MCNP模擬鈷-60輻照裝置空間劑量場(chǎng)

曾弟明，顧 俊，宋艷超

(蘇州中核華東輻照有限公司，蘇州 215200)

MCNP(Monte Carlo N-Particle Transport Code System)是一個(gè)多用途、連續(xù)能量、廣義幾何、時(shí)間相關(guān)的蒙特卡羅粒子輸運(yùn)程序，旨在跟蹤廣泛能量范圍內(nèi)的眾多粒子類型[1]。利用MCNP程序?qū)Υ笮凸I(yè)輻照裝置空間劑量場(chǎng)及輻照產(chǎn)品吸收劑量的模擬研究較多。模擬研究鈷源作為點(diǎn)源、線源、體源等不同形式下輻照?qǐng)龊洼椪债a(chǎn)品的劑量分布，建立三維模型、劑量率與距離的函數(shù)關(guān)系，采用各種制式劑量計(jì)對(duì)可能多的計(jì)算點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，選取特定參考平面或位置點(diǎn)確定高劑量區(qū)域和低劑量區(qū)域等[2-10]。目前缺少輻照室內(nèi)輻照工位外整個(gè)空間較詳細(xì)的空間劑量場(chǎng)研究。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，除采用正常的輻照工藝對(duì)輻照產(chǎn)品進(jìn)行輻照加工，還可在輻照室內(nèi)輻照工位外的空間進(jìn)行低劑量率需求的產(chǎn)品或樣品的輻照實(shí)驗(yàn)。正常運(yùn)行工況下，輻照產(chǎn)品數(shù)量較大，同類產(chǎn)品的吸收劑量值比較固定，不利于新產(chǎn)品的研發(fā)。2020年，作者利用MCNPX模擬了輻照室內(nèi)輻照工位外的固定位置處不同包裝規(guī)格和不同質(zhì)量的研發(fā)樣品，討論了樣品質(zhì)量和包裝規(guī)格之間的吸收劑量變化規(guī)律[11]。本研究利用MCNP程序?qū)?dòng)態(tài)步進(jìn)輻照裝置進(jìn)行幾何建模，建立以單板源架中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)系，模擬輻照室內(nèi)輻照工位有輻照產(chǎn)品(密度為0.10 g/cm3)時(shí)，周圍空間坐標(biāo)軸方向上空氣平面(10 cm間距)劑量率分布，以及坐標(biāo)軸上的劑量率分布規(guī)律。同時(shí)，在不考慮源架、輻照箱、輻照產(chǎn)品、輻照室地面和屋頂?shù)纫蛩貙?duì)鈷-60源γ射線散射的影響情形下，研究鈷-60源γ射線的自吸收和非自吸收對(duì)空間空氣平面劑量率的影響，從而指導(dǎo)放置特定輻照產(chǎn)品或樣品位于合理且合適的位置進(jìn)行輻照。

1 鈷-60動(dòng)態(tài)步進(jìn)輻照裝置

蘇州中核華東輻照有限公司[12]的SQ(T)系列工業(yè)γ輻照裝置由北京三強(qiáng)核力輻射工程技術(shù)有限公司[13]設(shè)計(jì)建造，設(shè)計(jì)裝源活度為1.11×1017Bq。產(chǎn)品輸送系統(tǒng)為鏈電機(jī)驅(qū)動(dòng)的懸掛鏈?zhǔn)剑椪障浞譃樯舷聝蓪涌臻g，每層空間內(nèi)包含一個(gè)小輻照箱，在操作大廳處利用跺碼機(jī)進(jìn)行上下?lián)Q層，輻照箱在輻照室內(nèi)通過(guò)懸掛鏈系統(tǒng)進(jìn)行換面，確保被輻照物品的劑量均勻性。輻照室內(nèi)有6路，每路6個(gè)輻照工位，總共36個(gè)。輻照箱按照相同的停留時(shí)間(主控時(shí)間)從一個(gè)工位移到下一個(gè)工位，采用氣缸推動(dòng)輻照箱移位，約為5 s，工位時(shí)間約為350 s，移動(dòng)時(shí)間僅占工位時(shí)間的1.41%，MCNP程序模擬時(shí)忽略該過(guò)程的影響，產(chǎn)品輸送路線圖示于圖1。

圖1 產(chǎn)品輸送路線圖

輻照裝置鈷-60源架采用獨(dú)立單板源架結(jié)構(gòu)，包含12個(gè)源模塊，每個(gè)源模塊可容納50枚鈷-60源棒，源架總共能容納600枚鈷-60源棒。MCNP建模時(shí)，源架有319枚鈷-60源棒，總活度約為6.66×1016Bq，鈷-60源棒為圓柱體結(jié)構(gòu)的體源，源棒基本呈對(duì)稱排列[14]，源架上鈷-60源棒排列示于圖2，圖中紅色圓柱體表示鈷-60源棒。

圖2 鈷-60源棒排列圖

2 MCNP建立模型

2.1 模型建立

MCNP建模時(shí)，以單板鈷源架在工作位時(shí)的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0,0)建立笛卡爾直角坐標(biāo)系，垂直于源架平面為x軸，平行于源架平面為y軸(方位為正北)，豎直方向?yàn)閦軸。建立模型時(shí)做適當(dāng)近似處理。

輻照室內(nèi)輻照工位與屏蔽墻之間分為四個(gè)空間區(qū)域，分別為北區(qū)、南區(qū)、東區(qū)和西區(qū)，空間區(qū)域平面分布圖和空間區(qū)域剖面分布圖示于圖3。

a——平面；b——剖面

四個(gè)空間區(qū)域形狀為長(zhǎng)方體，分別與輻照工位、輻照室地面相距10 cm，豎直方向上(z軸方向上)與源架高度一致。其中北區(qū)和南區(qū)范圍相同，即為760 cm×180 cm×330 cm，東區(qū)范圍為500 cm×640 cm×330 cm，西區(qū)范圍為300 cm×880 cm×330 cm。四個(gè)空間區(qū)域的范圍參數(shù)列于表1。

表1 四個(gè)空間區(qū)域的范圍參數(shù)

2.2 MCNP輸入文件

MCNP模擬時(shí)，輻照室內(nèi)輻照工位的輻照產(chǎn)品采用模擬樣品(瓦楞紙)，密度為0.10 g/cm3。計(jì)數(shù)結(jié)果使用Fmesh卡(網(wǎng)格計(jì)數(shù)卡)與FMn卡(計(jì)數(shù)乘子卡)、DEn卡(劑量能量卡)和DFn卡(劑量函數(shù)卡)結(jié)合將計(jì)數(shù)結(jié)果單位轉(zhuǎn)換為劑量率，單位為kGy/h。問(wèn)題截?cái)嗖捎肗PS卡(歷史截?cái)嗫?，輸運(yùn)的歷史數(shù)目為107。

3 空間劑量場(chǎng)劑量分布

3.1 空間四個(gè)區(qū)域劑量率分布

3.1.1z=0平面劑量率分布 根據(jù)Fmesh卡計(jì)數(shù)結(jié)果，在笛卡爾直角坐標(biāo)系下選取z=0的平面，利用可視化Xming軟件結(jié)合MCNP繪圖命令，繪制空間四個(gè)區(qū)域劑量率分布圖，結(jié)果示于圖4。

根據(jù)圖4可知，沿源架中心坐標(biāo)軸方向上，x軸和y軸方向均呈對(duì)稱分布；圖4c和圖4d劑量率分布圖中心區(qū)域劑量率偏小，主要原因是板源架x軸方向上鈷-60源棒相互屏蔽阻擋。

a——北區(qū)；b——南區(qū)；c——西區(qū)；d——東區(qū)

3.1.2垂直x軸和y軸平面劑量率分布 利用Fmesh卡計(jì)數(shù)結(jié)果，坐標(biāo)軸上每隔10 cm間距繪制等高線劑量率分布圖。北區(qū)共18個(gè)等高線劑量率分布圖，南區(qū)共18個(gè)等高線劑量率分布圖，西區(qū)共30個(gè)等高線劑量率分布圖，東區(qū)共50個(gè)等高線劑量率分布圖。

輻照室內(nèi)單板源架、輻照工位、輻照空間及空間區(qū)域呈對(duì)稱分布，分別選擇北區(qū)(正y軸)和東區(qū)(正x軸)三個(gè)劑量率分布圖進(jìn)行對(duì)比分析，即第1個(gè)劑量率分布圖(靠近輻照工位)、中間劑量率分布圖(四個(gè)空間區(qū)域中間位置附近)和最后一個(gè)劑量率分布圖(靠近輻照室墻壁位置)。

北區(qū)(正y軸方向上)共18個(gè)劑量率分布圖，選取第1個(gè)、第10個(gè)(空間區(qū)域中間位置附近)和第18個(gè)劑量率分布圖進(jìn)行分析，結(jié)果示于圖5～圖7。第1個(gè)劑量率分布圖對(duì)應(yīng)y軸上的間距位置為260～270 cm，劑量率分布圖所在平面為y=265 cm平面(圖5)；第10個(gè)劑量率分布圖(空間區(qū)域中間位置附近)對(duì)應(yīng)y軸上的間距位置為350～360 cm，劑量率分布圖所在平面為y=355 cm平面(圖6)；第18個(gè)劑量率分布圖對(duì)應(yīng)y軸上的間距位置為430～440 cm，劑量率分布圖所在平面為y=435 cm平面(圖7)。

圖6 北區(qū)第10個(gè)劑量率分布圖(y=355 cm)

圖7 北區(qū)第18個(gè)劑量率分布圖(y=435 cm)

單板源架中心位置處，輻照箱上層和下層之間(沿z軸方向)和輻照箱之間(沿軸方向)有間隔，源架上鈷-60源衰變產(chǎn)生的γ射線可直接穿過(guò)該間隔空間。據(jù)圖5～圖7可知，y軸上2.6～3.0 m范圍，高劑量率區(qū)域呈“十”字形分布；y軸上距離增加至4.3 m，由于輻照產(chǎn)品、空氣、墻面等因素影響，高劑量率區(qū)域逐漸呈現(xiàn)“圓”狀形分布。

東區(qū)(正x軸方向上)共50個(gè)劑量率分布圖，選取第1個(gè)、第25個(gè)(空間區(qū)域中間位置附近)和第50個(gè)劑量率分布圖進(jìn)行分析，結(jié)果示于圖8～圖10。第1個(gè)劑量率分布圖對(duì)應(yīng)x軸上的間距位置為390～400 cm，劑量率分布圖所在平面為x=395 cm平面(圖8)；第25個(gè)劑量率分布圖(空間區(qū)域中間位置附近)對(duì)應(yīng)x軸上的間距位置為630～640 cm，劑量率分布圖所在平面為x=635 cm平面(圖9)；第50個(gè)劑量率分布圖對(duì)應(yīng)x軸上的間距位置為880～890 cm，劑量率分布圖所在平面為x=885 cm平面(圖10)。

圖9 東區(qū)第25個(gè)劑量率分布圖(x=635 cm)

圖10 東區(qū)(Eastern)第50個(gè)劑量率分布圖(x=885 cm)

單板源架中心位置處，輻照箱上層和下層之間(沿z軸方向)、輻照箱之間(沿軸方向)和輻照箱與源架之間均有間隔，源架上鈷-60源衰變產(chǎn)生的γ射線可直接穿過(guò)該間隔空間。據(jù)圖8～圖10可知，x軸上3.9～4.0 m范圍，高劑量率區(qū)域呈“十”字形分布。x軸上距離增加至8.8 m，由于輻照產(chǎn)品、空氣、墻面等因素影響，y軸兩側(cè)的高劑量區(qū)域由y軸上的±50 cm左右位置逐漸變至±100 cm左右位置，主要原因是負(fù)x軸上的鈷-60源棒衰變產(chǎn)生的γ射線作用逐漸增加。輻照箱上層和下層之間間隔基本無(wú)影響，主要原因是輻照箱上層和下層之間的間距相對(duì)第50個(gè)劑量率分布圖平面與輻照工位之間的距離而言，可忽略前者的影響(相差約20倍)。劑量率分布圖中間(y軸附近)劑量率偏小，劑量率值范圍為0.11～0.40 kGy/h；該區(qū)域位置呈集中分布，僅由y軸上±10 cm左右范圍變至±35 cm左右范圍，主要原因是鈷-60源棒沿x軸方向排布，在x軸方向上鈷-60源γ射線的自吸收有較大影響。

3.1.3x軸和y軸上劑量率分布 在輻照室內(nèi)輻照工位有輻照產(chǎn)品的情況下，繪制四個(gè)空間區(qū)域沿坐標(biāo)軸方向上的劑量率分布曲線(z=0)，并通過(guò)二次多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果示于圖11～圖14。

圖11 北區(qū)正y軸上劑量率分布曲線(z=0)

據(jù)圖11～圖14可知，四個(gè)空間區(qū)域的坐標(biāo)軸上劑量率隨距離增加呈下降趨勢(shì)，由于單板源架上鈷-60源排列、輻照產(chǎn)品屏蔽、墻面散射等因素影響，整體下降趨勢(shì)不完全符合指數(shù)降低的規(guī)律，在95%以上置信區(qū)間時(shí)，坐標(biāo)軸上劑量率變化更符合二項(xiàng)式擬合。

圖12 南區(qū)負(fù)y軸上劑量率分布曲線(z=0)

圖13 東區(qū)正x軸上劑量率分布曲線(z=0)

圖14 西區(qū)負(fù)x軸上劑量率分布曲線(z=0)

3.2 鈷源自吸收的影響

使用點(diǎn)源和體源對(duì)比模擬時(shí)，當(dāng)源(源架)的體積和活度比較大時(shí)，把體源假設(shè)成點(diǎn)源計(jì)算會(huì)存在一定的誤差，要了解實(shí)際源的劑量分布時(shí)，用體源模擬更接近實(shí)際。本文通過(guò)調(diào)整鈷-60源棒的物質(zhì)成分為空氣，即忽略鈷-60源γ射線自吸收的影響，選擇輻照室東區(qū)第1個(gè)劑量率分布圖、第25個(gè)劑量率分布圖和第50個(gè)劑量率分布圖進(jìn)行分析，結(jié)果示于圖15～圖17。

根據(jù)圖15～圖17可知，在考慮鈷-60源γ射線非自吸收的情況下，劑量率分布圖中間(y軸附近)劑量率偏大，劑量率值范圍為0.44～1.87 kGy/h，主要原因是x軸上的所有鈷-60源棒產(chǎn)生的γ射線可直接穿過(guò)輻照箱與單板源架之間的間隔，使得高劑量率(包括輻照箱散射、源架散射、地面散射等)區(qū)域位置呈集中分布，僅由y軸上±25 cm左右范圍變至±50 cm左右范圍；與圖8～圖10相比對(duì)，劑量率值分布呈相反分布，前者是后者的4倍左右；兩者y軸附近位置分布基本相同。

圖15 東區(qū)第1個(gè)劑量率分布圖(鈷-60源γ射線非自吸收)(x=400 cm)

圖16 東區(qū)第25個(gè)劑量率分布圖(鈷-60源γ射線非自吸收)(x=640 cm)

圖17 東區(qū)(Eastern)第50個(gè)劑量率分布圖(鈷-60源γ射線非自吸收)(x=890 cm)

4 結(jié)論

對(duì)于大型工業(yè)鈷-60動(dòng)態(tài)步進(jìn)輻照裝置，除了正常的輻照加工外，還可利用輻照室內(nèi)輻照工位外的空間進(jìn)行產(chǎn)品或樣品的輻照實(shí)驗(yàn)，主要可用于輻照低吸收劑量率要求的對(duì)象。第一，本文通過(guò)蒙特卡羅粒子輸運(yùn)程序MCNP建立符合實(shí)際的輻照裝置模型，理論模擬輻照室內(nèi)輻照工位外的空間劑量場(chǎng)，在坐標(biāo)軸上選取10 cm間隔平面繪制等高線劑量率分布圖，可明確輻照工位外空間劑量場(chǎng)劑量率分布情況。根據(jù)產(chǎn)品或樣品規(guī)格和吸收劑量要求，以及輻照室實(shí)際情況，可選擇合理的位置輻照。第二，工業(yè)鈷-60輻照裝置為了增加鈷-60源的利用率，輻照工位盡量靠近板源架設(shè)置，減少輻照工位與板源架之間的間隔；同時(shí)，應(yīng)減少輻照箱之間的間隔，盡量減少鈷-60源γ射線直接浪費(fèi)。第三，由于輻照產(chǎn)品阻擋的衰減、空氣散射、墻面散射等影響，源架中心坐標(biāo)軸上的劑量率隨距離增加而降低，不完全符合指數(shù)降低規(guī)律；在95%以上置信區(qū)間時(shí)，坐標(biāo)軸上劑量率變化更符合二項(xiàng)式函數(shù)規(guī)律。第四，在鈷-60源γ射線非自吸收和鈷-60源γ射線自吸收兩種情形下(其他因素影響不變)，比較東區(qū)(x軸上)空間劑量率分布可知，考慮鈷-60源γ射線非自吸收時(shí)，劑量率分布圖中間(y軸附近)劑量率偏大，高劑量率區(qū)域位置呈集中分布，y軸上的±25 cm左右范圍變至±50 cm左右范圍；考慮鈷-60源γ射線自吸收時(shí)，劑量率分布圖中間(y軸附近)劑量率偏小，y軸兩側(cè)的高劑量區(qū)域由y軸上的±50 cm左右位置逐漸變至±100 cm左右位置；兩者劑量率值分布呈相反分布，前者是后者的4倍左右。第五，鈷-60源γ射線自吸收對(duì)空間劑量場(chǎng)分布影響較大，大型工業(yè)鈷-60輻照裝置不能忽略鈷-60源棒排列分布的活性區(qū)域、圓柱體鈷-60源、板源架尺寸的影響通過(guò)本次研究，認(rèn)為MCNP理論模擬計(jì)算分析對(duì)于利用鈷-60輻照裝置輻照工位外的周圍空間劑量場(chǎng)具有重要的實(shí)際指導(dǎo)意義。