核測井用密封中子源對工作人員的輻射劑量計算

孫笑雨

現(xiàn)代的核測井技術(shù)具有探測精度高、探測周期短、經(jīng)濟性好并且不需要依賴多年地質(zhì)經(jīng)驗的優(yōu)點，是測井技術(shù)發(fā)展的主要方向[1-7]。但是其核心部件—中子源具有放射性傷害，本文主要使用MCNP計算程序?qū)藴y井用中子源跌落后對工作人員的輻射劑量進行計算。為核測井工作人員的輻射防護提供供參考。

本文主要使用基于蒙特卡羅方法的MCNP計算程序?qū)藴y井用中子源及中子源取用、運輸、監(jiān)管的工作人員（包括車輛和倉庫）進行建模。我們可以通過具有強大三維建模功能的MCNP程序建立模型，參考實際工程中的各項參數(shù)完成了MCNP輸入卡的編寫，利用不同的模型獲取到了工作人員受照輻射的原始數(shù)據(jù)。

本文利用MCNP建立了兩個工作事故模型。通過參考實際核測井中子源的能量，建立工作人員誤靠近掉落镅-鈹中子源的模型來模擬工作人員在事故現(xiàn)場（中子源在核測井過程中掉落在地上的事故）受照的情況，計算其受到的輻射劑量；通過參考工程中中子源的運輸情況，建立司機駕駛運輸車模型來模擬計算中子源運輸過程中若跌落在安全罐外后駕駛室司機所受的輻射劑量。

經(jīng)過模擬計算得出的數(shù)據(jù)誤差都在規(guī)定的百分之五以下，可以為工作人員安全施工提供借鑒。

1 工作人員靠近跌落的中子源模型

這個是工作人員靠近在作業(yè)中誤操作掉落的中子源的模型（也可以當作路人靠近遺落核測井用中子源的模型）。因為在核測井作業(yè)中工作人員是通過電氣設備較遠距離操作，所以工作人員作業(yè)時候并不會穿特制的防護服，而是簡單的工作裝。所以將這兩種工作生活中的工況歸為一種模型在這里模擬。

運用MCNP可以比較簡略的模擬出人體的模型。本著盡量貼近現(xiàn)實的簡化原則，人體的骨骼、肌肉、皮膚具有明顯的密度、物質(zhì)差異，所以將人的模型分為內(nèi)、中、外三層。最內(nèi)層就是骨骼層，中間層代表肌肉組織、內(nèi)臟組織，最外層代表著皮膚組織。而人體的三層組織的物質(zhì)組成和大致的幾何層次可以比較容易的在相關資料中查詢出來，將人體這三層結(jié)構(gòu)的平均值分別填充進各自的層次中。如圖1所示，這是MCNP模擬出的簡單的人體模型（中子源由于是點源，在圖中看不到）。

由于現(xiàn)實工作生活中的中子源尺寸和人體相比、和與人的距離相比，尺寸差著近似兩個數(shù)量級，所以在這個模型中可以將柱狀的中子源直接用點源代替。這種幾何上與現(xiàn)實的差距對于運算模擬結(jié)果的精確性沒有太大的影響。經(jīng)過模擬運算后發(fā)現(xiàn)誤差是在允許的范圍內(nèi)[9]。

而源和人中間的距離空間，需要用空氣填充。由于空氣對于中子源放射出的中子具有不能忽視的阻礙作用，所以必須將空氣對中子源的阻礙作用考慮進中子能量衰減過程中?？諝庵薪^大部分都是氧氣和氮氣，所以空氣的含量直接用氮氧成比例表示，就可以相當程度上模擬仿真真實環(huán)境中，中子經(jīng)過空氣照射到人體上的過程中由于空氣的阻礙作用而帶來的能量衰減。

而源和人的中間的距離空間，需要用空氣填充。由于空氣對于中子源放射出的中子具有不能忽視的阻礙作用，所以必須將空氣對中子源的阻礙作用考慮進中子能量衰減過程中?？諝庵薪^大部分都是氧氣和氮氣，所以空氣的含量直接用氮氧成比例表示，就可以相當程度上模擬仿真真實環(huán)境中，中子經(jīng)過空氣照射到人體上的過程中由于空氣的阻礙作用而帶來的能量衰減。

MCNP中模擬計算出的人體所受的輻射劑量是Mev/g，但是在國家標準和我們所熟知的相關規(guī)定中是用Sv/s或者Sv/h來表示人體所受的輻射劑量的。所以在后面的數(shù)據(jù)處理階段，會將MCNP運算出的原始數(shù)據(jù)進行計量單位的換算，再跟國家標準和工作單位的相關規(guī)定進行對比。

在實際工作和生活中，中子源與工作人員的距離并不是一成不變的，所以在這個模型中，工作人員模型和點源的模型間的距離是一個改變的參量。為了更貼近現(xiàn)實生活中工作人員或者路人靠近中子源的時候做受到的輻射劑量，本文選取了一米、一點五米、兩米、兩點五米、三米......到十米這幾個等間距有代表性的距離來代表。

在這個模型中我們用誤差來表示模擬仿真和真實工作生活的模擬相似程度。為了保證仿真的相似度，規(guī)定模擬誤差不能超過百分之五。經(jīng)過十次運算后，原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)如表1所示。

通過對原始數(shù)據(jù)的直觀觀察，我們可以明顯看出，隨著距離越遠，人員所受到的中子源的輻射劑量明顯的呈現(xiàn)下降的趨勢。具體的變化在后面的數(shù)據(jù)處理中會有結(jié)果展現(xiàn)。

表1工作人員靠近中子源模型的MCNP運算結(jié)果

2 司機駕駛運輸車運輸源的模型

圖2客車司機運輸中子源的模型截圖

模型二是模擬的中子源的運輸車在運輸中子源的時候的工況。在現(xiàn)實中，運輸中子源的車輛有嚴格的規(guī)定。但是由于有國家認可的資質(zhì)保管及使用中子源的各種輻射監(jiān)測公司和國家相關事業(yè)單位眾多，車輛的具體型號大小并沒有統(tǒng)一的要求，所以在本模型的模擬中車輛的選擇就選用了中型的卡車（長約5米）。這種型號在實際工作中較為常見，因此具有較強的代表性。從駕駛室工作人員的角度來考慮，其他型號的運輸車輛對模擬仿真人體所受的輻射劑量的影響實際上主要體現(xiàn)在中子源和駕駛室工作人員的距離不同。車輛型號越長越大，那么中子源和駕駛室工作人員的距離越遠，駕駛室工作人員所受劑量就越小，人員就會越安全。為了涵蓋實際運輸中中子源和駕駛室工作人員所受輻射劑量關系，在這個模型中，也取用2米、2.5米、3米、3.5米、4米……8米這幾個代表性的距離進行估算。如圖2所示，用其中一個車輛運輸模型（駕駛室人員和中子源距離5米距離的情況）來展現(xiàn)本模型建立的情況。

由于現(xiàn)實工作生活中的中子源尺寸和人體與車輛的長度相比、和中子源距離人的距離相比，尺寸差著兩個數(shù)量級以上，所以在這個模型中可以將柱狀的中子源直接用點源代替。這種幾何上與現(xiàn)實的近似對于運算模擬結(jié)果的精確性沒有明顯的影響。經(jīng)過模擬運算后發(fā)現(xiàn)誤差是在允許的范圍內(nèi)。

在這個模型中同樣用誤差來體現(xiàn)此模型和真實中子源運輸情況的模擬相似程度。為了保證模型和實際工況的相似程度，規(guī)定模擬誤差不能超過百分之五。為了將模擬誤差降到這個誤差之下，我們將MCNP模擬運算的截斷方式設定為運算時間截斷5分鐘（在MCNP代碼編輯中的代碼為—CTME 5，經(jīng)過試運算，運算截斷時間截斷到5分鐘誤差已經(jīng)降到允許的范圍以內(nèi)）。

車的材料經(jīng)過廣泛的查詢資料，發(fā)現(xiàn)雖然不同型號不同品牌的運輸車輛的材質(zhì)都不盡相同，但是基本的主要材質(zhì)為鐵、鋁、錳、鋼等。而且由于輻射源是中子源，不同于光子源、γ源等源，如果材質(zhì)不同則吸收屏蔽效果就會有明顯的差異。鐵、鋁、錳、鋼都是質(zhì)量數(shù)較大的材料，對于中子的屏蔽效果比較相近，所以車輛的材料就直接選用鐵來表示。如表2所示。

表2車皮材料元素的原子數(shù)、質(zhì)量數(shù)

經(jīng)過MCNP模擬運算后，得出的原始數(shù)據(jù)如表3所示。

3 中子源庫模型

中子源庫模型：此模型模擬的是另外一處場地——源庫。由于現(xiàn)在中子源在儲存庫的取出和放入全部是由電腦操縱機器臂自動存取。機器臂存取中子源存在意外掉落中子源在源庫地面上的情況。在正常情況下，中子源的是存儲在地下的，地下的存儲有完善的鉛屏蔽層，對工作人員的輻射都在安全范圍內(nèi)，但是當出現(xiàn)這種中子源意外掉落在庫內(nèi)地面上的時候，假若沒有及時發(fā)現(xiàn)中子源未安全入庫的情況，那么中子源對庫外監(jiān)守源庫的工作人員的輻射劑量的多少就是未知的。模型四就是模擬的這個事故工況的中子源對庫外監(jiān)守源庫工作人員輻射情況[8]。

表3中子運輸車運輸中子源模型的計算數(shù)據(jù)

由于中子源庫的重要性和安全級別，庫外工作人員基本不會出現(xiàn)無人值守的情況，按正常的一天工作八個小時來估算工作人員受到的中子輻射劑量。由于現(xiàn)實工作生活中的中子源尺寸和常規(guī)中子源庫的大小、跌落中子源與監(jiān)守人員距離相比，尺寸差至少三個數(shù)量級以上，所以在這個模型中也將柱狀的中子源直接用點源代替。這種幾何上與現(xiàn)實的近似對于運算模擬結(jié)果的精確性沒有明顯的影響。經(jīng)過模擬運算后發(fā)現(xiàn)誤差是在允許的范圍內(nèi)。

在這個模型中我們同樣用誤差來體現(xiàn)此模型和真實中子源運輸情況的模擬相似程度。為了保證模型和實際工況的相似程度，規(guī)定模擬誤差不能超過百分之五。為了將模擬誤差降到這個誤差之下，我們將MCNP模擬運算的截斷方式設定為運算時間截斷10分鐘（在MCNP代碼編輯中的代碼為—CTME 10，經(jīng)過試運算，運算截斷時間截斷到10分鐘誤差已經(jīng)降到允許的范圍以內(nèi)）。

墻壁的材料用混凝土填充，常規(guī)混凝土的參數(shù)在混凝土資料中可以查詢到。由于事故發(fā)生的不確定性，跌落中子源與庫外監(jiān)守人員的距離要取多個數(shù)值來模擬。如表4所示。

表4中子源庫模型中中子源、源庫墻壁、監(jiān)管人員間的距離及墻壁厚度

圖3倉庫監(jiān)守人員監(jiān)守倉庫模型的截面圖

中子源放射出的放射性中子，對人體的輻射損傷最大的地方是含水量最多的眼睛部分，而且中子源庫的庫外監(jiān)守工作人員平常監(jiān)守上班期間是不穿鉛衣、不帶防護鏡的，所以為了更好地模擬出人體最易受損的眼睛的輻射劑量，所以這里的人體模型用的是模型一中人體模型（即裸露的人體模型）。

中子源庫的墻根據(jù)使用的建筑材料的不同，各成分的含量都不盡相同，造成的對中子源輻射的屏蔽效果也不一樣。在這里參考了地球巖石圈的成分含量組成填充的中子源庫的墻壁。如圖3所示。

通過MCNP的運算后得到輻射的原始數(shù)據(jù)如表5所示。

表5中子源庫監(jiān)守中子源模型中MCNP運算的數(shù)據(jù)結(jié)果

4 工作人員靠近源模型的數(shù)據(jù)處理

從MCNP運算的能量累積量開始到輻射劑量mSv/s與上文的轉(zhuǎn)化過程一致，需要注意的是每年輻射量的計算。在工作人員靠近中子源的模型中，工作人員在取用中子源的時候有一個過程。首先他們查看中子源是否在儲存裝置中，然后才是取

中子源出來，而且將中子源交給測井人員也需要一個過程。預計每次存取放射源接觸放射源的時間按10分鐘記，每年存取中子源達到200次，則每年接觸放射源的時間在33小時。根據(jù)對存取放射源的過程進行分析工作人員距離中子源2m處(用長柄工具后源與工作人員的距離至少2米)的操作時間總計約為16小時。如表6所示。

表7運輸車運輸中子源模型的數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖4工作人員受到的輻射的輻射劑量率與距離的關系

圖5運輸車運輸中子源模型中輻射盡量率與距離的關系

使用origin7.5對處理后的而數(shù)據(jù)進行擬合如圖4。

取輻射最強的距離2米時候估算一年的輻射劑量為1.617 75×+01這個值已經(jīng)明顯小于國家標準中對輻射崗位工作人員一年所受輻射量不得大于50mSv/a，而且小于五年平均上限20mSv/a.工作人員是安全的。

5 運輸車運輸中子源模型的數(shù)據(jù)處理

假設司機每天運輸一次放射源，時間30分鐘。如表7所示。

使用origin7.5對處理后的而數(shù)據(jù)進行擬合如圖5。

由圖5可知，司機收到的最大輻射量這個值已經(jīng)明顯小于國家標準中對輻射崗位工作人員一年所受輻射量不得大于50mSv/a，而且明顯小于五年平均上限20mSv/a。司機是安全的。