CN109635227A - 一种mc计算放射性屏蔽厚度值的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种MC计算放射性屏蔽层厚度值的方法，该方法包括：通过对μm＝LnK/dρ线性拟合得到质量吸收系数μm，再根据得到质量吸收系数μm计算得到屏蔽层厚度d，本发明方法基于蒙特卡洛的计算方法，计算出屏蔽材料的质量吸收系数(质量吸收系数等于线吸收系数除以材料的密度)，针对复杂源项和结构布置能够快速计算出屏蔽材料的质量厚度，且该方法不限于屏蔽材料的种类和设备形状，适用于含有多种放射性核素的复杂源项。
Description
技术领域
本发明涉及屏蔽厚度值的计算，具体地指对于含有多种放射性核素的复杂源项的放射性物质设备的屏蔽厚度值的计算，属于辐射防护屏蔽设计领域。
背景技术
通常，对于伽马光子射线的屏蔽计算通常有以下2种方法：
方法1：直接用公式N＝N0Be-uR计算
公式中的N和N0分别是加屏蔽及未加屏蔽时所考虑那一点的剂量率值，累计因子B为伽马射线的能量及屏蔽厚度R的函数，用泰勒公式或者伯杰公式直接表示，然后解方程求屏蔽材料的厚度值R。
该种计算方法中不同屏蔽材料和射线能量对应的线吸收系数u都不相同，目前都是基于查表的方法获得，能量的跨度和材料的种类都非常有限，只能获取单能射线的线吸收系数；此外，对于异性的设备只能用微积分的方法近似计算，能够利用公式计算得到结果的都非常有限。
方法2：利用半减弱厚度计算
半减弱厚度，就是将伽马射线的剂量率或者注量率减弱一半所需要屏蔽层的厚度，常用符号表示。令减弱倍数m＝2n，得n＝logm/log2，则屏蔽层厚度式中n为半减弱厚度的数目。
该种计算方法是基于方法1中得到的半减弱厚度值来计算得到的结果，故而有着相同的限制约束。对于较多放射性核素的复杂源项，由于核素的占比、射线能量的分支比、有限屏蔽材料的查表数据、复杂形状的设备使计算结果不是很理想、而且数据处理起来非常费时费力。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种MC计算放射性屏蔽厚度值的方法，该方法基于蒙特卡洛(以下简称MC)的计算方法，计算出屏蔽材料的质量吸收系数(质量吸收系数等于线吸收系数除以材料的密度)，针对复杂源项和结构布置能够快速计算出屏蔽材料的质量厚度，且该方法不限于屏蔽材料的种类和设备形状，适用于含有多种放射性核素的复杂源项。
实现本发明目的采用的技术方案是一种MC计算放射性屏蔽层厚度值的方法，该方法包括：
S1、通过对公式(1)线性拟合得到质量吸收系数μm，所述公式(1)为：
μm＝LnK/dρ (1)
式中，μm为质量吸收系数，可直接反映出单位质量的屏蔽材料对放射性光子的吸收效果；d为MC程序中设定的屏蔽层厚度值；ρ为材料的密度；K为透射率的倒数值，即D0/D，D0为放射性光子未穿过物质前的光子剂量率，D为放射性光子穿过厚度为d的屏蔽层后的光子剂量率；Ln为以e为底K的对数；
S2、将得到质量吸收系数μm乘密度得到线吸收系数μ带入公式(2)中，即可计算得到屏蔽层厚度d，所述公式(2)为：
D＝D0e-μd (2)
式中，d为屏蔽层厚度值。
在上述技术方案中，根据各种核素衰变纲图的能量分支比制成计算源强表格，在表格中输入各核素的比活度即可得到各能群的光子源强和总光子源强；将源项光子能群、设备和屏蔽的结构、材料元素组成写入MC程序中；通过计算网格卡计算出放射性光子未穿过物质前的光子剂量率D0、放射性光子穿过厚度为d的屏蔽层后的光子剂量率Dn。
本发明通过线性拟合计算得到的质量吸收系数μm是综合源项、设备结构和屏蔽材料，对于不同剂量率限值的屏蔽方案论证，可快速的计算出屏蔽材料厚度值；且该种方法不限于屏蔽材料的种类和设备形状。
本发明通过MC计算放射性屏蔽层厚度值的方法具有以下优点：
1.具有灵活的几何处理能力，能够处理复杂多变的模型；
2.通过三维可视化程序检查模型是否与现实相符；
3.参数通用化，使用方便；
4.元素和介质材料截面数据齐全，可输入复杂的源项数据；
5.能量范围广，功能强，输出量灵活全面；
6.含有简单可靠又能普遍适用的抽样技巧。
附图说明
图1为废液罐模型的正向剖示图。
图2为废液罐模型的侧面剖示图。
图3是Ln(K)值与铅屏蔽材料厚度线性关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
首先说明现有技术获得质量吸收系数的方法，具体为：
放射性废液源项数据给出的是每种核素放射性浓度(Bq/m3)，根据放射性核素衰变纲图的能量分支比，能群划分采用MC程序中的光子能群，0-15MeV共计38个能群，每一能量为该能群的能量上限值，将其转化为注量能谱数据如表1所示：
表1放射性核素注量能谱
根据能谱数据计算出放射性核素的平均能量，即也就是能群的能量上限值乘相应的光子数的总和，再除以总的光子源强度。从上表中不难得出平均能量约为0.782MeV，通过查辐射防护手册铅材料在该能量下的质量吸收系数约为0.0885cm2/g。
本发明计算质量吸收系数的方法如下：
通过对公式(1)线性拟合得到质量吸收系数μm，公式(1)为：
μm＝LnK/dρ (1)
式中，μm为质量吸收系数，可直接反映出单位质量的屏蔽材料对放射性光子的吸收效果；d为MC程序中设定的屏蔽层厚度值；ρ为材料的密度；K为透射率的倒数值，即D0/D，D0为放射性光子未穿过物质前的光子剂量率，D为放射性光子穿过厚度为d的屏蔽层后的光子剂量率；Ln为以e为底K的对数；
根据各种核素衰变纲图的能量分支比制成计算源强表格，根据放射性核素的衰变纲图能量分之比制成可计算出不同能量间隔的光子能群，此光子能群(精确到1keV)越细分计算结果越精确，直接在MC程序的表格中输入各种核素的比活度即可得到各能群的光子源强和总光子源强；将该源项光子能群、设备和屏蔽的结构、材料元素组成写入MC程序中；通过计算网格卡计算出放射性光子未穿过物质前的光子剂量率D0、不同屏蔽厚度的放射性光子穿过厚度为d的屏蔽层后的光子剂量率值Dn，通过公式(1)线性拟合得到质量吸收系数μm，μm可直观的反馈出屏蔽材料的优劣性。
将得到质量吸收系数μm乘密度得到线吸收系数μ，将μ带入公式(2)中，即可计算得到屏蔽层厚度d，公式(2)为：
D＝D0e-μd (2)
式中，d为屏蔽层厚度值。
下面以一个具体的实例来说明现有技术得到屏蔽层厚度以及本发明计算质量吸收系数后再计算屏蔽层厚度的效果。
按照实际废液罐圆柱形设计Φ50cm×100cm建立模型如图1和2所示。废液罐内部充满水，作为源项体，设为各向同性；其侧面、上下底面分别以1cm厚度添加15cm的铅屏蔽层，在每层的中间留有5mm间隙用空气填充，在模型的外围添加一个较大型的圆柱体包裹，内部剩余空间全部空气填充。在每一铅屏蔽栅元光子重要性逐加乘两倍，提高光子穿过铅屏蔽层的抽样效率；采用圆柱体网格计数，半径方向设置使每层网格落在屏蔽层中间间隙，高度方向上分成10段，角度方向上分成36份。在程序中写入了光子注量率和剂量率之间的转换因子((rem/h)/(光子/cm2s))，如下表2所示。
表2
程序中设定各向同性体源，故在高度方向差异可忽略不计；将0/90/180/270角度方向上的数值加权求取平均值，降低粒子在角度方向上的抽样计算偏差。网格计数给出的是单个粒子抽样剂量率值，单位为(rem/h)，计算结果需要乘以该废液罐体积下的总光子源强，然后进行单位转化(uSv/h)。计算结果废液罐外壁对周围剂量率值D0为4.32E+04uSv/h。取MC铅层表面剂量率为限值，分别用平均能量查表和按照步骤S1通过MC拟合的μ/ρ值分别计算出铅屏蔽厚度值。该模型属于各向同性源项，查表数值计算则必须考虑射线的种类、能量、屏蔽材料、屏蔽层的几何条件、屏蔽厚度等因素的影响引入的积累因子，MC程序中则已考虑上述因素而给出的计算结果。本实施例采用的是较泰勒公式更为精确的伯杰公式(3)进行计算：
B＝1+aμ’Rebμ’d (3)
式中：u’为线衰减系数；d为屏蔽层厚度值；a、b为与能量有关的常数项，可查表获取，用插值法求出0.782MeV能量下a＝0.3145，b＝-0.04873，则可求出该源项下各厚度的积累因子B，再通过上述现有技术查表μm计算厚度值。
数据处理后各铅层外表面剂量率数值如表3所示。
表3
表3中，剂量率为铅层表面剂量率；A偏差为查表μm计算厚度值与d偏差；B偏差为拟合μ/ρ计算厚度值与d偏差。
由式(1)计算可得，将这15组数据进行线性拟合，如图3所示，得到直线方程为y＝0.79469x，即在该放射性废液源项下铅的线衰减系数为0.79469cm-1，其质量吸收系数为0.07008cm2/g，拟合线性相关系数为0.98881，斜率值误差约为0.02182。
通过表3得出拟合计算屏蔽厚度值比现有技术查表计算偏差要小得多。随着屏蔽厚度增加，屏蔽材料弱吸收区光电效应产生的特征X射线“漏束”减少，其拟合μm计算屏蔽厚度结果就越精确。
Claims (2)
1.一种MC计算放射性屏蔽层厚度值的方法，其特征在于，包括：
S1、通过对公式(1)线性拟合得到质量吸收系数μm，所述公式(1)为：
μm＝LnK/dρ (1)
式中，μm为质量吸收系数，可直接反映出单位质量的屏蔽材料对放射性光子的吸收效果；d为MC程序中设定的屏蔽层厚度值；ρ为材料的密度；K为透射率的倒数值，即D0/D，D0为放射性光子未穿过物质前的光子剂量率，D为放射性光子穿过厚度为d的屏蔽层后的光子剂量率；Ln为以e为底K的对数；
S2、将得到质量吸收系数μm乘密度得到线吸收系数μ带入公式(2)中，即可计算得到屏蔽层厚度d，所述公式(2)为：
D＝D0e-μd (2)
式中，d为屏蔽层厚度值。
2.根据权利要求1所述MC计算放射性屏蔽层厚度值的方法，其特征在于：
根据各种核素衰变纲图的能量分支比制成计算源强表格，在表格中输入各核素的比活度即可得到各能群的光子源强和总光子源强；将源项光子能群、设备和屏蔽的结构、材料元素组成写入MC程序中；通过计算网格卡计算出放射性光子未穿过物质前的光子剂量率D0、放射性光子穿过厚度为d的屏蔽层后的光子剂量率Dn。
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