γ射线辐射场的建立

闫海霞 李岩 李钢 杨斌 杨大战 周冬亮

摘要：本文介绍了电离辐射的基础理论，以及伽马辐射场的光阑设计，该类辐射场的应用范围十分广泛，对农业、医学和工业等领域都有着十分重要的意义。

关键词：X射线辐射场;γ射线辐射场;光阑

中图分类号：TP368  文献标识码：A

1引言

目前在辐射剂量监测方面无论是核电站还是核仪器仪表单位都要对辐射类工作计量器具进行检定或校準工作，主要包括X射线、γ射线、中子、α以及β类仪表。γ射线空气比释动能标准装置可以提供相关仪器仪表的量值溯源和量值传递，使γ射线仪表能够更加准确的发挥环境辐射监测的作用，切实的保护工作人员和公众的电离辐射安全。本文将介绍辐射场的构建过程和光阑的优化设计。

2辐射场建立的基础理论

X、γ射线与物质的相互作用形式主要有光电效应、康普顿散射和电子对效应三种类型[1]，然而γ射线辐射场的建立与X射线辐射场的建立在原理上又有不同。当光子能量处于不同的范围时，三种效应占据不同的主导地位，当光子能量由低到高，康普顿效应、光电效应和电子对效应依次占据主导地位。

2.1光电效应

伽马射线光子把能量全部传递给原子中的一个电子，电子挣脱束缚成为光电子，即光电效应。此时核外电子壳层出现空位，内层电子跃迁并发射X射线特征谱[2]。

2.2康普顿散射

除了光电效应外，伽马射线光子还可能与核外电子发生弹性碰撞，光子的能量和运动方向发生改变，电子脱离束缚，这种现象称为康普顿散射。

2.3电子对效应

当X射线或γ射线光子从原子核旁边经过时与原子核的库伦场发生相互作用形成一对正负电子，此过程就是电子对效应[3]。

3蒙特卡洛方法介绍

蒙特卡洛方法是一种随机抽样试验方法，在核技术应用领域，利用蒙特卡洛方法模拟仿真光子、中子以及电子的粒子疏运过程，可以精确计算出粒子束与物质相互作用的剂量分布等物理量。其中，GEANT4、MCNP和EGS是常用的核物理仿真软件。

GEANT4使用C++软件，用于精确模拟粒子在介质中输运过程的数值计算软件工具包，基于Linux/Unix操作系统，但源代码完全开放，用户可以根据需求进行更改和扩充，主要用来模拟高能物理现象[4]。

MCNP使用Fortran语言，可以计算中子、光子和电子的联合输运问题和临界问题，程序通用性强。

SuperMC是一款国产软件，中文名字为超级蒙卡，是由中科院核能安全技术研究所FDS团队历经近二十年，投入200余人年，研发的一套通用、智能、精准的核设计与辐射安全评价软件。软件安装方便，在Windows系统下就可以轻松安装，然而在某些方面其计算精度却不输于MCNP，甚至更加接近实验值。

4辐射场光阑的设计

辐射场各个部分的设计都要严格参考相关标准，其中，ISO-4037要求辐射场要使用准直器来限制辐射场射野的形状和大小[5]，而准直孔道还决定着辐射场的均匀性，均匀性是衡量辐射场的重要指标，合理的光阑设计可以有效的减少散射，提高辐射场的各方面参数。将采用MCNP模拟程序研究准直器对辐射场的影响，以便优化对辐射场光阑的设计。

4.1建立模型

辐射场装置包括放射源，屏蔽体，准直器，轨道，三维定位装置以及快门和底座等部分构成。辐射装置和自动化控制软件分别设置在源室和控制室两个房间，在控制室可以通过集成软件控制源室中放射源的升降，调节轨道XYZ三轴的方向，以及摄像头的角度等。

通过MCNP对辐射场进行模拟，需要对光阑、源的种类和大小、屏蔽体的材质、以及源距离各面的距离等参数进行设置，包括源室的空间引起的散射等都会对辐射场产生影响，通过优化各个参数，设计光阑。

4.2模拟计算

散射对于辐射场的影响不容忽视，根据ISO-4037的要求散射的份额不超过总剂量的5%，通过设置仿真的参数后，对辐射场进行模拟，结果显示总的散射份额在3.3%-3.6%之间。

5计量标准的主要技术指标

5.1标准辐照装置

标准辐照场提供的空气比释动能率范围：0.5μGy/h～10μGy/h;

空气比释动能率扩展不确定度：2.5%（k=2）。

5.2高气压电离室环境剂量率仪

空气比释动能率测量范围：10nGy/h～100μGy/h;

扩展不确定度：5.0%（k=2）;

重复性：0.2%;

长期稳定性：1.5%/a。

5.310L常压电离室技术指标：

空气比释动能率测量范围：0.2μGy/h～10mGy/h;

扩展不确定度：4.0%（k=2）;

重复性：0.3%;

能量响应：50keV～1.25MeV小于5%（对于137Cs归一）;

长期稳定性：1.2%/a。

6结语

本文介绍了伽马射线辐射场的三种效应，通过蒙特卡洛程序来模拟辐射场，解决准直光阑优化设计的参数问题，提高辐射场的均匀性和准直性。为辐射场的构建提供了很好的基础。

参考文献

[1]杜继星. 医用诊断X射线的特性、测量与防护研究[D].中国人民解放军军事医学科学院，2016.

[2]蔡祥鸣. 伽马辐射下多层屏蔽体多目标优化[D].南华大学，2017.

[3]李鹏. 防护水平γ射线的空气比释动能标准装置的基础技术研究[D].中北大学，2012.

[4]仇小鹏，杨平利，田传艳. 基于VC++.Net开发Geant4数值模拟程序[J]. 计算机仿真，2007，（06）：255-258+262.

[5]成建波，李德红，姚泽恩，黄建微，金孙均. ～（137）Cs γ辐照器光阑的优化设计[J]. 核电子学与探测技术，2015，35（03）：295-298.

作者简介：闫海霞，1988.9，女，汉族，黑龙江省哈尔滨市，硕士，助理研究员，主要从事电离辐射计量与核电子学研究。