15 keV～1.5 MeV单能光子及窄谱系列H*(10)/Kα转换系数的蒙特卡罗模拟

徐 阳，高 飞，赵 瑞，林 敏，倪 宁，韦凯迪

(1.中国原子能科学研究院 计量与校准技术重点实验室，北京 102413；2.中国计量科学研究院，北京 100029)

国际辐射防护委员会(ICRP)定义了当量剂量和有效剂量作为评价与辐射照射有关的健康风险范围[1]，这些防护量不可测，须通过在工作条件下可测的辐射防护实用量来进行估计。周围剂量当量H*(10)作为其中的一个实用量，可以对场所辐射剂量进行监测，还能够作为辐射监测剂量仪表的校准量及型式检验量[2-8]。

1 转换系数模拟计算

1.1 模拟软件

利用MCNP5软件开展转换系数模拟计算，该软件是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的一款用于计算三维复杂几何结构中的中子、光子、电子或耦合输运问题的软件包。

1.2 建立转换系数计算模型

周围剂量当量H*(10)定义为：在扩展齐向场中人体组织等效球体(ICRU)球逆齐向场方向半径上深度10 mm处产生的剂量当量。ICRU球是一个半径为15 cm的组织等效球体，密度为1 g/cm3，质量组成为11.1%的碳、10.1%的氢、76.2%的氧和2.6%的氮。根据定义，转换系数的计算模型示于图1。

图1 H*(10)/Kα转换系数的蒙特卡罗计算模型

模型中，一束半径为20 cm的平行光子束均匀地照射到ICRU球上，周围环境为真空，利用设置在沿入射束轴线方向距前表面深度为10 mm的小体积球形计数栅元(直径为1 mm)记录该点处的能量沉积Edep。计数卡类型为F6，其理论计算公式如下：

(1)

式中：ρa为ICRU球材料的原子密度，atoms/(b·cm)；ρg为ICRU球材料的克密度，g/cm3；H(E)为ICRU球材料的热响应，cm2·MeV；Φ(r,E,t)为粒子谱，particles/(cm2·s·MeV)；V为计数栅元体积，cm3。假设所有转移给电子的能量为局部沉积，计算结果等于光子的剂量当量，类似模型在前期已得到验证[12-13]。模拟过程分为两步，首先利用15 keV～1.5 MeV单能光子束验证所建模型的正确性，随后建立中国原子能科学研究院X射线照射装置蒙特卡罗模型，模拟得到N系列X射线连续谱，并将其作为输入光子源项，模拟得到N系列相应的H*(10)/Kα转换系数。

1.3 转换系数计算

表1 由MCNP5模拟得到与ISO 4037-3中推荐转换系数之间的相对偏差

图2 N系列重过滤X射线注量谱模拟结果

表2 由MCNP5模拟得到窄谱系列与ISO 4037-3中推荐转换系数之间的相对偏差

2 次级标准电离室法与转换系数法对比

2.1 实验设备

UNIDOS静电计：PTW公司；H*(10)次级标准电离室：中国原子能科学研究院计量测试部自主研制。该次级标准电离室类型为能量补偿型高气压电离室[15]，如图3所示。电离室主要由高压极(电压为-400 V)、收集极(电压为0 V)、支撑杆与绝缘端子组成，两电极之间充有8.106×105Pa的高纯氩气(Ar)作为工作气体，高压极室壁外侧利用适当厚度和适当覆盖面积比的Sn片进行能量补偿，使其在光子能量65 keV～1.25 MeV范围内可作为次级标准。X、γ射线与电离室壁材料相互作用，产生次级带电粒子，次级带电粒子与空腔内气体相互作用，在其径迹上使工作气体原子电离并产生正负离子对，在高压极与收集极之间电场的作用下，正负离子分别向两极漂移并引起电极上感应电荷量的变化，继而在外电路形成电流。

图3 H*(10)次级准电离室结构示意图

2.2 结果对比

表3 次级标准电离室法测量结果

2.2.2转换系数法计算周围剂量当量 将上述7个检验点处空气比释动能率分别与转换系数MCNP5模拟值相乘，计算结果记为周围剂量当量率②，结果列于表4。其中空气比释动能率由标准电离室测量得到。由表4可知，转换系数法与次级标准电离室法的周围剂量当量率测量结果相对偏差在3%以内。

表4 转换系数法计算结果

3 结论