X射线行李包安检系统的分辨能力强，在保障旅客的生命与财产安全方面起到了极其重要的作用。但是X射线作为一种电磁波，其辐射吸收率与穿透能力极高。它在穿透人体皮肤、肌肉等软组织的时，组织所受到的辐射能量很强，这足以将肌肉组织中的电子撞击出原来围绕原子核运行的轨道，产生不稳定的分子，进而生成对人体有危害的自由基^[1]。生物医学研究表明:辐射穿透细胞、破坏DNA，会直接引起染色体破裂或基因突变，诱发某些癌细胞，导致癌症的发生。

目前，全国所有地铁(包括原有的干线和新投入使用的干线)的每一个车站全部都配备了X射线安检设备。当行李在进出安检机时，用于防止X射线泄漏的铅帘就有缝隙产生，使得X射线的泄漏量增大。由于地铁的方便快捷，越来越多的上班族上下班时都选择地铁出行，每次进站时都要经过行李安检。因此研究安检机的辐射泄漏量有着重要意义。

1 蒙特卡罗方法粒子输运程序(MCNP)

蒙特卡罗(Monte Carlo)方法是一种非确定论的方法，它是通过随机数的模拟和统计实验方法来求数学、物理等方面的问题近似解的方法，因而亦称随机模拟方法或统计实验法。蒙特卡罗方法特别适应于求解本身就带有随机性的物理现象问题，如粒子输运问题的求解，也可把一般的确定性问题(像积分问题、线性方程组和传热等问题)转化为随机概率问题求解。蒙特卡罗方法是以概率与统计理论为基础，以在计算机上进行随机模拟为重要手段的。随着计算机的飞速发展，蒙特卡罗方法的应用范围越来越广。主要应用范围包括:粒子输运问题，统计物理，典型数学问题，真空技术，激光技术，原子能，核测井，医学，生物，探矿等方面。随着科学技术的发展，其应用范围将更加广泛^[2]。

MCNP4C程序^[3]是美国Los Alamos国家实验室开发的，是一种按照蒙特卡罗思想开发的一种解决粒子输运问题的程序，能够非常好解决中子、电子、光子或者耦合中子、电子、光子之间联合运输问题。因而可以非常真实模拟X射线和被检物的相互作用。

MCNP4C程序通过一个输入文件和有关元素的截面数据文件对物理问题进行计算。输入文件是由数据卡片组成，输入卡片按类主要分为栅元卡、曲面卡、数据卡三个部分^[3]。栅元卡和曲面卡描述物体分布的空间几何信息，每一个几何体通过栅元由描述几何体各表面的曲面按一定关系构成。数据卡包括问题(光子、中子、电子)类型、栅元物理参数、源描述、材料描述、结果计数描述、问题截断条件等^[4]。MCNP4C应用非常灵活，能够对任意空间构成的材料进行计算，可以灵活的搭建模型，在模拟复杂模型问题上有非常大的优势。

2 X射线行李包安检设备的建模 2.1 X射线安检设备的基本原理

X射线安检设备主要由X射线源、控制器、X射线线性阵列探测卡、传送装置、以太网控制器(CS8900A)、屏蔽辐射所需的机械装置、装有该设备配套软件的PC等组成^[5]，如图 1所示:

X射线安检设备原理如上图 1所示。图 1中，当控制器产生X射线触发信号时，X射线源发出圆锥形X射线束，该射线束经准直器后变成扇形平面射线束，射线束穿过传送带上的待检测物体，X射线部分能量被吸收，最后轰击X射线线性阵列探测卡上的晶体管^[5]。被检测物体以某一速度相对于探测卡和X射线源移动时，探测卡逐行采集经过物体的射线，晶体－光电二极管将X射线转换成正比于所吸收的X射线流量和能量的电流信号，经放大和积分后，得到一个正比于积分电流乘积分时间的电压，再经A /D转换后送往图像数据处理单元，最后在显示器上成像。

2.2 X射线安检设备模型

参照地铁站某型号安检设备搭建模型，具体参数见表 1。

根据上述数据，采用MCNP4C搭建的模型的纵向截图、横向如图 2、3所示:

由于当行李(采用水来模拟)进出安检设备时两侧的铅帘会产生缝隙，从而使得X射线的泄漏量增大，为了很好的模拟这一情况，我们在行李进出口处开三个大约为5cm的缝隙来模拟由于行李进出导致铅帘开启所形成的缝隙，如图 4所示。

2.3 X射线源

X光机电源是X光机的关键部件，它是一种比较精密的高压电源，其可分为高压电源和灯丝电源两部分。其中灯丝电源用于为X光管的灯丝加热; 高压电源的高压输出端分别加在阴极灯丝和阳极靶两端，提供一个高压的电磁场使灯丝上活跃的电子加速并流向阳极靶，形成一个高速的电子流。当高速电子流撞击原子和外围轨道上电子，使其游离并释放出能量，产生了X光。

X射线发射器的阳极电压为140keV，因此发射的光子的最高能量为140keV。X射线源位于安检设备的下部，以45°角的扇形从下往上发射，光子能量在30keV附近时分布最大。因此，在模拟时我们采用点源，位于安检机的下部，成45°角向上发射。同时为了保证发射出的X射线是扇形束，我们在点源上方放置铅板，铅板中间有横向缝隙，让点源发出的X射线通过缝隙射出，从而保证发出的X射线为扇形面。我们采用的X射线大致的光谱分布如图 5所示。

2.4 人体模型

人体^[6]组成的主要元素为氧、氢、碳，其中氧约占人体总质量的65%，氢约占人体总质量的10%，碳约占人体总质量的25%，人体的平均密度和水的密度非常接近约为1.0 × 10³ kg /m³。我们将头部用半径为8cm的球来模拟，躯干采用高度为66cm半径为12cm的圆柱来模拟，腿部采用高度为90cm半径为6cm的圆柱来模拟，手臂用高度为75cm半径为4cm的圆柱模拟^[7]。人体模型的重量约为60kg。MCNP4C模拟的人体模型截面图如图 6所示，人体与安检机之间的位置关系如图 7所示。

3 模拟结果 3.1 当行李进出口有缝隙产生时的模拟结果

由于本文采用的模型同实际模型之间有一定的差别，以及MCNP4C程序在模拟问题时也会有误差产生，所以模拟结果与真实情况之间会产生一定的误差。

X射线安检机的不锈钢壁面能够很好的防止X射线的泄漏，该部分的泄漏量可以忽略不计。假设某人每年需要上班300d，每天上下班都要乘坐地铁，每次进站时都要进行安检，出站时不需要安检，考虑到上下班时的拥挤等情况我们假定人经过安检机大约需要20s。当人体紧贴安检机侧面时所收到的辐射如表 2所示:

根据表 2的数据我们可以计算出人体受到的平均辐射量为0.000697μSv/s，上文中我们假设每年需要上班300d，每天上下班都要进行安检，人经过安检机大约需要20s。我们据此计算出普通的上班族一年内受到的平均辐射量为8.36μSv/a。根据《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》 (GB18871-2002) ^[8]中对豁免标准和豁免水平做出的规定公众成员个人照射量应低于10μSv/a。由上面的模拟结果可知对于上班族一年中所接受的照射量为8.36μSv/a，低于《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》 (GB18871-2002)中公众的豁免值10μSv/a。

改变人体同X射线安检设备侧面之间的距离在此模拟。人体与X光安检设备侧面的距离为10cm、20cm、40cm、60cm时，模拟计算人体所接受的辐射剂量分别如表 3、4、5、6所示:

当人体距离安检机侧面为10cm、20cm、40cm和60cm行走时，人体受到的平均0.000529μSv /s、0.000409μSv /s、0.000267 μSv /s和0.000179μSv /s，依据上文的假设我们可以计算出一年内受到的辐射剂量分别为6.35μSv /a、4.91μSv /a、3.21μSv /a和2.15μSv /a。由此可以看出人体离安检设备侧面越远接收到的辐射剂量越小，我们可以从图 8中清楚地看出这种趋势。从图 8中我们还可以看出当人体受到的辐射量随人体与安检机行李进出口之间距离的增加呈现先增加后减少的趋势，这是因为从铅缝中泄漏出来的X射线是沿直线传播的，当人体与安检机行李进出口之间距离很近时，从铅缝中泄漏出来的X射线很少能够照射到人体，并且安检机的不锈钢壁面能够很好的防止了X射线的泄漏，通过安检机不锈钢壁面泄漏出来的X射线基本上可以忽略不计。所以人体与安检机行李进出口之间距离很近受到的辐射剂量反而很少，随着距离的增加人体受到的辐射剂量逐渐增加，到达一个峰值后开始减少。

3.2 当行李进出口无缝隙产生时的模拟结果

在保证铅帘的完整性的情况下，我们重新建模并计算出在人体紧贴安检机侧面行走时接受到的辐射量，如表 7所示，由此可见一年内受到的辐射总量为0.0727μSv /a，可见该值非常小几乎可以忽略，对人体不构成任何威胁。

4 总结

根据以上述数据的分析我们得出以下结论: ①在行李进出X射线安检系统导致铅帘产生缝隙，并且人体距离安检机侧面很近的情况下，X射线有较大的泄漏，其对人体的最大的辐射量为8.36μSv /a，接近但仍低于《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》 (GB18871-2002)中规定的公众成员个人照射量应低于10μSv /a的豁免标准; ②人体离安检设备侧面越远所受到的辐射量就越小，因此建议乘客在乘车安检时候要离安检机一定距离，以减少X射线对人体的危害; ③由上面的数据我们可以看出当安检机的铅帘之间没有缝隙时人体受到的辐射量非常少，几乎可以忽略。因此，建议安检机生产厂家在行李进出口侧都采用双层铅帘做防护，两层铅帘之间相隔一定距离，通过采用该种方式，可以使行李经在进出安检机时，至少能保证其中一层铅帘的完整性以便防止X射线的泄漏。