混凝土材料对光子散射系数的Monte Carlo模拟.pdf
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1、第 3 5卷 第 3期 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 2 0 1 4拄 6 月 混凝土材料对光子散射系数的 Mo n t e C a r l o模拟 金峰 , 花正东 2 ( 1 东华 大学 , 上海 市 2 0 1 6 2 0 ; 2 上海 市奉 贤 区环境监 测站, 上 海市 2 0 1 4 0 0 ) 摘 要 采用 E G S 5光子一 电子蒙特卡罗程序计算 了多种能量的光子以多种入射角照射到混凝土上时 在各个方向角上所产生的散射 系数, 分析 了模型的形状及材料厚度对散射 系数的影响, E G S 5模拟所得 的散射 系数与 MC N P程序计算结果符合度较好, 相对偏差基本均在
2、 5 O 以内。 关键词 散射 系数; 光子; E G S; MC N P ; 混凝土 中图分类号 : T U 5 2 8 3 5 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 4 4 3 4 5 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 5 0 0 5 M o n t e Ca r l o S i mu l a t i o n o f Co n c r e t e M a t e r i a l o n P h o t o n S c a t t e r i n g Co e ffi c i e n t J I N F e n g , HUA Z h e n g d o n g ( 1 D o
3、 n g h n a U n i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 , C h i n a ; 2 E n v i r o n me n t a l Mo n i t o ri n g S t a t i o n , F e n g x i a n d i s t ri c t , S h a n g h a i 2 0 1 4 0 0 , C h i n a ) Ab s t r a c t T h i s p a p e r ma k e s a c a l c u l a t i o n o n t h e s c a t t e r
4、in g c o e ffi c i e n t o f p h o t o n wi t h mu h i - e n e r g y s h i n i n g o n t h e c o n c r e t e f r o m e a c h d i r e c t i o n a n g l e a d o p t i n g E GS S p h o t o n - e l e c t r o n Mo n t e Ca r l o me t h o d ,a n d h a s a n a n a l y s i s o n t h e e f f e c t o f t h e
5、mo d e l s h a p e a n d ma t e ri a l t h i c k n e s s o n t h e s c a t t e rin g c o e ffic i e n t T h e s c a t t e r i n g c o e ffi c i e n t o b t a i n e d b y EG S S s i mu l a t i o n h a s a b e t t e r c o n r mi t y w i t h t h e r e s u l t c a l c u l a t e d b y MCNP p r o c e d u
6、r e a n d t h e r e l a t i v e d e v i a t i o n i s b a s i c a l l y wi t h i n 5 O Ke y wo r d s s c a t t e r i n g c o e f f i c i e n t ; p h o t o n ; E GS ; MC NP ; c o n c r e t e 光子的散射系数主要用于密道 、迷宫的辐射屏 蔽计算及防护设计旧。 在辐射屏蔽计算与设计中, 考 虑 的量一般为周 围剂量 当量。文献 1 1 、 f 2 1 中所使用 的散射系数主要来 自于 1 9 6 0年前后发表的文
7、献 3 卜 6 。 周 围剂量当量是 I C R U于 1 9 9 1 年提出 的, 其与 空气 比释动能等辐射量之间的转换系数并不恒等于 1 。 因此 有必 要对 光 子周 围剂量 当量 的散射 系数进 行 计算 。密道 、 迷宫最为常用屏蔽材料为混凝土, 因此 本文仅对混凝土对光子周围剂量当量的散射系数进 行模拟, 模拟计算程序采用 E G S 5 t 8 。E G S 5蒙特卡罗 程序是 由日本高能( K E K 1在 E G S 4的基础上开发而 成, 其采用 F O R T R AN程序编写, 采用最新 的光子截 面数据库, 模拟的光子 、 电子的能量范围从 1 k e V至 几 十
8、 G e V。 1 材料及模 型 N C R P 5 1 号报告对迷道 、迷宫计算中采用的散 射系数进行了阐述口 1 。迷道 、 迷宫的计算公式如下: H =Ho f d a r l 2 式 中, 0 为散射系数, 其 中 为散射次数; d r k 表示第 次 散射 时散射 点与 感兴趣 点 的距离 。 从 式 ( 1 ) 中可 以 看 出, 表 示 散射 到 空 间 0角 度 内单 位 面积 上 的 剂 量概 率 。 从物质对光子的减弱 、 散射规律可知。 光子入射 到不 同厚度或不 同形状的靶材料上, 在空 间中同一 位置的散射 系数是有差别的。 对于同一种靶材料 , 在 计算中要先确定一
9、个比较合适的靶厚度 。为 了确定 合适的靶厚度, 建立 2个模型, 即 光子垂直入射到 收稿 E t 期 : 2 0 1 4 0 2 2 8 基金项 目: 环保公益性行业科研专项项 目,建筑废物处置和资源化污染控制技术研究( 2 0 1 3 0 9 0 2 5 ) 。 作者简介 : 金峰( 1 9 8 3 -) , 男, 主要研究方向为辐射环境监测 和监管 。 第 3期 混凝 土 材料 对光 子散 射 系数 的 M0 n t e C a r l o 模 拟 5 1 圆柱 型 、 球 型 混凝 土 材 料 上 在 散射 路 径 上 空 间 各 点 的光子能谱, 2个模 型见图 1 。混凝土材料的
10、密度取 2 3 g c m3 , 元 素 成分 及其 质 量 比见表 1 混 凝 土之 外 的空间材料设置为真空 记 录体 的材料也设置 为真 空 。圆 柱 的高度 和球 的直 径 分别 为相 应 入射 光 子 能 量 的 1 、 2 、 3 、 4 、 5个平 均 自由程厚 度 。 自由程 数 据取 自 N I S T网上数 据库 X C 0 M【 一 ( a )圆柱型漉凝士 ( b )球型浇凝 图 1 垂 直 入 射 时 的混 凝 土 简 化 模 型 表 1 混 凝 土 的元 素 成 分 及 其 质 量 比 元素成分 质量 比 元素成分 质量比 氢0 0 2 2 铝0 0 2 0 碳0 0
11、 0 2 硅0 3 0 5 氧0 5 7 5 钾0 0 1 0 钠0 01 5 钙0 0 4 3 镁0 0 0 1 铁0 0 0 6 光 子垂 直 入 射 到 混 凝 土 模 型 的 中 心, 散 射 光 子 沿初始入射光子 的轴向具有对称性, 因此在 E G S 5蒙 特卡罗程序 中设置了环状记录体用于记 录散射光子 的注量谱 , 即假设单位注量光子入射到混凝土上, 入射光子与混凝土材 料发生各种相互作用 由所定 义的几何记录体记录单位面积上的光子注量谱 。然 后 依 据 和 光 子 注 量 与 周 围 剂 量 当量 之 间 的转 换 因子 C n 1 计 算 出记 录体 单位 面积 上 的
12、光 子周 围剂 量当量 Hx ( 1 O ) 计算公式如下 : 日 ( 1 0 ) 0 = ( ) x C ( ) ( 2 ) 则散射到 0角度上单位面积上的周围剂量当量概率 可表 示 为 : 式中, C ( E o ) 表示单位注量 的入射光子所致 的周 围剂 量当量; 5 。 表示记录体的截面积。依据式( 1 ) 、 式( 3 ) , 则 散射系数 O t 计算公式可表示为 : o l = r l x d r ( 4) 为了研究光子 以其他角度入射到混凝土材料上 产生的散射系数, 建立一个圆柱型混凝土材料 , 1 5个 小圆面的记录体, 简化模型见图 2 。依据前一步研究, 选用 人射 光
13、子 能量 所对 应 的 5个 平 均 自由程 厚 度 的 混凝土材料。小圆面记录体用于记录散射光子的注 量 谱,即假 设 1 个 光 子射 入 到混 凝 土经 各种 相 互作 用,散射到所定义几何记录体单位面积上的光子注 量谱 。然后依据光子注量与周 围剂量当量之间的转 换因子计算出散射系数。光子 的入射角选择与圆柱 面成 1 O 。 、 3 0 。 、 4 5 。 、 6 0 。 、 9 0 。 5种入射角度。l 5个记录 体 中心与圆柱上表面中一 fi , 所 决定 的向量与 轴正 方 向所成的角度分别为 : 5 。 、 1 0 。 、 2 0 。 、 3 0 。 、 4 5 。 、 6
14、0 。 、 75 。 、 9 0。 、 1 0 5。 、 1 2 0。 、 1 3 5 。、 1 5 0 。、 1 60 。、 1 70 。、 1 75 。 。 l , 人射 , ,一 I 图 2以其他角度入射混凝土材料 的简化模型 2 结果 与讨论 图 3给 出 了 2 0 0 、 5 0 0、 1 0 0 0 、 2 0 0 0 k e V 光 子 垂直入射到两种模 型上时所产生的散射系数值, 图 中 Js 代表球型模型, C代表圆柱型模型, 字母后面的 数值代表模型的圆柱型模型。 籁 1 摇 5 2 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第 3 5卷 槲 蓝 图 3不 同能量光 于垂 直入
15、射 到 两种模 型上所 产生 的散射 系数 从 图 3中可 以看 出, 当散射 角度低 于 5 O 。 时, 球形 模 型的散射系数较 圆柱形的要 大, 当散射角度高于 5 0 。 时, 圆柱形模型的散射系数较球形的要大; 当混凝 土模型的厚度或直径超过 4 mf p时, 无论是圆柱型模 型还是球型模 型, 散射系数基本不再 随混凝土厚度 的增加而增加。因此, 在计算其他能量光子的散射系 数 时 混凝 土厚度 可取入 射光 子能量 对 应 的 5 m f p厚 度值。 根据计算, 表 2给出了 1 0 0 3 0 0 0 k e V光子垂直 入射到圆柱形混凝土上, 各散射角度上的散射系数 。
16、表 3 表 6给出了光子分别以 6 O 。 、 4 5 。 、 3 O 。 、 1 O 。 入射 到圆柱形混凝土上, 各散射角度上的散射系数 。为验 证计算结果, 在相同模型条件下对 E G S 5 、 MC N P 2种 程序的部分计算结果进行了 比较, 其 中表 2给 出了 在垂 直 入 射状 态 下 光子 能 量 为 1 0 0 、 2 0 0 、 4 0 0 、 6 0 0 、 1 0 0 0和 2 0 0 0 k e V散射系数时 2种程序计算结果 间的比值, 图 4给出了入射光子能量为 1 0 0 0 k e V时 5种入射角度在各个散射角的散射系数在 2种程序 计算结果 间的比值
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