大型单板源Co-60辐照装置的排源方法和实践

郭 权 曾民生 郭仕源 王建春 李 阳 杨小平

1（深圳市金鹏源辐照技术有限公司 深圳 518019）

2（中金辐照成都有限公司 成都 611900）

钴源辐照装置中钴源棒在源架上的排列决定了钴源室的空间剂量场分布及辐照箱内产品的吸收剂量分布和剂量不均匀度，进而决定了辐照装置的加工能力。国内已有一些小型辐照装置排源方法[1-2]。本文通过计算BFT-IV大型辐照装置源架16个模件的活度占总活度的最优化比例，进行排源，利用MCNP_4C软件计算因各模件内部人工排列不同形成的多个排源方案的剂量分布，选取最优方案装源。

图1 辐照装置示意图Fig.1 Carrier irradiator schematic

1 BFT-IV辐照装置简介

BFT-IV型辐照装置为双层四通道辐照装置，单板源结构。升源后，源架处于辐照箱的中央位置，各辐照箱相对于源架对称（图1）。

辐照装置源架高2.46 m，宽2.25 m，竖直方向分为4层，每层放置4个模件，每个模件可并列竖直安装源棒50根，如图2。源棒由钴源和双层不锈钢包壳组成。源棒长0.452 m，外半径1.1 cm。

图2 源架模件示意图Fig.2 Source racks module

辐照箱尺寸为120 cm×60 cm×150 cm，日常辐照加工过程中，在辐照箱内选取3个与源架平行的平面作为剂量监测面。辐照箱两侧面为0面和2面，辐照箱中间面为1面。图3为部分源架及其所正对的上层辐照箱的相对位置示意图。

图3 源架和辐照箱Fig.3 Source racks and tote box

2 模件活度最优化比例计算

源架由16个模件组成，为便捷地得到最优化钴源排列方案，首先计算各模件装源活度占总活度的最佳比例，然后考虑各模件内源棒的排列。

2.1 计算模型

2.1.1 单根线源对空间某点照射量率的计算

60Co均匀线状源对空间任一点照射量率(X)的计算见公式(1)。

其中， Γ 为照射量率常数，对于60Co，Γ = 2.56×10–18C·m2·kg–1·Bq–1·s–1；A 是钴源活度(Bq)；L 是源棒长度(m)；a是所计算空间点到线源的垂直距离(m)；b是垂足到线源最上点的距离(m)（图4）。

图4 单根线源对空间某点照射量率计算参数Fig.4 Parameters for the calculation of single source

2.1.2 两根线源对空间某点照射量率的计算

辐照装置的源架及辐照箱均具有对称结构，源在源架的排布相对与源架中心对称。建立X-Y坐标系，原点在源棒下方0.058 m处，钴源棒及辐照箱截面均关于X轴对称。参考线位于辐照箱靠近源架的面中，与钴源棒平行且水平距离最短，与源棒轴心水平距离为0.1425 m（图5）。

图5 辐照装置上层的源及辐照面简图Fig.5 Parameters for the calculation of double source

参考线上某一点 P(0.1425, y) (y∈[-1.558,-0.058]，y∈[0.058, +1.558])的照射量率计算公式为：

排源是对固定总活度的多根源棒进行排列，设定数学模型中上下两根源棒的总活度为定值A=7.4×1014Bq，活度比为 1: k，即 A2/A1=k，则A1=A/(k+1)，A2=kA/(k+1)。由源棒活度比扩展到模件活度比，则源架竖直方向上4个模件的活度比例均为1: k: k: 1。

辐照箱完成整个辐照过程，会进行上下换层辐照，上层参考点 P上(0.1425, y)移到下层时变为 P下(0.1425, -1.616+y)。将这两个点的计算结果相加得到只有上层装源(A1, A2)辐照箱完成全程辐照，参考点P的照射量率。同样的方法计算下层装源时参考点P的照射量率，将两者加和得到上下4层均有源棒时参考点P的照射量率。

2.2 参考点选取

根据单贤刍等[3]提出了判定最佳源棒的排列标准为：(1)参考面上照射量率的不均匀度最小；(2)辐照货物在辐照工位上累计吸收剂量的不均匀度最小。因标准(2)不便用理论公式计算，本文以标准(1)为约束条件，参考面选取辐照箱靠近源架的面。针对 BFT-IV辐照装置，辐照箱在水平方向的运动，排除辐照箱壁对剂量分布的影响，产品各点吸收剂量在平行于源架的水平方向上大致一致，文中模型仅考虑参考线竖直方向上各点的照射量率和最大不均匀度。

在位于辐照箱2面的参考线上均匀选取10个点位(P0-P9)为测量点，它们在坐标系中的位置为P0(0.1425, 0.058)、P1(0.1425, 0.224)、P2(0.1425,0.390)、P3(0.1425, 0.556)、P4(0.1425, 0.722)、P5(0.1425, 0.888)、P6(0.1425, 1.054)、P7(0.1425,1.220)、P8(0.1425, 1.386)、P9(0.1425, 1.558)。

2.3 各点计算结果

取 K∈[1.5-3.5]，A=7.4×1014Bq，Γ=2.56×10–18C·m2·kg–1·Bq–1·s–1，利用 Excel计算得出 k 与参考点最大照射量率、最小照射量率以及不均匀度的关系（图6）。

图6 参考线最大照射量率、最小照射量率与不均匀度Fig.6 The max. exposure rate, min. exposure rate and uniformity ratio of the reference line

2.4 模件最优化比例计算结果

从表1中可以看出，2.0≤k≤2.7时，参考线具有良好的剂量不均匀度。在未考虑钴源罩和辐照箱体结构的情况下，k=2.6时，最低照射量率最大，此时辐照装置射线利用率最大。

源架水平方向上，与源架平行的有5个辐照工位，总长度约6 m，比源架长3.54 m。根据一次静态辐照试验结果，两端的工位吸收剂量相对很小，低点剂量不到总剂量的 1%，我们将钴源在水平方向上均匀排布，无须按中间大两端小的方式排列。

鉴于钴源供应商提供的第一次加源排源方案中k=2，第二次加源也取k=2。计算得出源架各个模件的活度占源架总活度的百分比（表1）。

表1 源模件活度百分比Table 1 The percentage of the source racks activity (%)

3 钴源排源

3.1 钴源分组

将新购54根源棒按表1活度比分16组（表2），S/N表示钴源棒编号，Curies为源棒活度(Ci)。

表2 16组新购源棒Table 2 The 16 groups of new source

3.2 钴源排布

不改变第一次加源的钴源排布，将表2中每组源棒均匀的插入到对应源模件中，得到辐照装置第二次加源的初步排源方案。

4 排源方案优化

4.1 MCNP模型建立[4-5]与验证

使用MCNP_4C软件计算模拟产品吸收剂量。根据设备图纸及实际测量值，进行适当简化，编写inp文件的删元卡和曲面卡。通用源卡为SDEF卡，钴源每次衰变放出两个能量分别为 1.17 MeV和1.33 MeV的光子，概率为0.5: 0.5。钴源所在栅元和活度由第一次装源报告决定。材料卡有空气、水（液体剂量计）、0.1g·cm–3纤维素（模拟产品）、铝（货箱壁）、钢（钴源包壳、货箱支持机构）和钴。计数卡选用F6卡，得到粒子在液体剂量计栅元的能量沉积，单位 MeV·g–1，乘以钴源活度及辐照时间可以得到液体剂量计栅元吸收剂量(Gy)。

MCNP_4C软件运行24时所得结果经处理后，与第一次加源后模拟产品剂量场分布测试[6-7]结果比较（图7），各点位剂量值绝对偏差小于10%，高低剂量区域一致，认定MCNP程序运算结果有效。

图7 第一次加源后剂量场测试和MCNP计算的侧面和中间面剂量Fig.7 The first dose mapping and MCNP results of lateral and median surface

4.2 最优化排源方案的确定

根据新编制的排源方案编写MCNP输入文件，计算模拟产品剂量分布情况，根据计算结果，适当调整3.2中钴源插入位置，修改MCNP输入文件并进行运算。重复进行5次以上的调整和运算，得出最终的钴源排布方案和MNCP_4C运算的剂量场分布结果。

5 装源及剂量场测试

辐照装置完成装源后进行剂量分布测试，测试结果与 MNCP_4C运算的剂量场分布结果相比较（图 8），各监测点位的吸收剂量绝对偏差小于10%，装置加工性能在预计范围内。

图8 第二次加源后剂量场测试和MCNP计算的侧面和中间面剂量Fig.8 The second dose mapping and MCNP results of lateral and median surface

将辐照装置加源前后的设备性能和 MCNP_4C软件运算的设备性能相比较（表3），可以看出辐照装置性能得到优化。

表3 辐照装置设备性能Table 3 The irradiator performance

6 结论

本文论述了中金辐照成都有限公司 BFT-IV辐照装置第二次加源所用排源方案的设计方法和过程。首先确定源架各模件放射源活度的最佳比例，然后确定源棒在各模件的位置。对于大型板源辐照装置，此方法降低了排源的难度，缩减了排源的工作量。利用MCNP软件建立辐照装置数学模型，进行剂量场分布测试，为优化和寻求最佳排源方案提供了解决方法。本次辐照装置加源后的剂量分布测试结果优于第一次加源后的剂量分布测试结果，证明排源方法及方案合理有效。

1 杨磊, 刘义保, 刘玉娟. 基于模拟植物生长算法的钴源源棒的排列优化 [J]. 核技术, 2009, 32(12): 1-8.YANG Lei, LIU Yibao, LIU Yujuan. Optimization of source pencil deployment based on plant growth simulation algorithm [J]. Nuclear techniques, 2009,32(12): 1-8.

2 雷鹏, 祝清俊, 邓鹏, 等. 辐照装置源棒排列与参考面不均匀度的关系 [J]. 核农学报, 2007, 21(4): 387-389.LEI Peng, ZHU Qingjun, DENG Peng, et al. Relation of source pencil arrangement and ununiformity of standard plane at irradiation facility [J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2007, 21(4): 387-389.

3 单贤刍, 关迟, 徐力平, 等. 强60Co源辐照装置的最佳源棒排列设计及其辐射场的分布 [J]. 原子能科学技术,1990, 24(5): 40-45.SHAN Xianchu, GUAN Chi, XU Liping, et al. Optimum designing of bars arrangement and distribution of radiation field for a strong60Co irradiator [J]. Atomic Energy Science and Technology, 1990, 24(5): 40-45.

4 Brisesmeister J F. MCNP-A General Monte Carlo N-particle Transport code, Version 4C [R]. LA-13709-M,Los Alamos National Laboratory, 2000.

5 刘江平.60Co辐照加工产品剂量分布的蒙特卡罗模拟[J]. 辐射研究与辐射工艺学报, 2010, 28(1): 57-61.LIU Jiangping. Monte Carlo simulation for the dose mapping of products irradiated by60Co γ-ray [J]. Journal of radiation research and radiation processing, 2008, 28(1):57-61.

6 ISO 11137-3-2006. Sterilization of health care products Radiation-Part 3 Guidance on dosimetric aspects [S].

7 ASTM E2303-2011. Standard guide for absorbed-dose mapping in radiation processing facilities [S].