工业辐照电子加速器主要用于医疗机械、食品辐照灭菌和电子元器件、电缆连接件等辐照改性。辐照产品通过不锈钢传输带自动传送进出辐照室，电子束固定朝下进行辐照加工。电子在运动中受到产品、传输钢带或其他物质阻挡时会产生初致辐射，不同的阻挡材料和不同的方向，韧致辐射的强度不同[1]。由于加速器由上向下辐照，辐照室底部为地基，因此辐射屏蔽主要考虑四周墙体对90°方向产生的韧致辐射和顶部对180°方向产生的韧致辐射防护。对一定原子序数的靶物质，单位束流强度辐射加工产生相应的X射线发射率随加速电子的能量增高而显著增大，并且X射线发射率的角分布也随电子能量的增加而变化。NCRP-51报告给出了对于高原子序数的靶材料，在不同方向上的X射线发射率常数，但未给出低原子序数的靶材，在0° ~ 180°方向的X射线产额和X射线的能谱[2]。本文通过建立电子轰击靶材模型，使用MC-NP5程序模拟计算出8 MeV电子轰击铅、铁、铝靶时，在0°、90°、180°方向的X射线产额、X射线剂量率发射常数和0° ~ 180°方向的X射线能谱，进一步分析X射线的辐射特性，为8 MeV辐照加速器辐射影响分析提供参考。
1 几何模型根据辐射加工时电子可能轰击的不同原子序数的靶物质，本文选取材质分别为铅、铁、铝的靶体（靶体几何尺寸:铅靶、铁靶为直径6. 3 mm、厚度36 mm的圆柱体，铝靶为直径36 mm、厚度36 mm的圆柱体）进行MCNP5模拟计算。电子束垂直向下方向为0°方向，以靶体上表面中心为圆心，从0°方向开始, 每间隔15°布设一个环形探测器，至180°方向共布设13个探测器，探测器上每点距离圆心均为lm，模拟计算几何模型见图 1。
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图 1 MCNP5模拟计算几何模型 |
使用MCNP5中的F5z卡（环形探测器，通过FM卡修改F5z卡计数得到光子产额，通过En卡对光子能量分段，电子和光子截断能量为0.008 MeV, 跟踪样本总数为1×106)[3], 计算出8MeV电子轰击铅、铁、铝靶时，在0°~180°方向的X射线产额和0°、90°、180°方向的X射线能谱, 结果分别见表 1和图 2 ~图 5。
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表 1 8 MeV电子轰击铅靶、铁靶、铝靶0 °~ 180°方向的韧致辐射产额 |
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图 2 铅靶、铁靶、铝靶0°~180°方向的韧致辐射产额 |
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图 3 铅靶、铁靶、铝靶0°方向的X射线能谱 |
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图 4 铅靶、铁靶、铝靶90°方向的X射线能谱 |
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图 5 铅靶、铁靶、铝靶180°方向的X射线能谱 |
为得到X射线剂量率发射常数的模拟计算结果，通过MCNP5的DE/DF卡修改F5计数卡，实现粒子注量率与剂量率的转换，通量与剂量转换因子选择MC-NP5附表H.2[3]中数据并分段线性内插，得到的0°、90°方向上的剂量率常数见表 2。
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表 2 8 MeV电子轰击铅靶、铁靶、铝靶0 °、90 °方向的剂量率常数（Gy·m2·mA-1·min-1） |
NCRP-51报告中附录E.1给出了0.1 ~ 100 MeV能量的电子轰击高原子序数靶材时，在0°和90°方向上的X剂量率发射常数; 附录E.2给出了1、2、3、8、20、100 MeV能量的电子轰击高原子序数靶材时，在0° ~ 150°方向上的剂量率发射常数；电子能量低于10 MeV时，附录E. 3给出了低原子系数靶材0°和90°方向上的发射率常数的修正因子。附录E. 1未给出除0°和方向外其他方向上的剂量率发射常数；附录E.2仅给出了的几种能量电子在0° ~ 150°附近的发射率常数; 通过查该附录E.1 ~E.3, 能够粗略的估计8MeV电子辐照加速器的X发射常数，不能进一步分析其X射线的能谱特性，查NCRP-51报告中附录E.1 ~ E.3得到的0°、90°方向的剂量率常数见表 3。
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表 3 8MeV电子轰击铅靶、铁靶、铝靶0 °、90 °方向的剂量率常数（Gy·m2·mA-1·min-1） |
表 2和表 3结果显示:使用MCNP5模拟得到的8MeV电子轰击铅靶、铁靶、铝靶时的剂量率发射常数具有明显的方向性, 0°方向铅靶最高，随着靶材原子序数的降低或角度的增大而减小。通过本文的模型，使用MCNP5程序模拟计算得到的剂量率发射常数与NCRP-51报告中的数据基本相近，其差异是因为本文使用的靶材原子序数以及靶材的几何尺寸与NCRP-51报告中存在不同。MCNP5附表H.2中光子通量与剂量转换系数表明光子的能量越高相应的剂量也越大，对比图 3 ~图 5的能谱分析表明本文的模拟结果与NCRP-51报告中附录E.1 ~E.3的数据基本相符。通过模拟的方法分析8MeV电子辐照产生的X射线特性、辐射影响是可行的。
辐照的产品包括食品、电缆、医学器件等、产品的物质组成和几何尺寸不同，由此产生的X射线是不一样的。由表 1、图 2知:8MeV电子轰击铅靶、铁靶、铝靶时，在0°方向的X射线产额最大，随着出射方向角度增大而减小；出射方向大于90°后，产额随角度的增大而放缓或略微增大，在110° ~ 180°方向趋于平坦。
图 3 ~图 5显示:8 MeV电子轰击铅靶、铁靶、铝靶时, X射线的能量在0~8 MeV范围内连续分布; 在0°方向，铅靶、铁靶、铝靶的能谱在高能端比较相近；在90°和180°方向，轰击铝靶时X射线能谱最软，轰击铁靶时能谱硬度居中，轰击铅靶时能谱最硬; 轰击铅靶、铁靶、铝靶时，0°方向的X射线能谱最硬，180°方向的X射线能谱最软, 90°方向的X射线能谱居中。
4 结束语通过建立8 MeV电子辐照加速器韧致辐射产生的几何模型，使用MCNP5程序计算8 MeV电子轰击铅靶、铁靶、铝靶时，在0°~ 180°方向上产生的连续的X射线能谱和在0°、90°方向上的剂量率发射常数，结果与NCRP-51报告中附录E.1 ~E.3数据基本吻合。模拟结果表明8 MeV电子轰击铅靶、铁靶、铝靶时的剂量率发射常数具有明显的方向性，0°方向轰击铅靶最高，随着靶材原子序数的降低或角度的增大而减小; 0°方向的X射线能谱最硬，随着靶材原子序数的降低或角度的增大能谱逐渐变软。本文建立的计算模型和模拟方法可行，为8 MeV电子辐照所致辐射影响分析提供了参考的模拟方法。
| [1] |
李德平, 潘自强. 辐射防护手册第一分册[M]. 北京: 原子能出版社, 1987.
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| [2] |
NCRP.Radiation protection design guide lines for 0.1 ~ 100MeV particle accelerator facilities[R]. NCRP Report No51, March, 1977. https://aapm.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1118/1.594404
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| [3] |
X-5 Monte Carlo Team, MCNP-A General Monte Carlo N-Particle Transport Code[M]. Vereion 5.April 24, 2003.
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