γ辐射屏蔽的Monte Carlo模拟

2010-07-26梅雪松关世荣

黑龙江科学 2010年2期

张慧，梅雪松，关世荣，庞杨

（黑龙江省科学院技术物理研究所，黑龙江哈尔滨150086）

自从1895年伦琴发现X射线以来，人们已经发现了多种射线，辐射在科学研究和生产生活中得到了广泛的应用。然而，放射性物质所放出的射线会对生命体造成损害，严重的甚至会危及生命，因此，对辐射屏蔽的研究具有重要的意义,在各种辐射中，特别要重视屏蔽问题的是穿透力大的γ射线和中子［1］。

γ辐射屏蔽问题的关键是源的特点、辐射能量、屏蔽物质和屏蔽体的有效厚度［2］。要得到屏蔽效果与这些参数指标之间的定量的函数关系，如果用实验室试验的方法，数据的处理和分析十分麻烦，而且在种种不定因素的干扰下，很难得到理想的结果。而应用Monte Carlo方法在计算机上进行模拟实验就可以避免这些不便之处。Monte Carlo方法，又称随机抽样或统计实验方法，是一种数值分析方法。它以概率模型为基础，根据待求实际问题的变化规律，构造出一个合适的概率模型，按照模型进行大量的统计实验，使某些统计参量恰好是待求问题的解［3］。

本文用MCNP程序模拟γ辐射屏蔽物理模型，采用F1计数卡模拟穿过界面的积分流量，得出四种有代表性的物质在一定γ辐射能量条件下透射率与物质厚度的关系曲线，并对这些曲线进行比较，得出关于此问题的一些结论。

1 建立γ辐射屏蔽问题的物理模型主要需要解决以下几个问题

1.1 辐射源的种类和辐射能量的大小

为简单起见，本文采用比较有代表性的两种理想辐射源，点源和平面平行射线源。能量则取两种常见的γ辐射源137Cs和60Co的能谱峰值，0.661MeV、1.173MeV、1.333MeV。点源辐射立体角半角宽为arccos0.9998 弧度［4］。

1.2 屏蔽体的材料

本文选用如下四种代表性材料：混凝土，最常用的屏蔽材料；铝，常用轻金属；铁，常用中等密度金属；铅，常用较重金属，也是典型的屏蔽材料。

1.3 屏蔽体的形状

本文用最易建模的长方体块和平板两种形状，这也是最具代表性的辐射屏蔽形状。选择两种类似的形状，是为了研究屏蔽体在与粒子飞行方向垂直的方向上的尺度对屏蔽效果的影响，即非透射面的误差效应。

1.4 效果的评价

图1 物理模型示意图Fig.1 Sketch of physical model

对屏蔽效果最好的评价莫过于其吸收率或透射率，本文选用透射率作为评价指标。即：透过屏蔽体的粒子数与击中屏蔽体的总的粒子数之比［5］。通过改变厚度得出透射率对厚度的关系曲线，图1为该物理模型的简单示意图。

2 数据分析

遵循上面的原则，对计算结果分类并加以分析，用软件Origin8.0作图，线图均为透射率-厚度图。

2.1 大面积屏蔽体和小面积屏蔽体的比较

分别选取两种条件下铅在点源0.661MeV射线下的透射率曲线和铁在点源1.333MeV射线下的透射率曲线为例。如图2。

图2 不同面积屏落蔽体承租透射率随厚度的变化曲线Fig.2 The curve of transmittance of shielding objects with different areas vs.thickness

从图2中可以看到，铅在两种情况下的透射率曲线几乎重合，而铁的透射率曲线虽然有所差别，但是其趋势没有实质性的变化，不影响对问题的定性的分析。进一步可以看出：原子序数越低的物质制成的屏蔽体其面积大小对屏蔽效果的影响也越大，这是因为小密度物质中光子平均自由程较小［6］。

2.2 源的辐射能量对屏蔽体透射率的影响

毋庸置疑，能量越大的γ射线，其穿透本领越强，下面通过几个具体的例子形象化的说明这一点。图3是混凝土、铁、铅的透射率随屏蔽体厚度的关系曲线：

图3 不同辐射能量不同屏蔽体透射率随厚度变化的曲线Fig.3 The curve of transmittance of different radiation energies and different shielding objects vs.thickness

很明显，混凝土与铁、铅不同，由于铁和铅的透射率变化是非线性的，射线能量对其的影响似乎没有随厚度的增大而增大。出现这种情况也与厚度对铁和铅的透射率的影响随厚度的增大而减小有关。可以看出：源的能量影响到屏蔽体的透射率，能量越大，透射率越大，但是对不同物质组成的屏蔽体，源能量的影响是不同的，对原子序数越低的物质，源能量的影响随厚度的增大而增大，对原子序数越高的物质，源能量的影响基本上不随厚度变化，原因与物质透射率曲线是否呈现线性有关。

2.3 屏蔽体成分对透射率的影响

事实上，对屏蔽问题而言，研究不同物质的屏蔽性能要比其他问题更重要一些，因为，在实际的辐射屏蔽应用中，往往不能随意的改变诸如源的大小，能量，形状等参数，即不能改变辐射本身，如放射性测量的场合，核试验的现场等，能够控制的是屏蔽体本身。因此，研究不同物质的屏蔽性能（或者说透射本领）是很有意义的。图4是在不同源能量条件下，混凝土，铝，铁，铅四种物质的透射率曲线，这四种物质很有代表性。从图中可以得到如下几点认识：

图4 不同屏蔽材料不同辐射能量的比较Fig.4 The comparison of different shielding materials and different radiation energy

(1)密度较小的物质透射率较大，随厚度的变化透射率减小较慢，呈线性关系；密度较大的物质透射率较小，随厚度的变化透射率减小较快，呈指数衰减的非线性关系。

(2)在低厚度的情况下，越下方的曲线屏蔽效果越好，这一点有重要的意义。在许多场合，不能无限地加厚屏蔽体，如飞行器，战车等交通工具中，因此要选用的屏蔽材料必须是在低厚度下屏蔽效果好的。在此种情况下，铅是比较理想的屏蔽材料，在大厚度的情况下，可以选择铁、混凝土等便宜的物质作为屏蔽材料，也可以达到较好的屏蔽效果。

(3)辐射的能量对物质的透射率曲线的形状有一定影响，能量越高，曲线的线性越明显，非线性则得到抑制。