射线屏蔽防护

2018-05-18

射线屏蔽防护
屏蔽防护的原理是:射线包括穿透物质时强度会减弱,一定厚度的屏蔽物质能减弱射线的强度,在辐射源与人体之间设置足够厚的屏蔽物(屏蔽材料),便可降低辐射水平,使人们在工作所受到的剂量降低最高允许剂量以下,确保人身安全,达到防护目的。屏蔽防护的要点是在射线源与人体之间放置一种能有效吸收射线的屏蔽材料。
对于X射线常用的屏蔽材料是铅板和混凝土墙,或者是钡水泥(添加有硫酸钡-也称重晶石粉末的水泥)墙。
屏蔽材料的厚度估算通常利用了半值层(半价层)的概念。在X射线检测中利用的是宽束X射线,下表给出了宽束X射线在铅和混凝土中的近似半价层厚度T1/2和1/10价层厚度T1/10。注意:由于铅板的纯度及纯净度、混凝土的配方以及组织结构上必然存在的差异,因此表中给出的半价层厚度只能作为参考值,在实际应用中必须考虑增加保险量。

强衰减、宽X射线束的近似半价层厚度T1/2和1/10价层厚度T1/10
峰值电压 KV  T1/2 cm  T1/10 cm
铅  混凝土  铅  混凝土
50  0.006  0.43  0.017  1.5
70  0.017  0.84  0.052  2.8
75  0.017  0.84    
100  0.027  1.6  0.088  6.3
125  0.028  2.0  0.093  6.6
150  0.030  2.24  0.099  7.4
200  0.052  2.5  0.17  8.4
250  0.088  2.8  0.29  9.4
300  0.147  3.1  0.48  10.9
400  0.250  3.3  0.83  10.9
500  0.360  3.6  1.19  11.7
1000(1MV)  0.790  4.4  2.6  14.7
2000(2MV) 1.25 6.4    

在屏蔽防护计算中,需要考虑两个方面的因素,即由射线源直接穿过屏蔽物的初级辐射屏蔽,还有射线在屏蔽物上引起的散射辐射也是需要考虑屏蔽的。

下面结合具体例题予以说明:
[1]初级X射线屏蔽:首先确定屏蔽透射量,然后根据由实验测量得到的射线减弱曲线求出所需要的屏蔽层厚度。
屏蔽透射量B=PR2/WUT
式中:
B—X射线的屏蔽透射量 R/(mA•min) (在1米处) 数值上:1R≈1rem
P—每周最大容许剂量当量:职业性照射为P=0.1rem/周;放射性工作场所邻近人员P=0.01rem/周
(注:根据GB4792-1984《放射卫生防护基本标准》规定放射性工作人员受到全身均匀照射时的年剂量当量不应超过5rem,一年365天共52周,按国家法定工作时间(即扣除周六、日和法定节假日)应为250天约36周,但为了从严考虑(例如加班),取50周计算得到0.1 rem/周的限值,公众人员个人受到的年剂量当量应低于0. 5rem,即为0.1 rem/周的限值。如果射线照射工作场地邻近非职业射线照射工作人员的工作现场时,应考虑屏蔽的最大容许剂量当量按公众人员标准计算。)
R—X射线源到操作者的距离,米
T—居留因子:全居留T=1(这是表示工作人员在工作场所停留情况的因子,分为全居留、部分居留、偶然居留三种情况。全居留T=1是指经常有人员停留的地方所考虑的因子,适用于控制区,包括控制室、邻近的暗室、工作室、实验室、走廊、休息室和职业性照射人员常规使用的办公室,以及例如位于射线机房邻近建筑物中用于居留和商店、办公室、居住区、运动场、其他生产工作场所等;部分居留T=1/4是指有部分时间里有人员停留时考虑的因子,适用于非控制区,例如日常非职业性照射人员所用的公共走廊、公共房间、休息室、娱乐室、电梯、无人管理的停车场等;偶然居留T=1/16是指偶然有人员经过情况下考虑的因子,适用于非控制区,例如公共浴室、楼梯、自动电梯、行人、车辆通道等)
U—使用因子:充分使用U=1(这是表示射线利用程度的一个因素,分为充分使用、部分使用、不常使用三种情况。充分使用U=1是指直接承受射线照射,例如透照室内直接受到有效射线束照射的门、墙、天花板、地面、窗口;部分使用U=1/4是指不直接受到射线照射,例如射线机房内不直接受到有效射线束照射的门、墙、天花板、地面、窗口;不常使用U=1/16是指基本上不受到有效射线的照射。)
W—工作负荷:mA•min/周(指高压通电时间)(即每周的工作负担,在数值上等于每周工作时间与管电流的乘积)
计算出屏蔽透射量后在X射线减弱曲线图上查出相应管电压的所要求的屏蔽厚度(铅板或混凝土墙),考虑两倍的安全系数时则再加一个半价层厚度。
X射线减弱曲线图

管电压50-200KV的宽束X射线穿过铅(密度11.35g/cm3)的减弱曲线

管电压250-400KV的宽束X射线穿过铅(密度11.35g/cm3)的减弱曲线

管电压50-400KV的宽束X射线穿过混凝土(密度2.25g/cm3)的减弱曲线

[2]散射X射线的屏蔽:初级X射线照射到物体(这里指屏蔽物)时将有散射X射线发生,我们可以把散射体看作为辐射源,散射X射线照射量的大小一般用距离散射体1米处散射X射线照射量与入射初级X射线照射量之比来表示,它与初级射线的性质、射线源到物体的距离、散射体受初级射线照射的面积和散射角度等许多因素有关。下表给出散射的S值与入射光子能量的关系:

散射的S值与入射光子能量的关系
X射线源 KV  散射角
30°  45°  60°  90°  120°  135°
50  0.0005  0.0002  0.00025  0.00035  0.0008  0.0010
70  0.00065  0.00035  0.00035  0.0005  0.0010  0.0013
100  0.0015  0.0012  0.0012  0.0013  0.0020  0.0022
125  0.0018  0.0015  0.0015  0.0015  0.0023  0.0025
150  0.0020  0.0016  0.0016  0.0015  0.0024  0.0026
200  0.0021  0.0020  0.0019  0.0019  0.0027  0.0028
250  0.0025  0.0021  0.0019  0.0019  0.0027  0.0028
300  0.0026  0.0022  0.0020  0.0020  0.0026  0.0028

散射屏蔽透射量Bs=(PRS12RS22/WST)(400/F) (在1米处) [单位:R/(mA•min)]
P—每周最大容许剂量当量:职业性照射为P=0.1rem/周;放射性工作场所邻近人员P=0.01rem/周
W—工作负荷:mA•min/周(指高压通电时间)
T—居留因子:全居留T=1
RS1—散射体到散射点的距离,米
RS2—射源到散射体的距离,米
F—散射面积,cm
S—散射面积为400cm2时离散射体1米处的散射辐射产生的照射量与入射辐射照射量之比
400—测量S时的散射面积,cm2
对于0.5MeV以下的X射线可认为主要的散射X射线与初级X射线具有相同的减弱特性,计算出Bs值后可从X射线减弱曲线查得相应的屏蔽厚度。
例1:一台250KV的X光机,管电流5mA,探伤人员每天工作6h(高压通电时间),每周工作5天,工作地点距X射线管焦点4米,求防护初级X射线的混凝土厚度。
W=It=5mA*60min*6h*5天=9000 mA•min/周
P=0.1rem/周
R=4m
U=1
T=1
B=(0.1*42)/(9000*1*1)=1.8*10-4rem/(mA•min)
在X射线减弱曲线图纵坐标查到B值并从该点作横坐标与250KV曲线相交得到混凝土厚度35cm,考虑两倍安全系数,增加一个混凝土半价层2.8cm,合计37.8cm

例2:承上题,散射体距X射线管焦点4米,散射面积400cm2,工作点距散射体1米,散射角60°,求防护散射X射线所需混凝土厚度。
P=0.1rem/周,RS1=1m,RS2=4m,W=9000 mA•min/周,F=400cm2,T=1
查看“散射的S值与入射光子能量的关系”得到:S=0.0019
Bs=(0.1*42*12*400)/(0.0019*9000*400)=0.09rem/(mA•min) 查得混凝土厚度11cm

例3:一台额定管电压250KV的X射线机在1米处1mA•min时产生的剂量X=0.02Sv,检测人员使用该机每周工作5天,每天开机工作时间为4小时,使用的管电流为5mA,工作人员所在的操作位置距离X射线机为4米,按照GB4792-1984的规定,防护一次射线的混凝土墙所需厚度T是多少?解:按照GB4792-1984的规定,为了限制随机效应的发生率,年剂量当量限值为50mSv,如果每年按照50周考虑工作时间,每周的剂量当量限值为HW=1mSv=1x10-3Sv,检测人员每周工作负荷为W=5天x4小时x60分钟/小时x5毫安=6000mA•min,混凝土对250KV的X射线的半值层厚度为T0=28mm,根据在距离射线源1米处1mA•min时产生的剂量是0.02Sv,以及工作人员的距离为R=4米,首先计算在没有防护时工作人员所处位置的剂量H:H=X•W/R2=(0.02x6000)/42=7.5Sv根据T=n•T0 这里n为T0的倍数,即H=2n•HW ,n=lg(H/ HW)/lg2=lg[7.5/(1x10-3)]/lg2=12.87则T=12.87T0 =12.87x28=360.4mm,若考虑两倍的安全系数,则应再加一个半值层厚度,即:T=360.4+28=388.4mm,从建筑工艺角度来说,可取整数400mm。
例4:同上题,如果采用铅板屏蔽,则铅板厚度T应为多少?解:铅对250KV的X射线的半值层厚度为T0=0.88mm,因此T=12.87T0 =12.87x0.88=11.33mm,若考虑两倍的安全系数,则应再加一个半值层厚度,即:T=11.33+0.88=12.21mm,从商品化铅板标准规格角度来说,可取整数12.5或13mm。
概括而言,时间防护的要点是尽量减少人体与射线的接触时间,距离防护的要点是尽量增大人体与射线源的距离,屏蔽防护的要点是在射线源与人体之间放置一种能有效吸收射线的足够厚度的屏蔽材料,其最终目标都是要使射线检测工作人员承受的辐射剂量在国家辐射防护安全标准规定的限值以下。

附表1:不同管电压时混凝土(密度2.35g/cm3)的铅当量(mm)
铅厚(mm) 不同管电压时混凝土厚度(mm)
150KVP 200KVP 300KVP 400KVP
1 80 75 56 47
2 150 140 89 70
3 220 200 117 94
4 280 260 140 112
6 - - 200 140
8 - - 240 173
10 - - 280 210
15 - - - 280

注:对于低能量的X射线,原子序数低的物质的散射效应远比铅为重要,因此在千伏低的时候,物质的铅当量值要高。