郭 權(quán) 曾民生 郭仕源 王建春 李 陽 楊小平

1（深圳市金鵬源輻照技術(shù)有限公司 深圳 518019）

2（中金輻照成都有限公司 成都 611900）

鈷源輻照裝置中鈷源棒在源架上的排列決定了鈷源室的空間劑量場分布及輻照箱內(nèi)產(chǎn)品的吸收劑量分布和劑量不均勻度，進(jìn)而決定了輻照裝置的加工能力。國內(nèi)已有一些小型輻照裝置排源方法[1-2]。本文通過計(jì)算BFT-IV大型輻照裝置源架16個模件的活度占總活度的最優(yōu)化比例，進(jìn)行排源，利用MCNP_4C軟件計(jì)算因各模件內(nèi)部人工排列不同形成的多個排源方案的劑量分布，選取最優(yōu)方案裝源。

圖1 輻照裝置示意圖Fig.1 Carrier irradiator schematic

1 BFT-IV輻照裝置簡介

BFT-IV型輻照裝置為雙層四通道輻照裝置，單板源結(jié)構(gòu)。升源后，源架處于輻照箱的中央位置，各輻照箱相對于源架對稱（圖1）。

輻照裝置源架高2.46 m，寬2.25 m，豎直方向分為4層，每層放置4個模件，每個模件可并列豎直安裝源棒50根，如圖2。源棒由鈷源和雙層不銹鋼包殼組成。源棒長0.452 m，外半徑1.1 cm。

圖2 源架模件示意圖Fig.2 Source racks module

輻照箱尺寸為120 cm×60 cm×150 cm，日常輻照加工過程中，在輻照箱內(nèi)選取3個與源架平行的平面作為劑量監(jiān)測面。輻照箱兩側(cè)面為0面和2面，輻照箱中間面為1面。圖3為部分源架及其所正對的上層輻照箱的相對位置示意圖。

圖3 源架和輻照箱Fig.3 Source racks and tote box

2 模件活度最優(yōu)化比例計(jì)算

源架由16個模件組成，為便捷地得到最優(yōu)化鈷源排列方案，首先計(jì)算各模件裝源活度占總活度的最佳比例，然后考慮各模件內(nèi)源棒的排列。

2.1 計(jì)算模型

2.1.1 單根線源對空間某點(diǎn)照射量率的計(jì)算

60Co均勻線狀源對空間任一點(diǎn)照射量率(X)的計(jì)算見公式(1)。

其中， Γ 為照射量率常數(shù)，對于60Co，Γ = 2.56×10–18C·m2·kg–1·Bq–1·s–1；A 是鈷源活度(Bq)；L 是源棒長度(m)；a是所計(jì)算空間點(diǎn)到線源的垂直距離(m)；b是垂足到線源最上點(diǎn)的距離(m)（圖4）。

圖4 單根線源對空間某點(diǎn)照射量率計(jì)算參數(shù)Fig.4 Parameters for the calculation of single source

2.1.2 兩根線源對空間某點(diǎn)照射量率的計(jì)算

輻照裝置的源架及輻照箱均具有對稱結(jié)構(gòu)，源在源架的排布相對與源架中心對稱。建立X-Y坐標(biāo)系，原點(diǎn)在源棒下方0.058 m處，鈷源棒及輻照箱截面均關(guān)于X軸對稱。參考線位于輻照箱靠近源架的面中，與鈷源棒平行且水平距離最短，與源棒軸心水平距離為0.1425 m（圖5）。

圖5 輻照裝置上層的源及輻照面簡圖Fig.5 Parameters for the calculation of double source

參考線上某一點(diǎn) P(0.1425, y) (y∈[-1.558,-0.058]，y∈[0.058, +1.558])的照射量率計(jì)算公式為：

排源是對固定總活度的多根源棒進(jìn)行排列，設(shè)定數(shù)學(xué)模型中上下兩根源棒的總活度為定值A(chǔ)=7.4×1014Bq，活度比為 1: k，即 A2/A1=k，則A1=A/(k+1)，A2=kA/(k+1)。由源棒活度比擴(kuò)展到模件活度比，則源架豎直方向上4個模件的活度比例均為1: k: k: 1。

輻照箱完成整個輻照過程，會進(jìn)行上下?lián)Q層輻照，上層參考點(diǎn) P上(0.1425, y)移到下層時(shí)變?yōu)?P下(0.1425, -1.616+y)。將這兩個點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果相加得到只有上層裝源(A1, A2)輻照箱完成全程輻照，參考點(diǎn)P的照射量率。同樣的方法計(jì)算下層裝源時(shí)參考點(diǎn)P的照射量率，將兩者加和得到上下4層均有源棒時(shí)參考點(diǎn)P的照射量率。

2.2 參考點(diǎn)選取

根據(jù)單賢芻等[3]提出了判定最佳源棒的排列標(biāo)準(zhǔn)為：(1)參考面上照射量率的不均勻度最?。?2)輻照貨物在輻照工位上累計(jì)吸收劑量的不均勻度最小。因標(biāo)準(zhǔn)(2)不便用理論公式計(jì)算，本文以標(biāo)準(zhǔn)(1)為約束條件，參考面選取輻照箱靠近源架的面。針對 BFT-IV輻照裝置，輻照箱在水平方向的運(yùn)動，排除輻照箱壁對劑量分布的影響，產(chǎn)品各點(diǎn)吸收劑量在平行于源架的水平方向上大致一致，文中模型僅考慮參考線豎直方向上各點(diǎn)的照射量率和最大不均勻度。

在位于輻照箱2面的參考線上均勻選取10個點(diǎn)位(P0-P9)為測量點(diǎn)，它們在坐標(biāo)系中的位置為P0(0.1425, 0.058)、P1(0.1425, 0.224)、P2(0.1425,0.390)、P3(0.1425, 0.556)、P4(0.1425, 0.722)、P5(0.1425, 0.888)、P6(0.1425, 1.054)、P7(0.1425,1.220)、P8(0.1425, 1.386)、P9(0.1425, 1.558)。

2.3 各點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

取 K∈[1.5-3.5]，A=7.4×1014Bq，Γ=2.56×10–18C·m2·kg–1·Bq–1·s–1，利用 Excel計(jì)算得出 k 與參考點(diǎn)最大照射量率、最小照射量率以及不均勻度的關(guān)系（圖6）。

圖6 參考線最大照射量率、最小照射量率與不均勻度Fig.6 The max. exposure rate, min. exposure rate and uniformity ratio of the reference line

2.4 模件最優(yōu)化比例計(jì)算結(jié)果

從表1中可以看出，2.0≤k≤2.7時(shí)，參考線具有良好的劑量不均勻度。在未考慮鈷源罩和輻照箱體結(jié)構(gòu)的情況下，k=2.6時(shí)，最低照射量率最大，此時(shí)輻照裝置射線利用率最大。

源架水平方向上，與源架平行的有5個輻照工位，總長度約6 m，比源架長3.54 m。根據(jù)一次靜態(tài)輻照試驗(yàn)結(jié)果，兩端的工位吸收劑量相對很小，低點(diǎn)劑量不到總劑量的 1%，我們將鈷源在水平方向上均勻排布，無須按中間大兩端小的方式排列。

鑒于鈷源供應(yīng)商提供的第一次加源排源方案中k=2，第二次加源也取k=2。計(jì)算得出源架各個模件的活度占源架總活度的百分比（表1）。

表1 源模件活度百分比Table 1 The percentage of the source racks activity (%)

3 鈷源排源

3.1 鈷源分組

將新購54根源棒按表1活度比分16組（表2），S/N表示鈷源棒編號，Curies為源棒活度(Ci)。

表2 16組新購源棒Table 2 The 16 groups of new source

3.2 鈷源排布

不改變第一次加源的鈷源排布，將表2中每組源棒均勻的插入到對應(yīng)源模件中，得到輻照裝置第二次加源的初步排源方案。

4 排源方案優(yōu)化

4.1 MCNP模型建立[4-5]與驗(yàn)證

使用MCNP_4C軟件計(jì)算模擬產(chǎn)品吸收劑量。根據(jù)設(shè)備圖紙及實(shí)際測量值，進(jìn)行適當(dāng)簡化，編寫inp文件的刪元卡和曲面卡。通用源卡為SDEF卡，鈷源每次衰變放出兩個能量分別為 1.17 MeV和1.33 MeV的光子，概率為0.5: 0.5。鈷源所在柵元和活度由第一次裝源報(bào)告決定。材料卡有空氣、水（液體劑量計(jì)）、0.1g·cm–3纖維素（模擬產(chǎn)品）、鋁（貨箱壁）、鋼（鈷源包殼、貨箱支持機(jī)構(gòu)）和鈷。計(jì)數(shù)卡選用F6卡，得到粒子在液體劑量計(jì)柵元的能量沉積，單位 MeV·g–1，乘以鈷源活度及輻照時(shí)間可以得到液體劑量計(jì)柵元吸收劑量(Gy)。

MCNP_4C軟件運(yùn)行24時(shí)所得結(jié)果經(jīng)處理后，與第一次加源后模擬產(chǎn)品劑量場分布測試[6-7]結(jié)果比較（圖7），各點(diǎn)位劑量值絕對偏差小于10%，高低劑量區(qū)域一致，認(rèn)定MCNP程序運(yùn)算結(jié)果有效。

圖7 第一次加源后劑量場測試和MCNP計(jì)算的側(cè)面和中間面劑量Fig.7 The first dose mapping and MCNP results of lateral and median surface

4.2 最優(yōu)化排源方案的確定

根據(jù)新編制的排源方案編寫MCNP輸入文件，計(jì)算模擬產(chǎn)品劑量分布情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，適當(dāng)調(diào)整3.2中鈷源插入位置，修改MCNP輸入文件并進(jìn)行運(yùn)算。重復(fù)進(jìn)行5次以上的調(diào)整和運(yùn)算，得出最終的鈷源排布方案和MNCP_4C運(yùn)算的劑量場分布結(jié)果。

5 裝源及劑量場測試

輻照裝置完成裝源后進(jìn)行劑量分布測試，測試結(jié)果與 MNCP_4C運(yùn)算的劑量場分布結(jié)果相比較（圖 8），各監(jiān)測點(diǎn)位的吸收劑量絕對偏差小于10%，裝置加工性能在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)。

圖8 第二次加源后劑量場測試和MCNP計(jì)算的側(cè)面和中間面劑量Fig.8 The second dose mapping and MCNP results of lateral and median surface

將輻照裝置加源前后的設(shè)備性能和 MCNP_4C軟件運(yùn)算的設(shè)備性能相比較（表3），可以看出輻照裝置性能得到優(yōu)化。

表3 輻照裝置設(shè)備性能Table 3 The irradiator performance

6 結(jié)論

本文論述了中金輻照成都有限公司 BFT-IV輻照裝置第二次加源所用排源方案的設(shè)計(jì)方法和過程。首先確定源架各模件放射源活度的最佳比例，然后確定源棒在各模件的位置。對于大型板源輻照裝置，此方法降低了排源的難度，縮減了排源的工作量。利用MCNP軟件建立輻照裝置數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行劑量場分布測試，為優(yōu)化和尋求最佳排源方案提供了解決方法。本次輻照裝置加源后的劑量分布測試結(jié)果優(yōu)于第一次加源后的劑量分布測試結(jié)果，證明排源方法及方案合理有效。

1 楊磊, 劉義保, 劉玉娟. 基于模擬植物生長算法的鈷源源棒的排列優(yōu)化 [J]. 核技術(shù), 2009, 32(12): 1-8.YANG Lei, LIU Yibao, LIU Yujuan. Optimization of source pencil deployment based on plant growth simulation algorithm [J]. Nuclear techniques, 2009,32(12): 1-8.

2 雷鵬, 祝清俊, 鄧鵬, 等. 輻照裝置源棒排列與參考面不均勻度的關(guān)系 [J]. 核農(nóng)學(xué)報(bào), 2007, 21(4): 387-389.LEI Peng, ZHU Qingjun, DENG Peng, et al. Relation of source pencil arrangement and ununiformity of standard plane at irradiation facility [J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2007, 21(4): 387-389.

3 單賢芻, 關(guān)遲, 徐力平, 等. 強(qiáng)60Co源輻照裝置的最佳源棒排列設(shè)計(jì)及其輻射場的分布 [J]. 原子能科學(xué)技術(shù),1990, 24(5): 40-45.SHAN Xianchu, GUAN Chi, XU Liping, et al. Optimum designing of bars arrangement and distribution of radiation field for a strong60Co irradiator [J]. Atomic Energy Science and Technology, 1990, 24(5): 40-45.

4 Brisesmeister J F. MCNP-A General Monte Carlo N-particle Transport code, Version 4C [R]. LA-13709-M,Los Alamos National Laboratory, 2000.

5 劉江平.60Co輻照加工產(chǎn)品劑量分布的蒙特卡羅模擬[J]. 輻射研究與輻射工藝學(xué)報(bào), 2010, 28(1): 57-61.LIU Jiangping. Monte Carlo simulation for the dose mapping of products irradiated by60Co γ-ray [J]. Journal of radiation research and radiation processing, 2008, 28(1):57-61.

6 ISO 11137-3-2006. Sterilization of health care products Radiation-Part 3 Guidance on dosimetric aspects [S].

7 ASTM E2303-2011. Standard guide for absorbed-dose mapping in radiation processing facilities [S].