用窄束γ能谱特征峰法测非均匀材料吸收系数的研究

樊新胜，朱松林，张瑞丽

(成都理工大学 核技术与自动化工程学院,四川 成都 610059)

目前,γ射线的防护问题仍不可忽视[1].尤其在辐射比较强的地方,在进行屏蔽设计时需要考虑“辐射防护最优化”的原则.关于屏蔽材料的吸收系数研究主要通过蒙特卡罗方法模拟和实验室测量进行,其中使用蒙特卡罗方法测量吸收系数居多,蒙特卡罗方法适用的是一种理想条件下的情况,其所得到的结果作为参考值,该方法拥有快速简便的特点[2].但关于新型屏蔽材料的实体样品测量中常常涉及组分混合均匀度的问题,在样品组分均匀度不一致的情况下,若要得到该样品实际的吸收系数就需要进行多点测量来尽可能获取多组数据.在这样的情况下,单单依靠蒙特卡罗方法不能够达到获取非均匀实体样品吸收系数的目的.因此,模拟之外的实验测量就显得尤为重要,实验测量结果往往与蒙特卡罗方法得到的参考值进行对比分析[3].通过伽马能谱中特征峰对屏蔽材料的吸收系数进行测量和计算,在数据处理后获得测量值.随着辐射防护的观念深入,新型屏蔽材料在满足各项物理化学特性需求的同时也带来了材料组分非均匀分布对实际测量的影响问题,有必要针对实验测量中的不均匀性问题提供一个可行的测量线性吸收系数的方法.为了让测量得到材料的线性吸收系数更准确,一般利用窄束的效果来减少散射的影响.

研究采用γ能谱中单色能量放射性源引起的特征峰(全能峰)对一种新型非均匀屏蔽材料进行测量研究.首先通过MCNP模拟,得到最优的窄束孔径,之后再利用MCNP模拟实验模型,且验证模型的可靠性.通过MCNP模型搭建实验平台且进行实验测量,将测得的能谱用于屏蔽材料的屏蔽系数研究,探究此法对于今后的非理想和非均匀状况下屏蔽材料的吸收系数获取的可行性.

1 基本原理与模型建立

1.1 基本原理

当γ射线穿过一定厚度的物质时,与物质相互作用主要包含三种，光电效应、康普顿效应和电子对效应[4].这三种作用过程都会产生经吸收体散射而来的光子,进入探测器造成测量误差.因此,本文采用窄束射线孔,消除散射光子的影响.

当不考虑散射的影响时,其吸收公式[5-6]为

I=I0e-μd,

(1)

其中，I为γ射线出射强度;I0为γ射线入射强度;d(cm)为屏蔽材料的厚度;μ(cm-1)为屏蔽材料的线性吸收系数.线性衰减系数为

(2)

其中，ρ(g·cm-3)为屏蔽材料的密度，μm(cm2·g-1)为屏蔽材料的质量衰减系数.对于混合化合物的质量衰减系数应由各元素加权[7]得到

μm=∑wi(μm)i,

(3)

其中,wi和(μm)i分别是第i个组成元素的重量分数和质量衰减系数.

1.2 模型建立

基于窄束射线在物质中的衰减规律,设计的吸收系数测量方案如图1所示,用MCNP构建的几何模型如图2所示,CS137体源发出的γ射线通过窄束孔径到达样品,在达到样品之前设置F2卡进行γ射线通量计数用来分析窄束对于散射的屏蔽效果,与样品发生相互作用后经过窄束准直沉积到高纯锗探测器上通过F8卡得到γ射线沉积概率.根据线性衰减系数的定义对材料的线性衰减系数进行计算.粒子数为1E9,分析窄束孔径对散射的影响以及利用多点测量法得到非均匀重晶石混凝土的线性吸收系数.

图1 窄束射线吸收系数测量方案 图2 实验装置模型模拟图

2 窄束孔径的选择

无论在实验还是模拟中,伽马射线的散射效应都是一个重点关注的问题[7],为了尽可能屏蔽掉散射效应,一般采用窄束射线.而窄束的概念是一个相对大小,一般认为在孔径大小降低到远远小于设备的大小时,就能有效地屏蔽掉散射效应带来的影响.在不同大小的窄束中,对于散射的屏蔽效应是不同的.因此,针对不同窄束孔径的研究是很有必要的.利用MCNP模拟0.2 cm～10 cm的孔直径,得出对应的散射效应情况.结果如图3所示.

图3 不同孔径的散射强度

由图3可以得到,随着孔径的逐渐缩小,其散射概率也是逐渐减小的,当孔径缩小到1 cm后,散射概率的减小幅度开始变缓.因此,考虑到实验几何布置的局限性,孔径设置为0.4 cm,既能有效地屏蔽掉散射效应,又能方便实现实验的几何布置.

3 MCNP模拟结果

Fe、Cu、Al和重晶石混凝土的MCNP模拟结果情况分别如图4～图7所示,得到其线吸收系数结果，如表1所示.

图4 纯铝材料MCNP模拟结果 图5重晶石混凝土MCNP模拟结果

图6 纯铁材料MCNP模拟结果 图7重晶石混凝土MCNP模拟结果

表1 四种已知材料的MCNP模拟[8] 线吸收系数μ(cm-1)

由表1数据可知,模拟值与参考值误差都在2%以内,可见模拟的结果是相当精确,模拟使用的模型也可以用于实验测量.

4 实验测量

测量平台如图8所示,其中探测器采用Detective-DX-100型高纯锗伽马能谱仪.为验证所建模型的测量效果,在Fe、Cu、Al和重晶石混凝土四种材料中随机抽选Fe进行实测.铁厚度参数如图9.

图8 测量平台 图9 铁板(片)厚度参数

由于室内测量采用的Q235铁板为含有一定量其他元素的合金,其吸收系数标准值应使用混合物(化合物)质量吸收系数计算式对质量吸收系数进行修正然后换算为线吸收系数.Q235铁板材料成分质量分数如表2,实际测量能谱137Cs全能峰信息如下图10所示.

表2 Q235铁板材料成分

图10 137Cs特征峰在铁不同厚度下的计数

铁板材料的线吸收系数参考值为0.5823 cm-1,测量结果拟合值为0.5890 cm-1,二者之间相对误差为1.15%.使用该实验装置平台对铁关于0.662 MeV能量下光子屏蔽数据曲线拟合状况良好.所以利用该实验装置对新型重晶石混凝土进行线吸收系数测量.新型重晶石混凝土样品如图11所示.从样品圆盘上选取三个对称的几何位置作为三个测量点,如图12所示.围绕这三个几何位置分别测量其吸收系数,结果如图13、图14和图15所示.

图11 新型重晶石混凝土样品

图14 样品点2测量结果 图15 样品点3测量结果

新型重晶石混凝土材料为重晶石混凝土与结构性钢材,具体重晶石成分配比官方未公布.在此,将该种样品的实验测量拟合结果与常见伽马射线屏蔽材料进行对比,由表3可知测量的新型重晶石混凝土对γ射线的屏蔽效果一般,虽然好于普通混凝土,但比起重晶石混凝土,铁板等屏蔽材料还有不及.对于不均匀样品,采用多点测量法,有效消除不均匀性带来的对测量结果的影响.

表3 测量样品与部分防辐射屏蔽材料线吸收系数比较 线吸收系数μ(cm-1)

5 结论

在远远小于设备大小的同时,利用模拟的优势获得最优的窄束效果,得到最合适的窄束孔径.建立模型得到Cu、Fe、Al和重晶石混凝土的线性吸收系数.以此基础建立实验装置,针对非均匀新型重晶石混凝土,利用多点测量法得到线性吸收系数,为不均匀材料提供一种测量方法.测量结果显示,多种组分构成的混合物辐射屏蔽材料由于自身的不均匀性确实会导致各几何位置的实际伽马射线屏蔽能力有所不同.本文中,新型重晶石混凝土的三个几何测点的线吸收系数μ分别为0.2042 cm-1、0.2080 cm-1、0.2074 cm-1,三者之间最大相差1.8%.若要将此材料投入实际生产,组分分布均匀程度仍需关注.