中子辐照育种样品吸收剂量率计算方法

洪 博， 兰长林， 曹 磊， 郭志琦， 潘小东†

(兰州大学 核科学与技术学院， 兰州 730000)

利用放射性射线束辐照植物的种子、根和茎等器官，使遗传性发生改变，然后通过人工选择和培育产生新品种的育种方法称为辐照育种[1-2]。与传统的杂交育种和自然变异育种相比，辐照育种具有变异可能性大及变异幅度大等诸多优势[3-4]。

电离辐射通过直接或间接的方式作用于生物大分子。直接作用是电离辐射通过能量传递直接作用于生物大分子，使其激发和电离造成生物分子结构和性质发生改变。间接作用是电离辐射作用于生物体内的水分子，引起水分子的激发和电离产生自由基，自由基再与生物分子发生物理及化学等反应[5]。 其中，中子辐照是间接方式作用于生物大分子。

中子辐照育种就是利用中子束作为入射线束辐照种子的育种方法[6]。不同射线与物质作用时产生的直接或间接电离密度不同，即使样品吸收相同的剂量，引起的相对生物学效应也不同[7]。为比较不同射线引起的生物学效应，引入品质因数来衡量生物学效应[8-10]。中子的品质因数是X射线和γ射线等不带电粒子的数十倍，吸收剂量相同时，中子束引起的总的生物学效应要远大于X射线和γ射线等不带电粒子。中子束与α粒子束及质子束等带电粒子束的品质因数相当，但α粒子和质子等带电粒子束辐照会造成辐照样品的生理损伤，因此中子辐照育种在射线辐照育种中有明显的优势[11-12]。

19世纪六七十年代国外一些研究机构开始研究中子辐照育种，对中子的相对生物学效应进行了初步研究，得到一些有价值的结果[11]。国内中子辐照育种起步较晚，虽然取得了一定的成果，但中子辐照育种过程中，样品吸收剂量的准确计算和直接测量非常困难，因此研究中子辐照育种过程中样品吸收剂量率的计算方法非常有必要[13-16]。

对于中子辐照育种，目前还没有成熟的理论公式计算不同位置处样品的中子吸收剂量率。现阶段中子吸收剂量率的计算方法主要为蒙特卡罗模拟和中子源周围剂量当量估算[17-20]。本文提出了一种中子辐照育种过程中的样品吸收剂量率的计算方法。只需中子源强度、样品与中子源距离及样品的比释动能因子就可快速计算样品的吸收剂量率。该方法物理过程简单，不需要太多的辐照剂量学基础，为非辐射物理专业人员计算中子辐照育种吸收剂量率提供了便利。

兰州大学Am-Be中子源具有体积小、放射性活度大和半衰期长等优点；拟南芥是自受花粉植物，基因纯合度非常高，是所有植物中研究遗传学最好的材料[21]。因此选择了Am-Be源辐照拟南芥种子为研究对象，利用本文提出的方法计算了拟南芥种子在距离Am-Be中子源不同位置的吸收剂量率。

1 理论计算方法

中子与被辐照样品相互作用传递能量可分为吸收剂量和比释动能两个阶段，吸收剂量表示该过程的第一阶段，比释动能表示第二阶段。吸收剂量与比释动能在数值上一般会有差距，不同能量的中子吸收剂量与比释动能的差距不同[22-24]。2者之间的差距为次级带电粒子轫致辐射的能量。

在满足带电粒子平衡的条件下，轫致辐射可忽略，比释动能与吸收剂量近似相等。特别是能量小于30 MeV的中子与物质作用时，轫致辐射可忽略不计[23]。

(1)

其中：Ψ为中子的能注量；μtr为能量转移系数;ρ为样品密度。

(2)

其中：μen为质量吸收系数。

某一放射性同位素中子源可近似地看作一个各向同性源，在各向同性中子源中能注量Ψ可表示为

(3)

其中：Etot为中子源单位时间内放出的总能量。

在Am-Be中子源中，Etot可表示为

Etot=ν·En

(4)

其中：ν为该中子源出射的中子总数；En为中子源的平均能量。

(5)

其中，kt为比释动能因子。

不同辐照样品中每种元素的质量分数不同，比释动能因子也不同。Caswell等[25]给出了不同元素不同能量对应的比释动能因子。计算吸收剂量率时，首先收集农学分析资料，然后确定不同样品中各元素的质量分数，确定样品的比释动能因子。拟南芥种子中C，N，H，O 4种元素的质量分数分别为53.8%，5.5%，7.8%，31.5%[26-27]。

本文利用兰州大学核科学与技术学院中子实验室的Am-Be中子源开展中子辐照育种试验，中子源在4π立体角内均匀发射，中子源实验大厅的平面示意图和中子源能谱，如图1所示。

(6)

重复性测量的相对标准偏差为2.2%。仪表仪器的相对标准偏差为5%；中子周围剂量当量率测量结果固有相对偏差为9.2%；中子剂量当量率校准因子为1.101，中子剂量当量率校准因子相对标准偏差为5.3%；仪器重复性为5.7%。

2 结果与讨论

Am-Be中子源的平均能量为4.2 MeV，中子产额为1×107s-1，根据拟南芥种子中不同元素的质量分数，计算出En为4.2 MeV时，样品的比释动能因子kt为3.55×10-11Gy·cm2，利用式(5)计算出距离中子源5 cm处拟南芥种子的吸收剂量率为1.13×10-6Gy·s-1。

(7)

其中：Eni为第i个能群对应的平均能量；ni为能量Eni所占的份额;kti为能量Eni对应的比释动能因子。

将Am-Be中子源按能量分为10个中子能群，根据拟南芥种子样品对应的元素和Caswell等[25]给出的比释动能因子，计算出每个能群对应的平均比释动能因子kti，如表1所列。

表1 能群及对应的平均比释动能因子Tab.1 Energy group and corresponding average specificrelease kinetic energy factor

利用式(7)计算分群处理后，拟南芥种子样品距离中子源5 cm处，中子吸收剂量率为1.02×10-6Gy·s-1，与MCNP模拟计算结果符合较好。2种方法都是基于中子注量率转化为吸收剂量率的方法，但中子注量率的计算使用了不同的方法。本文方法计算采用中子吸收剂量率随离源距离的增大呈平方反比衰减的关系，使用蒙特卡罗方法对中子进行空间输运。

由图3可见，随着距离的增加，样品的吸收剂量率快速下降。如将能群分的更细，可得出更精确的结果。

本文提出的理论计算方法与文献[10]和文献[29]的蒙特卡罗模拟方法都是基于比释动能因子计算样品的吸收剂量率，但利用蒙特卡罗模拟的方法需对中子场及辐照样品建模，然后利用统计学方法得到样品位置处中子信息，最后计算样品吸收剂量，该方法建模过程复杂，大大增加了计算难度。而本文方法利用中子注量率随离源距离的增大呈平方反比衰减的关系，来获取不同位置处的中子信息，没有复杂的建模过程，极大地提高了计算效率。

本文方法在计算谱分布中子时需进行分群处理以减小偏差，计算Cf源等单能中子源[30]无需分群处理，计算更加简便。

3 结论

本文采用射线传递给样品的能量等效吸收剂量和中子注量率随离源距离的增大呈平方反比衰减的理论，推导出中子场不同位置处样品吸收剂量率的计算公式，为中子辐照育种吸收剂量率计算提供了一种新的方法。利用该方法计算了距离兰州大学Am-Be中子源5 cm处拟南芥种子样品的中子吸收剂量率，得出拟南芥种子样品的中子吸收剂量率为1.13×10-6Gy·s-1，利用分群处理对结果进行修正。修正后的计算结果与MCNP模拟结果高度吻合，表明方法可信。此外，利用本文方法分别计算与中子源距离不同时，拟南芥种子样品的中子吸收剂量率，为后续实验奠定了基础。

本文提出的中子辐照育种样品吸收剂量率的计算的方法主要优势有：(1)与蒙特卡罗模拟相比，该方法在计算中子辐照育种过程中的中子吸收剂量率无需繁琐的蒙特卡罗建模和模拟过程，计算过程简单；(2)与周围剂量估算的方法比较，本文方法对计算者的物理基础要求低，无需掌握辐照场周围的详细信息即可完成计算。