工业X射线探伤室辐射屏蔽计算方法探讨

郑琳子

(中国航空规划设计研究总院有限公司 北京 100120)

0 引言

目前，国内外公开出版的涉及辐射防护屏蔽计算的书籍有国际放射防护委员会第33号出版物ICRP Report 33[1]及其中文翻译版《医用外照射源的辐射防护》[2]、NCRP Report 49[3]、《辐射防护手册》[4]、《辐射防护导论》[5]、《放射物理与防护》[6]等。以上书籍在探讨X射线屏蔽防护时的原理相同，但各书中屏蔽计算公式及配套的图表稍有区别。2014年，国家卫生和计划生育委员会发布实施了《工业X射线探伤室辐射屏蔽规范》(GBZ/T 250—2014)[7]，并通过第1号修改单(国卫通[2017]23号)予以修改。GBZ/T 250—2014规定了500 kV以下工业X射线探伤装置的探伤室辐射屏蔽要求，规范中引用的部分数据来自ICRP Report 33和NCRP Report 49，GBZ/T 250—2014的发布填补了国内无工业X射线探伤室辐射屏蔽计算标准的空白。

尽管GBZ/T 250—2014中明确使用范围为500 kV以下工业X射线探伤装置探伤室的辐射屏蔽，但是规范中给出的数据、图表却仅能支持400 kV及以下X射线装置的屏蔽计算，而目前常用的工业X射线探伤装置的最高管电压可达450 kV，现有GBZ/T 250—2014不能满足450 kV的辐射屏蔽计算需求。本研究拟引入管电压为400～500 kV的X射线辐射屏蔽计算的相关图表参数，对现有GBZ/T 250—2014予以补充和完善，以满足450 kV工业X射线探伤装置探伤室的屏蔽厚度计算要求。

1 450 kV X射线探伤室屏蔽计算方法讨论

被屏蔽射线分为有用线束、散射线和泄漏射线[7]。参照GBZ/T 250—2014规定，450 kV X射线探伤装置探伤室屏蔽计算方法如下。

1.1 屏蔽的剂量参考控制水平

按照《工业X射线探伤室辐射屏蔽规范》(GBZ/T 250—2014)第3.1条，确定关注点剂量率参考控制水平。

(1)

式中，t为探伤装置周照射时间，h/周；U为探伤装置向关注点方向照射的使用因子；Hc为周剂量参考控制水平，μSv/周；T为人员在相应关注点驻留的居留因子。

1.2 有用线束的屏蔽估算

关注点达到剂量率参考控制水平时，屏蔽设计所需的屏蔽透射因子B按下式计算。

(2)

为满足450 kV X射线探伤装置屏蔽计算要求，需要对GBZ/T 250—2014附录B表B.1“X射线输出量”进行补充，引入450 kV时的X射线输出量(H0)。根据现有GBZ/T 250—2014中附录B表B.1中注1的说明——“表中值取自ICRP33”，查阅ICRP33中文翻译版《医用外照射源的辐射防护》可得50～500 kV的X射线输出量，详见图1。

(a)恒电位(50～200 kV)

(b)恒电位(200～500 kV)图1 在不同线束过滤情况下X线发生器在离靶1 m处的发射率

通过图1(b)可知，在450 kV，3 mm铜过滤条件下X射线距辐射源点1 m处的输出量H0≈33.0(mGy·m2)/(mA·min)。值得注意的是，将现有GBZ/T 250—2014附录B表B.1与图1中数据进行复核，发现GBZ/T 250—2014表B.1中部分数据引用有误，经校正后数据见表1。

表1 X射线输出量

计算出屏蔽透射因子B后，查图2、图3可得出相应的屏蔽物质厚度[4]。《辐射防护手册 第一分册：辐射源与屏蔽》中减弱因子f与GBZ/T 250—2014中屏蔽透射因子B含义相同，仅叫法不同。

图2 宽束X射线通过混凝土层的减弱曲线(恒定管电压0.5～3 MV)

图3 宽束X射线通过铅层的减弱曲线(恒定管电压0.5～3 MV)

1.3 泄漏辐射和散射辐射屏蔽估算

(1)泄漏辐射屏蔽

关注点达到剂量率参考控制水平时，屏蔽设计所需的屏蔽透射因子B按下式计算。

(3)

所需的屏蔽物质厚度X按式(4)计算。

X=-TVL·lgB

(4)

为进行450 kV的射线装置的泄漏辐射屏蔽设计，查阅ICRP33中文翻译版《医用外照射源的辐射防护》可得500 kV X射线在铅和混凝土中的半值层厚度和什值层厚度，见表2。

表2 X射线在铅和混凝土中的半值层和什值层厚度

(2)散射辐射屏蔽

关注点达到剂量率参考控制水平时，屏蔽设计所需的屏蔽透射因子B按下式计算。

(5)

式中，R0为辐射源点至探伤工件的距离，m；Rs为散射体至关注点的距离，m；a为散射因子；F为R0处的辐射野面积，m2。

所需的屏蔽物质厚度X按上式(4)计算。

由于X射线90°散射辐射的最高能量低于入射X射线，因此需使用该散射X射线最高能量相应的X射线(见表3)的什值层(见表2)计算其在屏蔽物质中的辐射衰减。

表3 X射线90°散射辐射最高能量相应值

(3)泄漏辐射和散射辐射的复合作用

当可能存在泄漏辐射和散射辐射的复合作用时，两者的屏蔽厚度若相差一个或更大什值层，采用其中较厚的屏蔽；若不足一个什值层，则在较厚的屏蔽上增加一个半值层。

1.4 方法应用讨论

本研究在进行450 kV X射线装置探伤室屏蔽厚度计算时采用的部分数据为500 kV管电压条件下的参数，这是由于现有辐射防护资料中提供的图表数据有限，没有给出450 kV管电压条件下的辐射屏蔽相关参数。为了充分保障职业放射人员及周围公众人员的身体健康，在没有取得更充分的数据支持时，笔者认为依照上述方法适当提高安全系数是可行的。

2 X射线屏蔽计算示例

2.1 研究对象介绍

航空某厂拟新增X射线探伤机1台，X射线探伤机管电压范围为20～450 kV，最大管电压时常用管电流3.3 mA。探伤机房平面布置情况详见图4。

图4 现有厂房探伤机房平面示意

X光探伤机靶点至关注点的距离：南墙3 m，北墙1.5 m，东墙3 m，西墙约3 m，距地面1.88 m，距顶约4.12 m。X光探伤机工作条件为450 kV、3.3 mA，每天曝光时间180 min；探伤机主照射方向为北向，周照射时间t=5×180/60=15.0 h/周。

2.2 确定关注点剂量率参考控制水平

表4 X射线探伤室几何参数和辐射屏蔽参数

2.3 X射线探伤室有用线束屏蔽估算

2.4 X射线探伤室泄漏和散射辐射复合屏蔽估算

(1)泄漏辐射屏蔽

同理可得，南墙、东墙所需的混凝土屏蔽厚度分别为270、339 mm；东侧门所需的铅屏蔽厚度为30 mm；屋顶所需的混凝土屏蔽厚度为240 mm。

(2)散射辐射屏蔽

同理可得，南墙、东墙所需的混凝土屏蔽厚度分别为369、426 mm；东侧门所需的铅屏蔽厚度为25 mm；屋顶所需的混凝土屏蔽厚度为344 mm。

(3)复合分析

最终，X射线探伤室的屏蔽设计厚度如下。

①西墙：369-270=99 mm<100 mm，故西墙的屏蔽厚度=369+30=399 mm混凝土；②南墙：369-270=99 mm<100 mm，故南墙的屏蔽厚度=369+30=399 mm混凝土；③东墙：426-339=87 mm<100 mm，故东墙的屏蔽厚度=426+30=456 mm混凝土；④东侧门：30-25=5 mm<10.3 mm，故东侧铅门的屏蔽厚度=30+3.1=33 mm铅；⑤屋顶：344-240=104 mm>100 mm，故屋顶的屏蔽厚度为344 mm混凝土。

3 结语

本研究引入管电压为400～500 kV X射线辐射屏蔽防护计算的相关图表参数，对现有《工业X射线探伤室辐射屏蔽规范》(GBZ/T 250—2014)进行了补充和完善，能满足0～500 kV工业X射线探伤装置探伤室的屏蔽厚度计算要求。通过本文的研究，旨在为相关设计人员提供参考。