樊新勝，朱松林，張瑞麗

(成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動化工程學(xué)院,四川 成都 610059)

目前,γ射線的防護(hù)問題仍不可忽視[1].尤其在輻射比較強的地方,在進(jìn)行屏蔽設(shè)計時需要考慮“輻射防護(hù)最優(yōu)化”的原則.關(guān)于屏蔽材料的吸收系數(shù)研究主要通過蒙特卡羅方法模擬和實驗室測量進(jìn)行,其中使用蒙特卡羅方法測量吸收系數(shù)居多,蒙特卡羅方法適用的是一種理想條件下的情況,其所得到的結(jié)果作為參考值,該方法擁有快速簡便的特點[2].但關(guān)于新型屏蔽材料的實體樣品測量中常常涉及組分混合均勻度的問題,在樣品組分均勻度不一致的情況下,若要得到該樣品實際的吸收系數(shù)就需要進(jìn)行多點測量來盡可能獲取多組數(shù)據(jù).在這樣的情況下,單單依靠蒙特卡羅方法不能夠達(dá)到獲取非均勻?qū)嶓w樣品吸收系數(shù)的目的.因此,模擬之外的實驗測量就顯得尤為重要,實驗測量結(jié)果往往與蒙特卡羅方法得到的參考值進(jìn)行對比分析[3].通過伽馬能譜中特征峰對屏蔽材料的吸收系數(shù)進(jìn)行測量和計算,在數(shù)據(jù)處理后獲得測量值.隨著輻射防護(hù)的觀念深入,新型屏蔽材料在滿足各項物理化學(xué)特性需求的同時也帶來了材料組分非均勻分布對實際測量的影響問題,有必要針對實驗測量中的不均勻性問題提供一個可行的測量線性吸收系數(shù)的方法.為了讓測量得到材料的線性吸收系數(shù)更準(zhǔn)確,一般利用窄束的效果來減少散射的影響.

研究采用γ能譜中單色能量放射性源引起的特征峰(全能峰)對一種新型非均勻屏蔽材料進(jìn)行測量研究.首先通過MCNP模擬,得到最優(yōu)的窄束孔徑,之后再利用MCNP模擬實驗?zāi)Ｐ?且驗證模型的可靠性.通過MCNP模型搭建實驗平臺且進(jìn)行實驗測量,將測得的能譜用于屏蔽材料的屏蔽系數(shù)研究,探究此法對于今后的非理想和非均勻狀況下屏蔽材料的吸收系數(shù)獲取的可行性.

1 基本原理與模型建立

1.1 基本原理

當(dāng)γ射線穿過一定厚度的物質(zhì)時,與物質(zhì)相互作用主要包含三種，光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)[4].這三種作用過程都會產(chǎn)生經(jīng)吸收體散射而來的光子,進(jìn)入探測器造成測量誤差.因此,本文采用窄束射線孔,消除散射光子的影響.

當(dāng)不考慮散射的影響時,其吸收公式[5-6]為

I=I0e-μd,

(1)

其中，I為γ射線出射強度;I0為γ射線入射強度;d(cm)為屏蔽材料的厚度;μ(cm-1)為屏蔽材料的線性吸收系數(shù).線性衰減系數(shù)為

(2)

其中，ρ(g·cm-3)為屏蔽材料的密度，μm(cm2·g-1)為屏蔽材料的質(zhì)量衰減系數(shù).對于混合化合物的質(zhì)量衰減系數(shù)應(yīng)由各元素加權(quán)[7]得到

μm=∑wi(μm)i,

(3)

其中,wi和(μm)i分別是第i個組成元素的重量分?jǐn)?shù)和質(zhì)量衰減系數(shù).

1.2 模型建立

基于窄束射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律,設(shè)計的吸收系數(shù)測量方案如圖1所示,用MCNP構(gòu)建的幾何模型如圖2所示,CS137體源發(fā)出的γ射線通過窄束孔徑到達(dá)樣品,在達(dá)到樣品之前設(shè)置F2卡進(jìn)行γ射線通量計數(shù)用來分析窄束對于散射的屏蔽效果,與樣品發(fā)生相互作用后經(jīng)過窄束準(zhǔn)直沉積到高純鍺探測器上通過F8卡得到γ射線沉積概率.根據(jù)線性衰減系數(shù)的定義對材料的線性衰減系數(shù)進(jìn)行計算.粒子數(shù)為1E9,分析窄束孔徑對散射的影響以及利用多點測量法得到非均勻重晶石混凝土的線性吸收系數(shù).

圖1 窄束射線吸收系數(shù)測量方案 圖2 實驗裝置模型模擬圖

2 窄束孔徑的選擇

無論在實驗還是模擬中,伽馬射線的散射效應(yīng)都是一個重點關(guān)注的問題[7],為了盡可能屏蔽掉散射效應(yīng),一般采用窄束射線.而窄束的概念是一個相對大小,一般認(rèn)為在孔徑大小降低到遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)備的大小時,就能有效地屏蔽掉散射效應(yīng)帶來的影響.在不同大小的窄束中,對于散射的屏蔽效應(yīng)是不同的.因此,針對不同窄束孔徑的研究是很有必要的.利用MCNP模擬0.2 cm～10 cm的孔直徑,得出對應(yīng)的散射效應(yīng)情況.結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同孔徑的散射強度

由圖3可以得到,隨著孔徑的逐漸縮小,其散射概率也是逐漸減小的,當(dāng)孔徑縮小到1 cm后,散射概率的減小幅度開始變緩.因此,考慮到實驗幾何布置的局限性,孔徑設(shè)置為0.4 cm,既能有效地屏蔽掉散射效應(yīng),又能方便實現(xiàn)實驗的幾何布置.

3 MCNP模擬結(jié)果

Fe、Cu、Al和重晶石混凝土的MCNP模擬結(jié)果情況分別如圖4～圖7所示,得到其線吸收系數(shù)結(jié)果，如表1所示.

圖4 純鋁材料MCNP模擬結(jié)果 圖5重晶石混凝土MCNP模擬結(jié)果

圖6 純鐵材料MCNP模擬結(jié)果 圖7重晶石混凝土MCNP模擬結(jié)果

表1 四種已知材料的MCNP模擬[8] 線吸收系數(shù)μ(cm-1)

由表1數(shù)據(jù)可知,模擬值與參考值誤差都在2%以內(nèi),可見模擬的結(jié)果是相當(dāng)精確,模擬使用的模型也可以用于實驗測量.

4 實驗測量

測量平臺如圖8所示,其中探測器采用Detective-DX-100型高純鍺伽馬能譜儀.為驗證所建模型的測量效果,在Fe、Cu、Al和重晶石混凝土四種材料中隨機抽選Fe進(jìn)行實測.鐵厚度參數(shù)如圖9.

圖8 測量平臺 圖9 鐵板(片)厚度參數(shù)

由于室內(nèi)測量采用的Q235鐵板為含有一定量其他元素的合金,其吸收系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)使用混合物(化合物)質(zhì)量吸收系數(shù)計算式對質(zhì)量吸收系數(shù)進(jìn)行修正然后換算為線吸收系數(shù).Q235鐵板材料成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2,實際測量能譜137Cs全能峰信息如下圖10所示.

表2 Q235鐵板材料成分

圖10 137Cs特征峰在鐵不同厚度下的計數(shù)

鐵板材料的線吸收系數(shù)參考值為0.5823 cm-1,測量結(jié)果擬合值為0.5890 cm-1,二者之間相對誤差為1.15%.使用該實驗裝置平臺對鐵關(guān)于0.662 MeV能量下光子屏蔽數(shù)據(jù)曲線擬合狀況良好.所以利用該實驗裝置對新型重晶石混凝土進(jìn)行線吸收系數(shù)測量.新型重晶石混凝土樣品如圖11所示.從樣品圓盤上選取三個對稱的幾何位置作為三個測量點,如圖12所示.圍繞這三個幾何位置分別測量其吸收系數(shù),結(jié)果如圖13、圖14和圖15所示.

圖11 新型重晶石混凝土樣品

圖14 樣品點2測量結(jié)果 圖15 樣品點3測量結(jié)果

新型重晶石混凝土材料為重晶石混凝土與結(jié)構(gòu)性鋼材,具體重晶石成分配比官方未公布.在此,將該種樣品的實驗測量擬合結(jié)果與常見伽馬射線屏蔽材料進(jìn)行對比,由表3可知測量的新型重晶石混凝土對γ射線的屏蔽效果一般,雖然好于普通混凝土,但比起重晶石混凝土,鐵板等屏蔽材料還有不及.對于不均勻樣品,采用多點測量法,有效消除不均勻性帶來的對測量結(jié)果的影響.

表3 測量樣品與部分防輻射屏蔽材料線吸收系數(shù)比較 線吸收系數(shù)μ(cm-1)

5 結(jié)論

在遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)備大小的同時,利用模擬的優(yōu)勢獲得最優(yōu)的窄束效果,得到最合適的窄束孔徑.建立模型得到Cu、Fe、Al和重晶石混凝土的線性吸收系數(shù).以此基礎(chǔ)建立實驗裝置,針對非均勻新型重晶石混凝土,利用多點測量法得到線性吸收系數(shù),為不均勻材料提供一種測量方法.測量結(jié)果顯示,多種組分構(gòu)成的混合物輻射屏蔽材料由于自身的不均勻性確實會導(dǎo)致各幾何位置的實際伽馬射線屏蔽能力有所不同.本文中,新型重晶石混凝土的三個幾何測點的線吸收系數(shù)μ分別為0.2042 cm-1、0.2080 cm-1、0.2074 cm-1,三者之間最大相差1.8%.若要將此材料投入實際生產(chǎn),組分分布均勻程度仍需關(guān)注.