鉛屏蔽效果實驗驗證及分析

王吉

摘 要：在輻射防護工作中，鉛屏蔽是最常用的輻射防護手段之一。對于鉛屏蔽的實際屏蔽效果，實際效果與理論值存在較大偏差，本文通過實驗，得到三門核電鉛皮和鉛衣的屏蔽效果，并通過γ光子與物質的相互作用，很好地解釋了鉛屏蔽實際效果與理論數值存在偏差的原因，對輻射防護屏蔽搭設及屏蔽防護的評估具有很好的借鑒意義。

關鍵詞：鉛皮;鉛衣;γ光子與物質的相互作用

中圖分類號：TD954 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）01-0224-02

0 引言

鉛屏蔽是輻射防護降低外照射最重要的手段之一，比如用于屏蔽搭設的鉛皮，高輻射場工作人員穿戴的鉛衣。至于具體的鉛屏蔽效果，輻射防護常用半減弱厚度來計算，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為核電廠最常見的特征核素之一，且其能量較高，鉛屏蔽效果預估常用Co-60的半減弱厚度12mm作為依據[1]。但是在實際工作中，發現一層鉛皮（5mm）的屏蔽效果就有可能達到50%，比如在三門核電1號機組化容系統下泄流熱交換器的筒體屏蔽工作中，屏蔽前熱點最高劑量率約為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射線在物質中的減弱規律可用下式表示：

其中，N和N0分別當做加屏蔽和未加屏蔽時，所考慮的那一點的劑量率，B是描述散射光子影響的物理量，μ為線性衰減系數，R為屏蔽層厚度。假設射線能量為1MeV，將累計因子B分別采用常用的經驗公式泰勒公式（式2）和伯杰公式（式3）展開，經查表可得，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人劑量計EPD的連續測量功能，加不同厚度的鉛皮和鉛衣，從而得到他們在不同輻射場的屏蔽效果。

1 實驗設計

1.1 實驗介紹

用傳統的γ劑量率儀測量屏蔽前后管道或者設備的同一處劑量率，往往存在如下問題：γ劑量率儀表波動較大，鉛皮沒有好的固定方式，其他未屏蔽的管道對測量點的影響較大，測量點位置保持不變難度較大，人員所受劑量相對較高等問題。

故本實驗設計如下：在劑量率較高的廠房，將電子式個人劑量計EPD放置在地面上，每隔10分鐘獲得該時段的累計劑量數據，獲取約10組數據后，對這些數據取平均值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下的10分鐘劑量平均值DP1、DP2、DP3、DP4，最后通過公式（D0-Dpi）/D0獲得i層數鉛皮的屏蔽效果。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 實驗地點

考慮到劑量的有效計數及統計誤差，可達實驗地點的劑量率越高，實驗數據越準確。故本實驗地點選取在三門核電2號機組除鹽床/過濾器間2-12151和1號蒸汽發生器下部人孔區域2-11301。

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

1.3 實驗數據

1.3.1 鉛皮數據

用兩組EPD同時測量鉛皮的屏蔽效果，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 鉛衣數據

用兩組EPD同時測量鉛衣的屏蔽效果，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，在以上兩個房間的屏蔽效果均要遠遠好于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量

Canberra公司開發的三維屏蔽計算軟件（mercurad）能夠根據現場場景建立3D模型，然后定義放射源的情況，最終通過其內部計算引擎得到給定點的劑量率，在建模過程中加入指定屏蔽，能夠通過屏蔽前后的劑量率數值給出屏蔽效果。

三門核電2號機組當前運行的主要特征核素為Co-58和Co-60，通過三維屏蔽計算軟件（mercurad）計算，5mm鉛對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譜儀進行譜圖分析，2-12151所測位置基本為散射光子，沒有明顯的特征峰，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光子與物質的相互作用主要包括光電效應、康普頓效應和電子對效應。光電效應是指γ光子與靶物質原子相互作用，γ光子中的全部能量轉移給原子中的束縛電子，使這些電子從原子中發射出來，γ光子本身消失。康普頓效應是指入射γ光子與原子的核外電子發生非彈性碰撞，光子的一部分能量轉移給電子，使它反沖出來，而光子的運動方向和能量都發生了變化，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。電子對效應是指γ光子與靶物質原子的原子核庫侖場作用，光子轉換成正負電子對，其中正電子會發生湮滅，可能會有兩個0.511MeV的γ光子逃逸出來。

當管道設備中的γ光子與金屬管壁及墻壁發生相互作用時，若發生的為光電效應，則只產生電子，其會被金屬管壁及墻壁吸收;由于發生電子對效應的入射粒子能量必須>1.02MeV，且能量越高，發生的幾率越高，而以上特征核素中能量最高的射線也就Co-60的1.33MeV，所以產生電子對效應的幾率很小，即使發生電子對效應，逃逸處的光子能量必然≤0.511MeV。若發生康普頓效應，其產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。

在核電廠的實際輻射場中，某一點的劑量率貢獻可能是由核素的特征能量γ射線貢獻的，此時其屏蔽效果應與理論值符合，當然也有可能是由特征能量的γ射線經過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的，其能量要遠遠低于初始的γ射線能量，這時實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越多，粒子的能量越低，屏蔽效果會越好。

2-12151房間較為狹長，結合LaBr譜圖分析，其所在點的劑量率貢獻基本是由散射光子貢獻的，且該房間的散射光子是由多次散射產生的，能量較低，所以鉛的屏蔽效果非常好。

2-11301房間所在點的劑量率貢獻既有墻壁、金屬管壁等的散射光子，也有直接從管道設備穿透出來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 結語

屏蔽防護是輻射防護降低外照射最常用的手段之一，本文通過實驗，得到了鉛皮和鉛衣在典型AP1000廠房中的屏蔽效果，并可根據實驗結果，應用于實際工作中鉛屏蔽厚度的有效預估以及穿鉛衣后個人劑量的有效預估等。

另一方面，在核電廠實際的輻射劑量場中，除了放射性核素特征γ射線的貢獻，其散射光子也占了非常大的貢獻，散射光子所占貢獻的大小和廠房結構、墻壁及管道設備材質、核素特征γ射線的能量、劑量率測量點位、方向等都有非常大的關系。而用核素的半減弱層或者理論計算去評估，往往會造成過分保守的估計，從而給實際工作帶來不可操作性，比如鉛用量的過分預估或者超過管道設備的載重量。這時，可以參考以上實驗方法，積累典型廠房的鉛實際屏蔽效果，用實驗數據去預估，能夠更加準確地評估屏蔽需求及屏蔽效果。

參考文獻

[1] 郭洪濤，彭明辰.電離輻射劑量學基礎[M].北京：中國質檢出版社，2011.

[2] 吳治華.原子核物理實驗方法[M].北京：原子能出版社，1996.