洪 博， 蘭長林， 曹 磊， 郭志琦， 潘小東?

(蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 蘭州 730000)

利用放射性射線束輻照植物的種子、根和莖等器官，使遺傳性發(fā)生改變，然后通過人工選擇和培育產(chǎn)生新品種的育種方法稱為輻照育種[1-2]。與傳統(tǒng)的雜交育種和自然變異育種相比，輻照育種具有變異可能性大及變異幅度大等諸多優(yōu)勢[3-4]。

電離輻射通過直接或間接的方式作用于生物大分子。直接作用是電離輻射通過能量傳遞直接作用于生物大分子，使其激發(fā)和電離造成生物分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生改變。間接作用是電離輻射作用于生物體內(nèi)的水分子，引起水分子的激發(fā)和電離產(chǎn)生自由基，自由基再與生物分子發(fā)生物理及化學(xué)等反應(yīng)[5]。 其中，中子輻照是間接方式作用于生物大分子。

中子輻照育種就是利用中子束作為入射線束輻照種子的育種方法[6]。不同射線與物質(zhì)作用時產(chǎn)生的直接或間接電離密度不同，即使樣品吸收相同的劑量，引起的相對生物學(xué)效應(yīng)也不同[7]。為比較不同射線引起的生物學(xué)效應(yīng)，引入品質(zhì)因數(shù)來衡量生物學(xué)效應(yīng)[8-10]。中子的品質(zhì)因數(shù)是X射線和γ射線等不帶電粒子的數(shù)十倍，吸收劑量相同時，中子束引起的總的生物學(xué)效應(yīng)要遠(yuǎn)大于X射線和γ射線等不帶電粒子。中子束與α粒子束及質(zhì)子束等帶電粒子束的品質(zhì)因數(shù)相當(dāng)，但α粒子和質(zhì)子等帶電粒子束輻照會造成輻照樣品的生理損傷，因此中子輻照育種在射線輻照育種中有明顯的優(yōu)勢[11-12]。

19世紀(jì)六七十年代國外一些研究機(jī)構(gòu)開始研究中子輻照育種，對中子的相對生物學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了初步研究，得到一些有價值的結(jié)果[11]。國內(nèi)中子輻照育種起步較晚，雖然取得了一定的成果，但中子輻照育種過程中，樣品吸收劑量的準(zhǔn)確計算和直接測量非常困難，因此研究中子輻照育種過程中樣品吸收劑量率的計算方法非常有必要[13-16]。

對于中子輻照育種，目前還沒有成熟的理論公式計算不同位置處樣品的中子吸收劑量率。現(xiàn)階段中子吸收劑量率的計算方法主要為蒙特卡羅模擬和中子源周圍劑量當(dāng)量估算[17-20]。本文提出了一種中子輻照育種過程中的樣品吸收劑量率的計算方法。只需中子源強(qiáng)度、樣品與中子源距離及樣品的比釋動能因子就可快速計算樣品的吸收劑量率。該方法物理過程簡單，不需要太多的輻照劑量學(xué)基礎(chǔ)，為非輻射物理專業(yè)人員計算中子輻照育種吸收劑量率提供了便利。

蘭州大學(xué)Am-Be中子源具有體積小、放射性活度大和半衰期長等優(yōu)點；擬南芥是自受花粉植物，基因純合度非常高，是所有植物中研究遺傳學(xué)最好的材料[21]。因此選擇了Am-Be源輻照擬南芥種子為研究對象，利用本文提出的方法計算了擬南芥種子在距離Am-Be中子源不同位置的吸收劑量率。

1 理論計算方法

中子與被輻照樣品相互作用傳遞能量可分為吸收劑量和比釋動能兩個階段，吸收劑量表示該過程的第一階段，比釋動能表示第二階段。吸收劑量與比釋動能在數(shù)值上一般會有差距，不同能量的中子吸收劑量與比釋動能的差距不同[22-24]。2者之間的差距為次級帶電粒子軔致輻射的能量。

在滿足帶電粒子平衡的條件下，軔致輻射可忽略，比釋動能與吸收劑量近似相等。特別是能量小于30 MeV的中子與物質(zhì)作用時，軔致輻射可忽略不計[23]。

(1)

其中：Ψ為中子的能注量；μtr為能量轉(zhuǎn)移系數(shù);ρ為樣品密度。

(2)

其中：μen為質(zhì)量吸收系數(shù)。

某一放射性同位素中子源可近似地看作一個各向同性源，在各向同性中子源中能注量Ψ可表示為

(3)

其中：Etot為中子源單位時間內(nèi)放出的總能量。

在Am-Be中子源中，Etot可表示為

Etot=ν·En

(4)

其中：ν為該中子源出射的中子總數(shù)；En為中子源的平均能量。

(5)

其中，kt為比釋動能因子。

不同輻照樣品中每種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，比釋動能因子也不同。Caswell等[25]給出了不同元素不同能量對應(yīng)的比釋動能因子。計算吸收劑量率時，首先收集農(nóng)學(xué)分析資料，然后確定不同樣品中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，確定樣品的比釋動能因子。擬南芥種子中C，N，H，O 4種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為53.8%，5.5%，7.8%，31.5%[26-27]。

本文利用蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院中子實驗室的Am-Be中子源開展中子輻照育種試驗，中子源在4π立體角內(nèi)均勻發(fā)射，中子源實驗大廳的平面示意圖和中子源能譜，如圖1所示。

(6)

重復(fù)性測量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.2%。儀表儀器的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為5%；中子周圍劑量當(dāng)量率測量結(jié)果固有相對偏差為9.2%；中子劑量當(dāng)量率校準(zhǔn)因子為1.101，中子劑量當(dāng)量率校準(zhǔn)因子相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.3%；儀器重復(fù)性為5.7%。

2 結(jié)果與討論

Am-Be中子源的平均能量為4.2 MeV，中子產(chǎn)額為1×107s-1，根據(jù)擬南芥種子中不同元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計算出En為4.2 MeV時，樣品的比釋動能因子kt為3.55×10-11Gy·cm2，利用式(5)計算出距離中子源5 cm處擬南芥種子的吸收劑量率為1.13×10-6Gy·s-1。

(7)

其中：Eni為第i個能群對應(yīng)的平均能量；ni為能量Eni所占的份額;kti為能量Eni對應(yīng)的比釋動能因子。

將Am-Be中子源按能量分為10個中子能群，根據(jù)擬南芥種子樣品對應(yīng)的元素和Caswell等[25]給出的比釋動能因子，計算出每個能群對應(yīng)的平均比釋動能因子kti，如表1所列。

表1 能群及對應(yīng)的平均比釋動能因子Tab.1 Energy group and corresponding average specificrelease kinetic energy factor

利用式(7)計算分群處理后，擬南芥種子樣品距離中子源5 cm處，中子吸收劑量率為1.02×10-6Gy·s-1，與MCNP模擬計算結(jié)果符合較好。2種方法都是基于中子注量率轉(zhuǎn)化為吸收劑量率的方法，但中子注量率的計算使用了不同的方法。本文方法計算采用中子吸收劑量率隨離源距離的增大呈平方反比衰減的關(guān)系，使用蒙特卡羅方法對中子進(jìn)行空間輸運。

由圖3可見，隨著距離的增加，樣品的吸收劑量率快速下降。如將能群分的更細(xì)，可得出更精確的結(jié)果。

本文提出的理論計算方法與文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[29]的蒙特卡羅模擬方法都是基于比釋動能因子計算樣品的吸收劑量率，但利用蒙特卡羅模擬的方法需對中子場及輻照樣品建模，然后利用統(tǒng)計學(xué)方法得到樣品位置處中子信息，最后計算樣品吸收劑量，該方法建模過程復(fù)雜，大大增加了計算難度。而本文方法利用中子注量率隨離源距離的增大呈平方反比衰減的關(guān)系，來獲取不同位置處的中子信息，沒有復(fù)雜的建模過程，極大地提高了計算效率。

本文方法在計算譜分布中子時需進(jìn)行分群處理以減小偏差，計算Cf源等單能中子源[30]無需分群處理，計算更加簡便。

3 結(jié)論

本文采用射線傳遞給樣品的能量等效吸收劑量和中子注量率隨離源距離的增大呈平方反比衰減的理論，推導(dǎo)出中子場不同位置處樣品吸收劑量率的計算公式，為中子輻照育種吸收劑量率計算提供了一種新的方法。利用該方法計算了距離蘭州大學(xué)Am-Be中子源5 cm處擬南芥種子樣品的中子吸收劑量率，得出擬南芥種子樣品的中子吸收劑量率為1.13×10-6Gy·s-1，利用分群處理對結(jié)果進(jìn)行修正。修正后的計算結(jié)果與MCNP模擬結(jié)果高度吻合，表明方法可信。此外，利用本文方法分別計算與中子源距離不同時，擬南芥種子樣品的中子吸收劑量率，為后續(xù)實驗奠定了基礎(chǔ)。

本文提出的中子輻照育種樣品吸收劑量率的計算的方法主要優(yōu)勢有：(1)與蒙特卡羅模擬相比，該方法在計算中子輻照育種過程中的中子吸收劑量率無需繁瑣的蒙特卡羅建模和模擬過程，計算過程簡單；(2)與周圍劑量估算的方法比較，本文方法對計算者的物理基礎(chǔ)要求低，無需掌握輻照場周圍的詳細(xì)信息即可完成計算。