工业X射线探伤机在现场探伤作业中的辐射防护距离探讨

朱 姝，张 鑫，钟春明

（核工业230研究所，湖南 长沙 410007）

工业X射线探伤机在现场探伤作业中的辐射防护距离探讨

朱 姝，张 鑫，钟春明

（核工业230研究所，湖南 长沙 410007）

探讨工业X射线移动探伤时用平方反比定律进行计算得出的防护距离，和实际情况相差较大，考虑空气衰减后，重新估算控制区和监督区的防护距离，估算结果较为合理，可更好地为X射线移动探伤工作人员及监测工作人员在现场防护时作为参考。

X射线现场探伤；防护距离；空气衰减

X射线探伤机在使用时经常存在无专业探伤室或被照射的物体过大或不方便移动的情况，由于现场探伤没有固定的屏蔽物，对周围的环境会存在一定的辐射影响。

目前的文献资料暂无对X射线现场探伤安全距离估算给出比较好的计算方法，《工业X射线探伤放射卫生防护标准》［1］（GBZ117－2006）中也未给出现场探伤防护距离的计算方法，标准规定：将作业时被检物体周围的空气比释动能率大于15 μGy／h的范围划为控制区，探伤作业人员应在控制区边界外操作，在其边界必须悬挂清晰可见的“禁止进入X射线区”警示标识；未经许可人员不得进入该范围；在控制区边界外将作业时空气比释动能率大于1.5 μGy／h的范围划为监督区，在监督区边界附近不应有经常停留的公众成员，在其边界上必须设警示标识，并悬挂清晰可见的＂无关人员禁止入内＂或“当心，电离辐射”警告牌，必要时设专人警戒。

实际操作通常是凭经验先估算距离，划好边界后再进行探伤作业，通过对边界处的实际辐射剂量进行巡测，再根据标准限值要求对边界进行适当的调整。笔者根据多年监测经验及资料查阅对X射线现场探伤距离的估算也进行了一些探讨。

1 不考虑空气衰减的防护距离估算

查《辐射防护手册》［2］第一册图4.4d，3 mmCu过滤的分别在100 kV、200 kV、300 kV的工作高压下X射线探伤机距靶1 m处的照射量率（全部以5 mA计算），再换算成剂量率，用平方反比定律进行计算得出控制区和监督区的距离，具体数值见表1。

表1 X射线探伤机无屏蔽防护距离估算

由表1可以看出，三种能量输出的X射线在无任何屏蔽的情况下，不考虑空气衰减的情况，其控制区和监督区的距离非常长，300 kV的X射线探伤机的监督区距离甚至超过了1 500 m。但X射线探伤机是根据被检工件厚度来确定工作电压的，一般在射线方向不存在无屏蔽照射。

根据环保要求，现场探伤必须在射线方向使用铅屏或工件等进行射线屏蔽，表2列出了不同工作电压在不同的工件屏蔽和加上2 mm铅屏屏蔽的控制区和监督区的距离计算数据。

表2数据显示，在有屏蔽物的情况下控制区和监督区的距离大幅缩短，但X射线探伤机在工作电压300 kV时的监督区距离仍然接近500 m。

实际工作中在较高的工作电压下，往往监测到的控制区和监督区距离要短于估算距离，工作电压越高，监测到监督区和控制区的防护距离和估算距离相差越大。例如实际工作中监督区半径基本小于200 m，说明在较高的工作电压下不考虑空气对X射线的衰减估算出的防护距离实际应用意义不大。

表2 工件和铅屏屏蔽的控制区和监督区估算表

2 空气衰减的防护距离估算

根据《美国无损检测手册 .射线卷》［3］对 0.05 meV（大约相当100 kV连续X射线有效能量）、0.10 meV（大约相当 200 kV连续X射线有效能量）和0.15 meV（大约相当300 kV连续X射线有效能量）能量下的空气衰减系数（大约值），进行了计算，并估算相应的半价层。

2.1 与计算相关的空气物理参数

2.1.1 空气的组成及其组成的质量百分比

空气中N2占78%；O2占21%；Ar2占0.94%。

2.1.2 空气的密度

空气的密度大小与气温、海拔等因素有关，海拔越高密度越低，在0摄氏度、标准大气压下，密度为1.293 kg／m3；

空气密度＝1.293×（实际压力／标准物理大气压）×（273.15／实际绝对温度），绝对温度＝摄氏温度＋273.15；

通常情况下，即20℃时，取1.205 kg／m3，即空气密度ρ＝0.001 2 g／cm3。

2.2 确定空气的质量衰减系数

2.2.1 质量衰减系数的定义

质量衰减系数又称射线吸收系数（absorption coefficient of ray）、质量吸收系数（absorption coefficient of mass）。线衰减系数大小与介质的密度有关，为了应用方便，常使用质量衰减系数（μm）描述单位质量介质对射线的衰减，μm＝μ／ρ，其中μ为线衰减系数，ρ为介质密度。

2.2.2 计算质量衰减系数

计算混合物空气的质量衰减系数的方法是各元素质量衰减系数分别乘以其质量百分比之和，见公式（1），表3为空气在100 kV、200 kV、300 kV三种工作电压下的衰减系数计算表。

表3 空气质量衰减系数计算表

2.3 计算线衰减系数μ、半价层h

μ等于不同能量下空气的质量衰减系数（μ／ρ）乘空气密度（ρ＝0.001 2 g／cm3）

衰减遵循 P＝Po×e（－μT）（μ为线衰减系数，T为厚度，P和Po分别为透射前后的射线强度），当T取半价层厚度时P＝1／2Po，代入计算得，μ＝0.693／Tcm，即半价层h＝0.693／μ，计算空气半价层数据见表4。

表4 空气线衰减系数、半价层计算表

由表4可知X射线探伤机的工作电压从100 kV 到300 kV，空气的半价层厚度从29 m到42 m，当防护距离估算值大于空气半价层时空气的衰减是不可忽略的。

2.4 计算空气衰减的防护距离

同时考虑X射线探伤机不同电压下空气的半价层和平方反比定律，见公式（2）：

式中：h1为防护距离；h0为初始空气比释动能率距射线口的距离，取1 m；H为空气的半价层；X0为初始空气比释动能率；X1为真空中经h1距离衰减后的空气比释动能率，此处为15 μGy／h和1.5 μGy／h，分别是控制区和监督区边界控制值；X为经h1距离空气衰减后的空气比释动能率。

式中h0、H、X0、X1为已知量，把不同工作电压下的空气半价层和其他变量值代入公式解方程得到空气衰减的防护距离h1，具体数据见表5。

表5 有空气衰减时无屏蔽及有工件和铅屏屏蔽的控制区和监督区估算表

有空气衰减和无空气衰减的控制区和监督区防护距离对比如图1、图2所示。

图1 有空气衰减和无空气衰减的控制区防护距离对比图

图2 有空气衰减和无空气衰减的监督区防护距离对比图

从表5和图1、图2可见，考虑了空气衰减的防护距离估算值大大小于未考虑空气衰减的估算值，工作电压越高，两者的防护距离估算值相差越大，空气衰减的作用越明显。反之防护距离越短空气衰减作用越弱，10 m以下几乎可忽略。

3 现场实测

为证实考虑了空气衰减后的估算值是否适用于现实工作场所，进行了X射线探伤机现场开机检测。在湖南某化工机械有限公司探伤部，时间定于傍晚工作人员下班后，使用的探伤机为XXG－3505型定向X射线工业探伤机。为保证检测人员的安全，这次检测只测试了有工件和铅屏屏蔽的防护距离，所得数据见表6，对比图如图3、图4所示。

表6 实测防护距离表

图3 有工件屏蔽的估算值和实测值的控制区对比图

图4 有工件屏蔽的估算值和实测值的监督区对比图

从图3、图4实测值和估算值的对比图可知，现场检测到的防护距离和考虑了空气衰减后的理论计算值吻合非常好。实测值和理论值相比略有偏低，防护距离最大误差不超过10 m（初步判断受空气中的灰尘及雾霾等因素影响）。

4 结 论

1.比较了计算X射线工业探伤机现场探伤防护距离的两种方法，考虑了空气衰减后的X射线工业探伤机现场探伤防护距离估算理论值和实际监测值对应得非常好，可以方便并更加准确地为X射线移动探伤工作人员及监测工作人员在现场划区及个人防护方面提供帮助。

2.文中计算给出的是单台X射线探伤机在空旷场所的理论计算值，没有考虑物体（包括外墙）屏蔽与散射迭加。遇到复杂的探伤现场，一定要在理论计算的基础上再根据现场地形、建筑物屏蔽等情况综合考虑，以确保工作人员及探伤现场公众的安全。

［1］ GBZ 117－2006，工业X射线探伤放射卫生防护标准［S］.

［2］ 李德平，潘自强.辐射防护手册［M］.北京：原子能出版社，1987.

［3］ 《美国无损检测手册》译审委员会（译）.美国无损检测手册，射线卷［M］.北京：世界图书出版公司，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，高级工程师，主要从事化学分析、辐射环境监测及实验室管理工作。