60Co单源照射装置的蒙特卡罗方法优化设计

高 飞，肖雪夫，侯金兵，王红玉，宋明哲，倪 宁，张 力

（中国原子能科学研究院 放射性计量测试部，北京 102413）

参考辐射是辐射剂量监测仪器校准工作必备的条件，60Co单源照射装置是产生参考辐射场的重要设备。照射装置的准直设计是为使其产生的参考辐射场具有更良好的辐射特性，但散射贡献无法避免。辐射场中散射辐射的主要来源有准直器、源屏蔽容器、地面、墙壁以及刻度车等，只能通过优化设计将其控制在合理的范围内。由于设计思想和实验方法不同，散射辐射的影响也不相同。如何降低参考辐射场中的散射光子的辐射贡献始终是一项非常重要的课题[1－4]。本研究以某核电站新研制的一套新型单源照射装置为例，采用蒙特卡罗模拟方法对60Co单源照射装置进行优化设计。

1 原理

60Co射线参考辐射场主要用于校准电离辐射剂量仪和剂量率仪并确定其能量响应，通常为准直设计。准直照射装置的安全容器由足够厚的铅制成，将透过容器辐射的注量减小到有用射线束的0.1%，并在源关闭时，将其表面空气比释动能率限制到可接受水平（通常为2.5μGy／h）。图1为准直照射装置原理图。

图1 准直照射装置原理图Fig.1 Principle figure of radiation facility

2 蒙特卡罗模拟计算模型

单源照射装置由散射腔、铅屏蔽体、快门、内光阑、放射源、前光阑和底座等部分构成。利用MCNP对γ单源装置进行建模，通过模拟和研究装置产生的参考辐射的均匀性和散射辐射，实现其优化设计。应用MCNP模拟计算辐射场中散射光子问题时，用到的命令卡包括标题卡、栅元卡、曲面卡、数据卡，其中数据卡包括模拟类型卡、栅元参数及曲面参数卡、源卡、计数卡等。计算模型主要包括辐照装置、水泥台、墙壁、地面、刻度车、丝杠及支架等，其中照射装置包括铅容器、散射腔、内光阑、快门光阑、外光阑等。为简化计算，节省计算时间，对上述几何结构均进行适当的概化处理。图2为MCNP绘制的概化后的单源照射装置的计算模型。

照射装置采用了3组共9片光阑，均由钨合金（89%的 W、7%的 Ni、4%的Cu）制成，密度为17g／cm3，厚度为1.5cm。实验室中水泥墙壁的密度为 2.35g／cm3，由 52.9% 的 O、33.7%的Si、1.3%的Fe和12.1%的其他元素组成。空气密度为1.293mg／cm3，由23.2%的O、76%的N以及C和0.8%的Ar等组成。计算模型如图3所示，包括照射装置、墙壁、地面、天花板、空气、水泥台和刻度车等。单源照射装置坐落在1.2m高的水泥台上，刻度车由车体和转台构成，用于架设实验仪器。通过远程控制刻度车可调节仪器到放射源的距离，升降台具有升降功能，通过激光定位系统确保实验仪器位于辐射场轴心位置。放射源支架材料为铝合金，铝合金由93.5%的 Al、0.5%的Si和6%的其他元素如Fe和Cu等组成，密度为2.78g／cm3。60Co源的活性区为φ3mm×6mm的圆柱，材料为 Co，密度为8.9g／cm3，放射源活性区外部包有不锈钢包壳，放射源为φ6mm×11mm的圆柱体，如图4所示。

图2 MCNP绘制的γ单源照射装置Fig.2 Radiation facility model built by MCNP

图3 MCNP绘制的辐射场计算模型Fig.3 Reference radiation field model built by MCNP

图4 MCNP绘制的放射源模型Fig.4 Radiation source model built by MCNP

3 散射腔设计

散射腔用于降低照射装置自身的散射辐射，散射腔越大作用越明显，但装置也越重。利用MCNP计算不同尺寸的圆柱形和球形散射腔对辐射场中散射辐射的影响，模拟计算的散射腔结构如图5所示。计算模型中参考点到放射源的距离为1m，计算结果列于表1、2。

由表1可知，散射腔的直径对散射辐射影响较小，散射腔的高度对散射辐射的影响较大，即散射腔的高度越高，由照射装置屏蔽主体带来的散射辐射就越小。由表2可知，随着球形散射腔半径的增大，装置屏蔽主体的散射贡献减小。在相同尺寸条件下，球形散射腔（φ10cm）的散射贡献比圆柱形散射腔（φ10cm×10cm）的散射贡献大151%。因此，根据模拟结果将圆柱形散射腔设计为φ4cm×18cm，可使照射装置屏蔽主体带来的散射辐射的空气比释动能率最低，为总空气比释动能率的0.015%。

图5 MCNP绘制的具有不同散射腔的照射装置模型Fig.5 Radiation facility model with different scattered chambers built by MCNP

表1 不同尺寸圆柱形散射腔的散射辐射Table 1 Scattered dose caused by different sizes of cylindrical scattered chamber

4 准直光阑设计

准直照射装置使用准直器限制光束的形状和大小，照射装置采用3组共9片光阑，张角为14°，均由钨合金制成，密度为17g／cm3，每片光阑厚1.5cm。光阑间由20mm的空隙隔开，空隙作为前一光阑边缘散射光子的捕集器。最后1片光阑厚3mm，其孔径略大于该点的射线束截面。为确保辐射场中散射辐射的空气比释动能率不超过总空气比释动能率的5%，利用MCNP对辐射场中散射辐射的分布情况进行研究，模拟计算实验室内刻度车、准直器、铅容器、地面和墙壁等的散射贡献，计算结果如图6所示。

表2 不同尺寸球形散射腔的散射辐射Table 2 Scattered dose caused by different sizes of spherical scattered chamber

图6 60 Co辐射场中的散射剂量Fig.6 Scattered dose in 60 Co reference radiation field

由图6可看出，在60Co辐射场中，铅容器和地面的散射贡献均很小。由于铅容器中散射腔的吸收作用使散射光子进入计数栅元的量很小，因此，在整个辐射场中铅容器的散射作用很微弱，不足总剂量的0.1%。另外，由于放射源距地面较高，因此，在距放射源6.5m处，准直束并未接触地面，所以在距离6.5m范围内地面的散射贡献也十分微弱，不足总剂量的0.1%。小车的散射贡献随距离的增大而增加，由最初不足总剂量的0.1%上升到0.5%，这是由于随着距离的增大，光子直射小车体并散射造成的。墙壁的散射贡献也有类似的变化趋势，随着参考点与放射源的距离增大，其与辐射场后墙壁的距离减小，因此，后墙壁的散射贡献才逐渐显现出来。准直光阑的散射贡献最大，且变化趋势也相反，从最初的3.3%下降到2.6%。总的散射剂量先降低后又随着距离的增大而上升，相对变化量在3%～4%之间，总体来讲，单源照射装置产生的参考辐射中散射辐射不大于总剂量的5%，满足GB／T 12162.1—2000[5]的要求。

为了解准直光阑对辐射场均匀性的影响，利用MCNP模拟参考辐射场的横向均匀性，计算结果如图7所示。

由计算结果可知，由于准直光阑对辐射场的塑型作用，距离辐射源1m处，±12cm范围内的均匀性好于2%，满足设计指标。

5 实验结果

利用PTW Unidos剂量计配32005球形电离室对所研制的单源照射装置产生的辐射场空气比释动能率分布和均匀性进行实验测量。

图7 距离放射源1m处辐射场均匀性模拟结果Fig.7 Uniformity result of reference radiation field at distance of 1mwith source

表3列出了辐射场中空气比释动能率的测量结果，并对空气衰减进行修正。GB／T 12162.1—2000[5]中规定经空气减弱修正后，空气比释动能率应在±5%内与放射源中心到探测器中心距离平方的倒数成正比。计算距放射源2、3和4m处空气比释动能率修正后的测量结果与理论结果的相对偏差，结果列于表4。

表3 辐射场中不同距离的空气比释动能率Table 3 Air kerma rate distribution in reference radiation field

表4 辐射场中散射辐射分布情况Table 4 Scattered radiaiton in 60Co reference radiation field

由表4可知，辐射场中空气比释动能率实测值修正后的结果在±2%内与放射源中心到探测器中心距离平方的倒数成正比，满足相关标准的要求。

图8为距放射源1.16m处辐射场均匀性的测量结果。以辐射场轴线为中心，±120mm范围内的空气比释动能率相对于轴线中心位置空气比释动能率的相对偏差为4.4%，满足±5%的设计要求。

图8 距放射源1.16m处的均匀性Fig.8 Uniformity result of reference radiation field at distance of 1.16mwith source

6 不确定度分析

模拟计算8×109个粒子，MCNP计算结果的统计不确定度为0.5%；在计算过程中，无论是计算辐射场的均匀性，还是计算辐射剂量的纵向分布，计数栅元均非理想的点探测器而是具有一定体积，因此，利用栅元计数只能反映参考点位置栅元体积内的平均剂量，为研究栅元体积对计算结果造成的不确定度，模拟计算了辐射场中同一位置不同体积栅元的平均剂量，最大相差0.6%，因此判断由计数栅元的体积引入的不确定度为0.1%；60Co源活性区域物质的密度并不能精确得知，模拟计算了不同密度（8.0～9.8g／cm3）的60Co放射源在辐射场中同一位置产生的空气比释动能率，最大相差0.1%，因此判断由放射源密度引入的不确定度为0.1%；本文采用ICRU 57号报告发布的注量－空气比释动能转换因子，它对计算结果带来的不确定度为0.1%[6]；在康普顿和电子对能区内光子截面和物理模型引入的不确定度可达1%[7]。最终得出MCNP计算结果的合成不确

定度为1.3%。

7 结论

利用蒙特卡罗方法对单源照射装置产生的参考辐射场进行模拟计算，模拟结果与实验结果比较表明，辐射场中的散射辐射和均匀性均满足国家标准的要求，为单源照射装置的设计提供了理论依据，可避免因设计失误而造成的经济损失。蒙特卡罗方法能为刻度室辐射场性能的研究提供数据和手段。

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