炭疽作为生物武器为全球生物学家和军事家所公认，炭疽一旦为恐怖分子所利用，就成为人类健康与安全的巨大威胁。中子辐射在消毒炭疽污染方面可能是一个非常有效的工具，它即能对整箱物品进行杀灭炭疽病菌处理也能对隐藏在金属容器内或散布在公共场所的炭疽病菌进行消毒处理。一般炭疽杀菌选用三种中子源，分别是Cf-252源、中子管以及Be-Am源。它们都是现今核工业中常用的中子源。Cf-252源通常用于杀死癌变肿瘤，中子管是一种能发射中子束的仪器，Be-Am源是常用的放射性核素中子源，通过将高纯度的镅和铍制成粉末混合而成。针对中子管和Cf-252源已经做了很多详细的研究^[1]，但Be-Am中子源因其成本低廉、中子产额稳定又容易获得，有可能是最适合作为炭疽杀菌的理想中子源。

本文是利用Be-Am源消毒炭疽污染蒙卡模拟方面的研究工作，通过MCNP程序能模拟用Be-Am源对应三种反射层材料(石墨、水和石蜡)及每种反射层材料对应(10 cm × 10 cm)和(20 cm × 20 cm)两种炭疽层面积进行了单个中子沉积能量的分析。模拟中考虑到屏蔽材料对中子反射的影响、炭疽孢子的精确化学成分、中子与炭疽孢子的多次碰撞等因素。这些数据将对用Be-Am源消除恐怖分子散布的炭疽污染的实际应用提供非常有价值的参考。

1 炭疽杀菌中常用中子源简介 1.1 中子源Cf-252

锎，是一种人造元素，其同位素锎-252被用于近距离治疗。这种同位素首次发现于氢弹爆炸后的尘埃，是能够产生丰富中子的唯一核素。1968年医用锎源被首次用来治疗病人，中子近距离治疗法由此诞生。Cf-252源属于自发的中子放射源。能谱服从Watt谱分布，它的函数为:

1)

1.2 中子管

中子管是把离子源、加速器、靶和气压调节系统全部真空密封在一支玻璃(陶瓷或不锈钢)管内构成一支结构紧凑的真空器件，工作时无需抽真空设备和气源装置，因而能够组成小型轻便的中子源设备。其工作原理是由离子源放电产生氘离子，经加速后打在靶上，与靶中的氚发生下列反应(2)，放出14 MeV中子。中子管由氚贮存器、离子源、二次电子抑制栅、加速电极、氚靶与管壳等部分组成^[2]。

2)

1.3 中子源Be-Am

Be-Am源是一种应用广泛的放射性同位素中子源它是利用²⁴¹ Am衰变时发射的α粒子和铍发生(α，n)核反应而获得中子，见式3。由于²⁴¹Am具有较长的半衰期(T_1/2 = 433 a)，核衰变所伴随的γ射线能量低(约为60 keV)。因此这种中子源具有使用期限长，防护简单，中子发射稳定，体积适中等优点^[3]。Be-Am属于中子诱发放射源。能谱服从Maxwell谱分布，它的函数为:

3)

4)

2 模拟方法简介 2.1 模拟原理简介

MCNP程序全名为Monte Carlo Neutron and Photon Transport Code(蒙特卡罗中子-光子输运程序)。它可用于计算中子、光子、中子-光子耦合输运问题，也可以计算临界系统(包括次临界及超临界)的本征值问题^{[4, 5]}。目前，MCNP主要用于分析物理实验和反应堆设计、核保护无损检测系统和辐射屏蔽核仪器设计、材料活化和磁约束聚变中子学计算，核临界安全分析、物理保健问题的研究等^[6]。本文利用MCNP4C程序中提供的F6卡，追踪粒子径迹长度来估计中子在炭疽孢子层中的能量沉积^[7]。在模拟的过程中，中子由Be-Am源发出与模拟的炭疽孢子、反射层、环境材料等发生相互作用，这些相互作用包括弹性散射、非弹性散射、感生γ光子等，直到中子逃离整个系统或耗尽能量。以此来模拟电离辐射在物质内经过直接和间接作用引起生物体内DNA失去活力的生物效应的过程。

2.2 建立计算模型

建立一个如图 1的由反射层、环境材料(厚度为5 cm的不锈钢板)、炭疽孢子层(厚度为4 μm)以及中子源等组成的模型。炭疽孢子中碳水化合物聚合体的主要化学成分是氢和氧。为了简化计算，我们假设炭疽孢子的主要化学成分就是水而且它的密度也和水近似^[8]。本文主要研究单个中子在炭疽孢子中造成的能量沉积大小与反射层的厚度、反射层材料种类、炭疽孢子层的面积、中子源种类、中子源与炭疽层之间的距离等变量之间的关系。通过考虑中子源强度、权重因子、单位换算，最后估算达到致死剂量所需的中子数。

反射层材料种类选择了石墨、水、石蜡，这三种材料，它们都是比较常见的用来作为中子反射层的材料。炭疽层样本面积我们取了10 cm × 10 cm、20 cm × 20 cm两种，主要是考虑到被炭疽菌污染的区域面积大小，有的情况下会大些，有时则会小些。而中子源到炭疽层上表面的距离维持5 cm不变。

2.3 过程说明

使用MCNP4C程序模拟出各个情况下单个中子在炭疽孢子中的能量沉积，。每种炭疽层对应22个不同的反射层厚度，以每22个不同的反射层厚度为一组数据总共则可得到24组数据。每组数据以反射层厚度为横轴，单个中子在炭疽层内的能量沉积为纵轴，用origin软件做出曲线。

3 模拟结果 3.1 Be-Am中子源下单个中子沉积的能量

在Be-Am中子源下，炭疽层面积为10 cm × 10 cm，不同反射层材料下的单个中子的能量沉积随反射层厚度增加的趋势如图 2 ~ 图 4所示。从图中可以看出随着反射层厚度的增加，单个中子的能量沉积逐渐增加，但是到了一定厚度之后趋于平滑，三种材料下在石墨中沉积更大些。在Be-Am中子源下，炭疽层面积为20 cm × 20 cm，不同反射层材料下的单个中子的能量沉积随反射层厚度增加的趋势如图 5 ~ 图 7所示。将图 2 ~ 图 4与图 5 ~ 图 7比较可知当炭疽层面积增大一倍的情况下，在同样的中子源即能量相同下，基本中子沉积的能量要减小一倍。

3.2 不同中子源单个中子源沉积能量的比较

在石墨反射层，炭疽层样本的面积为20 cm × 20 cm，源距炭疽层面积5 cm情况下。使用四种不同的中子源，对单个中子的能量沉积造成的影响如图 8。图中，方点线代表以中子管为中子源，圆点线代表以Cf-252源为中子源，正三角线代表以Cf-252源的平均能量2.0 MeV为中子能量，倒三角线代表以Be-Am源为中子源。可以很明显地看出以14.0MeV中子管为中子源时单个中子的能量沉积是最高的，还可以看出对于同种材料即使能量不同其饱和厚度是相近的。

中子源种类对单个中子能量沉积的影响大体上是以中子源发出的中子的能量大小来排列的，但是Be- Am源放出中子的平均能量约为5 MeV比Cf-252的平均能量要大^[9]，而在模拟结果中能量沉积却比Cf- 252的要小，估计是来源于能谱的分布的不同，Cf- 252服从Watt谱，Be-Am服从Maxwell谱，这一猜测还需进一步通过模拟实验的验证。但总体而言无疑是中子源能量越大，所造成的能量沉积越大。

3.3 辐射剂量的计算结果

假设炭疽杆菌的密度和水一样，即为1.0 g /cm³，用公式(5)可以计算由中子辐射在炭疽孢子中能量的沉积而使其受到的吸收剂量。图 2和图 3显示，当中子源与细菌样本的距离为10 cm时，单个中子在细菌样本上的能量沉积大约为ΔE = 2.5 × 10^-4 MeV /每个中子，那么以戈瑞(Gy)为单位单个中子:

5)

即中子辐射完全杀灭炭疽杆菌芽孢所需要的中子有效剂量为D = 1 000 Gy^[1]，完全杀灭炭疽孢子需要中子源产生的总中子数为:

比Cf-252源的要小一个量级左右。

4 结论

本文模拟了不同情况下，Be-Am中子源下造成单个中子能量沉积的模拟分布，并且又进一步比较了不同中子源的情况下单个中子沉积的能量，根据图 8中的结果我们可以看出用14 MeV中子管、Cf-252、2 MeV中子管及Be-Am中子源在炭疽上的能量沉积在数量级上基本上是一致的，但本文介绍的Be-Am中子源的的价格要比Cf-252源最少便宜一个量级; 相对与14 MeV和2 MeV中子管几百个小时的寿命及Cf-252源2.6 a的半衰期，其433 a的半衰期是很长的; 它的中子产额及中子发射也比Cf-252源和中子管稳定的多。根据以上分析可以得出Be-Am中子源因其成本低廉、中子产额稳定及半衰期长等优点可能是最适合作为炭疽杀菌的理想中子源。