15 keV～1.5 MeV單能光子及窄譜系列H*(10)/Kα轉換系數的蒙特卡羅模擬

徐 陽，高 飛，趙 瑞，林 敏，倪 寧，韋凱迪

(1.中國原子能科學研究院 計量與校準技術重點實驗室，北京 102413；2.中國計量科學研究院，北京 100029)

國際輻射防護委員會(ICRP)定義了當量劑量和有效劑量作為評價與輻射照射有關的健康風險范圍[1]，這些防護量不可測，須通過在工作條件下可測的輻射防護實用量來進行估計。周圍劑量當量H*(10)作為其中的一個實用量，可以對場所輻射劑量進行監測，還能夠作為輻射監測劑量儀表的校準量及型式檢驗量[2-8]。

1 轉換系數模擬計算

1.1 模擬軟件

利用MCNP5軟件開展轉換系數模擬計算，該軟件是由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發的一款用于計算三維復雜幾何結構中的中子、光子、電子或耦合輸運問題的軟件包。

1.2 建立轉換系數計算模型

周圍劑量當量H*(10)定義為：在擴展齊向場中人體組織等效球體(ICRU)球逆齊向場方向半徑上深度10 mm處產生的劑量當量。ICRU球是一個半徑為15 cm的組織等效球體，密度為1 g/cm3，質量組成為11.1%的碳、10.1%的氫、76.2%的氧和2.6%的氮。根據定義，轉換系數的計算模型示于圖1。

圖1 H*(10)/Kα轉換系數的蒙特卡羅計算模型

模型中，一束半徑為20 cm的平行光子束均勻地照射到ICRU球上，周圍環境為真空，利用設置在沿入射束軸線方向距前表面深度為10 mm的小體積球形計數柵元(直徑為1 mm)記錄該點處的能量沉積Edep。計數卡類型為F6，其理論計算公式如下：

(1)

式中：ρa為ICRU球材料的原子密度，atoms/(b·cm)；ρg為ICRU球材料的克密度，g/cm3；H(E)為ICRU球材料的熱響應，cm2·MeV；Φ(r,E,t)為粒子譜，particles/(cm2·s·MeV)；V為計數柵元體積，cm3。假設所有轉移給電子的能量為局部沉積，計算結果等于光子的劑量當量，類似模型在前期已得到驗證[12-13]。模擬過程分為兩步，首先利用15 keV～1.5 MeV單能光子束驗證所建模型的正確性，隨后建立中國原子能科學研究院X射線照射裝置蒙特卡羅模型，模擬得到N系列X射線連續譜，并將其作為輸入光子源項，模擬得到N系列相應的H*(10)/Kα轉換系數。

1.3 轉換系數計算

表1 由MCNP5模擬得到與ISO 4037-3中推薦轉換系數之間的相對偏差

圖2 N系列重過濾X射線注量譜模擬結果

表2 由MCNP5模擬得到窄譜系列與ISO 4037-3中推薦轉換系數之間的相對偏差

2 次級標準電離室法與轉換系數法對比

2.1 實驗設備

UNIDOS靜電計：PTW公司；H*(10)次級標準電離室：中國原子能科學研究院計量測試部自主研制。該次級標準電離室類型為能量補償型高氣壓電離室[15]，如圖3所示。電離室主要由高壓極(電壓為-400 V)、收集極(電壓為0 V)、支撐桿與絕緣端子組成，兩電極之間充有8.106×105Pa的高純氬氣(Ar)作為工作氣體，高壓極室壁外側利用適當厚度和適當覆蓋面積比的Sn片進行能量補償，使其在光子能量65 keV～1.25 MeV范圍內可作為次級標準。X、γ射線與電離室壁材料相互作用，產生次級帶電粒子，次級帶電粒子與空腔內氣體相互作用，在其徑跡上使工作氣體原子電離并產生正負離子對，在高壓極與收集極之間電場的作用下，正負離子分別向兩極漂移并引起電極上感應電荷量的變化，繼而在外電路形成電流。

圖3 H*(10)次級準電離室結構示意圖

2.2 結果對比

表3 次級標準電離室法測量結果

2.2.2轉換系數法計算周圍劑量當量 將上述7個檢驗點處空氣比釋動能率分別與轉換系數MCNP5模擬值相乘，計算結果記為周圍劑量當量率②，結果列于表4。其中空氣比釋動能率由標準電離室測量得到。由表4可知，轉換系數法與次級標準電離室法的周圍劑量當量率測量結果相對偏差在3%以內。

表4 轉換系數法計算結果

3 結論