徐阔之

摘  要：为了实现在特定的核辐射环境中，综合考虑辐射防护性能、材料的柔性、环境保护、经济成本等约束条件下，实现核辐射防护材料组合的最佳防护性能。应用WinXCom软件模拟辐射能量，分别模拟计算了单质物质（Pb和W），以及重金属氧化物WO3和Bi2O3和稀土化合物等氧化物功能粒子，在辐射防护方面的性能，发现单质物质在符合防护中存在明显的吸收弱区，而两种化合物的恰当配比能够实现防护互补效果，且两种物质的K边吸收区能量越靠近，其吸收弱区的互补能力越高。

关键词：WinXCom  辐射  防护  性能

中图分类号：TB332                           文獻标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）10（c）-0050-05

Abstract： In order to achieve the best protection performance of the combination of nuclear radiation protection materials under the comprehensive consideration of radiation protection performance， material flexibility， environmental protection， economic cost and other constraints in a specific nuclear radiation environment. Using WinXCom software to simulate radiation energy， the elementary substances （Pb and W）， as well as heavy metal oxides WO3 and Bi2O3， and rare earth compounds and other oxide functional particles were simulated and calculated. In the aspect of radiation protection， it is found that there is obvious weak absorption zone in the elemental matter conforming to the protection， and the appropriate ratio of the two compounds can achieve complementary effects of protection， and the closer the energy of the K-side absorption area of the two substances is， the higher their complementary ability to absorb the weak area.

Key Words： WinXCom; Radiation; Protection; Performance

当前在国内外防护材料的模拟设计领域，应用较为广泛的工具主要有MCNP、GEANT、EGS和WinXCom等。MCNP、GEANT、EGS三款软件均是以蒙特卡罗算法为基础，以随机抽样的统计学方法追踪记录大量粒子在介质中的运输轨迹，然后模拟出对应信息，这种利用实验仿真物理现象的方法，在很多物理问题的研究上，可以减少大型实验所消耗的资源，同时得出与之相同的结论。WinXCom程序的工作原理是利用光子和物质间的相互作用，来模拟原子系数为1～100的元素与其中的元素构成的化合物或混合物在入射能量位于10-3MeV～103MeV范围内的伽马光子的质量衰减系数与三大效应的截面，程序引入的数据源则以Victoreen的半经验数据为主，在持续的发展过程中，在实验中进行收集与评估的质量衰减系数被新的XCom所取代[1]。随着运算方式及散射理论的发展与进步，最终演变为现在领域中结果更加稳定，使用更为便捷的WinXCom软件。以上4种模拟计算软件都是在经典的辐射防护理论以及粒子运输模型的基础上实现的，对于仿真材料元素对防护的性能，能够比较真实的表现出来，但是难以从微观的角度表现出实际的材料防护性能，或者对外部老化环境及相似的材料的防护性能很难得到明确的计算结果，因此对功能粒子的辐射防护性能的模拟实验结果，往往只能够看作实验数据，在材料的防护性能方面提供判断的参考依据。

1  相关研究概述

国内外学者经常利用模拟计算的实验方式，将实验结果作为获取新材料或者筛选最优材料的参考依据。Singh等[2]利用WinXCom软件模拟计算了不含铅的防护材料钨合金及其化合物对1KeV～100GeV的伽马射线与2～12MeV的中子的防护作用效果，证明了钨合金及其化合物的吸收层效果优于铅;Elm ahroug等[3]使用WinXCom软件模拟对比了4种树脂的防护性能，得到了不同种类材料的能量局部相互作用的衰减系数，得出了更加明显的结论，对于掌握材料的屏蔽原理和材料的防护性能的结论更加清晰;张志程等[4]通过对比计算的方式，分别用MCNP与WinXCom模拟计算无铅铋玻璃的防护能力，发现两次计算得到的结果无明显差距，在避免了大型实验的情况下，用科学的方法发现了取代铅玻璃的新型防护材料;杨师俨等[5]采用WinXCom软件模拟计算了尾矿砂豁免模型，还利用材料的优化设计实现了混合物的最优防护方案，可以作为材料实际防护性能判断的依据。

综上，能够利用模拟软件替代物理实验，并得到有力的参考依据，能够节约一定的实验资源，缩短研究时间，提高了研究效率，同时得到科学的结论。在射线与物质的相互作用以及辐射防护理论的前提下，采用WinXCom软件对核辐射防护中常见的功能粒子对射线的防护性能进行模拟计算，期望得到诸如此类的粒子对射线的边界防护特征或不同粒子的防护中的补充效应[6-7]。模拟计算的结果，能够作为制备柔性符合防护材料的最优配比提供实验的理论参考依据。

2  防护材料的优化设计

从核电站及核应用场景的常规辐射防护要求和事故特殊防护需求的角度，能够满足最优的辐射防护能力（最高程度的屏蔽各类射线）、柔软易用（能在各类不规则的空间穿戴同时防止辐射泄漏）、稳定性强（性能稳定，不易出现损坏的可能）、应用简便等要求，作為材料设计的标准[8]。核辐射防护材料的核心是能够尽可能多的屏蔽射线，保护作业人员。核电站及相关的辐射场景中通常是多种射线并存，形成了复杂的射线辐射空间，单一的辐射材料虽然能够有效屏蔽某个或某些射线，但是很难做到系统性防护效果。非金属防护材料和金属防护材料在射线屏蔽上都有各自的优点，而两者以最优的方式融合形成的新材料，往往更能够满足人们对射线屏蔽的要求。非金属材料与金属材料如何有机的结合，成为实现有效防护的关键。金属材料能够与聚合物材料符合来制备防护材料，但两者如何配比，对最终的材料各方面的性能影响较大。为此，本文的设计构想为，利用合金纤维化来实现合金的“软化”，接着应用相应的技术使之与非金属材料有机结合，制备复合防护材料。在优化设计过程中，不断接受反馈，进行调整，得到最优化的复合实验效果。

3  单一粒子核辐射防护性能进行模拟计算

常规的辐射防护材料主要含有重金属元素Pb，而Pb存在于吸收弱区，且伴有韧致辐射，当核辐射的能量范围为30～150KeV（比如医院的放射疗法的辐射）时，就会将Pb的吸收弱区（40～88KeV）包含在这一范围之内，而且金属材料铅的力学性能较差，比重大，在能够满足防护性能的情况设计新型的合金符合材料，主要依据重原子系统数对辐射防护效果高低来判断，当前比较广泛的研究者以无铅的含W，Bi2O3，钡的化合物或者单质和稀土氧化物之中的某些为主要制备设计方案。根据研究较多的金属单质和我国资源可实用性等条件，选择Pb与W单一元素的射线屏蔽效果加以对比模拟计算，照射的光子辐射能量取0.001～2MeV，其模拟计算的结果如图1所示。

从图1能够得到，线性衰减系数和质量衰减系数之间的关系会因为物质密度的不同而变化，粒子的射线屏蔽效果质量衰减系数和射线的能量有很大的相关性。Pb与W都在低能段表现出它们的吸收弱区，W的吸收弱区为40KeV～70KeV，范围小于Pb，在稍微超出K层吸收边时，其质量衰减系统突然变大，变化的幅度超出四倍，符合材料优化的特性。虽然高原子系数的粒子也可能在低能量的情况下表现出吸收弱区，但是防护的综合性能仍然优于高等段的情况，且会随着射线能量的提升而明显变弱，低能量段减弱出现了指数减少特征，高等段表现为线性减少特征，主要是由于高能量的作用方式比较复杂，会有累积效应，所激发的电子较多。可以看出Pb的质量衰减系数优于W，其密度却小于W，因此线性衰减系数却劣于W，在忽略重量因素的影响时，同样厚度的Pb和W制材料，等量的含W的材料的辐射防护性能要优于Pb。

4  功能粒子的筛选及优化组合模拟计算

决定物质以“光电效应”过程吸收射线能量多少的关键不在于吸收粒子原子序数的大小，而应该是吸收粒子的K层吸收边的位置，即射线粒子把K层电子射出，能够使其脱离原子核束缚所需要的最低能量的大小，也就是电子密度。如果吸收粒子的K层吸收边恰好能够覆盖所吸收射线的能量或能谱区，那么其就是吸收这一能量射线的最优吸收粒子[9-10]。

基于射线屏蔽能力、经济划算与环境保护的角度考虑，选用下面的具有屏蔽元素（W、Bi、稀土）的氧化物作为模拟计算对象，为了躲避不同元素的吸收弱区，对它们实施筛选以实现最优组合的模拟。首先对粒子WO3和Gd2O3在不同配比情况的能量梯度进行模拟计算，选用具备显著特征峰的放射源：241Am：59.6KeV，57Co：122KeV，133Ba：356KeV，137Cs：662KeV，60Co：1173KeV与1332KeV，进行模拟计算实验，所得屏蔽效果如图2所示。

图2的模拟计算结果能够得出，在低等情况下，Gd2O3的含量越高，防护性能也越高，当能量大于122KeV时，WO3含量占比更高的防护性能便越好;在高能情况下，WO3与Gd2O3配比变化时，材料的防护性能并没有显著改变，但二者的配比值为1：1的情况下，同时具备中低能量的防护性能，会受到材料屏蔽范围的扩大发生显著的增加，且表现为低能区上升显著，中能区减弱缓慢，说明二者在射线屏蔽上具有互补的作用。同理，在其他功能粒子的配比实验中，也在1：1的比值下得到了模拟计算的相对优化结果。

以此为基础，选用更多的重金属与稀土氧化物和WO3进行组合优化模拟，光子的能量在0.001～2MeV范围的材料质量衰减系数如图3所示;低能量射线6KeV～100KeV的防护性能如图4所示。

从图3中能够看出功能粒子随着射线能量的增大，质量衰减系统会减小，在高能射线情况下，屏蔽的结果相对较低，并趋于一致，无明显差异，Bi2O3在中等能量范围的防护效果表现最佳。

从图4可以看出，在普通的医疗放射环境下（发射能量较低），各个功能粒子的辐射防护性能表现出比较大的差异，单一粒子出现了单一的吸收峰，同时复合功能粒子防护材料则有两个吸收峰，且变化过程比较平滑，可以体现出不同粒子互补的吸收弱区，特别是稀土元素的K层吸收边恰好位于此范围能量周边，扩大了辐射防护的能量范围。而其它能量范围，防护性能却不能与含有重原子系数的W和Bi的氧化物相比。在特定的辐射环境中，采用以上方案的粒子配比组合制备防护材料，可以在尽可能降低成本的情况下，提高材料的辐射防护性能。另外，从图4中还能看出，WO3做基体混合稀土元素的防护性能在幅度拓宽方面要优于Bi2O3，各类稀土氧化物之间，K层吸收边越是接近WO3，防护幅度拓宽效果越好，因此，如果采用两种相对靠近的粒子互补的辐射防护性能也会更佳。

5  功能粒子對硅橡胶的性能改进模拟实验

实际工作使用时，除了要求所用材料能够很好的实现对核辐射的防护之外，材料本身的综合性能也会对实际应用产生较大的影响。在此，使用实验模拟的方式对柔性的温室硫化硅橡胶复合核辐射防护材料加以模拟与改进，希望在实现防护性能提升的基础上达到使用方便的效果。选用不同组分的钨含量硅橡胶在防护几种常见的具有不同能量梯度，且特征峰差异显著的放射源（241Am：59.6KeV，57Co：122KeV，133Ba：356KeV，137Cs：662KeV，60Co：1173KeV 和 1332KeV）方面的效果模拟实验，结果如图5所示。

从图5来看，当基体中的含钨比例增高时，辐射防护能力提升，尤其是中低能量范围内，质量衰减系数远远大于高能区范围，甚至超越了一个数量级，当钨含量在55phr以内的情况下，增加一定的钨含量比例能够明显提升材料的防护性能，超出这个范围后，钨在提升硅橡胶的防护性能方面的增量开始放缓，可见钨和硅橡胶的防护性能差异显著，硅橡胶以产生康普顿效应为主[11]，但是一定含量范围的钨主要依靠光电效应吸收中低范围能量射线，钨含量超过某个比例时，康普顿效应减弱，防护性能减缓;而在高能量范围内钨的含量对质量衰减系数的影响有限，60Co能量射线和物质以发生康普顿散射效应为主，当出现光电效应时，钨的作用便只体现在产生极少的光电效应上，所以钨的多少对防护性能的影响十分有限;当质量衰减系数持平时，致密度的影响突出，材料的密度越大则其厚度也会明显变小，因此在限制既定的情况下，选用适当的含量不但能够实现优秀的防护能力，而且可以降低材料成本，实现材料应用效率的最大化。

6  结语

应用WinXCom软件首先对金属单质Pb和W进行了光子屏蔽质量衰减系数的模拟计算，接着对重金属氧化物WO3和Bi2O3进行模拟计算，最后对稀土氧化物稀土氧化物Gd2O3、Sm2O3和以WO3为基体的其他重金属氧化物及稀土氧化物的混合进行了相同的模拟运算。目的是得到功能粒子在核辐射防护性能上的最佳组合，从而能够改善核辐射防护材料的材质，制备在特定辐射能量下，能够实现既定要求材料下的防护性能最优的材料。得到的结果为：

（1）对于单质的物质质量衰减系数和辐射能量有很高的相关性，其质量衰减系数会因为辐射能量的增加出现大幅下降的现象;在低能范围下，下降规律呈现指数变化情况，同时表现出明显的吸收弱区，且在高能情况下具有线性衰减趋势。

（2）根据K边吸收区的互补规律，将多种配比的防护功能粒子做优化组合模拟运算，发现组合材料相对于单质粒子的防护性能弱化了吸收弱区，而且两种组合粒子的K边吸收区能量越靠近，其吸收弱区的互补能力越高。

参考文献

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[2] Singh V P， Badiger N M.An investigation on gamma and  neutron shielding efficiency of lead-free compounds and  alloys[J].Indian Journal of Pure & Applied Physics，2016（54）：443-448.

[3] Elmahroug Y， Tellili B， Souga C. Determination of  shielding parameters for different types of resins[J].Annals of Nuclear Energy，2014（63）：619-623.

[4] 张志程，陆春海，陈敏，等.基于MCNP5与WinXCom仿真计算的铋玻璃屏蔽特性研究[J].核技术，2013（11）：5-8.

[5] 杨师俨.尾矿砂豁免标准制定理论研究及辐射防护材料优化设计[D].江苏：南京航空航天大学，2016.

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