用窄束γ能譜特征峰法測(cè)非均勻材料吸收系數(shù)的研究

樊新勝，朱松林，張瑞麗

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

目前,γ射線的防護(hù)問(wèn)題仍不可忽視[1].尤其在輻射比較強(qiáng)的地方,在進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)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(guò)蒙特卡羅方法模擬和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量進(jìn)行,其中使用蒙特卡羅方法測(cè)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(jiǎn)便的特點(diǎn)[2].但關(guān)于新型屏蔽材料的實(shí)體樣品測(cè)量中常常涉及組分混合均勻度的問(wèn)題,在樣品組分均勻度不一致的情況下,若要得到該樣品實(shí)際的吸收系數(shù)就需要進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量來(lái)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(shí)驗(yàn)測(cè)量就顯得尤為重要,實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果往往與蒙特卡羅方法得到的參考值進(jìn)行對(duì)比分析[3].通過(guò)伽馬能譜中特征峰對(duì)屏蔽材料的吸收系數(shù)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算,在數(shù)據(jù)處理后獲得測(cè)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(xiàng)物理化學(xué)特性需求的同時(shí)也帶來(lái)了材料組分非均勻分布對(duì)實(shí)際測(cè)量的影響問(wèn)題,有必要針對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量中的不均勻性問(wèn)題提供一個(gè)可行的測(cè)量線性吸收系數(shù)的方法.為了讓測(cè)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(lái)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(duì)一種新型非均勻屏蔽材料進(jìn)行測(cè)量研究.首先通過(guò)MCNP模擬,得到最優(yōu)的窄束孔徑,之后再利用MCNP模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?且驗(yàn)證模型的可靠性.通過(guò)MCNP模型搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)且進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,將測(cè)得的能譜用于屏蔽材料的屏蔽系數(shù)研究,探究此法對(duì)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(guò)一定厚度的物質(zhì)時(shí),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(duì)效應(yīng)[4].這三種作用過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生經(jīng)吸收體散射而來(lái)的光子,進(jìn)入探測(cè)器造成測(cè)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(shí),其吸收公式[5-6]為

I=I0e-μd,

(1)

其中，I為γ射線出射強(qiáng)度;I0為γ射線入射強(qiáng)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(duì)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(gè)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(jì)的吸收系數(shù)測(cè)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(guò)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(jì)數(shù)用來(lái)分析窄束對(duì)于散射的屏蔽效果,與樣品發(fā)生相互作用后經(jīng)過(guò)窄束準(zhǔn)直沉積到高純鍺探測(cè)器上通過(guò)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(duì)材料的線性衰減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算.粒子數(shù)為1E9,分析窄束孔徑對(duì)散射的影響以及利用多點(diǎn)測(cè)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(cè)量方案 圖2 實(shí)驗(yàn)裝置模型模擬圖

2 窄束孔徑的選擇

無(wú)論在實(shí)驗(yàn)還是模擬中,伽馬射線的散射效應(yīng)都是一個(gè)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)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(gè)相對(duì)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(shí),就能有效地屏蔽掉散射效應(yīng)帶來(lái)的影響.在不同大小的窄束中,對(duì)于散射的屏蔽效應(yīng)是不同的.因此,針對(duì)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(duì)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)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(jiàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)量.

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

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

圖8 測(cè)量平臺(tái) 圖9 鐵板(片)厚度參數(shù)

由于室內(nèi)測(cè)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(jì)算式對(duì)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(shí)際測(cè)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(jì)數(shù)

鐵板材料的線吸收系數(shù)參考值為0.5823 cm-1,測(cè)量結(jié)果擬合值為0.5890 cm-1,二者之間相對(duì)誤差為1.15%.使用該實(shí)驗(yàn)裝置平臺(tái)對(duì)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(shí)驗(yàn)裝置對(duì)新型重晶石混凝土進(jìn)行線吸收系數(shù)測(cè)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(gè)對(duì)稱的幾何位置作為三個(gè)測(cè)量點(diǎn),如圖12所示.圍繞這三個(gè)幾何位置分別測(cè)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(diǎn)2測(cè)量結(jié)果 圖15 樣品點(diǎn)3測(cè)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(shí)驗(yàn)測(cè)量擬合結(jié)果與常見(jiàn)伽馬射線屏蔽材料進(jìn)行對(duì)比,由表3可知測(cè)量的新型重晶石混凝土對(duì)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(duì)于不均勻樣品,采用多點(diǎn)測(cè)量法,有效消除不均勻性帶來(lái)的對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響.

表3 測(cè)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(shí),利用模擬的優(yōu)勢(shì)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(shí)驗(yàn)裝置,針對(duì)非均勻新型重晶石混凝土,利用多點(diǎn)測(cè)量法得到線性吸收系數(shù),為不均勻材料提供一種測(cè)量方法.測(cè)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(shí)會(huì)導(dǎo)致各幾何位置的實(shí)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(gè)幾何測(cè)點(diǎn)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(shí)際生產(chǎn),組分分布均勻程度仍需關(guān)注.