强n/γ辐射场中辐射剂量模拟计算

关志远 绪梅 方磊 王明睿 刘云龙

作者单位:102205 北京,陆军防化学院核防护系

强n/γ混合场是由核爆炸源谱造成的,该源谱包括裂变出壳中子能谱和裂变出壳初级γ射线能谱[1-2]。在距离核爆炸爆心一定距离处,人或物质受到的照射剂量不仅来源于前两者,还有一部分来源于中子与空气和土壤相互作用产生的次级γ射线。笔者探讨距爆心投影点0.5～1 km范围内,核爆炸早期核辐射中裂变出壳中子、裂变出壳初级γ射线以及中子与空气和土壤相互作用产生的次级γ射线在人体内的沉积剂量。

一、输运模拟几何模型

在蒙特卡罗模拟计算过程中,测量初级γ射线在测点处的沉积剂量时,探测器采用光子环型探测器;测量中子在测点处的沉积剂量时,探测器采用中子环型探测器,测量中子与空气和土壤相互作用产生的次级γ射线在测点处的沉积剂量时,探测器采用光子环型探测器。粒子输运几何模型。

见图1[3-4]。探测器采用环探测器,高度设置为1.50 m。在不同测量点处,探测位置设置在距源心投影点0.5～1 km,间隔为100 m的等距采样点处。模拟源与探测器同高。空气采用海平面干燥空气成分,土壤采用我国典型土壤结构,密度1.52 g/cm3[5]。中子与土壤相互作用能够形成感生放射性,且核爆炸中子可以穿透0.50 m厚的土壤层,故为避免模型土壤厚度不足而造成土壤感生放射性模拟不充分带来的影响,模型设置土壤厚度为10.00 m[6]。

图1 输运几何模型示意图

二、模拟参数的设置

在模拟计算过程中,模拟辐射源为1 kt当量核爆炸释放的中子能谱和γ射线能谱。辐射源谱采用“小男孩”原子弹的源项数据,包括裂变出壳中子能谱和裂变出壳γ射线能谱。见图2。

图2 “小男孩”原子弹泄漏中子和γ射线能谱

因蒙特卡罗计算结果为单一粒子的独立重复模拟统计结果,故需对出壳中子和γ射线进行量化[7]。模拟仿真过程中，每千吨当量的核爆炸释放的中子的数量为1.756×10-1moles，其平均能量为3.051×10-1MeV，γ射线的数量为6.665×10-3moles，其平均能量为1.398 MeV。模型中近地面干燥空气的核素及原子比例为：N(78.09%)、O(20.95%)、Ar(9.30010-1%)、C(3.016×10-2%)、Ne(1.800×10-3%)、H(6.400×10-4%)、He(5.240×10-4%)、Kr(1.000×10-4%)和Xe(8.000×10-6%)。模型中土壤的核素及原子比例为：O(59.99%)、Si(17.08%)、H(9.52%)、Al(5.69%)、Ca(1.92%)、Fe(1.72%)、Mg(1.58%)、Na(1.25%)、K(1.23)和Mn(0.024%)。

三、模拟源与物质相互作用

中子与物质的相互作用方式包括:弹性散射、非弹性散射、辐射俘获以及重原子核的裂变等过程,其中辐射俘获效应是产生次级γ射线的主要来源,其反应方程如式1所示。辐射俘获效应是指,中子不需要克服库伦势垒而易于进入原子核,故在中子与原子核作用过程中,一般是中子先进入靶核而构成(A+1)同位素核复合核,进而复合核通过发射一个或多个光子而回到基态,不在有其他粒子发射的过程[8]。

(A,Z)+n→(A+1,Z)+γ

(1)

γ射线与物质相互作用的主要方式包括:光电效应、康普顿效应和电子对效应,γ射线与物质相互作用的总截面为三者之和。三种效应的作用截面如式2～4所示[8]。

光电效应总截面στ：

στ≈K×Z4/(hν)3cm2/atom

(2)

康普顿效应总截面eσ：

(3)

电子对效应截面σκ：

(4)

式中,α为hν/m0c2;K为常数;Z为吸收物质的原子序数;re为经典电子半径，单位cm。

四、模拟计算结果

模拟仿真结果为距模拟源心一定距离处,“小男孩”原子弹出壳中子、出壳γ射线以及中子与空气和土壤相互作用产生的次级γ射线在各测量点处的粒子能量和注量。在考虑不同粒子在人体内的沉积剂量时,因中子和γ射线对人体不同组织和器官中的质量能量吸收系数不同,且不同能量的中子或γ射线对人体损伤的程度也不相同,故需要计算相关系数对剂量沉积的影响。

在带电粒子平衡和辐射场均匀的条件下,中子产生的比释动能和吸收剂量相等[9-10]。具有谱分布的中子吸收剂量为:

D=K=∑iKfi·Φi

(5)

(6)

具有谱分布的γ射线在物质中的吸收剂量为[9]:

(7)

图3 中子和γ射线对人体软组织和股骨的损伤因子

在模拟过程中,粒子数设置在107～109之间,依据模拟精度确定。在裂变出壳中子、裂变出壳初级γ射线以及中子与空气和土壤相互作用产生的次级γ射线三个模拟过程中,均采用mesh权窗梯度密度迭代的方法,即在每一粒子的模拟计算时均需进行十次迭代[11-14]。通过以上减方差方法,得结果均满足环型探测器测量结果<10%的要求。见图4。

图4 测量点处中子、初级γ射线和次级γ射线的计算误差

模拟计算结果通过剂量换算,得1 kt当量的核武器,采取地面爆炸时,距源心投影点0.5～1 km范围内,中子和γ射线在人体股骨和软组织中的剂量沉积。不同能量的中子和γ射线,在距源心投影点0.5～1 km范围内,在人体软组织和股骨内的沉积剂量见图5～7。

图5 1 kt当量核爆炸释放的中子在股骨和软组织中的沉积剂量

图6 1 kt当量核爆炸释放的初级γ射线在股骨和软组织中的沉积剂量

图7 1 kt当量核爆炸释放的次级γ射线在股骨和软组织中的沉积剂量

经模拟计算1 kt当量的核爆炸地面爆炸时,有以下三点结论:(1)早期核辐射中子、初级γ射线以及中子与空气和土壤相互作用产生的次级γ射线在人体软组织和股骨中的沉积剂量,显示出均随距源心投影点距离的增加呈指数递减的规律。在距源心投影点0.5～1 km范围内,每隔100 m,中子剂量平均衰减2.34倍,初级γ射线平均衰减1.77倍,次级γ射线平均衰减1.94倍.(2)在同一测量点处,早期核辐射在人体软组织和股骨内的沉积剂量,次级γ射线大于初级γ射线远大于中子。如在距源心投影点1 km处,人体软组织和股骨内,中子激发的次级γ射线剂量分别为1.20×105Gy和1.05×105Gy,初级γ射线剂量分别为1.80×104Gy和1.58×104Gy,中子剂量分别为2.03×101Gy和1.34×101Gy。人体在受到1 Gy以上的照射时,即会出现骨髓型放射病,属于急性放射病的一种,当达到6 Gy时,如果不及时治疗,全部病员会死亡。由计算结果知,距源心投影点0.5～1 km范围内的沉积剂量远远大于人体能够承受的剂量。(3)由计算结果知,早期核辐射中子、初级γ射线以及中子与物质相互作用产生的次级γ射线,在软组织中的沉积剂量均大于在股骨中的沉积剂量。

五、结论

通过对“小男孩”原子弹裂变出壳中子能谱和裂变出壳γ射线能谱的模拟计算,以及核爆炸出壳粒子的量化,得到了1 kt当量的核爆炸,在距离源心投影点0.5～1 km范围内,裂变出壳中子、裂变出壳初级γ射线以及中子与空气和土壤相互作用产生的次级γ射线的能注量。通过能注量和剂量的转换,得到了裂变出壳中子、裂变出壳初级γ射线以及中子与空气和土壤相互作用产生的次级γ射线分别在人体软组织和股骨内的剂量沉积。