工業X射線探傷機在現場探傷作業中的輻射防護距離探討

朱 姝，張 鑫，鐘春明

（核工業230研究所，湖南 長沙 410007）

工業X射線探傷機在現場探傷作業中的輻射防護距離探討

朱 姝，張 鑫，鐘春明

（核工業230研究所，湖南 長沙 410007）

探討工業X射線移動探傷時用平方反比定律進行計算得出的防護距離，和實際情況相差較大，考慮空氣衰減后，重新估算控制區和監督區的防護距離，估算結果較為合理，可更好地為X射線移動探傷工作人員及監測工作人員在現場防護時作為參考。

X射線現場探傷；防護距離；空氣衰減

X射線探傷機在使用時經常存在無專業探傷室或被照射的物體過大或不方便移動的情況，由于現場探傷沒有固定的屏蔽物，對周圍的環境會存在一定的輻射影響。

目前的文獻資料暫無對X射線現場探傷安全距離估算給出比較好的計算方法，《工業X射線探傷放射衛生防護標準》［1］（GBZ117－2006）中也未給出現場探傷防護距離的計算方法，標準規定：將作業時被檢物體周圍的空氣比釋動能率大于15 μGy／h的范圍劃為控制區，探傷作業人員應在控制區邊界外操作，在其邊界必須懸掛清晰可見的“禁止進入X射線區”警示標識；未經許可人員不得進入該范圍；在控制區邊界外將作業時空氣比釋動能率大于1.5 μGy／h的范圍劃為監督區，在監督區邊界附近不應有經常停留的公眾成員，在其邊界上必須設警示標識，并懸掛清晰可見的＂無關人員禁止入內＂或“當心，電離輻射”警告牌，必要時設專人警戒。

實際操作通常是憑經驗先估算距離，劃好邊界后再進行探傷作業，通過對邊界處的實際輻射劑量進行巡測，再根據標準限值要求對邊界進行適當的調整。筆者根據多年監測經驗及資料查閱對X射線現場探傷距離的估算也進行了一些探討。

1 不考慮空氣衰減的防護距離估算

查《輻射防護手冊》［2］第一冊圖4.4d，3 mmCu過濾的分別在100 kV、200 kV、300 kV的工作高壓下X射線探傷機距靶1 m處的照射量率（全部以5 mA計算），再換算成劑量率，用平方反比定律進行計算得出控制區和監督區的距離，具體數值見表1。

表1 X射線探傷機無屏蔽防護距離估算

由表1可以看出，三種能量輸出的X射線在無任何屏蔽的情況下，不考慮空氣衰減的情況，其控制區和監督區的距離非常長，300 kV的X射線探傷機的監督區距離甚至超過了1 500 m。但X射線探傷機是根據被檢工件厚度來確定工作電壓的，一般在射線方向不存在無屏蔽照射。

根據環保要求，現場探傷必須在射線方向使用鉛屏或工件等進行射線屏蔽，表2列出了不同工作電壓在不同的工件屏蔽和加上2 mm鉛屏屏蔽的控制區和監督區的距離計算數據。

表2數據顯示，在有屏蔽物的情況下控制區和監督區的距離大幅縮短，但X射線探傷機在工作電壓300 kV時的監督區距離仍然接近500 m。

實際工作中在較高的工作電壓下，往往監測到的控制區和監督區距離要短于估算距離，工作電壓越高，監測到監督區和控制區的防護距離和估算距離相差越大。例如實際工作中監督區半徑基本小于200 m，說明在較高的工作電壓下不考慮空氣對X射線的衰減估算出的防護距離實際應用意義不大。

表2 工件和鉛屏屏蔽的控制區和監督區估算表

2 空氣衰減的防護距離估算

根據《美國無損檢測手冊 .射線卷》［3］對 0.05 meV（大約相當100 kV連續X射線有效能量）、0.10 meV（大約相當 200 kV連續X射線有效能量）和0.15 meV（大約相當300 kV連續X射線有效能量）能量下的空氣衰減系數（大約值），進行了計算，并估算相應的半價層。

2.1 與計算相關的空氣物理參數

2.1.1 空氣的組成及其組成的質量百分比

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，海拔越高密度越低，在0攝氏度、標準大氣壓下，密度為1.293 kg／m3；

空氣密度＝1.293×（實際壓力／標準物理大氣壓）×（273.15／實際絕對溫度），絕對溫度＝攝氏溫度＋273.15；

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

2.2 確定空氣的質量衰減系數

2.2.1 質量衰減系數的定義

質量衰減系數又稱射線吸收系數（absorption coefficient of ray）、質量吸收系數（absorption coefficient of mass）。線衰減系數大小與介質的密度有關，為了應用方便，常使用質量衰減系數（μm）描述單位質量介質對射線的衰減，μm＝μ／ρ，其中μ為線衰減系數，ρ為介質密度。

2.2.2 計算質量衰減系數

計算混合物空氣的質量衰減系數的方法是各元素質量衰減系數分別乘以其質量百分比之和，見公式（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計算表。

表3 空氣質量衰減系數計算表

2.3 計算線衰減系數μ、半價層h

μ等于不同能量下空氣的質量衰減系數（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，T為厚度，P和Po分別為透射前后的射線強度），當T取半價層厚度時P＝1／2Po，代入計算得，μ＝0.693／Tcm，即半價層h＝0.693／μ，計算空氣半價層數據見表4。

表4 空氣線衰減系數、半價層計算表

由表4可知X射線探傷機的工作電壓從100 kV 到300 kV，空氣的半價層厚度從29 m到42 m，當防護距離估算值大于空氣半價層時空氣的衰減是不可忽略的。

2.4 計算空氣衰減的防護距離

同時考慮X射線探傷機不同電壓下空氣的半價層和平方反比定律，見公式（2）：

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

式中h0、H、X0、X1為已知量，把不同工作電壓下的空氣半價層和其他變量值代入公式解方程得到空氣衰減的防護距離h1，具體數據見表5。

表5 有空氣衰減時無屏蔽及有工件和鉛屏屏蔽的控制區和監督區估算表

有空氣衰減和無空氣衰減的控制區和監督區防護距離對比如圖1、圖2所示。

圖1 有空氣衰減和無空氣衰減的控制區防護距離對比圖

圖2 有空氣衰減和無空氣衰減的監督區防護距離對比圖

從表5和圖1、圖2可見，考慮了空氣衰減的防護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，兩者的防護距離估算值相差越大，空氣衰減的作用越明顯。反之防護距離越短空氣衰減作用越弱，10 m以下幾乎可忽略。

3 現場實測

為證實考慮了空氣衰減后的估算值是否適用于現實工作場所，進行了X射線探傷機現場開機檢測。在湖南某化工機械有限公司探傷部，時間定于傍晚工作人員下班后，使用的探傷機為XXG－3505型定向X射線工業探傷機。為保證檢測人員的安全，這次檢測只測試了有工件和鉛屏屏蔽的防護距離，所得數據見表6，對比圖如圖3、圖4所示。

表6 實測防護距離表

圖3 有工件屏蔽的估算值和實測值的控制區對比圖

圖4 有工件屏蔽的估算值和實測值的監督區對比圖

從圖3、圖4實測值和估算值的對比圖可知，現場檢測到的防護距離和考慮了空氣衰減后的理論計算值吻合非常好。實測值和理論值相比略有偏低，防護距離最大誤差不超過10 m（初步判斷受空氣中的灰塵及霧霾等因素影響）。

4 結 論

1.比較了計算X射線工業探傷機現場探傷防護距離的兩種方法，考慮了空氣衰減后的X射線工業探傷機現場探傷防護距離估算理論值和實際監測值對應得非常好，可以方便并更加準確地為X射線移動探傷工作人員及監測工作人員在現場劃區及個人防護方面提供幫助。

2.文中計算給出的是單臺X射線探傷機在空曠場所的理論計算值，沒有考慮物體（包括外墻）屏蔽與散射迭加。遇到復雜的探傷現場，一定要在理論計算的基礎上再根據現場地形、建筑物屏蔽等情況綜合考慮，以確保工作人員及探傷現場公眾的安全。

［1］ GBZ 117－2006，工業X射線探傷放射衛生防護標準［S］.

［2］ 李德平，潘自強.輻射防護手冊［M］.北京：原子能出版社，1987.

［3］ 《美國無損檢測手冊》譯審委員會（譯）.美國無損檢測手冊，射線卷［M］.北京：世界圖書出版公司，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，高級工程師，主要從事化學分析、輻射環境監測及實驗室管理工作。