全 文 ：　 核 农 学 报　 ２０１５，２９（１）：０１１３ ～ ０１１８
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ
收稿日期：３０２５ ⁃０５⁃１３　 接受日期：２０１４⁃１０⁃２１
基金项目：公益性行业（农业）科研专项经费（２０１１０３００７），国家高技术研究发展计划项目（“８６３”计划）（２０１１ＡＡ１００８０４），上海市农口系统青年
人才成长计划（２０１４）第 １ － ３ 号
作者简介： 花正东，男，工程师，主要从事辐射环境安全管理。 Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｊａｃｋ＿ｈｕａ９１＠ １６３． ｃｏｍ
通讯作者：陈志军，男，副研究员，主要从事电子束辐照加工工艺的研究与开发。 Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｃｚｊｓｎ＠ １２６． ｃｏｍ
文章编号：１０００⁃８５５１（２０１５）０１⁃０１１３⁃０６
７􀆰 ５ＭｅＶ电子束转轫致辐射的理论研究初探
花正东１ 　 王海宏２ 　 陈志军２ 　 徐　 贇３
（ １ 上海市奉贤区环境监测站，上海　 ２０１４００；２ 上海市农业科学院，上海　 ２０１４０３；
３上海束能辐照技术有限公司，上海　 ２０１４０１）
摘　 要：为研究电子束转轫致辐射的特性，采用 ＦＬＵＫＡ蒙特卡罗程序，研究了 ７􀆰 ５ ＭｅＶ 电子束透过 Ｃｕ、
Ａｇ、Ｗ、Ｔａ、Ｗａｔｅｒ靶的电子、轫致辐射光子的特性，得到了利用轫致辐射进行辐照时的最佳靶厚度，以及
在最佳靶厚度情况下的透射轫致辐射的能量密度分布。 同时对不同束流扫宽情况下的能量利用率进行
了初步探讨。 本研究对 ７􀆰 ５ ＭｅＶ电子束转轫致辐射的靶设计及其辐射加工产业具有一定的理论指导
意义。
关键词：ＦＬＵＫＡ；蒙特卡罗；轫致辐射；电子束
ＤＯＩ：１０􀆰 １１８６９ ／ ｊ． ｉｓｓｎ． １００⁃８５５１􀆰 ２０１５􀆰 ０１． ０１１３
　 　 电子束已被广泛用于食品、医疗用品的灭菌［１ － ２］。
对食品、医疗用品辐照灭菌而言，目前国际上认可的电
子束直接辐照，其能量最高为 １０ ＭｅＶ；采用电子束转
轫致辐射进行辐照时，电子束能量不超过 ５ ＭｅＶ［３］。
２００４ 年美国食品监督局（ＦＤＡ）将转轫致辐射的电子
束能量从 ５ ＭｅＶ 提升到 ７􀆰 ５ ＭｅＶ［４］，但国内允许的轫
致辐射的电子束最高能量为 ５ ＭｅＶ［３，５］。
龙继东等［６］进行过厚靶（钽靶）轫致辐射特性的
数值模拟计算研究。 李进玺等［７］研究了钽和聚乙烯
组成的复合阳极靶对 Ｘ 射线辐射场的影响。 Ｇｒéｇｏｉｒｅ
等［８］在研究 ７􀆰 ５ ＭｅＶ 电子束转轫致辐射装置辐照红
肉时，对红肉中产生的感生放射性进行了评估。
Ｐｅｔｗａｌ等［９］对 ７􀆰 ５ ＭｅＶ电子束入射到钽靶上产生的轫
致辐射的相关数据进行了测量与模拟计算。 目前，对
７􀆰 ５ ＭｅＶ电子束入射到各种常用靶材料上产生的轫致
辐射未有系统研究的文献报道。 为进一步研究 ７􀆰 ５
ＭｅＶ电子束转轫致辐射的辐射特性，本文采用蒙特卡
罗程序 ＦＬＵＫＡ［１０］，模拟计算了 ７􀆰 ５ ＭｅＶ 窄束单能电
子打靶时，透过靶的轫致辐射效率、透射电子效率、透
射比，以及透射轫致辐射能量密度分布和能量利用率。
在电子束转轫致辐射进行辐照时，利用的辐射粒
子为透过靶的光子，即透射轫致辐射。 透射轫致辐射
效率为透过靶的所有光子的总能量与入射电子束初始
动能的比值，其表达式为：
ηｐ ＝
∑Ｅｐ
Ｅｏ
× １００％ （１）
式中 ηｐ 为透射轫致辐射效率； Ｅｐ 为透过靶的光子能
量，单位 ＭｅＶ； Ｅｏ 为入射到靶材料上电子束的初始动
能，单位 ＭｅＶ。 伴随透射轫致辐射的还有电子，称为
透射电子。 透射电子效率表征为：
ηｅ ＝
∑Ｅｅ
Ｅｏ
× １００％ （２）
式中 ηｅ 为透射电子效率； Ｅｅ 为透过靶的电子动能，单
位 ＭｅＶ。 透射轫致辐射效率与透射电子效率的比值
称为透射比 η，见式（３）。
η ＝
ηｐ
ηｅ
（３）
　 　 在利用轫致辐射光子进行辐照时，轫致辐射光子
在受照物品中沉积的能量与入射电子束初始动能的比
值称为能量利用率。
ηＥ ＝
∑ＥＥ
Ｅｏ
× １００％ （４）
３１１
核　 农　 学　 报 ２９ 卷
式中 ηＥ 为能量利用率； ＥＥ 为沉积在受照物品中的能
量，单位 ＭｅＶ。
１　 材料及方法
采用单能窄束电子束的打靶模型，即初始动能为
７􀆰 ５ＭｅＶ的单束电子垂直入射到靶上，在入射电子束
流方向上，记录透过靶的轫致辐射、电子以及轫致辐射
能密度分布。 在模拟计算中，光子的截断能量设置为
５ ｋｅＶ，电子动能截断能量设置为 １０ ｋｅＶ。
靶材料的密度、 电子的连续慢化近似射程
（ＣＳＤＡ）数值 ｄＣＳＤＡ见表 １。 在计算中所采用的靶厚度
值见图 １。 电子的连续慢化近似射程 （ ＣＳＤＡ）数值
ｄＣＳＤＡ取自 ＮＩＳＴ网上数据库［１１］。
表 １　 靶材料密度和 ｄＣＳＤＡ的相关性
Ｔａｂｌｅ １　 Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ａｎｄ ｄＣＳＤＡ
材料
Ｍａｔｅｒｉａｌ
铜
Ｃｕ
银
Ａｇ
钽
Ｔａ
钨
Ｗ
水
Ｗａｔｅｒ
密度 Ｄｅｎｓｉｔｙ ／ （ｇ·ｃｍ － ３） ８􀆰 ９６０ １０􀆰 ５００ １６􀆰 ６５４ １９􀆰 ３００ １􀆰 ０００
ｄＣＳＤＡ ／ ｃｍ ０􀆰 ５４３ ０􀆰 ４６６ ０􀆰 ３０３ ０􀆰 ２６２ ３􀆰 ７８７
图 １　 ηｐ 随靶厚度 ／ ｄＣＳＤＡ的变化关系
Ｆｉｇ． １　 ηｐ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｉｔｈ
ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ／ ｄＣＳＤＡ
２　 结果与分析
２􀆰 １　 透射轫致辐射效率 ηｐ
由图 １ 可知，初始动能为 ７􀆰 ５ ＭｅＶ 的单能电子束
垂直入射到 ５ 种靶材料上，ηｐ随靶厚度 ／ ｄＣＳＤＡ的变化
关系（不同靶材料 ｄＣＳＤＡ数值见表 １）。 ηｐ 最高时，Ｃｕ、
Ａｇ、Ｗ、Ｔａ和 Ｗａｔｅｒ 靶厚度分别为 ０􀆰 ３２６（０􀆰 ６ ｄＣＳＤＡ）、
０􀆰 ２３３ （ ０􀆰 ５ ｄＣＳＤＡ ）、 ０􀆰 １３１ （ ０􀆰 ５ ｄＣＳＤＡ ）、 ０􀆰 １５２ （ ０􀆰 ５
ｄＣＳＤＡ）和 ２􀆰 ６５１ ｃｍ（０􀆰 ７ ｄＣＳＤＡ ），其数值分别为 ９􀆰 １３
％ 、１２􀆰 ４ ％ 、１５􀆰 ７ ％ 、１５􀆰 ４ ％ 、２􀆰 ７４ ％ 。 对于金属靶而
言， ηｐ 的最大值可拟合成如下公式：
ηｐ（ｍａｘ） ＝ ０． ００１ ８０２ＥｏＺ０． ５７ （５）
式中 Ｚ 为靶材料的原子序数。 拟合值与模拟计算值
间的相对偏差绝对值小于 ３􀆰 ０ ％ 。
２􀆰 ２　 透射比 η
如图 ２ 所示不同靶材料中透射比 η 随靶厚度
ｄＣＳＤＡ的变化关系。 Ｗ、Ｔａ 靶的 η 值在 ０􀆰 ７ ～ ０􀆰 ９ ｄＣＳＤＡ
内增加较快，在 ０􀆰 ９ ｄＣＳＤＡ之后增加较为缓慢；Ｃｕ、Ａｇ靶
的 η值在 ０􀆰 ８ ～ １􀆰 ０ ｄＣＳＤＡ内增加较快，在 １􀆰 ０ ｄＣＳＤＡ之后
增加较为缓慢；水靶的 η 值在 １􀆰 ０ ～ １􀆰 ２５ ｄＣＳＤＡ内增加
较快，在 １􀆰 ２５ ｄＣＳＤＡ之后增加较为缓慢。
图 ２　 η随靶厚度 ／ ｄＣＳＤＡ的变化关系
Ｆｉｇ． ２　 η ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｉｔｈ
ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ／ ｄＣＳＤＡ
２􀆰 ３　 η对 ηｐ 的影响
η值越小，透过靶的电子总动能就越高。 若选择
η值较低时对应的靶厚度，将导致受照物品中深度剂
量的不均匀性变大，辐照物品厚度越薄。 η 值越大，透
过靶的电子总动能就越低。 若选择 η值较高时对应的
靶厚度，受照射物品中剂量来之轫致辐射的贡献份额
就越大，深度剂量的均匀性越好，辐照的物品厚度越
厚。 由图 ２ 中可知， η 值应至少大于 １００。 表 ２ 中数
值表示光子能量与电子动能相同时，水对光子的十分
之一减弱厚度与电子射程的比值。 如 １ 个 ＭｅＶ 的光
子在水中产生的吸收剂量约为 １ 个动能，为 １ Ｍｅ的电
子的 １ ／ ７５。
４１１
　 １ 期 ７􀆰 ５ＭｅＶ电子束转轫致辐射的理论研究初探
表 ２　 Ｄ（ｅ） ／ Ｄ（ｐ）值
Ｔａｂｌｅ ２　 Ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ Ｄ（ｅ） ／ Ｄ（ｐ）
光子、电子能量
Ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ／ ＭｅＶ ０􀆰 ５ １ １􀆰 ２５ １􀆰 ５ ２ ３ ５ ７
吸收剂量比值 Ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ Ｄ（ｅ） ／ Ｄ（ｐ） １３５ ７４􀆰 ６ ６３􀆰 ７ ５６􀆰 ６ ４７􀆰 ６ ３８􀆰 ３ ２９􀆰 ８ ２５􀆰 ２
表 ３　 透射粒子分布
Ｔａｂｌｅ ３　 Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐａｒｔｉｃｌｅ
靶材料
Ｍａｔｅｒｉａｌ
ｏｆ Ｔａｒｇｅｔ
粒子类型
Ｐａｒｔｉｃａｌ Ｔｙｐｅ
靶厚度
Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ
ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ／ ｃｍ
能段内粒子的概率 Ｔｈｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｗｉｔｈｉｎ ｇｉｖｅｎ ｅｎｅｒｇｙ ｉｎｔｅｒｖａｌｓ ／ ＭｅＶ
０ ～ ０􀆰 ５ ０􀆰 ５ ～ １􀆰 ０ １􀆰 ０ ～ ２􀆰 ０ ２􀆰 ０ ～ ３􀆰 ０ ３􀆰 ０ ～ ４􀆰 ０ ４􀆰 ０ ～ ５􀆰 ０ ５􀆰 ０ ～ ６􀆰 ０ ６􀆰 ０ ～ ７􀆰 ５
Ｃｕ Ｅｌｅｔｒｏｎ ０． ６０ ｄＣＳＤＡ １． ３１Ｅ⁃０２ ２． １５Ｅ⁃０２ ６． ７６Ｅ⁃０２ ９． ４６Ｅ⁃０２ ６． ９３Ｅ⁃０２ ２． ２６Ｅ⁃０３ ９． ６６Ｅ⁃０６ １． １８Ｅ⁃０６
１． ００ ｄＣＳＤＡ １． ４３Ｅ⁃０３ ９． ４０Ｅ⁃０４ ８． ８２Ｅ⁃０４ ３． ０８Ｅ⁃０４ １． ３６Ｅ⁃０４ ４． ４８Ｅ⁃０５ ７． ２５Ｅ⁃０６ ＜ １． ０Ｅ⁃０６
Ｐｈｏｔｏｎ ０． ６０ ｄＣＳＤＡ ４． ９８Ｅ⁃０１ １． ５９Ｅ⁃０１ １． １９Ｅ⁃０１ ４． ８２Ｅ⁃０２ ２． ３７Ｅ⁃０２ １． ２０Ｅ⁃０２ ５． ４８Ｅ⁃０３ ２． ０２Ｅ⁃０３
１． ００ ｄＣＳＤＡ ３． ７９Ｅ⁃０１ １． ４７Ｅ⁃０１ １． ０９Ｅ⁃０１ ４． ４８Ｅ⁃０２ ２． ２０Ｅ⁃０２ １． １０Ｅ⁃０２ ５． １９Ｅ⁃０３ １． ８９Ｅ⁃０３
Ａｇ Ｅｌｅｔｒｏｎ ０． ５０ ｄＣＳＤＡ １． ２１Ｅ⁃０２ １． ７５Ｅ⁃０２ ５． ２７Ｅ⁃０２ ７． ６２Ｅ⁃０２ ９． ４９Ｅ⁃０２ ４． ７５Ｅ⁃０２ ７． ４７Ｅ⁃０５ ３． ００Ｅ⁃０６
１． ００ ｄＣＳＤＡ １． ８４Ｅ⁃０３ ９． ９２Ｅ⁃０４ １． ０６Ｅ⁃０３ ４． １６Ｅ⁃０４ １． ７６Ｅ⁃０４ ６． ３４Ｅ⁃０５ １． ６２Ｅ⁃０５ １． ８５Ｅ⁃０６
Ｐｈｏｔｏｎ ０． ５０ ｄＣＳＤＡ ４． ６４Ｅ⁃０１ ２． １２Ｅ⁃０１ １． ６１Ｅ⁃０１ ６． ６７Ｅ⁃０２ ３． ３８Ｅ⁃０２ １． ７８Ｅ⁃０２ ８． ７７Ｅ⁃０３ ３． ２８Ｅ⁃０３
１． ００ ｄＣＳＤＡ ２． ９６Ｅ⁃０１ １． ９５Ｅ⁃０１ １． ４６Ｅ⁃０１ ６． ０２Ｅ⁃０２ ３． ０３Ｅ⁃０２ １． ５９Ｅ⁃０２ ７． ７６Ｅ⁃０３ ２． ９９Ｅ⁃０３
Ｗ Ｅｌｅｔｒｏｎ ０． ５０ ｄＣＳＤＡ １． ００Ｅ⁃０２ １． ２１Ｅ⁃０２ ３． ４５Ｅ⁃０２ ４． ６６Ｅ⁃０２ ５． ２２Ｅ⁃０２ ２． ９４Ｅ⁃０２ ４． １１Ｅ⁃０４ ３． ３５Ｅ⁃０６
０． ９０ ｄＣＳＤＡ ２． ６３Ｅ⁃０３ １． ６２Ｅ⁃０３ １． ７８Ｅ⁃０３ ６． ７７Ｅ⁃０４ ２． ４２Ｅ⁃０４ ８． ７７Ｅ⁃０５ ２． ８０Ｅ⁃０５ ２． ６１Ｅ⁃０６
Ｐｈｏｔｏｎ ０． ５０ ｄＣＳＤＡ ３． ６７Ｅ⁃０１ ２． ６７Ｅ⁃０１ ２． ０９Ｅ⁃０１ ８． ７４Ｅ⁃０２ ４． ４８Ｅ⁃０２ ２． ４１Ｅ⁃０２ １． ２５Ｅ⁃０２ ５． １９Ｅ⁃０３
０． ９０ ｄＣＳＤＡ １． ８７Ｅ⁃０１ ２． ３２Ｅ⁃０１ １． ８８Ｅ⁃０１ ７． ８５Ｅ⁃０２ ３． ９７Ｅ⁃０２ ２． １６Ｅ⁃０２ １． １０Ｅ⁃０２ ４． ７８Ｅ⁃０３
Ｔａ Ｅｌｅｔｒｏｎ ０． ６０ ｄＣＳＤＡ １． ９２Ｅ⁃０１ ２． ３３Ｅ⁃０１ １． ８７Ｅ⁃０１ ７． ８０Ｅ⁃０２ ３． ９６Ｅ⁃０２ ２． １３Ｅ⁃０２ １． ０９Ｅ⁃０２ ４． ６７Ｅ⁃０３
１． ００ ｄＣＳＤＡ ２． ４５Ｅ⁃０３ １． ７０Ｅ⁃０３ １． ７９Ｅ⁃０３ ６． ２５Ｅ⁃０４ ２． ６５Ｅ⁃０４ ９． ２１Ｅ⁃０５ ３． １１Ｅ⁃０５ ４． ４９Ｅ⁃０６
Ｐｈｏｔｏｎ ０． ６０ ｄＣＳＤＡ ３． ６８Ｅ⁃０１ ２． ６５Ｅ⁃０１ ２． ０７Ｅ⁃０１ ８． ６２Ｅ⁃０２ ４． ４４Ｅ⁃０２ ２． ４０Ｅ⁃０２ １． ２４Ｅ⁃０２ ５． ２０Ｅ⁃０３
１． ００ ｄＣＳＤＡ １． ８７Ｅ⁃０１ ２． ３２Ｅ⁃０１ １． ８８Ｅ⁃０１ ７． ８５Ｅ⁃０２ ３． ９７Ｅ⁃０２ ２． １６Ｅ⁃０２ １． １０Ｅ⁃０２ ４． ７８Ｅ⁃０３
Ｗａｔｅｒ Ｅｌｅｔｒｏｎ ０． ７０ ｄＣＳＤＡ ３． ４６Ｅ⁃０２ ５． ６６Ｅ⁃０２ １． ９８Ｅ⁃０１ ２． ９３Ｅ⁃０１ ３． ０５Ｅ⁃０２ ９． ４０Ｅ⁃０６ ３． ３６Ｅ⁃０６ ＜ １． ０Ｅ⁃０６
１． ２５ ｄＣＳＤＡ ３． ９０Ｅ⁃０４ ２． ７３Ｅ⁃０４ ２． ４３Ｅ⁃０４ ９． ０２Ｅ⁃０５ ３． ６３Ｅ⁃０５ １． ０７Ｅ⁃０５ ３． ４２Ｅ⁃０６ ＜ １． ０Ｅ⁃０６
Ｐｈｏｔｏｎ ０． ７０ ｄＣＳＤＡ ３． ２７Ｅ⁃０１ ４． ７０Ｅ⁃０２ ３． ４１Ｅ⁃０２ １． ３３Ｅ⁃０２ ６． １３Ｅ⁃０３ ２． ９０Ｅ⁃０３ １． ３２Ｅ⁃０３ ４． ００Ｅ⁃０４
１． ２５ ｄＣＳＤＡ ２． ８４Ｅ⁃０１ ４． ４７Ｅ⁃０２ ３． ２１Ｅ⁃０２ １． ２１Ｅ⁃０２ ５． ８０Ｅ⁃０３ ２． ６７Ｅ⁃０３ １． ２０Ｅ⁃０３ ３． ９３Ｅ⁃０４
　 　 如图 ２ 所示，当 Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔａ、Ｗａｔｅｒ 靶厚度分别
超过 ０􀆰 ５４３ （１􀆰 ０ ｄＣＳＤＡ ）、０􀆰 ４６６ （１􀆰 ０ ｄＣＳＤＡ ）、 ０􀆰 ２３６
（０􀆰 ９ ｄＣＳＤＡ ）、 ０􀆰 ２７３ （ ０􀆰 ９ ｄＣＳＤＡ ）、 ４􀆰 ７３４ ｃｍ （ １􀆰 ２５
ｄＣＳＤＡ）时， η值均已超过 １００，且 η 值的增率相对于靶
厚度增速已明显趋缓。 故从受照物品深度剂量分布的
均匀性而言，Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔａ、Ｗａｔｅｒ 靶厚度应分别取
０􀆰 ５４３、０􀆰 ４６６、０􀆰 ２３６、０􀆰 ２７３、４􀆰 ７３４ ｃｍ，其对应的 ηｐ 分
别为 ８􀆰 ３９ ％ 、１１􀆰 ０ ％ 、１３􀆰 ５ ％ 、１３􀆰 ５％ 、２􀆰 ５０ ％ （图
１）。 在此情况下，将金属靶厚度称为最优靶厚度，对
应的透射轫致辐射效率称为最优透射轫致辐射效率
ηｐ（ｏｐｔ）。对于金属靶而言， ηｐ（ｏｐｔ） 可拟合成如式
（６），拟合值与模拟计算值间的相对偏差绝对值小于
２􀆰 ０ ％ 。
ηｐ（ｏｐｔ） ＝ ０． ００２０２２ＥｏＺ０． ５１ （６）
２􀆰 ４　 透射粒子能量分布
如表 ３ 所示初始动能为 ７􀆰 ５ＭｅＶ的单束电子垂直
入射到 ５ 种靶上，透过靶的电子和轫致辐射光子在各
能段内的粒子数概率。 每种靶材料取两种厚度，即轫
致辐射效率分别为最大和最优时的靶厚度值。
２􀆰 ５　 透射韧致辐射的能量密度分布
如图 ３ 所示初始动能为 ７􀆰 ５ＭｅＶ的单束电子垂直
入射到两种厚度的 Ｃｕ 靶上，透过靶的电子、轫致辐射
５１１
核　 农　 学　 报 ２９ 卷
光子在初始电子束流方向上 ９０ 度内 １ｍ 处的能量密
度分布。 每种靶在两种靶厚度下，即透射轫致辐射效
率为最大、最优时对应的靶厚度，透射电子、透射轫致
辐射光子的能量密度分布趋势与 Ｃｕ 靶的一致。 图 ４
给出了最优靶厚度下，单个初始动能为 ７􀆰 ５ ＭｅＶ 的电
子垂直入射到 ５ 种靶上，透过靶的轫致辐射光子在初
始电子入射方向上 ９０ 度内 １ｍ处的能量密度分布。
图 ３　 距 Ｃｕ靶中心 １ｍ处的能量密度分布
Ｆｉｇ ３　 Ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐａｒｔｉｌｅ ａｔ
ｔｈｅ １ ｍｅｔｅｒ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｃｕ ｔａｒｇｅｔ
由图 ４ 上可版本号，０ 度角时即沿初始电子方向，
透射轫致辐射的能量密度分布值最大；靶的原子序数
越小，能量密度分布的前向性越集中；Ｗ、Ｔａ 的曲线基
本一致。 Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔａ、Ｗａｔｅｒ 靶的透射轫致光子的辐
射能量密度分布值为最大值一半时，其角度分别为：
９􀆰 ５°、９􀆰 ５°、１１°、１１°、７􀆰 １°。
Ｎｏｔｅ： Ｃｕ ＝ １􀆰 ０ ｄＣＳＤＡ，Ａｇ ＝ １􀆰 ０ ｄＣＳＤＡ，Ｗ ＝０􀆰 ９ ｄＣＳＤＡ，
Ｔａ ＝ ０􀆰 ９ ｄＣＳＤＡ，Ｗａｔｅｒ ＝ １􀆰 ２５ ｄＣＳＤＡ ．
图 ４　 透过靶 １ｍ处的轫致辐射能密度分布
Ｆｉｇ ４　 Ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｂｒｅｍｓｓｔｒａｈｌｕｎｇ ａ
ｔ ｔｈｅ １ ｍｅｔｅｒ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｃｕ ｔａｒｇｅｔ
２􀆰 ６　 能量利用率 ηＥ
当受照射物品上表面与轫致辐射靶间的距离为
１５ｃｍ时，不同束流扫描宽度下，初始动能为 ７􀆰 ５ＭｅＶ
的单束电子的能量利用率 ηＥ 见表 ４。 在能量利用率
的计算中，透射轫致辐射能密度分布取图 ４ 数据，受照
物品对轫致辐射能量的吸收系数取 ０􀆰 ９。 从表 ４ 可
知，束流扫描宽度越宽，初始电子动能的能量利用率
ηＥ 越高。
表 ４　 能量利用率 ηＥ
Ｔａｂｌｅ ４　 Ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ηＥ ／ ％
扫描宽度
Ｔｈｅ ｓｃａｎ ｗｉｄｔｈ ／ ｃｍ
铜
Ｃｕ
银
Ａｇ
钨
Ｗ
钽
Ｔａ
水
Ｗａｔｅｒ
２０ ４􀆰 ８４ ６􀆰 ０９ ７􀆰 ２６ ７􀆰 ２５ １􀆰 ７０
３０ ５􀆰 ５７ ７􀆰 ０７ ８􀆰 ５２ ８􀆰 ５０ １􀆰 ８７
４０ ５􀆰 ９４ ７􀆰 ６０ ９􀆰 １８ ９􀆰 １８ １􀆰 ９４
５０ ６􀆰 ２８ ８􀆰 ０６ ９􀆰 ８１ ９􀆰 ７２ ２􀆰 ０３
６０ ６􀆰 ４７ ８􀆰 ３３ １０􀆰 １７ １０􀆰 ０８ ２􀆰 ０７
７０ ６􀆰 ６４ ８􀆰 ５７ １０􀆰 ４４ １０􀆰 ４４ ２􀆰 １０
８０ ６􀆰 ７０ ８􀆰 ６４ １０􀆰 ５３ １０􀆰 ５３ ２􀆰 １１
２􀆰 ７　 双层辐照构想
由图 １、表 ４ 可知，水作为轫致辐射靶时，其透射
轫致辐射效率约为Ｗ、Ｔａ靶的 １ ／ ５，Ａｇ靶的 １ ／ ４，Ｃｕ靶
的 １ ／ ３。 若现有 ７􀆰 ５ ＭｅＶ电子经轫致辐射靶转换后的
轫致辐射可被用于食品辐照，则对于辐照装置而言，采
用双层辐照才是能量利用率的最佳选择，也是比较节
能的 １ 种选择。 即采用 ７􀆰 ５ ＭｅＶ的电子束直接上层传
送带上比较的物品，采用 ７􀆰 ５ ＭｅＶ 电子与上层传送带
上的物品和传送带相互作用产生的轫致辐射对下层物
品进行辐照。
３　 讨论
３􀆰 １　 靶厚度的选择
当初始动能为 ７􀆰 ５ ＭｅＶ的电子束垂直入射到 Ｃｕ、
Ａｇ、Ｗ、Ｔａ、Ａｕ靶材料上时，透射轫致辐射效率值最大
值一般出现在 ０􀆰 ５ ～ ０􀆰 ６ ｄＣＳＤＡ 处，该结果与文献
［１２ － １５］对其他能量电子入射到金属靶上的趋势一
致。 Ｐｅｔｗａｌ等［９］研究指出 ７􀆰 ５ ＭｅＶ 电子入射到 Ｔａ 靶
上时，透射轫致辐射效率的最大值为 １５􀆰 ２ ％ ，该数值
比本文给出的 １５􀆰 ４ ％略小，其差别原因有 ３ 方面，一
是模拟程序不同，其采用 ＭＣＮＰ 进行计算；二是模型
有差异，计算了 ５ 种厚度 Ｔａ 靶，靶厚度从 ０􀆰 ８ 至 １􀆰 ６
６１１
　 １ 期 ７􀆰 ５ＭｅＶ电子束转轫致辐射的理论研究初探
ｍｍ；三是截面数据有差异。
电子束转轫致辐射时，透射轫致辐射效率存在最
大值，但经过上述分析，透射轫致辐射效率的最大值对
应的靶厚度并不是最佳靶厚度。 因为透射轫致辐射效
率最大时，透过靶的电子会严重影响受辐照物品中剂
量分布的均匀性。 因此，从利用轫致辐射进行辐照的
角度而言，靶厚度应选择比透射轫致辐射效率出现最
大值时对应的靶厚度厚。 ７􀆰 ５ ＭｅＶ电子束转轫致辐射
进行辐照时，Ｃｕ、Ａｇ靶厚度应选择 １􀆰 ０ ｄＣＳＤＡ，Ｗ、Ｔａ、Ａｇ
靶厚度应选择 ０􀆰 ９ ｄＣＳＤＡ。
３􀆰 ２　 感生放射性的考虑
国际标准化组织 ＩＳＯ２００６ 年发布的 １１１３７ 号标准
第一部分［５］中规定，Ｘ 射线进行辐照时能量不得高于
５ ＭｅＶ，其主要考虑的因素是光子能量高于 ５ ＭｅＶ 可
能导致受照食品中产生活化现象。 前人对 ７􀆰 ５ ＭｅＶ
电子束转轫致辐射辐照的安全性进行了分析，认为电
子束转轫致辐射进行辐照的电子束能量从 ５ ＭｅＶ 提
高到 ７􀆰 ５ ＭｅＶ 产生的感生放射性问题是可接受
的［８ － ９］。 由表 ３ 可知，０ ～ ６􀆰 ０ ＭｅＶ、６􀆰 ０ ～ ７􀆰 ５ ＭｅＶ 能
量段内光子的概率将有助于进一步研究 ７􀆰 ５ ＭｅＶ 电
子加速器转轫致辐射进行食品辐照的活化问题。 从保
守角度而言，可以认为概率在能段内服从均匀分布，如
平均 １ 万个初始动能为 ７􀆰 ５ ＭｅＶ的电子入射到 Ｃｕ 靶
（１􀆰 ０ ｄＣＳＤＡ）上时，透过靶的 ５ ～ ６ ＭｅＶ 内光子的总数
约为 ５２ 个，则 ５􀆰 ５ ～ ６ ＭｅＶ的光子总数约为 ２７ 个。 以
此类推，可以计算出每个小能段内的光子数，然后查阅
相关核素的光核反应阈值及截面数据［１６ － １７］和辐照物
品中的核素组成［１８ － ２０］，可以估算出受照物品中活化的
相关数据。
３􀆰 ３　 能量利用率
一般情况下描述电子加速器的轫致辐射转换率指
透射轫致辐射效率为最大时的效率值，但在实际辐照
过程中使用的效率为电子束的能量利用率，即初始电
子能量转化为轫致辐射，且被利用的部分才是有用的。
因此，在本文中还给出了不同束流扫描宽度下的能量
利用率。 由表 ４ 可知，能量利用率随扫描宽度的增加
而增加，但增速趋缓。 在利用电子束转轫致辐射进行
辐照时，辐照物品的厚度一般小于该物品对韧致辐射
的十分之一减弱厚度值。 故从理论上而言，能量利用
率的上限值为式（６）计算值的 ９０％ 。 ７􀆰 ５ ＭｅＶ 电子束
分别经 Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔａ、Ｗａｔｅｒ靶转轫致辐射对应的能量
利用率上限分别为 ７􀆰 ５５ ％ 、９􀆰 ９０ ％ 、１２􀆰 ２ ％ 、１２􀆰 ２
％ 、２􀆰 ２５ ％ 。
由图 １、表 ４可知，水作为轫致辐射靶时，其透射轫
致辐射效率约为 Ｗ、Ｔａ 靶的 １ ／ ５，Ａｇ 靶的 １ ／ ４，Ｃｕ 靶的
１ ／ ３。 对于 ７􀆰 ５ ＭｅＶ 电子束转轫致辐射的辐照装置而
言，采用双层辐照才是能量利用率的最佳选择。 即采用
７􀆰 ５ ＭｅＶ的电子束直接辐照上层传送带上的物品，采用
７􀆰 ５ ＭｅＶ电子束与上层传送带上物品和上层传送带相
互作用产生的轫致辐射对下层物品进行辐照。
４　 结论
本文采用 ＦＬＵＫＡ 蒙特卡罗程序模拟了 ７􀆰 ５ ＭｅＶ
电子束入射到不同厚度的 ５ 种材质的靶上，透过靶的
轫致辐射、电子特性，并与前人研究结果进行了对比、
分析，得出以下主要结论：电子束转轫致辐射时，最佳
轫致辐射效率对应的靶厚度并不适合直接用于辐照加
工；７􀆰 ５ ＭｅＶ电子束转轫致辐射进行辐照时，Ｃｕ、Ａｇ 靶
厚度应选择 １􀆰 ０ ｄＣＳＤＡ，Ｗ、Ｔａ、Ａｇ 靶厚度应选择 ０􀆰 ９
ｄＣＳＤＡ；在利用电子束转轫致辐射进行辐照时，７􀆰 ５ ＭｅＶ
电子束分别经 Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔａ、Ｗａｔｅｒ靶转轫致辐射对应
的能量利用率上限分别为 ７􀆰 ５５ ％ 、９􀆰 ９０ ％ 、１２􀆰 ２ ％ 、
１２􀆰 ２ ％ 、２􀆰 ２５ ％ 。
轫致辐射可能导致受照物产生辐化现象［２１ － ２５］。
为解决将电子束转轫致辐射时的电子束能量从 ５ＭｅＶ
提升至 ７􀆰 ５ＭｅＶ所带来的活化问题，本文给出了透射
轫致辐射光子在各能量段内的分布概率，初步提出了
７􀆰 ５ ＭｅＶ 电子束转轫致辐射进行辐照的活化研究思
路，为今后进一步开展此方面的研究工作提供了基础。
本文还讨论了束流扫描宽度对能量利用率的影
响，指出采用双层辐照（上层采用电子束直接辐照，下
层采用轫致辐射进行辐照）是一种提高电子束能量利
用率的有效方法。
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Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ ｏｆ ７􀆰 ５ ＭｅＶ
ＨＵＡ Ｚｈｅｎｇｄｏｎｇ１ 　 ＷＡＮＧ Ｈａｉｈｏｎｇ２ 　 ＣＨＥＮ Ｚｈｉｊｕｎ２ 　 ＸＵ Ｙｕｎ３
（ １Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｅｎｇｘｉａｎ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１４００；２Ｓｈａｎｇｈａｉ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ
Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｓｈａｎｇｈａｉ　 ２０１４０３；３Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｓｈｕｎｅｎｇ Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ． Ｌｔｄ， Ｓｈａｎｇｈａｉ　 ２０１４０１）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ＦＬＵＫＡ Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ ｃｏｄｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｂｒｅｍｓｓｔｒａｈｌｕｎｇ ｅｍｉｔｔｅｄ ｆｒｏｍ ｖａｒｉｏｕｓ ｔａｒｇｅｔｓ ｓｈｏｔ ｂｙ
７􀆰 ５ ＭｅＶ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍｓ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｈｏｔｏｎ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ， ｐｈｏｔｏｎ ｆｌｕｘ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｂｒｅｍｓｓｔｒａｈｌｕｎｇ ｗｅｒｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔｓ． Ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｂｅａｍ ｓｗｅｅｐ ｗｉｄｔｈ， ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｗａｓ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｈａｓ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｇｕｉｄｉｎｇ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｆｏｒ ｔａｒｇｅｔ
ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｂｒｅｍｓｓｔｒａｈｌｕｎｇ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ｆｒｏｍ ７􀆰 ５ ＭｅＶ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ ｂｅａｍｓ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｆａｃｉｌｉｔｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＬＵＫＡ， Ｍｏｎｔｅ ｃａｒｌｏ， ｂｒｅｍｓｓｔｒａｈｌｕｎｇ， ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ
８１１