1、a成都理工大学硕士学位论文工业料位计辐射场剂量分布研究申请学位级别：硕士专业：辐射防护及环境保护接要工业料位计辐射场剂量分布研究作者简介：谢斐，男， 1983年 9月生， 2005每 9月师从于成都理工大学核 技术与叁动化工程学院葛良全教授， 2008年 6月毕业于成都理王大学辐射防护 与环境保护专业，获工学硕士学位。摘要随着科学的发展和普及，核技术的优点日益显现，其应用的范围也越来越广， 在国民经济和社会生产中的重要地位越发明显。同时，由核技术的推广和应用所 带来的辐射环境污染问题也日益严重，已经成为制约、限制核技术发展的主要因 素。了解核设施周围辐射剂量场的分布是辐射防护设计工作的前提，具
2、有一定的理论价值和实践指导作用。 本文依据射线与物质相互作用的原理以及料位计的结构特点，设计进行了散射障碍物辐射场分布实验，说明散射障碍物辐射场剂量主要是由散射射线贡献。 同时，依据工业料位计周围辐射场的特点，对料位计辐射场的空气吸收剂量率进 行7多点现场测量。最后，运用McNP蒙特卡罗计算软件，建立了料位计空阕 模型，对料位计周围辐射剂量场进行了模拟计算，并与实测结果进行了对比；通 过模拟实验测量与MCNP理论计算检验，最后得出料位计周围辐射剂量分布规 律。主要研究内容和取得的成果有：(1)依据料位计结构设计散射障碍物实验，研究出料位计辐射场的形成机 理，说明散射障碍物辐射场剂量主要来自散射
3、射线的贡献；(2)通过实际点位测量，得出料位计空间辐射裁量的分布情况：在有放射 源的一侧，存在一个剂量异常区，异常区范围随源的活度增大丽增大。放射源两 个侧后方剂量最高，放射源正后方剂量略小；探测器一侧剂量较小：(3)建立料位计模拟模型，运用蒙特卡罗方法对料位计周围空间辐射剂量 分布进行模拟，模拟结果与实际测量结果符合，仅少数测点偏差较大。分析导致 偏差较大的原因，认为主要是由于仪器测量误差、模型建立误差引起的。(4)依据本次研究成果，建议对料位计的辐射防护设计重点应放在有放射 源的一侧，实际生产中工作人员应该避免在有放射源的一侧对仪器进行操作。建 立更准确的物理模型对料位计周围辐射场剂量分布
4、进行模拟计算，可以弥补实际 测量受环境条件制约的弊端，为辐射防护设计提供更加准确和详细的参考依据。关键词：剂量分布 McNP 软件料位计蒙特卡罗成都毽工大学硕士学位论文R繁 search on industrial LeVel Meter in量 he凇 dia耄 io扛 |ield dos菇 ge distributionIntroduc矗 on of畦： le舭 r： Xiefei， ma差 e， was酗嫩讯 Seemb l 983嫡 ose锕的 r磁瞧 P国怒 ssor(造 li熊瓣黼琏。 b黟舭 d舶勰 C魏 e稳 g&U嫩 Vo蔽够 of融赫 l 杂拶遗黼藏 lti锄 p妁 tec
5、tion m苟 or删剃 g饿 ltcd the M勰鼢 Degree in June， 2008Abs量 raetAs seie黼evel印s鑫嫩pop醢l碰勰s，镪e甜V躐埝ges of艄cle甜钯c虹ology 蛔creasingly eme 堪 e n豫 scope ofits aplplication becomes wider and wider ， and it plays a mo 勰 d more糯 po渤 n专 le 遮 n孤 ona薹 eco躺蠲 7 a趟 soc潍 pfo幽 cti锨。壬 oweV粼黟 e文 n h然搦沁 si如 s。翻德镤 w掐 p懋微 f￥ 舔弘蟹
6、ble戳 of捌 i蕊。爨 poll躐 io鑫 嘲辩姆po叫嚣比蕊 on and use of 也 e nuclI。 ar technology is dcterioratmg day by day and has already become me main fktor of restricting a芏 ld lim磁 ngdevciopment of nuclear谂穗掇 olo豁： Also，量 t融 s at撇 d搬蹒 h蕺埝嫩 io蕻 offesearcA烈瓢 prod醢 r 鑫蘸莲粥 e搭。魏 is嚣 pre愆 q娃 is埝 l摭础 i旋。觳黜 e畦 on designe耀协燃迅
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10、搬 co攀胁趣 rese缎 h c娥嗽 s戚。跳主羹丽糟融 s粼搽岛 llo螨：(1)Ao砖纽 g to也 e她咖 fei搬般 s of融 el M哟 r， we desi黜 d me sc嬲 eringobstle experiment to reveal the main conldbution of sca位 ering ray to也 e field dosagedj也e sc破蛐 g ob艇 ack r鑫diation；(2)AeeQ撼 ing埝瓤爨 e3s毓挖懋 e嫩 of ac纯 a薹 p蛰 i挝，戮曲宅 a耋粼畦 k 攮 s龋 b哦 io毅pa技 em of硎 iation d
11、osage ofLeVel Metcr sp戤 e： on me one si如 of也 e radiation sour ，lIAbstract氇 e愆 afe玎盈 Hs糍 ll dosage镬 s蛹 els谊落 e锄曲嚣 ped level粼 as f艇 s诳 lus磁 ll燕 s镪 ce 试 ereased aS也 e acEvi 姆 of me soufce inereased and it should be due to me influence of the scattering ofmaterial location on rays ； The dosage is relati
12、Vely small because oftlle material absorption on the one side of me detector；(3)We s豉印也e Level Me参娌simulatio魏mo如l a积a辨li甜龇me饿od ofMo疵Carlo to calculate t11e radiation dosage distribmion of space arouIld me Level Mcter 龇 m缸 le results showed that me deviation waS lower thall 20白 Dm the actual measure
13、ment (4)Aceo撼堍约妇羚 s武 of蕊 s跫 se撤 h， we s蝣 ged 像融戚 i蠢。鼗 p峨 ec鼍desi霉阻 sl埘 uld eyes on the one side of the刎 iation source Xeywo砖 s：面 s琴 ge出赋 b醛 on M烈 P so襄嘲 融 el M阳 Mo舭 C碰 oIIl独创性声明本入声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛都堡王太堂或其他教育机构的学位或证粥而使用过的材料。与我一同
14、工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：毒 P硅2。召年 6 月， 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解盛整理王太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阗。本人授权盛整堡至盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫攒等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名： 徽 学位论文作者导师签羔：奄 r修 ，珈器年 6月， J日第 l章弓 |畜第 1章 引 言近年来，由于核辐射所特有的性质，可以实
15、现其他技术手段所难以实现的功 能，所以核技术在国民经济生产的工业、农业、医疗等各个领域都得到了广泛的 应用，为促进各行业的发晨提供了有效的技术支持。例如：辐照制种是核技术在 农业中应用的一个典型例子；在医疗行业核技术的应用随处可见， X射线机、 CT、 “伽玛刀”已经成为人们耳熟能详的医疗设备；密度计、湿度计、料位计等仪器 已经成为众多工监企监在线检测仪器的首选，其同时还具有在线分析、控制的功 能，极大程度上提高了生产效率和产品质量。核技术的应用已经渗透到人们的日常生活中，起着越来越重要的作用。 然而，由于人们缺乏对核技术的正确认识，在心理上对放射性充满了害怕和恐惧，使得核技术在推广的过程中受
16、到了各种阻碍。有些地方的人们甚至谈核色 变，把核技术的概念与核武器等同起来，无形地限制了核技术在国民经济生产中 作用的发挥。这就要求我们在应用核技术的时候要充分考虑核辐射的防护问题， 减小辐射对环境的污染，减小辐射对人翻身体的损害，加强对环境的保护，提升 大众对核科学的认识水平，消除人们对核的恐惧心理，让核技术能更好更快地发 展，为人们的生产生活服务。由予料位计具有在线检测、分析、控制的特点，越来越多的企业为了提高生 产效率焉选择了料位计用于日常生产。料位计是剩雳射线穿过物质时，物质对射 线的吸收，通过测量透射出的射线强度来计算原料厚度的仪器。和其他核仪器一 样，由于物质对射线还具有散射的作用
17、以及仪器不可避免的会泄露一部分的射 线，在仪器周潺将会辐射剂量异常区，的对周圈环境和工作人员具有一定的污染 和危害。因此，研究料位计周围的辐射剂量的分布情况不仅直接关系到环境质量 以及工作人员的身体健康，而且是进行辐射防护设计工作的首要前提。本文通过 实验模拟、实际测量以及蒙特卡罗计算等措施，对料位计周围的辐射翔量分布进 行研究，为生产操作提供建议，防止从业人员接受过量照射，并作为今后防护设 计的参考依据。1重国内外研究现状由于放射性射线的特点以及与物质相互作用的规律，任何放射性核设施在工 作时，都将对其周围的辐射环境产生影响，形成一定范围内的辐射剂量异常区。 料位计是十分常见的核仪器，已经被
18、广泛地应用于水泥厂枫立窑的料位鲁动控制 乜1料位计对环境存在着辐射污染，危害着人们的身体健康。在上个世纪80年代料位计刚应用不久的时候，人们缺乏对料位计的正确认识，不了解料位计周围辐成都理工大学硕士学位论文射场的剂量分布情况，工作人员经常由于操作不当而引起多种放射性职业病。甚 至存在丢失放射源而至今未能找到的事件。进入 21世纪以来，辐射污染更多地 受到人们的关注，各国相继出台各种法规规范涉源仪器的使用。在我国，从2003 年 10月起，国务院决定将放射源和射线装置的审批和监管工作由卫生部门转交 环境保护部门，特别是 2005年 12月国务院第 499号令颁布实施了 放射性同位 素与射线装置安
19、全和防护条例规范了放射源的使用和监管，有效的保护了从业 人员的身体健康。对料位计周围的辐射剂量分布情况的研究以及对料位计进行辐 射防护设计也成为核辐射防护领域的一个热点问题。上个世纪，人们只能通过传统的人工现场测量方法来了解料位计辐射场剂量 分布的情况。这种方法由于受到现场测量条件的制约，不能给出完整的剂量分布 结果；传统的辐射防护设计方法是利用简单的经验公式和表格进行辐射漏射的估 算，未能考虑到物体对射线的散射作用而对环境产生的剂量贡献1，而利用实验 手段确定辐射剂量分布又受制于客观条件，不利于在实际设计过程中利用。随着蒙特卡罗方法在核技术中的应用越来越成熟，许多研究者开始尝试利用 蒙特卡罗
20、方法来研究核仪器周围辐射场剂量分布情况。在此过程中，产生了多种 基于蒙特卡罗方法的运用软件，MCNP就是其中较为流行的模拟软件。MCNP软件 在世界范围内得到了广泛地应用，已用于分析物理实验、反应堆设计、辐射屏蔽、 核仪器设计、计算核临界安全分析、保健物理问题的研究等。它可以很好地用于 跟踪计算、决定辐射剂量、物理实验模拟、宇宙辐射模拟、辐射损伤研究等。在 国内， MCNP程序主要用于核保障技术、核临界、核聚变、反应堆等方面的计算 H。 国内主要是由环境保护部门对料位计辐射场剂量分布进行测量，测量结果多 用于控制工作人员的照射剂量。将蒙特卡罗方法和实际测量结合起来研究料位计辐射场的剂量分布，是
21、辐射防护研究的一个新课题。1 2选题依据与研究意义作者参与了云南省环保局委托四川省核工业地质调查院对云南9个州、市的 涉源单位进行辐射环境影响评价工作，对企业进行了现场的空间各位置辐射剂量 率的测量。实际工作中发现，对料位计的防护方法是应用射线在空气中的衰减， 用增加距源距离来控制操作人员的受照剂量。如果这个控制距离划得过长，虽然 减小了从业人员的照射剂量，确也为工作带来了不便；反之如果距离划得不够， 则会影响到工人的健康。研究料位计周围的辐射剂量分布情况就能有效地把着两 方面的矛盾处理好，达到最优的效果：即方便生产又能确保工人的健康。因此本 次研究具有较强的现实意义。2第 l章引畜梭据本人情
22、况鸯有关条髂，禳援上述顼鬻进行了黧筑井姿料的搜集与整理， 在导师的指导下，充分借鉴已有科研成粜，最终选择 “工业料使计辐射场刹量分 布研究 ”为本 A硕士毕逝论文主要研究内容。3主要王俸与研究内容本文的主要研究内容是料链计瘸围辐射裁量场静分布情况，隽下一步的辐射 防护设计工髂提供饭据，主要工作包括：(羔 )模拟料位计工作原理进行实验测量，初步探明觏律； (2)进行多个料馑计餍圈空气吸收裁量率的现场布点测量，与实验测量结果比较。总结料位计周围辐射剂量分布舰律，分析原因；3) 采震燃 P大型蒙特卡罗计算较俘，建立辩毽计鹩计算模燮，褥巍料位计周围的辐射剂量分布状况图，并与实际测量结果比较。(4)依据
23、研究结果，对企业生产搡律、辐射防护设计以及今爝进一步研究 提爨建议。成都瑾工大学硕士学位论文第二章理论基础2 1环境辐射剂量的来源与水平我们知道，繇境皆的辐射剂量是由于环境中存在着各类放射性射线所产生 的。射线本身带有能量，对人体组织与细胞具有伤害性，伤害性大小与射线产生 匏辐射剂量大小窍关。环境中放射性射线煮天然放 jl砉性射线和人工放射性射线两 种，则环境巾辐射剂量也有两种来源。2。 Il。 环境中的天然辐射剂量的来源环境中天然辐射剂量本赢是由天然放射性射线产生的，主要有字宙射线、字 生放射性核素和原生放射性核素发射的辐射3部分组成。宇宙射线主要来源于地球的於层空间。宇宙射线有初级和次级之
24、分。初级宇 宙射线是搀扶黔层空翔射到地球大气屡戆嵩能辐射。裙级宇宙薯搴线接其来源不 同，又可分必“初级银河系宇宙射线和“初级太阳宇宙射线“。初级宇宙射线主要是高能质子组成(约87)，并伴有10左右的氦核，其余 为少量的重粒子、电子、光子和中微子。初级宇宙射线具有极大的动能，其平均 能量为10捧eV，最大熊量可达王0玲e￥。因此，它们的贯穿熊力极强。次级字害射线是高能初级宇宙射线与大气作用的产物。初级宇宙射线进入大 气时，具有极大能量的粒子与大气中酶原子核发生剧烈的碰撞俸黑，致使原子核 透分五裂，这类核反应一般称为 “敖裂反癜 “或者 “碎裂反应 。散裂反应的产 物有串子、质子、嚣介子、髫介予以
25、及些放射性核素。总的来说，宇宙射线是一种高能量、低强度的辐射。影响宇宙射线强度的三 个重要因素有：海拔高度、纬度和太阳活动。2。1，2环境中辐射剂量的人工来源环境中辐射剂量的人工来源主要是由人工放射性射线产生。人工放射性射线 可以焰纳为两类：一是工泣、医疗、军队、核规艇，或研究霜静放射源衰变产生 豹；二是一般屠民消费用赫，包括含有天然或人工敖射性核素熬产晶，如放射性 发光表盘、夜光表以及彩色电视机所产生的照射。当今，世界人口受到的人工辐射源的照射中，医疗照射居于首位。医疗照射 来源予 X射线，诊断检查，体内辱 |入放射性核素的核医学诊断以及放射治疗过程。 其次，核技术在工业中的应耀耩使用的各类
26、放射源是人们所受辐射剂量来源的重要途径4第二章理论基础另外，核实验在大气中形成的人工放射性物覆是环境广泛受到污染的原嚣， 以及核电站使用的核燃料在产生、使用与回收、核燃料循环的各个阶段均会产生 “三废 ”，也将对周围环境带来一定程度的污染。由此我们可_以看出，久类生活在一个到处充满放射性辐射的空闻。在这个空间中，辐射剂量大小各不相同，对人们身体的影响也各不一样：在没有人工辐射 污染源的区域，人们只接受小剂量的放射性照射，由于人的自身修复能力而并不 会对入的健康形成威胁；而在存在人工辐射污染源的区域，由于接受了额外的放 射性照射，射线对人体鲍损伤超过了人叁身修复的麓力范围，就将对健康造成影 响，
27、甚至威胁生命。接下来，介绍辐射剂量的大小的定义和单位，以及国家对放 射性剂量的限值。2。 2电离辐射的常用单位与限值2。21描述辐射场的量(1) 粒子注量描述辐射场性质最简单的方法就是计算粒子的数目。粒子注量，就是根据入射粒子数的多少来描述辐射场特性的一个量。在单向平行辐射场中，粒子注量咖数值上等于通过与粒子入射方向垂直的平面内单位面积的粒子数。对于曩单向平行辐射场，辐射场中菜一点的粒子注量，是进入以该点为球心的一个小球的粒子数洲除以该球截面积幽丽得的商，即：积妒 2面 (2一 1)粒子注量痧的单位是m-2。事实上，粒子注量多可以理解为进入单位截面积小球的粒子数。 (2) 能量注量能量注量，就是利用辐射场中某点的粒子能量来定量描述辐射场的性质的一个量。进入辐射场中菜一点处的能量注量，是以该点为球心的小球的所有粒子能量(不包括静止能量 )之和媳除以该球截蘧积毖所得的商，帮：缈= 锄 (22)如
