便携式γ射线照射装置散射辐射特性研究

王子琳刘蕴韬高 飞张昕宇刘佳瑞韦凯迪

（中国原子能科学研究院 核技术综合研究所，中核核工业计量与测试技术重点实验室，北京 102413）

1 引 言

针对固定式X、γ 辐射剂量仪的现场校准需求，研制了一款新型便携式γ 射线照射装置，该装置主要由放射源、屏蔽体、散射腔和准直光阑构成，能提供具有良好辐射特性的准直参考辐射场。 辐射场和装置本身均会产生散射辐射，且无法完全消除，只能通过优化设计将其控制在可接受范围内，如何降低参考辐射场中的散射辐射受到各国学者的重视。 通过蒙特卡罗模拟与实验测量相结合的方法对便携式γ 射线照射装置散射辐射特性进行研究。

2 便携式γ 射线照射装置

放射性同位素产生的参考辐射场是电离辐射计量检定工作的重要条件，其输出射线剂量稳定、重复性好，且操作简便。 便携式γ 射线照射装置由Cs 放射源、铅屏蔽体、散射腔、准直光阑、提升快门、抽拉快门和钨合金屏蔽塞等构成，如图1所示。

图1 便携式γ 射线照射装置结构图Fig.1 Structure drawing of portable irradiation facility

便携式γ 射线照射装置内置1.85 × 10Bq的Cs 放射源，通过调节探测器灵敏体积中心与放射源之间的距离，可提供54 μGy／h～171 mGy／h 的参考辐射场剂量率范围；散射腔为圆柱形设计，可有效降低装置自身散射辐射；4 片钨合金准直光阑嵌于铅屏蔽体内，间隔一定空隙搭接而成，可有效限制射束形状，提供准直参考辐射场。 依次打开钨合金屏蔽塞、提升快门、抽拉快门即可开始照射。

3 蒙特卡罗模拟

3.1 注量谱计算散射辐射

散射辐射与照射装置的散射腔和准直光阑设计有关：散射腔大小与装置自身散射辐射呈负相关；准直光阑自身会贡献部分散射辐射，同时其间隙也能吸收部分散射辐射。 利用MCNP 程序F4 卡模拟距离放射源1 m，2 m，3 m 处装置正常工作状态、无散射腔工作状态和无准直光阑工作状态下的注量谱，模拟结果如图2至图4所示。

图2 距离放射源1 m 处注量谱模拟图Fig.2 Simulated fluence spectrum in the distance of 1 m

图4 距离放射源3 m 处注量谱模拟图Fig.4 Simulated fluence spectrum in the distance of 3 m

图2中，距离放射源1m 处无准直光阑工作状态下的注量谱与装置正常工作状态相比出现0.074 MeV，0.479 MeV，0.519 MeV，0.556 MeV，0.624 MeV 等5 个主要散射辐射特征峰，0.183 MeV，0.569 MeV，0.596 MeV，0.658MeV 等4 个主要散射辐射特征峰消失；无散射腔工作状态下的注量谱与装置正常工作状态相比出现0.172 MeV，0.214 MeV，0.232 MeV，0.341 MeV 等4 个主要散射辐射特征峰。 图3中，距离放射源2 m 处无准直光阑工作状态下的注量谱与装置正常工作状态相比出现0.444 MeV，0.646 MeV 等2 个主要散射辐射特征峰，0.612 MeV，0.624 MeV 等2 个主要散射辐射特征峰消失；无散射腔工作状态下的注量谱与装置正常工作状态相比出现0.433 MeV 的主要散射辐射特征峰。 图4中，距离放射源3 m 处无准直光阑工作状态下的注量谱与装置正常工作状态相比出现0.277 MeV 的主要散射辐射特征峰，无散射腔工作状态下散射辐射特征峰与正常工作状态几乎一致。

图3 距离放射源2 m 处注量谱模拟图Fig.3 Simulated fluence spectrum in the distance of 2 m

分析可知，去掉散射腔后照射装置会得到更多的散射辐射特征峰，是因为散射腔能够降低装置自身散射辐射；去掉准直光阑后装置会增加部分散射辐射特征峰，同时也会消失一部分原本存在的散射辐射特征峰，是因为准直光阑的存在会贡献一部分散射辐射特征峰，而光阑间空隙能够吸收前一光阑边缘的散射光子从而使一部分原本存在的散射辐射特征峰消失。 各工作状态下模拟得到的主要散射辐射特征峰数量随参考点与放射源距离的增加而逐渐减少，分析可能存在以下两点原因：一是随着光子路程的增加，部分散射光子由于存在一定出射角未进入到计数栅元；二是光子在运输路径上受到实验室各部件散射不断损失能量所致。

由于Cs 放射源特征峰为0.662 MeV，其他任何小于该能量的特征峰都可以认为是装置自身的散射贡献，模拟计算得到装置自身贡献的散射辐射如表1所示。 距放射源（1～3）m 时正常工作状态下装置散射辐射贡献为13.07 %～13.13 %，去掉散射腔或准直光阑后都会导致装置自身散射贡献上升。

表1 F4 卡模拟装置自身散射辐射Tab.1 Simulated scattered radiation caused by the facility via F4 card

3.2 CF 卡计算散射辐射

利用MCNP 程序的栅元标记卡CF 对装置各部件进行标记，计算来自被标记栅元的散射光子比例。 模拟计算的散射腔散射贡献和准直光阑散射贡献如表2所示。

表2 CF 卡模拟装置自身散射辐射Tab.2 Simulated scattered radiation caused by the facility via Cell-Flagging card

由表2可知，距放射源（1～3）m 处总散射分别为4.55 %，7.78 %，0 %，且几乎全部是由准直光阑贡献得到。

CF 卡模拟得到的装置自身散射辐射较F4 卡模拟结果大幅度降低。 根据CF 卡计算原理，如图5所示，栅元标记仅在离开标记栅元时打上，若粒子离开标记栅元后又穿过未标记栅元到达计数栅元，则该粒子不作为标记栅元的计数贡献。 通过标记散射腔周围屏蔽体计算散射腔散射贡献时，到达计数栅元的粒子中被屏蔽体打上标记的粒子离开屏蔽体后又进入未标记栅元或准直光阑，不计入散射腔散射贡献。 因此，距放射源（1～3）m 处散射腔散射贡献几乎为0，利用CF 卡计算得到的散射贡献远小于利用F4 卡模拟注量谱计算得到的散射贡献。

图5 栅元标记卡计算原理图Fig.5 Calculation principle of Cell-Flagging card

4 散射辐射实验

4.1 反平方律验证散射辐射

将便携式γ 射线照射装置置于实验室中心位置，确保墙壁的散射贡献可忽略。 利用已溯源的PTW30013、PTW32005 和PTW32002 配合UNIDOS E 静电计标定辐射场轴向空气比释动能率，如表3和图6所示。

表3 参考辐射场剂量率分布Tab.3 Dose rate distribution in reference radiation field

由表3和图6可知，实际测得的辐射场空气比释动能率经空气衰减修正后，在0.2%内与探测器灵敏体积中心到放射源中心的距离平方倒数成正比，满足ISO 4037－1：2019和GB／T 12162.1－2000的散射辐射要求。

图6 参考辐射场反平方律实验测试结果图Fig.6 The inverse square of the focus to detector distance experiment result of reference radiation field

4.2 移出实验验证散射辐射

根据ISO 4037－1：2019 和GB／T 12162.1－2000对便携式参考辐射场开展移出实验，分别在距离放射源1 m 和1.5 m 处，测量射束轴线上空气比释动能率，及垂直于射束轴线平面上移出射线束两倍射束半径加半影区位置处的空气比释动能率。 测量结果如表4所示。

表4 参考辐射场移出实验测试结果Tab.4 Moving-out experiment result of reference radiation field

由表4可得，距离放射源1 m 和1.5 m 处移出空气比释动能率占束中的百分比分别为3.68 %和3.94 %，均在4 %之内，满足ISO 4037－1 ∶2019 和GB／T 12162.1－2000 的散射辐射要求。

反平方律实验和移出实验得到的散射辐射均小于蒙特卡罗模拟结果。 因为无论是F4 卡还是CF卡模拟计算得到的散射辐射比例都是装置自身贡献，而平方反比律实验和移出实验测量得到的则是辐射场的散射贡献，因此，尽管蒙特卡罗方法模拟得到的散射辐射比例超过5 %，实验结果仍能够满足ISO 4037－1：2019 和GB／T 12162.1－2000 要求。

5 能量沉积谱实验

CAPture 电极CdZnTe 探测器的探测效率高、分辨率好、体积小、可室温下工作，已广泛应用于核安全、天体物理、环境监测和医学成像等领域。 利用MCNP 软件建立探测器模型，模拟计算内置Cs放射源的便携式γ 射线照射装置的能量沉积谱，并用实验测得的能量沉积谱进行比对验证。 为尽可能贴近真实情况，模拟计算的便携式γ 射线照射装置内Cs 源所用能量和发射概率如表5所示。 将模拟得到的能量沉积谱进行高斯展宽后，与实验测得的能量沉积谱比对，如图7所示。

表5 137Cs 放射源的能量和发射概率Tab.5 The energy and emission probability of137Cs

由图7可知，利用CdZnTe 探测器测量内置Cs放射源的便携式γ 射线照射装置的能量沉积谱时，由于Cs γ 射线与铅、钨的康普顿散射截面较大，经过铅屏蔽体和钨合金准直光阑出射的射线中含有铅、钨的特征X 射线。 众所周知，CdZnTe 单晶中陷阱密度较高，载流子寿命较短（电子寿命为2 μs，而空穴寿命仅0.05 μs），由于空穴寿命比空穴从产生点到收集电极所需的渡越时间短，产生的空穴不能被完全收集，导致实验测得的能谱峰值幅度降低，低能侧加宽并抬高，即空穴尾效应。 因此，实验谱低能侧较模拟谱偏高，全能峰较模拟谱偏低。

图7 模拟谱与实验谱对比图Fig.7 Comparison of pulse height spectra between simulated result and measured result

总体上模拟谱和实验谱全能峰吻合良好，反散射峰、康普顿边缘及全能峰位置等基本一致，证明了利用MCNP 软件优化设计照射装置的可靠性及模拟结果的准确性。

6 结束语

利用F4 卡模拟得到注量谱计算得到的散射辐射比例高于利用CF 卡标记装置各部件计算得到的散射辐射比例。 由于栅元标记仅在最后一个离开的栅元中打上，若粒子离开标记栅元后又穿过未标记栅元到达计数栅元，则该粒子不作为标记栅元的计数贡献，可能会产生大量漏计数；F4 卡模拟得到的注量谱中除所用放射源的特征能量外，其他任何能量特征峰都认为是散射光子贡献。 因此，建议照射装置自身所致散射利用F4 卡模拟计算。

蒙特卡罗方法模拟得到的便携式γ 射线照射装置散射辐射比例远大于参考ISO 4037－1 ∶2019 和GB／T 12162.1－2000 开展平方反比律实验和移出实验测量结果。 这是因为模拟计算得到的散射辐射比例为装置自身贡献所致，而平方反比律实验和移出实验测量得到的则是辐射场的散射贡献。 为减少歧义，建议将ISO 4037－1 ∶2019 的“4.4.3 散射辐射”部分及GB／T 12162.1－2000 的“4.5.3 散射辐射”部分补充描述为辐射场散射辐射验证实验。