基于mcnp的強射線參考輻射場的散射特性

基于mcnp的強射線參考輻射場的散射特性

1新型探測器的靈敏度標(biāo)定需求輻射校正實驗室是提供合適的輻射參考的輻射場所的。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對波束大小、均勻性和散射環(huán)境有明確要求。其中，散射能譜和劑量率作為一個重要的控制指標(biāo)，直接影響到實驗參數(shù)的準(zhǔn)確性，尤其是新探測器的靈敏度校正需求。而目前輻射場散射、直射能譜測量以及散射劑量率份額測量等均存在一定的難度,文中采用理論模擬對8000Ci鈷源輻射場的散射參數(shù)開展了細(xì)致研究,為輻射場的實驗應(yīng)用和屏蔽設(shè)計提供參考。2散射劑量率的模擬模擬計算是對散射參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究的有效方法,計算中首先根據(jù)1m處劑量率的約定真值(107Gy.h-1),確定計算模擬中鈷源的裝源活度。根據(jù)照射間的布置情況以及源、照射器的結(jié)構(gòu)參數(shù),采用蒙特卡羅中子/光子和光子/電子耦合輸運程序(MCNP/4B)進(jìn)行模擬計算。根據(jù)建立的照射間為對稱分布,為便于研究,程序設(shè)計中沿照射間的前墻、側(cè)墻以及后墻的里表面20cm處、間隔約1m的距離設(shè)置不同的散射參數(shù)監(jiān)控點,同時在實驗室中心處設(shè)置監(jiān)控點,用以觀察參數(shù)的分布情況。模擬中坐標(biāo)設(shè)置情況為:以放射源幾何中心為坐標(biāo)原點(高1.5m,距離后墻2m的中心位置),射線束方向為Y軸,水平垂直射線束方向為X軸,整個照射間內(nèi)部空間為12m×5m×4m,照射器及屏蔽墻設(shè)有足夠的厚度,源活性區(qū)尺寸為Φ20mm×26.9mm,準(zhǔn)直器發(fā)散角為5°,1m處的束斑約為10cm×10cm,在束斑中心不同距離處設(shè)置不同的散射體來進(jìn)行散射劑量率研究?；谏⑸錇榘l(fā)散束,參數(shù)計數(shù)中采用點探測器比較合適,通過記錄劑量率、注量以及能注量來對各點的參數(shù)進(jìn)行比較研究,計算模型原理示意見圖1。3實驗樣品的貢獻(xiàn)實驗過程中,散射主要來源于屏蔽墻和在束散射體(實驗樣品)的貢獻(xiàn),根據(jù)以上建立的模擬方法和計算模型,對屏蔽墻的墻體、材料以及散射體特性等技術(shù)參數(shù)對輻射場能譜和劑量率進(jìn)行了詳細(xì)模擬。3.1輻射場的散射照射器和屏蔽墻為放射源工作時提供必要的安全防護(hù),其存在會對輻射場的散射參數(shù)帶來影響。照射器設(shè)置有減小散射的光闌,相對屏蔽墻而言它對散射的貢獻(xiàn)可以忽略。實驗廳空間的大小、材料以及形狀等均會對散射造成一定的影響。3.1.1空間大小對散射參數(shù)的影響照射間需要有一定的實驗空間來減少散射劑量貢獻(xiàn),相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定實驗室有效空間大于3m’4m’4m,常規(guī)實驗室中高和寬度與該值差別不大,然而長度一般差別較大。結(jié)合建立的計算模型,計算了不同長度實驗室內(nèi)部的劑量率分布情況,來分析空間大小對散射參數(shù)的影響,結(jié)果見圖2。圖2結(jié)果表明,隨著實驗室長度的增加,實驗可用區(qū)域散射劑量減小,但減小到一定程度后效果不明顯:當(dāng)源到射線束正對面墻的距離小于4m時,散射嚴(yán)重;當(dāng)距離增加到10m后,再增加實驗室長度,對改善6m以內(nèi)實驗區(qū)的散射劑量率效果不明顯。這是由于屏蔽墻散射主要來源于束斑射在對面墻上的一次散射和多次散射,一次散射起決定性作用。在同一散射墻體上,散射劑量率的大小由束斑大小和劑量率強度的綜合效應(yīng)決定,隨著實驗室距離的增加,束斑直徑線性放大,二次散射源形狀由點源變?yōu)槊嬖?而射線強度按照距離平方反比規(guī)律降低。綜合諸方面的因素,源到正墻的距離設(shè)置在8m~10m之間,性價比比較合適,則整個實驗室長度在10m~12m之間較好。3.1.2束流散射的影響按照圖1的布置方式,對10m照射間內(nèi)各監(jiān)測點的劑量率以及能譜分布進(jìn)行了詳細(xì)模擬,其劑量率、注量率以及平均能量參數(shù)見表1,為了詳細(xì)了解側(cè)屏蔽墻表面劑量率極大值(為側(cè)墻屏蔽設(shè)計提供依據(jù)),對非在束散射時,前墻表面和側(cè)墻表面的劑量率分布進(jìn)行了細(xì)致模擬,見圖3和圖4;同時對相關(guān)點的能譜以及平均能量進(jìn)行了詳細(xì)模擬,結(jié)果見圖5。以上各D點和F點的參數(shù)表明,在源心到F0的束斑間,靠前墻越近的實驗點散射越大,平均能量也越低,這是空氣散射和正墻散射效應(yīng)聯(lián)合所致;D0到B6或F0到B11之間的參數(shù)表明,越靠近束流中心散射產(chǎn)生的平均能量越高,劑量率也越高,這主要是由于(射線在空氣中輸運時小角散射引起的效應(yīng),正墻前的劑量率分布曲線進(jìn)一步驗證了該現(xiàn)象;第1到第5個計數(shù)點參數(shù)表明,該區(qū)域為射線束的背面,其散射劑量主要來源于束流在正墻的背散射和其它次級散射貢獻(xiàn),故射線注量率、平均能量及劑量率均較低;散射劑量率及平均能量由束流中心到兩邊側(cè)墻逐漸降低,但降低速度不一樣,越靠前墻降低越慢。這是由于遠(yuǎn)離開前墻束斑小,散射區(qū)域也小,且正墻散射貢獻(xiàn)少的緣故;同樣由于束流對空氣的散射以及正墻的散射綜合效應(yīng),使得從B11到B2之間劑量率逐漸增加,劑量率貢獻(xiàn)主要來源于正墻散射,此時正墻束斑內(nèi)Φ1m區(qū)域作為散射平面源,散射劑量率隨距離近似服從線性衰減,故散射平均能量變化不大,劑量逐漸增加。圖3表明劑量率增加到9m后快速下降,主要是在散射接近90°時屏蔽墻的吸收加劇導(dǎo)致的,模擬結(jié)果表明距離前墻1m左右側(cè)墻前的散射劑量率達(dá)到最大。3.1.3正墻屏蔽體參數(shù)墻體的材料也是影響散射的因數(shù)之一,(光子與材料發(fā)生相互作用的宏觀截面隨原子序數(shù)增加而增加,為減小散照射間的射劑量率,分別計算了3m實驗室中,正墻分別為混凝土、鐵以及鉛時束流上E0點和散射點B4的參數(shù)情況,見表2。表2數(shù)據(jù)表明,采用中原子序數(shù)材料作為正墻屏蔽體,可以有效減小低能散射的貢獻(xiàn),同時提高輻射場射線束的平均能量。其原因在于隨著原子序數(shù)的增加,光電截面逐漸比康普頓截面占優(yōu)勢,產(chǎn)生的各種低能光子(包括軔致輻射的連續(xù)X射線,特征X射線、以及康普頓散射產(chǎn)生的低能(射線)被重物質(zhì)有效吸收,減小了低能成分對劑量率和平均能量的貢獻(xiàn)。3.2蜀間實驗過程中,射線束難免會受到實驗物品以及屏蔽設(shè)備的阻擋而發(fā)生散射,需要對散射體特性、散射體距離進(jìn)行研究,為實驗提供參考。3.2.1散射體材料的影響實驗過程中會用到不同形狀、材料及厚度的實驗物品,為參數(shù)比對方便,實驗中對物品的特性進(jìn)行了簡化。1)形狀:根據(jù)散射厚度研究結(jié)果(圖6),實驗中設(shè)計了1cm厚50cm’50cm的鉛板(垂直散射和45°斜散射)以及半徑為1cm的鉛球,將其中心分別放于3m處束斑中心進(jìn)行比較實驗,計算模擬結(jié)果見圖6和表3。結(jié)果表明,垂直散射體對整個實驗室的散射比較嚴(yán)重,側(cè)墻前的劑量率主要來源于束流上空氣及散射體和正墻散射的貢獻(xiàn),無論散射體如何放置光子與靶的微觀截面沒有變化,但散射光子的吸收發(fā)生了變化。當(dāng)散射靶斜放時,90°出射的散射光子吸收較少、而透射光子吸收增加,導(dǎo)致B6點處散射的劑量率及平均能量略高于垂直入射情況;而球體散射由于射線與靶物質(zhì)的作用面有限,斜散射增加、透射減弱情況比較復(fù)雜,不易于開展散射研究。綜合以上結(jié)果,雖然斜散射對研究局部散射情況較好,但其整體性能上比不上垂直散射體(見圖7),結(jié)合實際實驗布置,選擇垂直散射體比較合適。2)厚度:散射體厚度設(shè)置也是影響散射參數(shù)的因數(shù)之一。按照以上的形狀,變換鉛散射體的厚度進(jìn)行模擬計算,結(jié)果見圖6。由圖6劑量率的變化趨勢可以看出,散射體太薄或太厚均可以降低散射劑量率。在束有散射體時,側(cè)墻劑量率來源于散射體散射(斜散射)和正墻散射劑量率之和,散射體太厚會減弱透射射線強度,進(jìn)而降低正墻散射,同時對斜散射射線的吸收也會增加;若散射體太薄,斜散射不夠強。散射體設(shè)置在1cm左右可以獲得較強的散射劑量率,便于開展散射最大劑量率研究。3)材質(zhì):確立以上兩個參數(shù)后,更換水、混凝土、鐵和鉛四種不同的材質(zhì)進(jìn)行散射模擬研究,模擬結(jié)果見圖8,其參數(shù)統(tǒng)計見表4。散射體材料的散射效果取決于散射體的微觀作用截面、靶核的量和物質(zhì)的密度,對比以上四種材料的散射參數(shù),散射靶原子序數(shù)太小或太大,均可以降低散射,采用1cm的中等原子序數(shù)的物質(zhì)如鐵、鉛等,可以獲得最大的散射效果。同樣要獲得與1cm的鐵同等的散射效果,可以適當(dāng)增加輕物質(zhì)的厚度或減薄重物質(zhì)的厚度實現(xiàn)。3.2.2騎馬型的消失散射體距離不同位置處,分布模擬了在束放置不同厚度垂直散射體時,照射間內(nèi)劑量率分布情況,結(jié)果見圖9。以上分布曲線表明,在垂直點(如1m散射時的B3點)兩邊劑量率分布為非對稱的馬鞍型,這個馬鞍型隨散射位置的移動而移動,兩邊峰高度以及峰形也不斷發(fā)生變化,散射體移動到8m以上時馬鞍型消失。馬鞍型出現(xiàn)的劑量率低點是沿著射線束90°方向散射體吸收強的原因所致;實驗中當(dāng)1.25MeV的入射光子穿過投射靶時,出射光子角分布譜前沖趨勢明顯,這是導(dǎo)致靠墻段劑量率增加較快的主要因素,同時正墻的散射劑量率貢獻(xiàn)也對側(cè)墻前劑量率增加起到一定的作用,尤其在散射體靠近正墻時效果明顯,這就是導(dǎo)致散射體在8m外,馬鞍型分布消失的主要原因。根據(jù)以上劑量率分布特性,可以知道不同散射實驗時,側(cè)墻的劑量率最大值,為實驗防護(hù)提供參考。4散射體的散射控制材料和散射參數(shù)的比較研究,為散射防護(hù)提供了依據(jù)通過以上散射參數(shù)的理論模擬,確立了實驗空間內(nèi)的劑量率和能譜的分布。