CN107918141B - 一种空气比释动能标准剂量场蒙特卡罗模型的建立方法 - Google Patents

一种空气比释动能标准剂量场蒙特卡罗模型的建立方法 Download PDF

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Abstract

一种空气比释动能标准剂量场蒙特卡罗模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：仿真模拟辐射场条件，搭建初步辐射场预测模型；在辐射场条件下，测量关键点空气比释动能率真值；建立模型空气比释动能率模拟计算值与真值之间的对应关系；验证辐射场预测模型。本发明通过对放射源、源罐结构、射线与物质发生相互作用的机制进行描述，利用次级标准剂量仪对关键点建立空气比释动能模拟值和实测值的对应关系。使用该方法最终提供可以对上述两种剂量场实现(5μGy/h~5mGy/h)量程范围内连续的空气比释动能标准值预测的模型。

Description

一种空气比释动能标准剂量场蒙特卡罗模型的建立方法
技术领域
本发明属于数学仿真和安全健康领域中的电离辐射-辐射剂量学，具体涉及一种空气比释动能标准剂量场蒙特卡罗模型的建立方法。
背景技术
目前针对标准辐射场，实验室通常采用到了距离平方反比的测量方法，对射束轴上的检验点进行连续预测。然而，根据基本物理原理，距离平方反比方法严格成立需满足以下三个条件：真空、点源、无散射，这是实际电离辐射实验室条件下所不具备的。实际情况下，该方法在1至3m内误差较小，而在距离源较远条件下预测值与实测值则误差较高，达到了5％以上。目前在同一辐射场条件下，调控剂量大小主要依靠调节距离来实现，因此，该模型的预测值具有较大误差，无法满足部分检测要求。
发明内容
本发明的针对现有技术中的不足，提供一种空气比释动能标准剂量场蒙特卡罗模型的建立方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种空气比释动能标准剂量场蒙特卡罗模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：仿真模拟辐射场条件，搭建初步辐射场预测模型；
步骤二：在辐射场条件下，测量关键点空气比释动能率真值；
步骤三：建立模型空气比释动能率模拟计算值与真值之间的对应关系；
步骤四：验证辐射场预测模型。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
所述辐射场为中能X射线辐射场，首先模拟出电子束打钨靶后的X射线能谱，再模拟经过固有过滤和附加过滤。
所述辐射场为60Co标准辐射场，基于放射源源罐的实际情况模拟源罐结构，包括其内部结构，并对出束口衰减器和放射源的情况进行模拟。
所述辐射场涵盖了中高能的射线，防护水平剂量计量程范围从5μGy/h～5mGy/h。
1)确定关键点的真实位置，通过距离平方反比测量并计算出放射源到关键点真实位置和标尺的对应关系，即计算标尺对实际位置的修正值Δ：
Figure BDA0001448029240000021
Figure BDA0001448029240000022
设
Figure BDA0001448029240000023
即y＝kd+b，则：
Figure BDA0001448029240000024
Figure BDA0001448029240000025
Δ＝b/k (5)
其中，
Figure BDA00014480292400000211
是空气比释动能率的真值，A是单位时间内发射的光子数，Γ是伽马常数；
2)根据修正值Δ，确定关键点的真实距离，利用蒙特卡罗模型模拟计算关键点的空气比释动能率的模拟计算值
Figure BDA0001448029240000026
模拟计算值
Figure BDA0001448029240000027
与真值
Figure BDA0001448029240000028
的对应关系根据如下公式计算得到：
Figure BDA0001448029240000029
其中，k(E)表示光子通量-剂量率转换系数，Φ1(E)表示归一化的光子注量，E表示射线能量，即
Figure BDA00014480292400000210
由蒙特卡罗模型计算出。
中能X射线辐射场通过比较第一半值层和第二半值层的过滤剂量、能谱分辨力、特征峰位置，验证预测模型的窄谱系列过滤X能谱与GB12162.1-2000中的能谱。
60Co-γ辐射场比较验证γ辐射场的辐射角和场均匀性。
本发明的有益效果是：针对电离辐射实验室实际情况，在MCNP软件中精确描述了实验室放射源储存、准直装置及周围环境，通过蒙特卡洛方法模拟计算光子输运过程，结合通量- 剂量转换因子及光子通量的标定，建立了X射线、60Co辐射场的预测模型；利用次级标准剂量仪，对实验室中31个位置进行了剂量场标准化绝对测量，通过对比测量结果，对预测模型进行了评价，并与目前现行距离平方反比模型预测结果进行了对比，对比结果显示，本研究中建立的预测模型的预测误差明显小于传统距离平方反比模型，为今后实验室更为准确的剂量传递工作打下基础。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示的空气比释动能标准剂量场蒙特卡罗模型的建立方法，通过对放射源、源罐结构、射线与物质发生相互作用的机制进行描述，利用次级标准剂量仪对关键点建立空气比释动能模拟值和实测值的对应关系。使用该方法最终提供可以对两种剂量场实现(5μGy/h～5mGy/h)量程范围内连续的空气比释动能标准值预测的模型，具体步骤如下。
一、仿真模拟中能X射线、60Co-γ射线两种辐射场条件下初步辐射场模型的搭建。
1、中能X射线辐射场，基于实验室X光机的实际情况、屏蔽室的结构以及附加过滤等，首先模拟出电子束打钨靶后的X射线能谱，再模拟经过固有过滤和附加过滤。其中，固有过滤是3mm铍和3mm铝，位于屏蔽室内。
2、60Co标准辐射场，基于放射源源罐的实际情况，描述源罐结构，包括其内部结构，出束口衰减器和放射源的情况等进行准确描述。其中，出束口使用5mm的石墨衰减器。
二、中能X射线、60Co-γ射线两种辐射场条件下，关键点空气比释动能率真值
Figure BDA0001448029240000036
的测量。
针对中能X射线、60Co放射源所产生的辐射场中的空气比释动能进行标定及测量，辐射场涵盖了中高能的X、γ射线，防护水平剂量计量程范围从5μGy/h～5mGy/h。针对不同量程的X、γ射线要选取合适大小的空腔电离室进行测量，1m≤d≤3m使用30cc电离室，3m＜d≤5m 使用1L电离室，5m＜d≤8m使用10L电离室。
三、建立空气比释动能率模拟计算值
Figure BDA0001448029240000037
与真值
Figure BDA0001448029240000038
之间的对应关系。
1、首先要确定关键点的真实位置，通过距离平方反比测量并计算出放射源到关键点真实位置和标尺的对应关系，即计算标尺对实际位置的修正值Δ：
Figure BDA0001448029240000031
Figure BDA0001448029240000032
设
Figure BDA0001448029240000033
即y＝kd+b，则：
Figure BDA0001448029240000034
Figure BDA0001448029240000035
Δ＝b/k (5)
其中，
Figure BDA0001448029240000041
是空气比释动能率的真值，A是单位时间内发射的光子数，Γ是伽马常数。
2、根据修正值Δ，确定关键点的真实距离，利用蒙特卡罗模型模拟计算关键点的空气比释动能率的模拟计算值
Figure BDA0001448029240000042
模拟计算值
Figure BDA0001448029240000043
与真值
Figure BDA0001448029240000044
的对应关系根据如下公式计算得到：
Figure BDA0001448029240000045
其中，k(E)表示光子通量-剂量率转换系数，Φ1(E)表示归一化的光子注量，E表示射线能量，即
Figure BDA0001448029240000046
由蒙特卡罗模型计算出。
四、中能X射线、60Co-γ射线辐射场预测模型的验证和评价。
1、中能X射线辐射场，通过比较第一半值层和第二半值层的过滤剂量、能谱分辨力、特征峰位置，验证预测模型的窄谱系列过滤X能谱与GB12162.1-2000中的能谱。模型根据公式(6)和对应关系A相乘即可计算出空气比释动能率预测值，并使用石墨空腔电离室对随机点进行实际测量比较，预测值与次级标准剂量仪的实测值的误差在1.0％以内。
2、60Co-γ辐射场，比较验证γ辐射场的辐射角和场均匀性。模型根据公式(6)和对应关系A相乘即可计算出空气比释动能率，并使用石墨空腔电离室对随机点进行实际测量比较，预测值与次级标准剂量仪的实测值的误差在1.0％以内。
蒙特卡罗方法对辐射场的模拟计算，充分考虑了实验室环境的影响，诸如远端墙壁的散射影响和远距离时空气的吸收影响，将这些影响通过蒙特卡罗方法模拟得到一个和实验室环境近似的辐射场。通过对中能X射线、60Co-γ空气比释动能标准辐射场条件的精细描述，诸如：源罐、X射线出束装置、放射源等。利用MCNP程序对空气比释动能辐射场进行模拟计算，并与空腔电离室对关键点的剂量测量值进行比较标定，最终得到这两种标准辐射场的空气比释动能预测模型，再通过随机点的验证比较，确定模型的预测水平。
中能X射线标准辐射场，基于实验室X光机的实际情况、屏蔽室的结构以及附加过滤等，蒙特卡罗模拟的X射线辐射场通过通量和剂量转换成空气比释动能，与次级标准剂量仪的实测值进行对应和验证，最终模型提供了中能X射线辐射场精确的空气比释动能标准值的预测模型，距离≤5m时其误差在1.0％以内。
60Co标准辐射场，基于放射源源罐的实际情况，细致描述了源罐结构，包括其内部结构等，蒙特卡罗模拟的γ射线辐射场通过通量和剂量转换成空气比释动能，与次级标准剂量仪的实测值进行对应和验证，最终提供了60Co辐射场精确的空气比释动能标准值的预测模型，其误差均在1.0％以内。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种空气比释动能标准剂量场蒙特卡罗模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：仿真模拟辐射场条件，搭建初步辐射场预测模型；
步骤二：在辐射场条件下，测量关键点空气比释动能率真值；
步骤三：建立空气比释动能率模拟计算值与真值之间的对应关系：
1)确定关键点的真实位置，通过距离平方反比测量并计算出放射源到关键点真实位置和标尺的对应关系，即计算标尺对实际位置的修正值Δ：
Figure FDA0002532588250000011
Figure FDA0002532588250000012
设
Figure FDA0002532588250000013
即y＝kd+b，则：
Figure FDA0002532588250000014
Figure FDA0002532588250000015
Δ＝b/k (5)
其中，
Figure FDA0002532588250000016
是空气比释动能率的真值，A是单位时间内发射的光子数，Γ是伽马常数；d的含义为标尺读值；
2)根据修正值Δ，确定关键点的真实距离，利用蒙特卡罗模型模拟计算关键点的空气比释动能率的模拟计算值
Figure FDA0002532588250000017
模拟计算值
Figure FDA0002532588250000018
与真值
Figure FDA0002532588250000019
的对应关系根据如下公式计算得到：
Figure FDA00025325882500000110
其中，k(E)表示光子通量-剂量率转换系数，Φ1(E)表示归一化的光子注量，E表示射线能量，即
Figure FDA00025325882500000111
由蒙特卡罗模型计算出；
步骤四：验证辐射场预测模型。
2.如权利要求1所述的一种空气比释动能标准剂量场蒙特卡罗模型的建立方法，其特征在于：所述辐射场为中能X射线辐射场，首先模拟出电子束打钨靶后的X射线能谱，再模拟经过固有过滤和附加过滤的X射线能谱。
3.如权利要求1所述的一种空气比释动能标准剂量场蒙特卡罗模型的建立方法，其特征在于：所述辐射场为60Co标准辐射场，基于放射源源罐的实际情况模拟源罐结构，包括其内部结构，并对出束口衰减器和放射源的情况进行模拟。
4.如权利要求1所述的一种空气比释动能标准剂量场蒙特卡罗模型的建立方法，其特征在于：所述辐射场涵盖了中高能的射线，防护水平剂量计量程范围从5μGy/h～5mGy/h。
5.如权利要求2所述的一种空气比释动能标准剂量场蒙特卡罗模型的建立方法，其特征在于：中能X射线辐射场通过比较第一半值层和第二半值层的过滤剂量、能谱分辨率和特征峰位置，验证预测模型的窄谱系列过滤X能谱与GB/T12162.1-2000中的能谱。
6.如权利要求3所述的一种空气比释动能标准剂量场蒙特卡罗模型的建立方法，其特征在于：60Co-γ辐射场比较验证γ辐射场的辐射角和场均匀性。
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