γ射线吸收系数蒙特卡洛模拟验证与展望

程鹏亮，胡 平，魏道斌，饶晨曦，文 丽，张 鹏

（1.铜仁市生态环境局，贵州 铜仁 554300；2.铜仁市第二小学，贵州 铜仁 554300）

当前，随着核科技医疗水平的发展，核技术在医学上逐渐得到发展。γ射线作为核辐射的重要组成部分，其穿过人体细胞时，会使细胞结构内的原子和分子发生离解或激发。如果分子被离解,有的离解部分就会带上电荷，这就破坏了细胞的正常功能，使身体出现异常病变。如果生殖细胞受到损害，还可能遗传给下一代，使下一代的生长和发育反常或畸形[1]。正因如此，核辐射越来越受到人们的关注与重视，核辐射防护日益成为人们所面临的重要问题之一。自2016年开启中央生态环境督察以来，核辐射防护作为生态环境保护重要工作面临困境已进入瓶颈期。核技术利用环境影响评价一般都采用类比的方法进行，该方法不利于前期的辐射防护屏蔽的设计。采用蒙特卡洛方法模拟γ射线吸收和理论值进行对比，让人们更加科学清楚地认识核辐射，并为核技术利用环境影响评价报告的前期辐射屏蔽的设计提供了相应的计算方法。

1 γ射线与物质的相互作用

γ射线与物质相互作用时，主要是发生光电效应、康普顿效应、电子偶效应3种效应。该实验研究的主要是窄束γ射线在物质中的吸收规律。所谓窄束γ射线，是指不包括散射成分的射线束通过吸收片后的γ光子，仅由未经相互作用或称为未经碰撞的光子所组成。

射线在介质中的衰减服从指数规律[2]：

式中：I为射线经过某一介质厚度的模拟计数（减去本底）；I0为起始射线未经过介质的模拟计数（减去本底）；d为介质厚度，cm；μ为γ射线经过介质的线吸收系数，cm-1。

2 MCNP模型建立

利用MCNP软件建立模型的过程中，将放射源作为点源来处理，模拟的点源为60Co和137Cs源，根据实验材料的实物几何，建立模拟实验模型，如图1所示。为了和理论数值能够很好地统一，经查阅有关文献[3]，大理石、水泥板组分的数据分别如表1、表2所示，各物质的密度如表3所示。此次模拟实验利用MC软件中的F4卡计数。

图1 MCNP实验器材模拟图

表1 大理石主要元素组成 单位：%

表2 水泥板主要组成元素 单位：%

表3 模拟实验各物质密度 单位：g/cm3

3 模拟数据拟合分析

采用Excel对数据进行最小二乘法线性拟合，其中大理石、铅、铁、水泥板各自对60Co、137Cs吸收系数拟合分别如图2～图9所示。

图2 大理石对60Co吸收系数线性拟合

图3 铅对60Co吸收系数线性拟合

图4 铁对60Co吸收系数线性拟合

图5 水泥板对60Co吸收系数线性拟合

以上线性拟合线性方程的斜率即是物质对不同能量的线性吸收系数，整理后的模拟值如表4所示。经查阅有关文献[4-7]，得知表4的理论值，最后得到相对误差。

图6 大理石对137Cs吸收系数线性拟合

图7 铅对137Cs吸收系数线性拟合

图8 铁对137Cs吸收系数线性拟合

表4 数值分析表

从表4可以看出，模拟实验结果与理论值误差小，较为准确。在此基础上对其他材料在不同能量的吸收系数进行的数值模拟，但发现相对误差小的情况下，模拟值均比理论值小，其原因可能有2点：（1）模拟中没有考虑自然界的辐射背景值；（2）模拟实验中采用的F4计数卡也会对模拟结果产生影响。

4 结论与展望

（1）铅对60Co的线性吸收系数为0.6376，其相对误差为0.054006；铁对60Co的线性吸收系数分别为0.3924，其相对误差为0.080815；铅对137Cs的线性吸收系数为1.1944，其相对误差为0.015334。

（2）通过结论（1）的验证，采用蒙特卡洛数值模拟得出：大理石60Co的线性吸收系数为0.1518；大理石对137Cs的线性吸收系数为0.2151；水泥板对60Co的线性吸收系数为0.1183；水泥板对137Cs的线性吸收系数为0.1492；铁对137Cs线性吸收系数为0.5566。

（3）通过部分物质模拟值和理论值的比较，相对误差均在9%以内，表明该方法具备现实应用的可行性和科学性。

（4）依据结论（3）可认定，在辐射环境影响评价过程中，前期辐射屏蔽设计部分所采用的类比经验法可用蒙特卡洛方法进行替代，提高该过程的科学性。