MCNP模拟钴-60辐照装置空间剂量场

曾弟明，顾 俊，宋艳超

(苏州中核华东辐照有限公司，苏州 215200)

MCNP(Monte Carlo N-Particle Transport Code System)是一个多用途、连续能量、广义几何、时间相关的蒙特卡罗粒子输运程序，旨在跟踪广泛能量范围内的众多粒子类型[1]。利用MCNP程序对大型工业辐照装置空间剂量场及辐照产品吸收剂量的模拟研究较多。模拟研究钴源作为点源、线源、体源等不同形式下辐照场和辐照产品的剂量分布，建立三维模型、剂量率与距离的函数关系，采用各种制式剂量计对可能多的计算点进行测量，选取特定参考平面或位置点确定高剂量区域和低剂量区域等[2-10]。目前缺少辐照室内辐照工位外整个空间较详细的空间剂量场研究。

在实际生产过程中，除采用正常的辐照工艺对辐照产品进行辐照加工，还可在辐照室内辐照工位外的空间进行低剂量率需求的产品或样品的辐照实验。正常运行工况下，辐照产品数量较大，同类产品的吸收剂量值比较固定，不利于新产品的研发。2020年，作者利用MCNPX模拟了辐照室内辐照工位外的固定位置处不同包装规格和不同质量的研发样品，讨论了样品质量和包装规格之间的吸收剂量变化规律[11]。本研究利用MCNP程序对动态步进辐照装置进行几何建模，建立以单板源架中心为坐标原点的笛卡尔坐标系，模拟辐照室内辐照工位有辐照产品(密度为0.10 g/cm3)时，周围空间坐标轴方向上空气平面(10 cm间距)剂量率分布，以及坐标轴上的剂量率分布规律。同时，在不考虑源架、辐照箱、辐照产品、辐照室地面和屋顶等因素对钴-60源γ射线散射的影响情形下，研究钴-60源γ射线的自吸收和非自吸收对空间空气平面剂量率的影响，从而指导放置特定辐照产品或样品位于合理且合适的位置进行辐照。

1 钴-60动态步进辐照装置

苏州中核华东辐照有限公司[12]的SQ(T)系列工业γ辐照装置由北京三强核力辐射工程技术有限公司[13]设计建造，设计装源活度为1.11×1017Bq。产品输送系统为链电机驱动的悬挂链式，辐照箱分为上下两层空间，每层空间内包含一个小辐照箱，在操作大厅处利用跺码机进行上下换层，辐照箱在辐照室内通过悬挂链系统进行换面，确保被辐照物品的剂量均匀性。辐照室内有6路，每路6个辐照工位，总共36个。辐照箱按照相同的停留时间(主控时间)从一个工位移到下一个工位，采用气缸推动辐照箱移位，约为5 s，工位时间约为350 s，移动时间仅占工位时间的1.41%，MCNP程序模拟时忽略该过程的影响，产品输送路线图示于图1。

图1 产品输送路线图

辐照装置钴-60源架采用独立单板源架结构，包含12个源模块，每个源模块可容纳50枚钴-60源棒，源架总共能容纳600枚钴-60源棒。MCNP建模时，源架有319枚钴-60源棒，总活度约为6.66×1016Bq，钴-60源棒为圆柱体结构的体源，源棒基本呈对称排列[14]，源架上钴-60源棒排列示于图2，图中红色圆柱体表示钴-60源棒。

图2 钴-60源棒排列图

2 MCNP建立模型

2.1 模型建立

MCNP建模时，以单板钴源架在工作位时的中心为坐标原点(0,0,0)建立笛卡尔直角坐标系，垂直于源架平面为x轴，平行于源架平面为y轴(方位为正北)，竖直方向为z轴。建立模型时做适当近似处理。

辐照室内辐照工位与屏蔽墙之间分为四个空间区域，分别为北区、南区、东区和西区，空间区域平面分布图和空间区域剖面分布图示于图3。

a——平面；b——剖面

四个空间区域形状为长方体，分别与辐照工位、辐照室地面相距10 cm，竖直方向上(z轴方向上)与源架高度一致。其中北区和南区范围相同，即为760 cm×180 cm×330 cm，东区范围为500 cm×640 cm×330 cm，西区范围为300 cm×880 cm×330 cm。四个空间区域的范围参数列于表1。

表1 四个空间区域的范围参数

2.2 MCNP输入文件

MCNP模拟时，辐照室内辐照工位的辐照产品采用模拟样品(瓦楞纸)，密度为0.10 g/cm3。计数结果使用Fmesh卡(网格计数卡)与FMn卡(计数乘子卡)、DEn卡(剂量能量卡)和DFn卡(剂量函数卡)结合将计数结果单位转换为剂量率，单位为kGy/h。问题截断采用NPS卡(历史截断卡)，输运的历史数目为107。

3 空间剂量场剂量分布

3.1 空间四个区域剂量率分布

3.1.1z=0平面剂量率分布 根据Fmesh卡计数结果，在笛卡尔直角坐标系下选取z=0的平面，利用可视化Xming软件结合MCNP绘图命令，绘制空间四个区域剂量率分布图，结果示于图4。

根据图4可知，沿源架中心坐标轴方向上，x轴和y轴方向均呈对称分布；图4c和图4d剂量率分布图中心区域剂量率偏小，主要原因是板源架x轴方向上钴-60源棒相互屏蔽阻挡。

a——北区；b——南区；c——西区；d——东区

3.1.2垂直x轴和y轴平面剂量率分布 利用Fmesh卡计数结果，坐标轴上每隔10 cm间距绘制等高线剂量率分布图。北区共18个等高线剂量率分布图，南区共18个等高线剂量率分布图，西区共30个等高线剂量率分布图，东区共50个等高线剂量率分布图。

辐照室内单板源架、辐照工位、辐照空间及空间区域呈对称分布，分别选择北区(正y轴)和东区(正x轴)三个剂量率分布图进行对比分析，即第1个剂量率分布图(靠近辐照工位)、中间剂量率分布图(四个空间区域中间位置附近)和最后一个剂量率分布图(靠近辐照室墙壁位置)。

北区(正y轴方向上)共18个剂量率分布图，选取第1个、第10个(空间区域中间位置附近)和第18个剂量率分布图进行分析，结果示于图5～图7。第1个剂量率分布图对应y轴上的间距位置为260～270 cm，剂量率分布图所在平面为y=265 cm平面(图5)；第10个剂量率分布图(空间区域中间位置附近)对应y轴上的间距位置为350～360 cm，剂量率分布图所在平面为y=355 cm平面(图6)；第18个剂量率分布图对应y轴上的间距位置为430～440 cm，剂量率分布图所在平面为y=435 cm平面(图7)。

图6 北区第10个剂量率分布图(y=355 cm)

图7 北区第18个剂量率分布图(y=435 cm)

单板源架中心位置处，辐照箱上层和下层之间(沿z轴方向)和辐照箱之间(沿轴方向)有间隔，源架上钴-60源衰变产生的γ射线可直接穿过该间隔空间。据图5～图7可知，y轴上2.6～3.0 m范围，高剂量率区域呈“十”字形分布；y轴上距离增加至4.3 m，由于辐照产品、空气、墙面等因素影响，高剂量率区域逐渐呈现“圆”状形分布。

东区(正x轴方向上)共50个剂量率分布图，选取第1个、第25个(空间区域中间位置附近)和第50个剂量率分布图进行分析，结果示于图8～图10。第1个剂量率分布图对应x轴上的间距位置为390～400 cm，剂量率分布图所在平面为x=395 cm平面(图8)；第25个剂量率分布图(空间区域中间位置附近)对应x轴上的间距位置为630～640 cm，剂量率分布图所在平面为x=635 cm平面(图9)；第50个剂量率分布图对应x轴上的间距位置为880～890 cm，剂量率分布图所在平面为x=885 cm平面(图10)。

图9 东区第25个剂量率分布图(x=635 cm)

图10 东区(Eastern)第50个剂量率分布图(x=885 cm)

单板源架中心位置处，辐照箱上层和下层之间(沿z轴方向)、辐照箱之间(沿轴方向)和辐照箱与源架之间均有间隔，源架上钴-60源衰变产生的γ射线可直接穿过该间隔空间。据图8～图10可知，x轴上3.9～4.0 m范围，高剂量率区域呈“十”字形分布。x轴上距离增加至8.8 m，由于辐照产品、空气、墙面等因素影响，y轴两侧的高剂量区域由y轴上的±50 cm左右位置逐渐变至±100 cm左右位置，主要原因是负x轴上的钴-60源棒衰变产生的γ射线作用逐渐增加。辐照箱上层和下层之间间隔基本无影响，主要原因是辐照箱上层和下层之间的间距相对第50个剂量率分布图平面与辐照工位之间的距离而言，可忽略前者的影响(相差约20倍)。剂量率分布图中间(y轴附近)剂量率偏小，剂量率值范围为0.11～0.40 kGy/h；该区域位置呈集中分布，仅由y轴上±10 cm左右范围变至±35 cm左右范围，主要原因是钴-60源棒沿x轴方向排布，在x轴方向上钴-60源γ射线的自吸收有较大影响。

3.1.3x轴和y轴上剂量率分布 在辐照室内辐照工位有辐照产品的情况下，绘制四个空间区域沿坐标轴方向上的剂量率分布曲线(z=0)，并通过二次多项式函数进行拟合，结果示于图11～图14。

图11 北区正y轴上剂量率分布曲线(z=0)

据图11～图14可知，四个空间区域的坐标轴上剂量率随距离增加呈下降趋势，由于单板源架上钴-60源排列、辐照产品屏蔽、墙面散射等因素影响，整体下降趋势不完全符合指数降低的规律，在95%以上置信区间时，坐标轴上剂量率变化更符合二项式拟合。

图12 南区负y轴上剂量率分布曲线(z=0)

图13 东区正x轴上剂量率分布曲线(z=0)

图14 西区负x轴上剂量率分布曲线(z=0)

3.2 钴源自吸收的影响

使用点源和体源对比模拟时，当源(源架)的体积和活度比较大时，把体源假设成点源计算会存在一定的误差，要了解实际源的剂量分布时，用体源模拟更接近实际。本文通过调整钴-60源棒的物质成分为空气，即忽略钴-60源γ射线自吸收的影响，选择辐照室东区第1个剂量率分布图、第25个剂量率分布图和第50个剂量率分布图进行分析，结果示于图15～图17。

根据图15～图17可知，在考虑钴-60源γ射线非自吸收的情况下，剂量率分布图中间(y轴附近)剂量率偏大，剂量率值范围为0.44～1.87 kGy/h，主要原因是x轴上的所有钴-60源棒产生的γ射线可直接穿过辐照箱与单板源架之间的间隔，使得高剂量率(包括辐照箱散射、源架散射、地面散射等)区域位置呈集中分布，仅由y轴上±25 cm左右范围变至±50 cm左右范围；与图8～图10相比对，剂量率值分布呈相反分布，前者是后者的4倍左右；两者y轴附近位置分布基本相同。

图15 东区第1个剂量率分布图(钴-60源γ射线非自吸收)(x=400 cm)

图16 东区第25个剂量率分布图(钴-60源γ射线非自吸收)(x=640 cm)

图17 东区(Eastern)第50个剂量率分布图(钴-60源γ射线非自吸收)(x=890 cm)

4 结论

对于大型工业钴-60动态步进辐照装置，除了正常的辐照加工外，还可利用辐照室内辐照工位外的空间进行产品或样品的辐照实验，主要可用于辐照低吸收剂量率要求的对象。第一，本文通过蒙特卡罗粒子输运程序MCNP建立符合实际的辐照装置模型，理论模拟辐照室内辐照工位外的空间剂量场，在坐标轴上选取10 cm间隔平面绘制等高线剂量率分布图，可明确辐照工位外空间剂量场剂量率分布情况。根据产品或样品规格和吸收剂量要求，以及辐照室实际情况，可选择合理的位置辐照。第二，工业钴-60辐照装置为了增加钴-60源的利用率，辐照工位尽量靠近板源架设置，减少辐照工位与板源架之间的间隔；同时，应减少辐照箱之间的间隔，尽量减少钴-60源γ射线直接浪费。第三，由于辐照产品阻挡的衰减、空气散射、墙面散射等影响，源架中心坐标轴上的剂量率随距离增加而降低，不完全符合指数降低规律；在95%以上置信区间时，坐标轴上剂量率变化更符合二项式函数规律。第四，在钴-60源γ射线非自吸收和钴-60源γ射线自吸收两种情形下(其他因素影响不变)，比较东区(x轴上)空间剂量率分布可知，考虑钴-60源γ射线非自吸收时，剂量率分布图中间(y轴附近)剂量率偏大，高剂量率区域位置呈集中分布，y轴上的±25 cm左右范围变至±50 cm左右范围；考虑钴-60源γ射线自吸收时，剂量率分布图中间(y轴附近)剂量率偏小，y轴两侧的高剂量区域由y轴上的±50 cm左右位置逐渐变至±100 cm左右位置；两者剂量率值分布呈相反分布，前者是后者的4倍左右。第五，钴-60源γ射线自吸收对空间剂量场分布影响较大，大型工业钴-60辐照装置不能忽略钴-60源棒排列分布的活性区域、圆柱体钴-60源、板源架尺寸的影响通过本次研究，认为MCNP理论模拟计算分析对于利用钴-60辐照装置辐照工位外的周围空间剂量场具有重要的实际指导意义。