基于MCNP程序的铅屏蔽层对γ射线屏蔽性能研究

1、第 44卷增刊 原 子 能 科 学 技 术 V ol. 44, Suppl. 2010年 9月 Atomic Energy Science and Technology Sep. 2010收稿日期:2010-06-30;修回日期:2010-08-22 基金项目:北京市科学技术研究院萌芽项目资助 作者简介:郭广水(1982 ,男,河南驻马店人,助理研究员,核技术及应用专业基于 MCNP 程序的铅屏蔽层对 射线屏蔽性能研究郭广水 , 曾心苗 , 周 鹏 , 秦培中 , 孟宪芳 , 王 强(北京市射线应用研究中心,北京 100012摘要:为了计算不同厚度铅对不同能量 射线的屏蔽性能,本工作建立了两种

2、模型,然后使用 MCNP 程序对这两种模型进行模拟计算,进而得到了铅的屏蔽性能。计算结果表明:相同厚度的铅屏蔽层对 低能 射线的屏蔽能力强于高能,随着 射线能量的增大,屏蔽能力呈下降趋势。作为验证,本工作 计算了单向源、面源、各向同性面源情况下铅的屏蔽性能,还通过改变 PHYS 卡计算铅的屏蔽性能, 得到的结果与上述结论一致。关键词:MCNP 程序; 射线;衰减倍数;铅中图分类号:TL818.4 文献标志码:A 文章编号:1000-6931(2010 S0-0587-04Study of Shielding Capability of -ray for Pb Shielding FloorBa

3、sed on MCNP ProgramGUO Guang-shui, ZENG Xin-miao, ZHOU Peng, QIN Pei-zhong,MENG Xian-fang, WANG Qiang(Beijing Research Center for Radiation Application, Beijing 100012, China Abstract: For calculating the shielding capability of -ray with different energy for Pb shielding floor with different thickn

4、ess, two models were conceived, then these models were simulated with MCNP program, and the Pb shielding capability was calculated and the conclusion was gained. The results show that the shielding capability of Pb shielding floor with the same thickness to low energy -ray is better than to high ene

5、rgy -ray, and the shielding capability line descends along with the -ray energy goes up. For validating this conclusion, the Pb shielding capability in the conditions of single direction -ray source, surface source, isotropy surface source and changing PHYS card were calculated, then the same conclu

6、sions were gained.Key words: MCNP program; -ray ; attenuating multiple; Pb在 射线的屏蔽材料研究中,铅屏蔽性能 的数据的准确性非常重要。 使用 MCNP 程序模 拟计算铅的屏蔽性能的数据可大幅节省研究经费和研究时间。然而, MCNP 模拟计算结果与 理论值计算结果一般不能完全符合,很多文献 认为,二者的差异是由模拟条件与实际条件的588 原子能科学技术 第 44卷差别造成的。本工作通过计算发现,即使使用 理论计算条件, MCNP 程序计算结果仍不能与 理论计算结果完全符合。在相同理论衰减倍数的情况下,对不同能 量的 射线

7、,通过理论计算,可得到相应铅层 的厚度。 然后, 利用这些铅层的厚度使用 MCNP 进行模拟计算,可得到相应的衰减倍数。本工 作对计算所得衰减倍数和理论衰减倍数进行比 较分析。1 理论基础屏蔽层厚度计算原理是:利用 射线通过屏 蔽层时被衰减的规律确定屏蔽层的厚度。对宽 束 射线而言,由于屏蔽介质的散射作用,通过 介质后的 射线强度比窄束大得多, 其衰减规律由式(1描述:I =I 0B e -R (1式中:I 0、 I 为 射线通过介质前后的辐射量; 为线性衰减系数; R 为介质厚度; B 为描述散射 光子影响的物理量,称为累积因子,由 射线、 介质种类及状态、 源结构、 几何条件等因素决定。

8、对于不同介质, 各种 射线能量下的累积因 子已有精确计算的系统数据可供查找 1。 屏蔽介质的衰减倍数 K 可由式 (1 计算得 到,即:K =I 0/I =1/(B e -R (2式(2中,在 R 一定的情况下, B 和 可 通过查表获得 2,进而可计算出衰减倍数 K 。 各向同性点源 射线衰减 K 倍所需的铅屏蔽层 厚度列于表 13。表 1 各向同性点源 射线减弱 K 倍所需的铅屏蔽层厚度 Table 1 Pb thickness for isotropy spot -ray source bates K multiple不同能量(MeV 下的铅屏蔽层厚度 /cmK 0.5 1 1.5 2

9、3 4 5 6 8 10 50 2.54 6.11 8.51 9.78 10.5 10.4 9.95 9.53 8.73 8.09 60 2.65 6.37 8.87 10.2 11.0 10.8 10.4 9.97 9.15 8.48 80 2.82 6.77 9.43 10.9 11.7 11.6 11.1 10.7 9.81 9.09 100 2.96 7.09 9.87 11.4 12.2 12.1 11.7 11.2 10.3 9.56 2003.38 8.06 11.2 12.9 13.9 13.9 13.4 12.9 11.9 11.12 计算过程及结果使用模型 1通过 MCNP

10、 程序模拟计算条件 1。 模型 1如图 1所示。 模型 1的源为各向同性 点源,源距离材料前面 0.1 cm,材料厚度分别 为表 1中所列厚度, 材料尺寸为 200 cm×200 cm(相对于点源, 可近似认为材料为无限大 , 使 用 F1对材料前、后面进行计数得到 I 0和 I ,然 后算出 K 。模型 1的计算结果列于表 2。表 2显示:随着 射线能量增大,衰减倍 数呈下降趋势。这与理论结果不符,理论上应 该得到 5条平直的直线。考虑到实际测量时的源有一定的面积,以 模型 1为准,将点源改为 0.2 cm×0.2 cm和 1.0 cm×1.0 cm的各向同性面

11、源 4,材料厚度为 表 1中的厚度,计算结果列于表 3。比较表 1和表 3,计算结果几乎一致,即 无论各向同性点源还是各向同性面源,对模拟结果影响不大。同时,改变源大小对结果几乎 没有影响。图 1 模型 1示意图 Fig. 1 Scheme of model 1将模型 1中各向同性点源简化为单向源, 得到模型 2(图 2 。模型 2的源为垂直入射到 材料点源,源距离材料前面 0.1 cm,材料厚度 分别为表 1中的厚度,材料大小为 200 cm×增刊 郭广水等:基于 MCNP 程序的铅屏蔽层对 射线屏蔽性能研究 589200 cm, 使用 F1对材料前、 后面进行计数得到 I 0和

12、I ,然后计算得到 K 。对比模型 1、模型 2中材料的上、下、左、右 4个面上的的粒子散射可以忽略, 材料的前、 后面上的粒子计数更接近。模型 2的计算结果列于表 4。表 4显示:表 2 由模型 1计算得到的衰减倍数 Table 2 Attenuating multiple of model 1不同能量(MeV 下的衰减倍数理论衰减倍数 K0.5 1 1.5 2 3 4 5 6 8 1050 254 246 241 227 192 165 131 103 64 42 60 313 305 299 282 242 198 161 126 78 50 80 431 421 416 404 336

13、 285 223 176 106 68 100 560 546 538 522 423 357 293 222 134 85 2001 2251 1901 1741 125928809636482283177表 3 各向同性的面源相对表 1中的厚度得到的衰减倍数Table 3 Attenuating multiple of isotropy surface source corresponds to Table 1不同能量(MeV 下的衰减倍数源面大小 / cm 2 理论衰减 倍数 K 0.5 1 1.5 2 3 4 5 6 8 10 0.2×0.2 50 255 247 243 2

14、28 192 165 131 102 64 42 1.0×1.050255 247 243 228 192 165 131 102 6442 图 2 模型 2示意图 Fig. 2 Scheme of model 2随着 射线能量增大,衰减倍数呈下降趋势。这一计算结果仍与理论不符, 但与模型 1一致。以模型 2为准,改变源的能量,并将源的 大小设为 0.2 cm×0.2 cm和 1.0 cm×1.0 cm,材 料厚度不变,为 10.5 cm,计算不同能量 源光 子透过 10.5 cm厚的铅厚的屏蔽系数 5。 计算结 果列于表 5。表 5显示,随着 射线能量越来越大,

15、 10.5 cm厚铅板屏蔽能力越来越小。对比表 1,表 4 模型 2相对表 1中的厚度得到的衰减倍数Table 4 Attenuating multiple of model 2 corresponds to Table 1不同能量(MeV 下的衰减倍数理论衰减倍数 K0.5 1 1.5 2 3 4 5 6 8 1050 47 46 45 43 38 33 27 21 14 9 60 57 54 54 51 46 39 32 26 16 11 80 74 71 72 70 61 53 42 34 21 14 100 93 90 89 88 74 65 54 42 26 17 200184 17

16、7 178 172 149 133 106 82 49 32理论上,同样厚度的材料,随着 射线能量增 大,衰减倍数应呈现先下降后上升的趋势。因此,表 5结果还是与理论不符,但与模型 1所 得结果一致。另外,轻微改变源面积大小对材590 原子能科学技术 第 44卷料的屏蔽系数影响不大。考虑到 MCNP 程序计算中, PHYS 能量物 理截断卡的设定对计算结果可能会有影响。本工作以模型 2为准, 计算 射线能量为 10 MeV 时, PHYS 能量物理截断卡设定不同值时, 8.09 cm厚铅板的衰减倍数,结果列于表 6。表 5 厚 10.5 cm的铅对不同能量 源光子的屏蔽系数Table 5 Sh

17、ielding capability of 10.5 cm Pb of -ray of different energy不同能量(MeV 下的屏蔽系数源面大小 / cm 2材料厚度 /cm0.5 1 1.5 2 3 4 5 6 8 10 0.2×0.2 10.5 - 950 121 56 36 33 32 30 27 24 1.0×1.0 10.5-950 121 56 36 33 32 30 27 24注:“-”代表“无限大”表 6 8.09 cm 厚铅板衰减倍数 Table 6 Attenuating multiple of 8.09 cm PbPHYS 卡设定值KPH

18、YS 卡设定值K10 9.4 12 9.4 6 9.4 8 9.4 10 9.4表 6显示,改变 PHYS 卡设定值对计算结果几乎没有影响。即同样厚度的铅层对高能 射线屏蔽能力弱。3 结论经过 MCNP 程序计算, 相同厚度的铅屏蔽 层对低能 射线的屏蔽能力强于高能,随着 射线能量的增大,屏蔽能力呈下降趋势。 本结论虽然与理论结果不符,但本结论是 经过采用多种计算条件,研究各种因素模拟计 算所得结果,因此,本结论可作为 MCNP 程序 的计算结论。参考文献:1 卢玉楷 . 简明放射性同位素应用手册 M. 上海 :上海科学普及出版社, 2004:144.2 陈万金,陈燕俐,蔡捷 . 辐射及其安全防护技术M. 北京:化学工业出版社, 2006:96. 3 丁富荣