研究布料对射线阻止本领与布料的成分、密度之间的关系是研制防护服的基础。理论上可以分析不同成分和密度的布料对一定能量射线的阻止本领，通过改变布料成分及密度来调整布料对射线的阻止能力，从而达到辐射防护标准及特定需求。蒙特卡罗方法可以模拟单个粒子的输运过程，因此可以用它模拟不同性质的布料对射线的阻止能力，研究射线的透过率情况[1-3]，并将透过的不同能量的射线转化为剂量当量率，对照国家标准可以设计出符合要求的防护布料。本文使用 MCNP4C程序对防护服布料的成分及厚度进行模拟研究。

1 蒙特卡罗方法及MCNP程序

1.1 蒙特卡罗方法简介[4]

蒙特卡罗方法是一种随机抽样过程。利用已知的光子反应截面数据, 模拟各种微观物理过程, 通过概率抽样对源粒子的行为进行跟踪，决定每次碰撞后次级粒子的运动方向和速度。根据需要对相应的物理量进行统计, 逐次跟踪下去, 就可以得到所需的结果。该方法相当于一种计算机模拟实验。由于射线与物体作用是一个随机过程，所得到的宏观物理量又是一个统计值, 对复杂条件下辐射场的计算, 射线衰减与散射过程及空间物质的几何分布有关, 做准确的解析困难很大。在这种情况下, 蒙特卡罗方法是很有效的求解方法。

1.2 MCNP程序简介

MCNP是一个大型多功能的蒙特卡罗计算程序, 可处理复杂场所三维几何结构的中子—光子—电子耦合输运问题。MCNP具有较强的通用性, 在源描述、空间物质的几何分布上具有很大的灵活性,可处理任意三维几何结构问题, 适用面宽, 现已用于射线无损检测系统、辐射屏蔽、核仪器设计和保健物理等许多问题上。它可以很好地用于跟踪计算、确定辐射剂量、物理实验模拟、辐射屏蔽防护上。对光子的输运问题，MCNP详细处理了各种微观物理过程。

MCNP程序通过一个输入文件INP和有关元素的截面数据文件对物理问题进行计算。输入文件包括描述问题所必需的全部信息, 由包含不同输入信息的数据卡片组成, 卡片具有指定的格式。在每一卡片中填写量化的数据信息。输入卡片按类主要分为栅元卡、曲面卡、数据卡三个部分。栅元卡和曲面卡描述物体分布的空间几何信息, 每一个几何体通过栅元由描述几何体各表面的曲面按一定关系构成, 空间几何越复杂, 需要的曲面卡和栅元卡就越多。数据卡包括问题（光子、中子、电子） 类型、栅元物理参数、曲面物理参数、源描述、材料描述、结果计数描述、问题截断条件等。另外还有一些专门的数据卡片提供降低方差、减少计算所需时间的技巧方法。

2 模拟内容及模拟方法

2.1 模拟不同密度的布料与源距离不同时的透过率情况[5]

依据实际应用情况设计实验模拟布料密度分别为2.5g/cm3，3g/cm3，3.5 g/cm3，4 g/cm3，4.5g/cm3，布料成分（原子数百分比）统一为Pb 8%、C 42% 、H 4% 、O 46%，布料厚度0.4cm 。射线能量为60Co平均能量 1.25MeV。模拟源离布料的距离分别为0.01cm、2cm、5cm、8cm、15cm、25cm、35cm、45cm、55cm、65cm、75cm 时不同密度布料的透过率。结果如图1。

图1 铅含量为8%的不同密度屏蔽材料对射线的透过率

从图1可以看出，屏蔽材料密度越大相应透过率越小，减小量与密度增加量近似呈线性递减。

2.2 模拟布料不同含铅量的透过率情况

实际情况中，布料密度为3.5～4 g/cm3在可接受范围内，下面模拟布料密度为3.5 g/cm3、4 g/cm3，含铅量分别为8%、10%、12%、14%、16%、20%（布料中 C、H、O之间比例不变）。布料与源距离分别为2 cm，15 cm，25 cm，35cm。模拟结果如图2、图3。

图2 与源距离分别为15cm、25cm、35cm时不同含铅量材料的透过率（材料密度3.5 g/cm3）

图3 与源距离分别为15cm、25cm、35cm时不同含铅量材料的透过率（材料密度4g/cm3）

从图中可看出，在铅含量（原子数百分数）为12%时，透过率分别有最小值。

2.3 以铅含量为12%为基准屏蔽材料模拟针对Ⅲ类60Co源屏蔽材料的剂量当量

2.3.1 Ⅲ类60Co源[1]

辐射防护学中Ⅲ类放射源为危险源，没有防护情况下，接触这类源几小时就可对人造成永久性损伤，接触几天至几周可致人死亡，查表可知Ⅲ类60Co源放射性活度为3E10～3E11Bq。

2.3.2 剂量当量

剂量当量是用适当的修正因数对吸收剂量进行加权，使得修正后的吸收剂量能更好地和辐射所引起的有害效应联系起来，公式表示如下：

式中，H——剂量当量，西弗（Sv）。1西弗=1焦耳/千克。并用单位雷姆，1西弗=100雷姆。D——吸收剂量（戈）；N——所有其他修正因素的乘积；Q——品质因数。

2.3.3 最大容许剂量当量标准

辐射效应与受照部位有关，受照部位不同，产生的效应也不同。例如，以6西弗照射全身可引起致死。而同样的剂量照射手或足，甚至不会发生明显的临床症状。在相同剂量和剂量率照射条件下，不同部位的辐射敏感性的高低依次排列为：腹部、盆腔、头部、胸部、四肢。因此要特别注意腹部的防护。

表1为我国放射防护规定（GBj 8—74）给出的各照射部位的年最大容许剂量当量。

表1 我国电离辐射的剂量标准[2]

取职业放射性工作人员剂量限值，每年工作2000小时，其相应器官剂量率为 0.0025rem/hr，0.015rem/hr，0.0375 rem/hr，0.0075 rem/hr。以此值为依据来设计防护服材料。

2.3.4 剂量当量的蒙特卡罗模拟[6，7]

模拟布料密度为4g/cm3、铅含量为12%为基准，布料与源距离 35cm时每个粒子对剂量当量率的贡献，布料厚度分别为0.4cm、0.5cm、0.6cm、0.7cm、0.8cm、0.9cm、1.0cm、1.1cm。结果如表2和图4所示。模拟中，厚度为0.8，0.9，1.0，1.1时的误差较大，由于此问题应用不到如此大厚度，并且此图能反映降低的趋势。

表2 不同厚度下每个粒子对剂量当量率的贡献

图4 不同厚度下每个粒子对计数的贡献

下面就 0.4～0.6cm 厚度布料细化模拟得到更精确的数据，结果如表3。

表3 不同厚度下每个粒子对剂量当量率的贡献

3 根据模拟结果而做的防护服设计

对于活度为5*E10Bq 的Ⅲ类60Co源，对照上表计算可知，防护各类器官所需布料厚度分别为，第一类器官：0.6cm；第二类器官：0.44cm；第三类器官：0.4cm；第四类器官：0.5cm。故可以根据所得的对不同器官的相应厚度，设计出对Ⅲ类60Co源防护服。

对应于不同活度的各种放射源都可以通过此方法模拟出较符合要求的防护服。

[1]从慧玲.实用辐射安全手册[M].北京：原子能出版社，2007.

[2]李星洪等.辐射防护基础[M].北京：原子能出版社，1981.

[3]J.F.Briesmeistern.Mcnptm-A general monte carlo n-particle transport code version 4c.April 10,2000

[4]许淑艳.蒙特卡罗法在实验核物理中的应用[M].北京：原子能出版社，2006.

[5]王娟，杨波，刘义保.γ射线透过率的蒙特卡洛模拟[J].辐射防护通讯，2008，28（6）：23-25.

[6]杨波，刘义保,顾金虎,等.蒙特卡罗方法对TH-PPL CT屏蔽铅罐辐射防护的模拟分析[J].东华理工大学学报∶自然科学版，2009，32（1）：72-77.

[7]刘立坡，刘义保，王娟.积累因子影响因素的蒙特卡罗模拟[J].辐射防护，2008（2）： 108-111.