鉛屏蔽效果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

王吉

摘 要：在輻射防護(hù)工作中，鉛屏蔽是最常用的輻射防護(hù)手段之一。對(duì)于鉛屏蔽的實(shí)際屏蔽效果，實(shí)際效果與理論值存在較大偏差，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到三門核電鉛皮和鉛衣的屏蔽效果，并通過(guò)γ光子與物質(zhì)的相互作用，很好地解釋了鉛屏蔽實(shí)際效果與理論數(shù)值存在偏差的原因，對(duì)輻射防護(hù)屏蔽搭設(shè)及屏蔽防護(hù)的評(píng)估具有很好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：鉛皮;鉛衣;γ光子與物質(zhì)的相互作用

中圖分類號(hào)：TD954 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）01-0224-02

0 引言

鉛屏蔽是輻射防護(hù)降低外照射最重要的手段之一，比如用于屏蔽搭設(shè)的鉛皮，高輻射場(chǎng)工作人員穿戴的鉛衣。至于具體的鉛屏蔽效果，輻射防護(hù)常用半減弱厚度來(lái)計(jì)算，半減弱厚度就是將γ射線的照射量率、吸收劑量率、比釋動(dòng)能率或注量率等減弱一半所需屏蔽層的厚度。由于Co-60為核電廠最常見(jiàn)的特征核素之一，且其能量較高，鉛屏蔽效果預(yù)估常用Co-60的半減弱厚度12mm作為依據(jù)[1]。但是在實(shí)際工作中，發(fā)現(xiàn)一層鉛皮（5mm）的屏蔽效果就有可能達(dá)到50%，比如在三門核電1號(hào)機(jī)組化容系統(tǒng)下泄流熱交換器的筒體屏蔽工作中，屏蔽前熱點(diǎn)最高劑量率約為3mSv/h，一層鉛皮屏蔽后，其最高劑量率約為1.5mSv/h。

另一方面，考慮到散射的影響，寬束γ射線在物質(zhì)中的減弱規(guī)律可用下式表示：

其中，N和N0分別當(dāng)做加屏蔽和未加屏蔽時(shí)，所考慮的那一點(diǎn)的劑量率，B是描述散射光子影響的物理量，μ為線性衰減系數(shù)，R為屏蔽層厚度。假設(shè)射線能量為1MeV，將累計(jì)因子B分別采用常用的經(jīng)驗(yàn)公式泰勒公式（式2）和伯杰公式（式3）展開(kāi)，經(jīng)查表可得，5mm鉛皮的屏蔽效果分別為36.7%和22.5%[2]。

故本文利用電子式個(gè)人劑量計(jì)EPD的連續(xù)測(cè)量功能，加不同厚度的鉛皮和鉛衣，從而得到他們?cè)诓煌椛鋱?chǎng)的屏蔽效果。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)介紹

用傳統(tǒng)的γ劑量率儀測(cè)量屏蔽前后管道或者設(shè)備的同一處劑量率，往往存在如下問(wèn)題：γ劑量率儀表波動(dòng)較大，鉛皮沒(méi)有好的固定方式，其他未屏蔽的管道對(duì)測(cè)量點(diǎn)的影響較大，測(cè)量點(diǎn)位置保持不變難度較大，人員所受劑量相對(duì)較高等問(wèn)題。

故本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：在劑量率較高的廠房，將電子式個(gè)人劑量計(jì)EPD放置在地面上，每隔10分鐘獲得該時(shí)段的累計(jì)劑量數(shù)據(jù)，獲取約10組數(shù)據(jù)后，對(duì)這些數(shù)據(jù)取平均值D0。然后分別鋪上一層、二層、三層、四層鉛皮，分別獲取不同鉛皮層數(shù)下的10分鐘劑量平均值DP1、DP2、DP3、DP4，最后通過(guò)公式（D0-Dpi）/D0獲得i層數(shù)鉛皮的屏蔽效果。同理，按照上述步驟可獲得一層鉛衣和二層鉛衣的屏蔽效果。

1.2 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)

考慮到劑量的有效計(jì)數(shù)及統(tǒng)計(jì)誤差，可達(dá)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的劑量率越高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確。故本實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選取在三門核電2號(hào)機(jī)組除鹽床/過(guò)濾器間2-12151和1號(hào)蒸汽發(fā)生器下部人孔區(qū)域2-11301。

2-12151主要放射性設(shè)備包括乏燃料池冷卻系統(tǒng)（SFS）凈化除鹽床2臺(tái)，過(guò)濾器2臺(tái)和核島液體廢物系統(tǒng)（WLS）離子交換器4臺(tái)，過(guò)濾器2臺(tái)，EPD放置位置劑量率約為250μSv/h，2-11301主要放射性管道及設(shè)備包括蒸汽發(fā)生器1臺(tái)，熱段管道1條，冷段管道2條，穩(wěn)壓器波動(dòng)管1條，ADS4爆破閥管線2條，EPD放置位置劑量率約為25μSv/h。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.3.1 鉛皮數(shù)據(jù)

用兩組EPD同時(shí)測(cè)量鉛皮的屏蔽效果，10分鐘劑量平均值（μSv）如表1所示。

則不同層鉛皮在2-12151和2-11301的平均屏蔽效果，如表2所示。

1.3.2 鉛衣數(shù)據(jù)

用兩組EPD同時(shí)測(cè)量鉛衣的屏蔽效果，10分鐘劑量平均值（μSv）如表3所示。

則不同層鉛衣在2-12151和2-11301的平均屏蔽效果，如表4所示。

從以上可以看到，2-12151鉛的屏蔽效果要好于2-11301鉛的屏蔽效果，在以上兩個(gè)房間的屏蔽效果均要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于Co-60在鉛中的半減弱層效果。

2 特征核素的屏蔽效果和廠房的譜圖測(cè)量

Canberra公司開(kāi)發(fā)的三維屏蔽計(jì)算軟件（mercurad）能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景建立3D模型，然后定義放射源的情況，最終通過(guò)其內(nèi)部計(jì)算引擎得到給定點(diǎn)的劑量率，在建模過(guò)程中加入指定屏蔽，能夠通過(guò)屏蔽前后的劑量率數(shù)值給出屏蔽效果。

三門核電2號(hào)機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行的主要特征核素為Co-58和Co-60，通過(guò)三維屏蔽計(jì)算軟件（mercurad）計(jì)算，5mm鉛對(duì)Co-58和Co-60的屏蔽效果分別為27.9%和15.6%。

在2-12151和2-11301用便攜式LaBr譜儀進(jìn)行譜圖分析，2-12151所測(cè)位置基本為散射光子，沒(méi)有明顯的特征峰，而2-11301有非常明顯的Co-58和Co-60放射性核素特征峰。

3 原因分析

γ光子與物質(zhì)的相互作用主要包括光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)。光電效應(yīng)是指γ光子與靶物質(zhì)原子相互作用，γ光子中的全部能量轉(zhuǎn)移給原子中的束縛電子，使這些電子從原子中發(fā)射出來(lái)，γ光子本身消失?？灯疹D效應(yīng)是指入射γ光子與原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞，光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它反沖出來(lái)，而光子的運(yùn)動(dòng)方向和能量都發(fā)生了變化，成為了散射光子，其能量介于Eγ/（1+2Eγ/m0c2）～Eγ之間，其中Eγ為入射粒子的能量。電子對(duì)效應(yīng)是指γ光子與靶物質(zhì)原子的原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用，光子轉(zhuǎn)換成正負(fù)電子對(duì)，其中正電子會(huì)發(fā)生湮滅，可能會(huì)有兩個(gè)0.511MeV的γ光子逃逸出來(lái)。

當(dāng)管道設(shè)備中的γ光子與金屬管壁及墻壁發(fā)生相互作用時(shí)，若發(fā)生的為光電效應(yīng)，則只產(chǎn)生電子，其會(huì)被金屬管壁及墻壁吸收;由于發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)的入射粒子能量必須>1.02MeV，且能量越高，發(fā)生的幾率越高，而以上特征核素中能量最高的射線也就Co-60的1.33MeV，所以產(chǎn)生電子對(duì)效應(yīng)的幾率很小，即使發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)，逃逸處的光子能量必然≤0.511MeV。若發(fā)生康普頓效應(yīng)，其產(chǎn)生的電子被金屬管壁及墻壁吸收，逃逸的散射光子方向與原方向相反，其能量大大減少。

在核電廠的實(shí)際輻射場(chǎng)中，某一點(diǎn)的劑量率貢獻(xiàn)可能是由核素的特征能量γ射線貢獻(xiàn)的，此時(shí)其屏蔽效果應(yīng)與理論值符合，當(dāng)然也有可能是由特征能量的γ射線經(jīng)過(guò)金屬管壁或者墻壁的一次或者多次康普頓散射得到的散射光子貢獻(xiàn)的，其能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于初始的γ射線能量，這時(shí)實(shí)際屏蔽效果就比理論上的屏蔽效果好很多，且隨著康普頓散射次數(shù)越多，粒子的能量越低，屏蔽效果會(huì)越好。

2-12151房間較為狹長(zhǎng)，結(jié)合LaBr譜圖分析，其所在點(diǎn)的劑量率貢獻(xiàn)基本是由散射光子貢獻(xiàn)的，且該房間的散射光子是由多次散射產(chǎn)生的，能量較低，所以鉛的屏蔽效果非常好。

2-11301房間所在點(diǎn)的劑量率貢獻(xiàn)既有墻壁、金屬管壁等的散射光子，也有直接從管道設(shè)備穿透出來(lái)的放射性核素的特征γ射線，所以其屏蔽效果比2-12151房間的要差，但是相比理論值，屏蔽效果還是好上不少。

4 結(jié)語(yǔ)

屏蔽防護(hù)是輻射防護(hù)降低外照射最常用的手段之一，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到了鉛皮和鉛衣在典型AP1000廠房中的屏蔽效果，并可根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用于實(shí)際工作中鉛屏蔽厚度的有效預(yù)估以及穿鉛衣后個(gè)人劑量的有效預(yù)估等。

另一方面，在核電廠實(shí)際的輻射劑量場(chǎng)中，除了放射性核素特征γ射線的貢獻(xiàn)，其散射光子也占了非常大的貢獻(xiàn)，散射光子所占貢獻(xiàn)的大小和廠房結(jié)構(gòu)、墻壁及管道設(shè)備材質(zhì)、核素特征γ射線的能量、劑量率測(cè)量點(diǎn)位、方向等都有非常大的關(guān)系。而用核素的半減弱層或者理論計(jì)算去評(píng)估，往往會(huì)造成過(guò)分保守的估計(jì)，從而給實(shí)際工作帶來(lái)不可操作性，比如鉛用量的過(guò)分預(yù)估或者超過(guò)管道設(shè)備的載重量。這時(shí)，可以參考以上實(shí)驗(yàn)方法，積累典型廠房的鉛實(shí)際屏蔽效果，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)去預(yù)估，能夠更加準(zhǔn)確地評(píng)估屏蔽需求及屏蔽效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭洪濤，彭明辰.電離輻射劑量學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2011.

[2] 吳治華.原子核物理實(shí)驗(yàn)方法[M].北京：原子能出版社，1996.