工業(yè)X射線探傷機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)探傷作業(yè)中的輻射防護(hù)距離探討

朱 姝，張 鑫，鐘春明

（核工業(yè)230研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

工業(yè)X射線探傷機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)探傷作業(yè)中的輻射防護(hù)距離探討

朱 姝，張 鑫，鐘春明

（核工業(yè)230研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

探討工業(yè)X射線移動(dòng)探傷時(shí)用平方反比定律進(jìn)行計(jì)算得出的防護(hù)距離，和實(shí)際情況相差較大，考慮空氣衰減后，重新估算控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)的防護(hù)距離，估算結(jié)果較為合理，可更好地為X射線移動(dòng)探傷工作人員及監(jiān)測(cè)工作人員在現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)時(shí)作為參考。

X射線現(xiàn)場(chǎng)探傷；防護(hù)距離；空氣衰減

X射線探傷機(jī)在使用時(shí)經(jīng)常存在無(wú)專(zhuān)業(yè)探傷室或被照射的物體過(guò)大或不方便移動(dòng)的情況，由于現(xiàn)場(chǎng)探傷沒(méi)有固定的屏蔽物，對(duì)周?chē)沫h(huán)境會(huì)存在一定的輻射影響。

目前的文獻(xiàn)資料暫無(wú)對(duì)X射線現(xiàn)場(chǎng)探傷安全距離估算給出比較好的計(jì)算方法，《工業(yè)X射線探傷放射衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》［1］（GBZ117－2006）中也未給出現(xiàn)場(chǎng)探傷防護(hù)距離的計(jì)算方法，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：將作業(yè)時(shí)被檢物體周?chē)目諝獗柔寗?dòng)能率大于15 μGy／h的范圍劃為控制區(qū)，探傷作業(yè)人員應(yīng)在控制區(qū)邊界外操作，在其邊界必須懸掛清晰可見(jiàn)的“禁止進(jìn)入X射線區(qū)”警示標(biāo)識(shí)；未經(jīng)許可人員不得進(jìn)入該范圍；在控制區(qū)邊界外將作業(yè)時(shí)空氣比釋動(dòng)能率大于1.5 μGy／h的范圍劃為監(jiān)督區(qū)，在監(jiān)督區(qū)邊界附近不應(yīng)有經(jīng)常停留的公眾成員，在其邊界上必須設(shè)警示標(biāo)識(shí)，并懸掛清晰可見(jiàn)的＂無(wú)關(guān)人員禁止入內(nèi)＂或“當(dāng)心，電離輻射”警告牌，必要時(shí)設(shè)專(zhuān)人警戒。

實(shí)際操作通常是憑經(jīng)驗(yàn)先估算距離，劃好邊界后再進(jìn)行探傷作業(yè)，通過(guò)對(duì)邊界處的實(shí)際輻射劑量進(jìn)行巡測(cè)，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)限值要求對(duì)邊界進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。筆者根據(jù)多年監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)及資料查閱對(duì)X射線現(xiàn)場(chǎng)探傷距離的估算也進(jìn)行了一些探討。

1 不考慮空氣衰減的防護(hù)距離估算

查《輻射防護(hù)手冊(cè)》［2］第一冊(cè)圖4.4d，3 mmCu過(guò)濾的分別在100 kV、200 kV、300 kV的工作高壓下X射線探傷機(jī)距靶1 m處的照射量率（全部以5 mA計(jì)算），再換算成劑量率，用平方反比定律進(jìn)行計(jì)算得出控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)的距離，具體數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 X射線探傷機(jī)無(wú)屏蔽防護(hù)距離估算

由表1可以看出，三種能量輸出的X射線在無(wú)任何屏蔽的情況下，不考慮空氣衰減的情況，其控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)的距離非常長(zhǎng)，300 kV的X射線探傷機(jī)的監(jiān)督區(qū)距離甚至超過(guò)了1 500 m。但X射線探傷機(jī)是根據(jù)被檢工件厚度來(lái)確定工作電壓的，一般在射線方向不存在無(wú)屏蔽照射。

根據(jù)環(huán)保要求，現(xiàn)場(chǎng)探傷必須在射線方向使用鉛屏或工件等進(jìn)行射線屏蔽，表2列出了不同工作電壓在不同的工件屏蔽和加上2 mm鉛屏屏蔽的控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)的距離計(jì)算數(shù)據(jù)。

表2數(shù)據(jù)顯示，在有屏蔽物的情況下控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)的距離大幅縮短，但X射線探傷機(jī)在工作電壓300 kV時(shí)的監(jiān)督區(qū)距離仍然接近500 m。

實(shí)際工作中在較高的工作電壓下，往往監(jiān)測(cè)到的控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)距離要短于估算距離，工作電壓越高，監(jiān)測(cè)到監(jiān)督區(qū)和控制區(qū)的防護(hù)距離和估算距離相差越大。例如實(shí)際工作中監(jiān)督區(qū)半徑基本小于200 m，說(shuō)明在較高的工作電壓下不考慮空氣對(duì)X射線的衰減估算出的防護(hù)距離實(shí)際應(yīng)用意義不大。

表2 工件和鉛屏屏蔽的控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)估算表

2 空氣衰減的防護(hù)距離估算

根據(jù)《美國(guó)無(wú)損檢測(cè)手冊(cè) .射線卷》［3］對(duì) 0.05 meV（大約相當(dāng)100 kV連續(xù)X射線有效能量）、0.10 meV（大約相當(dāng) 200 kV連續(xù)X射線有效能量）和0.15 meV（大約相當(dāng)300 kV連續(xù)X射線有效能量）能量下的空氣衰減系數(shù)（大約值），進(jìn)行了計(jì)算，并估算相應(yīng)的半價(jià)層。

2.1 與計(jì)算相關(guān)的空氣物理參數(shù)

2.1.1 空氣的組成及其組成的質(zhì)量百分比

空氣中N2占78%；O2占21%；Ar2占0.94%。

2.1.2 空氣的密度

空氣的密度大小與氣溫、海拔等因素有關(guān)，海拔越高密度越低，在0攝氏度、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，密度為1.293 kg／m3；

空氣密度＝1.293×（實(shí)際壓力／標(biāo)準(zhǔn)物理大氣壓）×（273.15／實(shí)際絕對(duì)溫度），絕對(duì)溫度＝攝氏溫度＋273.15；

通常情況下，即20℃時(shí)，取1.205 kg／m3，即空氣密度ρ＝0.001 2 g／cm3。

2.2 確定空氣的質(zhì)量衰減系數(shù)

2.2.1 質(zhì)量衰減系數(shù)的定義

質(zhì)量衰減系數(shù)又稱(chēng)射線吸收系數(shù)（absorption coefficient of ray）、質(zhì)量吸收系數(shù)（absorption coefficient of mass）。線衰減系數(shù)大小與介質(zhì)的密度有關(guān)，為了應(yīng)用方便，常使用質(zhì)量衰減系數(shù)（μm）描述單位質(zhì)量介質(zhì)對(duì)射線的衰減，μm＝μ／ρ，其中μ為線衰減系數(shù)，ρ為介質(zhì)密度。

2.2.2 計(jì)算質(zhì)量衰減系數(shù)

計(jì)算混合物空氣的質(zhì)量衰減系數(shù)的方法是各元素質(zhì)量衰減系數(shù)分別乘以其質(zhì)量百分比之和，見(jiàn)公式（1），表3為空氣在100 kV、200 kV、300 kV三種工作電壓下的衰減系數(shù)計(jì)算表。

表3 空氣質(zhì)量衰減系數(shù)計(jì)算表

2.3 計(jì)算線衰減系數(shù)μ、半價(jià)層h

μ等于不同能量下空氣的質(zhì)量衰減系數(shù)（μ／ρ）乘空氣密度（ρ＝0.001 2 g／cm3）

衰減遵循 P＝Po×e（－μT）（μ為線衰減系數(shù)，T為厚度，P和Po分別為透射前后的射線強(qiáng)度），當(dāng)T取半價(jià)層厚度時(shí)P＝1／2Po，代入計(jì)算得，μ＝0.693／Tcm，即半價(jià)層h＝0.693／μ，計(jì)算空氣半價(jià)層數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 空氣線衰減系數(shù)、半價(jià)層計(jì)算表

由表4可知X射線探傷機(jī)的工作電壓從100 kV 到300 kV，空氣的半價(jià)層厚度從29 m到42 m，當(dāng)防護(hù)距離估算值大于空氣半價(jià)層時(shí)空氣的衰減是不可忽略的。

2.4 計(jì)算空氣衰減的防護(hù)距離

同時(shí)考慮X射線探傷機(jī)不同電壓下空氣的半價(jià)層和平方反比定律，見(jiàn)公式（2）：

式中：h1為防護(hù)距離；h0為初始空氣比釋動(dòng)能率距射線口的距離，取1 m；H為空氣的半價(jià)層；X0為初始空氣比釋動(dòng)能率；X1為真空中經(jīng)h1距離衰減后的空氣比釋動(dòng)能率，此處為15 μGy／h和1.5 μGy／h，分別是控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)邊界控制值；X為經(jīng)h1距離空氣衰減后的空氣比釋動(dòng)能率。

式中h0、H、X0、X1為已知量，把不同工作電壓下的空氣半價(jià)層和其他變量值代入公式解方程得到空氣衰減的防護(hù)距離h1，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 有空氣衰減時(shí)無(wú)屏蔽及有工件和鉛屏屏蔽的控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)估算表

有空氣衰減和無(wú)空氣衰減的控制區(qū)和監(jiān)督區(qū)防護(hù)距離對(duì)比如圖1、圖2所示。

圖1 有空氣衰減和無(wú)空氣衰減的控制區(qū)防護(hù)距離對(duì)比圖

圖2 有空氣衰減和無(wú)空氣衰減的監(jiān)督區(qū)防護(hù)距離對(duì)比圖

從表5和圖1、圖2可見(jiàn)，考慮了空氣衰減的防護(hù)距離估算值大大小于未考慮空氣衰減的估算值，工作電壓越高，兩者的防護(hù)距離估算值相差越大，空氣衰減的作用越明顯。反之防護(hù)距離越短空氣衰減作用越弱，10 m以下幾乎可忽略。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為證實(shí)考慮了空氣衰減后的估算值是否適用于現(xiàn)實(shí)工作場(chǎng)所，進(jìn)行了X射線探傷機(jī)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)機(jī)檢測(cè)。在湖南某化工機(jī)械有限公司探傷部，時(shí)間定于傍晚工作人員下班后，使用的探傷機(jī)為XXG－3505型定向X射線工業(yè)探傷機(jī)。為保證檢測(cè)人員的安全，這次檢測(cè)只測(cè)試了有工件和鉛屏屏蔽的防護(hù)距離，所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表6，對(duì)比圖如圖3、圖4所示。

表6 實(shí)測(cè)防護(hù)距離表

圖3 有工件屏蔽的估算值和實(shí)測(cè)值的控制區(qū)對(duì)比圖

圖4 有工件屏蔽的估算值和實(shí)測(cè)值的監(jiān)督區(qū)對(duì)比圖

從圖3、圖4實(shí)測(cè)值和估算值的對(duì)比圖可知，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的防護(hù)距離和考慮了空氣衰減后的理論計(jì)算值吻合非常好。實(shí)測(cè)值和理論值相比略有偏低，防護(hù)距離最大誤差不超過(guò)10 m（初步判斷受空氣中的灰塵及霧霾等因素影響）。

4 結(jié) 論

1.比較了計(jì)算X射線工業(yè)探傷機(jī)現(xiàn)場(chǎng)探傷防護(hù)距離的兩種方法，考慮了空氣衰減后的X射線工業(yè)探傷機(jī)現(xiàn)場(chǎng)探傷防護(hù)距離估算理論值和實(shí)際監(jiān)測(cè)值對(duì)應(yīng)得非常好，可以方便并更加準(zhǔn)確地為X射線移動(dòng)探傷工作人員及監(jiān)測(cè)工作人員在現(xiàn)場(chǎng)劃區(qū)及個(gè)人防護(hù)方面提供幫助。

2.文中計(jì)算給出的是單臺(tái)X射線探傷機(jī)在空曠場(chǎng)所的理論計(jì)算值，沒(méi)有考慮物體（包括外墻）屏蔽與散射迭加。遇到復(fù)雜的探傷現(xiàn)場(chǎng)，一定要在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形、建筑物屏蔽等情況綜合考慮，以確保工作人員及探傷現(xiàn)場(chǎng)公眾的安全。

［1］ GBZ 117－2006，工業(yè)X射線探傷放射衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］ 李德平，潘自強(qiáng).輻射防護(hù)手冊(cè)［M］.北京：原子能出版社，1987.

［3］ 《美國(guó)無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)》譯審委員會(huì)（譯）.美國(guó)無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)，射線卷［M］.北京：世界圖書(shū)出版公司，1992.843－844，1 028－1 040.

Discussion on Industrial X Ray Flaw Detection Machine Radiation
Protection Distance at the Operation Site Flaw Detection

ZHU Shu，ZHANG Xin，ZHONG Chun-ming

（Research Institute No.230，CNNC，Changsha 410007，China）

Discussion on industrial X ray mobile inspection by the inverse square law is used to calculate the protective distance，and the difference among the actual situation.Considering air attenuation，reestimate the control and supervision area protection distance，the estimation results are more reasonable，which can be better for X ray mobile inspection staff and monitoring staff in the field of protection as reference.

X ray flaw detection；protective distance；air attenuation

X837

A

1003－5540（2015）05－0065－03

2015－08－20

朱 姝（1982－），女，高級(jí)工程師，主要從事化學(xué)分析、輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)及實(shí)驗(yàn)室管理工作。