γ射线参考辐射周围剂量当量标准电离室的蒙特卡罗模拟

宋明哲，魏可新，高 飞，侯金兵，王红玉，倪 宁

(中国原子能科学研究院，北京 102413)

外照射辐射剂量监测的目的是控制工作人员和公众的辐射剂量，使其小于国际放射防护委员会(ICRP)所确定的剂量限值。而剂量限值是由防护量——当量剂量和有效剂量确定的[1]，两者均建立在精确的模拟计算和生物学数据基础上，在实际工作中无法直接测量。测量用仪表的校准又是辐射剂量准确监测的前提和保障，然而现行的辐射计量学体系不是建立在防护量而是建立在注量、空气比释动能和吸收剂量等基础物理量之上。因此，国际辐射单位与测量委员会定义了一组实用量，在辐射计量学体系中，实用量由基本量乘以转换系数确定。实用量既能为防护量提供有效估计，又能够作为辐射监测中使用的剂量仪表的校准量。对于场所监测，相应的实用量为周围剂量当量H*(d)和定向剂量当量H'(Ω,d)；对于个人剂量监测，相应的实用量为个人剂量当量Hp(d)[2]。

1992年奥地利的ARCS实验室研制出H*(10)标准电离室的原型[8]，2006年德国PTB实验室的Ankerhold成功将其改进，使之在12 keV～7 MeV的光子能量范围内有很好的能量响应[9]。此种电离室采用由4层球壁组成的复杂结构，其中最薄的一层为310 nm的Bi， Ankerhold发现，此种电离室由于其复杂的能量补偿结构，球壁上微小的厚度差别都会使其能响性能产生根本的改变，因此不宜批量生产。本研究采用蒙特卡罗模拟方法，拟提出一种结构更加简单且性能满足ISO4037-4要求的H*(10)标准电离室结构设计方案，为H*(10)标准电离室的建立提供指导。

1 模拟计算

MCNP4C蒙特卡罗模拟方法 (Monte Carlo N-particle transport code，MCNP)是由美国LOS Alamos国家实验室研制的一个大型的、多功能的粒子输运程序，该软件操作简单，易于描述较为复杂的几何结构。本工作拟采用MCNP4C程序模拟计算不同结构和材料的电离室球壁对电离室能量响应的影响。

1.1 组织等效球壳能量响应

辐射场一点上的周围剂量当量H*(d)是由扩展齐向场在ICRU球内与齐向场相反方向的半径上深度d处所产生的剂量当量，对强贯穿辐射的建议深度为d=10 mm，记为H*(10)。H*(10)定义于ICRU球中，为此首先模拟计算包括ICRU组织在内的8种组织等效材料球壳的能量响应，模拟采用MCNP4C程序的*F8输出卡，计算外径200 mm，球壁厚10 mm内空气的沉积能量，模拟计算模型和结果分别示于图1和图2。

图1 模拟计算模型Fig.1 Monte Carlo simulation model

图2 8种组织等效材料球壁能量响应模拟结果Fig.2 Simulation results of energy response for 8 types tissue equivalent material shell

由图2可知，无论是采用ICRU组织还是采用其他组织等效材料作为电离室室壁，都无法获得满足标准要求的能量响应结果。

1.2 组织等效球壳内附Al壁后的能量响应

由图2同样可知，除能量低于40 keV时响应差别较大外，各球壳对40 keV～3 MeV的光子能量响应较为一致，且响应“低谷”均位于40 keV～200 keV之间。如能够采用某种方式补偿这段能区的响应，可满足电离室设计标准要求。根据已有经验[10]，如在电离室内部附加一层Al壳，可以提高100 keV处能量响应。为此，分别模拟计算外径200 mm，壁厚5 mm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)内附0.3 ～0.6 mm的Al层后的能量响应，结果示于图3。

图3 PMMA球壳内附不同厚度Al层后能量响应模拟结果Fig.3 Simulation results of energy response after adding different thickness Al layer inside PMMA shell

由图3可知，当在5 mmPMMA球壳内部附加0.3 mmAl后，球壳对20～1 330 keV的光子能量响应均处于0.8～1.0之间，已经能够满足标准要求；但是，如果能够在不降低100 keV以下光子响应的前提下，提高100～500 keV的能量响应，就能够达到更加理想的能量响应结果。

1.3 组织等效球壳内附双金属补偿片后的能量响应

对比图2和图3所示结果可知，Al的添加使其30 ～100 keV能响显著增加。如果在PMMA内部附加原子序数更高的金属，或可得到更为理想的响应结果，为此，分别模拟计算外径20 cm，壁厚5 mm的PMMA内附0.1～1.2 mm的Pb层后的能量响应，结果示于图4。

由图4可知，Pb的添加虽然能够补偿100～500 keV的能量响应，却严重降低了低能端的响应。为此，本研究采用了“双金属补偿法”，以贴片的方式，在PMMA球壳内部附加两种金属，通过调整金属面积获得最为优化的球壳设计结构。为此，建立如图5所示模拟模型，图5中电离室外径200 mm，PMMA层厚5 mm，内附厚度均为1 mm Al和1 mm Pb补偿片，改变补偿片的面积，周围剂量当量响应结果列于表1。

图4 PMMA球壳内附不同厚度Pb层后能量响应模拟结果Fig.4 Simulation results of energy response after adding different thickness Pb layer inside PMMA shell

图5 双金属补偿电离室模型Fig.5 The two metal compensated ionization chamber model

对于30～1 500 keV的光子，最大响应与最小响应比为1.12，两段能区的光子响应均满足国际标准ISO4037-4的要求。

2 结果与讨论

由表1数据可知，当PMMA球壳内附6%的1 mm Pb片和43%的1 mm Al片时，对于15～1 500 keV的光子，电离室对周围剂量当量响应的变化范围为0.91～1.02，其中对于15～30 keV的光子，最大响应与最小响应比为1.10；

3 结论

利用MCNP4C程序，建立了基于双金属补偿法的H*(10)电离室模拟计算模型。模拟计算结果显示，对于15～1 500 keV的光子该电离室能量响应能够满足国际标准ISO4037-4的要求，为H*(10)标准电离室的建立提供了模拟计算依据。

表1 不同结构下周围剂量当量响应

注：归一至1 MeV

参考文献：

[1] International Commission on Radiological Protection. The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection[R]. Oxford: Pergamon Press,2007.

[2] International Commission on Radiation Units and Measurements. Conversion Coefficients for Use in Radiological Protection Against External Radiation[R]. Bethesda, MD： International Commission on Radiation Units and Measurements,1998.

[3] 高飞, 肖雪夫, 倪宁，等. 全景γ参考辐射场中散射辐射的蒙特卡罗模拟[J].同位素,2013,26(2):110-114.

Gao Fei, Xiao Xuefu, Ning Ning et al. Monte Carlo Simulation of Scattered Radiation of Free-Field Geometries Gamma Reference Radiation Field [J] Journal of Isotopes,2013,26(2):110-114.

[4] 高飞. Co-60、Cs-137光子参考辐射场中散射辐射问题的蒙卡方法研究[D].北京:中国原子能科学研究院,2009.

[5] Oborin, Fedina SA, Tsvetkov II. Rrogress Report on Radiation Dosimetry at the VNIIM[R]. CCRI(I)09-26,2008.

[6] International Standard ISO 4037-3. X and gamma reference for calibrating dosemeters and doserate meters and for determining their response as a function of photon energy—Part3:Calibration of Area and Personal Dosemeters and Dosemeters and the Measurement of their Response as a Function of Photon Energy and Angle of Incidence[S].Geneva： Switzerland ISO Publication Office,1999.

[7] I International Standard ISO 4037-4. X and gamma reference for calibrating dosemeters and doserate meters and for determining their response as a function of photon energy—Part 4: Calibration of area and personal dosemeter in low energy X reference radiation fields[S].Geneva： Switzerland ISO Publication Office, 2004.

[8] Duftschmid KE, Hizo J. A Secondary Standard Ionization Chamber for the Direct Measurement of Ambient Dose EquivalentH*(10) [J]. Radiat Prot Dosim, 1992, 40(1): 35-38.

[9] Ankerhold U. Optimisation of a secondary standard chamber for the measurement of the ambient dose equivalent[J]. Radiat Prot Dosim, 2006, 118(4):16-21.

[10] 金花. 球形电离室型周围剂量当量计的实验研究[J].辐射防护,1994,14(6):423-428.

Jin Hua. Experiment Study of the Ambient dose Equivalent Meter [J]Radiation Protection,1994,14(6):423-428.