电子辐照灭菌中剂量深度分布的分析

自2001年”9.11”事件以来，美国发生多起邮件夹带炭疽事件,已证实有17宗感染个案,其中多人死亡。应用传统的生物方法通过细菌培养检验检疫炭疽杆菌[1],耗时长,效率低,不适应邮件处理集中且处理量大的部门进行检验、检疫和杀灭炭疽杆菌的需要。利用加速器高能量电子束辐照物件可以达到灭菌消毒目的[2]。世界卫生组织(WHO)指出,对芽孢类细菌进行辐照灭菌消毒的致死剂量范围为10～50kGy[3]。清华大学与清华同方威视技术股份有限公司联合研制的电子束灭菌邮件安全系统,利用能量4.5 MeV、功率2 kW的电子束,在25 kGy的剂量下,可有效、彻底地杀灭各类信函类邮件中包括炭疽杆菌芽孢在内的各种细菌[4,5],确保邮件、文件对人员和场所无任何侵害。

对受辐照邮件来说,分析电子束辐照纸张时的剂量深度分布以及电子束能量、衬底材料等对剂量深度分布的影响,对电子辐照灭菌项目的理论计算、系统设计具有重要的参考价值。用实验测量的方法研究剂量深度分布,结果准确可靠,但是需要完备的实验设备和较长的实验时间;而应用Monte Carlo(MCNP)程序模拟计算电子束剂量深度分布,方便快捷,并且将程序模拟的剂量深度分布的数据与实验测量值比较发现,二者基本符合。

MCNP是美国Los Alamos国家实验室开发的大型多功能通用Monte Carlo程序,可以计算中子、光子和电子的联合输运问题以及临界问题。中子能量范围为10～20 MeV,光子和电子的能量范围为1keV～1 GeV。程序具有灵活的几何处理能力,元素和介质材料数据齐全,含有简单可靠又能普遍适用的抽样技巧,参数通用化,使用方便,并且具有较强的绘图功能[6]。

1　MCNP模拟计算

1.1　计算方法描述

在使用MCNP进行模拟计算时,一是要模拟对象材质的描述,二是要模拟对象几何结构的描述。描述模拟对象的材质的参数包括:密度、组成元素的种类和数目、以及化合物中各原子数目比或者混合物中各元素的质量分数。本文所模拟的复印纸含有25%的高岭土,密度为0.8g/cm3,材质的质量分数如表1所示。聚苯乙烯(polystyrene)分子式为(C8H8)n,密度为1.08g/cm3,其中C、H的质量分数分别为0.923 1和0.076 9。

模拟计算的空间几何用Descartes坐标系描述。受辐照的材料尺寸为xyz=15cm×15cm×3cm的长方体,它被一系列平行于各个坐标轴的平面分割成6 750个1 cm×1 cm×0.1 cm的长方体单元,如图1所示。由各个小体元中能量沉积的绝对值可以得到各个点的剂量值。呈Gauss分布的电子束辐照在xoy平面的中心,电子束的能量、束斑大小和辐照角度可以任意调整。对正中心的体元进行取样,可分析受电子束辐照后剂量随深度的分布参数。