黎亚平 万兰芳

(1.三峡大学理学院,湖北宜昌 443002;2.三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002)

用电子束辐照开发新产品是辐射加工技术产业中最具有发展前景的工艺之一.电子加速器产生的电子的能量和束流强度可以调节,电子束的定向性较好,照射范围集中,因而辐射能利用率较高.但电子射程短,穿透力小,因此仅适用于厚度有限的产品或作表面辐照.在开展电子束加工前,需要对吸收剂量做出准确的理论估算和应用基础研究验证工作,才能够避免盲目性.辐射加工直接利用电离辐射能量,因而表征电离辐射与物质相互作用的物理量——吸收剂量就成为辐射加工最重要的工艺参数.对辐照产品来说,最重要的参数是材料中的吸收剂量及其均匀度[1].计算电子束在材料中的吸收剂量及其它相关的参数,实际上就是解决电子在介质中的输运问题.随着蒙特卡罗方法研究的深入和计算机的发展,一些大型的蒙特卡罗方法应用软件先后产生并得到了迅速的发展.本文使用的是 2006年由加拿大 National Research Council发布的 EGS4软件包的新版本EGSnrcMP模拟软件的用户代码DOSXYZnrc[2],运行于Window s XP操作系统平台上.

1 计算方法

1.1 EGSnrcMP

蒙特卡罗应用程序EGSnrcMP(The multi-Platform environment for EGSnrc)是EGS4程序(它由Stanford Linear Accelerator Center And National Research Council提供的软件程序包)的一个最新版本,与以往的版本相比有一些实质性的改进,其中包括:引入了一种新的任意角度多次弹性散射理论;改进了的电子输运步长算法;对于离散的相互作用进行距离抽样而需要假定的截面数据的正确应用方法;更精确的能量损失估算方法及一种精确的边界计算算法,并且能在多种平台下运行[3-4].EGSnrc包括用户使用界面BEAM的应用程序,文中用的DOSXYZnrc程序为通用蒙特卡罗程序,EGSnrcMP中的PEGS4子程序可创建由任意原子组成、任意密度介质的截面数据.

1.2 计算条件

模拟计算的空间为Descartes直角坐标系描述,设受辐照材料的尺寸为xyz=21 cm×21 cm×2.5 cm,它被一系列平行于各个坐标轴的平面分割成11025个1cm×1cm×0.1cm小体元,电子束垂直于xy平面入射.计算所取模拟参数如下:电子截止能量为521keV,光子截止能量为10 keV,电子输运步长算法为PRESTA-Ⅱ算法,边界处理算法为EXACT算法.要求每次模拟的粒子径迹数足以使统计误差＜1.0%.所选用的介质为聚苯乙烯(密度为1.06 g/cm3)和水,主要作为范例来说明利用EGSnrcMP系统中应用程序DOSXYZnrc模拟计算电子束辐照材料剂量分布的可行性和可靠性.

2 计算结果及讨论

2.1 计算结果

蒙特卡罗程序计算得到的三维剂量分布示于图1和图2,图中为13cm×13cm射野下的的结果,其它射野计算得到的三维剂量分布与之类似不再给出;各种不同能量的电子束辐照下聚苯乙烯材料的深度剂量分布示于图3,其剂量值为xy平面中心的沿z轴变化的小体元中的剂量;图4为入射电子能量均为4.0MeV的聚苯乙烯和水两种材料的深度剂量分布的比较;图5示出入射电子为4.0MeV时被加工材料聚苯乙烯产品厚度的最佳值;图6反映了电子束射野大小对横向剂量分布的影响.

图6 入射电子为4.0MeV不同射野时聚苯乙烯的横向剂量分布

2.2 结果分析

图1表明在同一深度平面剂量分布是均匀的;图2表明垂直平面的剂量分布;图3～5表明,电子束在受照物质中的吸收剂量先随深度增长到一极大值,而后随深度递减.这主要是因为在受辐照物质表面,散射到空气中的电子数较多,而空气密度很低,散射回来的电子数较少,所以此区域内吸收剂量偏低,考虑到次级电子的作用,在靠近物质表面的浅层内,吸收剂量随深度的增加而增加,直到某一区域内电子的增加与因衰减而使电子释出的数目相等时,吸收剂量达到极大值,此后,随物质层深度增加,电子的释出占优势,吸收剂量逐渐减少.从图5中可以看到,在产品加工之前,完全可以计算出各能量所对应的最佳厚度;如果入射的电子束不是单能的,而是有一定的能谱分布,也可以用蒙特卡罗方法计算出吸收剂量分布.由图6可以看出,对聚苯乙烯材料而言,即使是电子束射野的大小不同,吸收剂量也没有明显的边界效应.

产品辐射加工工艺条件的选择步骤是:首先根据电子束在材料中的贯穿能力,选择所需的电子束能量;其次根据材料所需的吸收剂量大小及对吸收剂量均匀性的要求,选择产品运动方式和传送速度;再进行产品的处理总量和经济成本核算;还应考虑环境限制、辐照工艺与整个工艺流程的关联以及其它特殊要求等综合因素[1].一定的电子束能量对于特定的材料来说,就对应于一个最佳的材料厚度,作为辐射工艺设计的基础,一般推荐采用产品前表面的入射剂量等于产品后表面上的出射剂量时所对应的产品厚度为最佳加工厚度.

2.3 结果验证

为了验证计算可靠性,采用电子在铝中的平均射程的经验公式[5]和DOSXYZnrc模拟计算结果进行比较.设电子的平均射程为

利用 DOSXYZnrc计算 2.5、3 、3.5 、4 MeV 电子在铝中的射程并示于图7.从图7中可得出:动能为2.5、3、3.5、4MeV 的电子在Al中的射程模拟结果与用经验公式求得的电子在铝中的射程0.45、0.55、0.65、0.75cm是吻合的,表明DOSXYZnrc计算结果是可信的.

图7 电子在铝中的射程

3 结 论

采用EGSnrcMP计算电子束辐照剂量分布可以实现电子束辐射加工工艺的优化具有的灵活性,受几何条件限制小,能方便地处理复杂的几何问题,辐照产品的形状改变并不会造成计算的困难,只需按照一定的方式将产品的形状描述出来就可以进行精确的剂量计算;所有小体元的组成材料并不一定要求是同一种材料,只需在程序中说明每一个小体元的组成材料就可进行非均匀介质中剂量分布的计算;对于电子束加工而言,辐照工艺优化的途径主要是增加产品中有效的能量吸收和减少各种无效的能量损失,通过事先进行精确的理论估算,尽最大可能降低加工成本.

[1]张达明,张利民.两种聚乙烯材料中的电子束辐照剂量分布测定-优化辐射加工工艺的一种实验方法[J].辐射研究与辐射工艺学报,2000,18(4):272-277.

[2]黎亚平.基于EGSnrc M P模拟计算高纯锗γ谱仪对环境样品的探测效率[J].三峡大学学报:自然科学版,2007,29(6):571-573.

[3]赵艳群,肖明勇,吴丽萍.单能电子在物质中输运的EGSnrcM P蒙特卡罗模拟[J].核电子学与探测技术,2009,29(3):641-645.

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