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γ射线屏蔽计算方法的比较

发布时间:2020-11-15人气:

随着社会与科学进步,工业射线探伤为社会创造了巨大的经济效益,但其产生的辐射危害日益受到人们的关注[1]。在我国愈发重视环境保护的同时,辐射影响评价的准确性尤其重要。笔者针对探伤室辐射评价工作中的实例,采用了三种屏蔽计算方法与实测值进行比较分析,并总结出几种计算方法的优劣。

1 探伤室的模型

探伤室长20m,宽6m,高6.5m。四周墙壁总厚度均为72cm,其中内外分别为24cm厚的砖,中间夹24cm的钡渣。探伤室模型见 1

image.png 

图 1 探伤室模型

2 辐射源及测量装置2.1 辐射源

探伤辐射源选用192 Ir密封源,其活度为2.65 × 1012Bq,γ射线平均能量为0.35MeV[2]。非使用状态下,密封源封存在DLTS - B源容器内。

2.2 测量装置

 选用WF - 100型通用辐射测量仪完成探伤室内固定点位剂量率的测量,该设备量程为0 ~ 250mGy /h,在中国国家计量院的国防科工委放射性计量一级站进行校准,校准系数依据该仪器的档位在1.00 ~ 1.04之间。选用FH40G - L型环境X、γ剂量率仪完成探伤室外固定点位剂量率的测量,该设备的量程为10nGy /h ~ 100mGy /h,能量范围为30keV ~ 4.4MeV,在核工业放射性勘查计量站进行校准,校准系数为0.9672。

3 计算点位的设置3.1 室内计算点位的设置

针对192 Ir放射源裸照情况,分别计算探伤室内距离放射源2m、3m、4m、5m和8m点位的空气比释动能率,测量点位与计算点位相同。

3.2 室外计算点位的设置

针对存在屏蔽介质情况下,分别计算距探伤室墙外1m ~ 10m处的空气比释动能率,测量点位与计算点位相同。放射源到内墙的距离为2.33m,离地面的高度为0.7m。

4 结果与分析4.1 本底测量结果

根据计算与测量的点位,选用仪器分别测量探伤室内外的环境本底水平,每台仪器测量10组数据,取其平均值。WF - 100型通用辐射测量仪测量室内本底水平为110nGy /h,FH40G - L型环境X、γ剂量率仪测量室外本底水平为106nGy /h。

4.2 理论计算与测量结果的比较

参照选定的点位及屏蔽介质材质,运用经验公式法、点核积分法及MCNP法对固定点位的空气比释动能率进行计算,其中经验公式法和点核积分法的计算公式如下:

经验公式法[3-5] :

image.png 

(1)

式中H1—距离放射源r1米处的空气比释动能率(μGy/h); A1—源强(Bq); Γ—源的照射量率常数,C.m2.kg-1; 33.85—转换系数,Gy.kg.C-1r1—放射源与监测点的距离(m); t1—屏蔽层的厚度,cm; T—衰减1 /10值层厚度,cm。

点核积分法[36] :

image.png 

(2)

式中H2—距离放射源r2米处的空气比释动能率(μGy / h); A2—源强,Bq; r2—关注点到放射源的距离,cm; B—积累因子; μ—γ射线在屏蔽材料中的线性减弱系数,cm-1t2—屏蔽层的厚度,cm; Ka/φ—空气比释动能率与通量密度的比值,pGy. cm2n—每次衰变产生的光子数。

根据公式(1)、公式(2)及MCNP法建立的计算模型分别计算固定点位的空气比释动能率,然后与实际测量结果进行对比分析。

4.2.1 室内固定点位计算结果与实测结果

根据室内固定点位的设置,采用三种计算方法分别计算各点位的空气比释动能率,同时运用WF - 100型通用辐射测量仪测量相应点位空气比释动能率,计算结果与实测结果见 1

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表 1 192 Ir源在探伤室内的数据汇总

根据 1中对室内固定点位的计算结果及测量结果,绘出对室内固定点位比释动能率计算值与测量值的比较图,见 1

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图 1 室内固定点位比释动能率计算值与测量值的比较图

从对比结果可知,经验公式法计算结果与实测结果相同相近,其误差不大于1%,点核积分法与实测结果误差在1% ~ 4%之间,MCNP法与实测结果误差在10% ~ 14%之间。从而得知,计算无屏蔽介质固定点位剂量率,优先选用经验公式进行计算,次之选用点核积分法进行计算。

4.2.2 室外固定点位计算结果与实测结果

根据室外设置的固定点位,采用三种计算方法分别计算各点位的空气比释动能率,同时运用FH40G - L型环境X、γ剂量率仪测量相应点位空气比释动能率,计算结果与实测结果见 2

image.png 

表 2 192 Ir源在探伤室墙外的数据汇总

根据 2中对室内固定点位的计算结果及测量结果,绘出对室外固定点位比释动能率计算值与测量值的比较图,见 2

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图 2 室外固定点位剂量率计算值与测量值的比较图

从对比结果可知,经验公式法、点核积分法与MCNP法的计算结果均大于测量结果,标明三种计算方法均是保守的。根据计算结果与测量结果的比值,得知经验公式法结果约为测量结果的7 ~ 14倍,点核积分法结果约为测量结果的3 ~ 6倍,MCNP法结果约为测量结果的2 ~ 3倍。以测量结果为横坐标,以计算结果与测量结果的比值为纵坐标,见 3

image.png 

图 3 计算结果与测量结果的比值对照图

3可以明显看出,在有屏蔽介质的情况下,经验公式法的计算结果偏保守,点核积分法与MCNP法相对准确。三种计算方法结果保守性的主要原因: 与计算方法本身有关,其中经验公式法与点核积分法均为理论计算公式,其参数均为经验值,且已应用多年,与现有屏蔽材料的参数、源项的参数有一定的偏差; 由于MCNP程序是对粒子的输运进行大量的抽样模拟计算,计算结果的误差与粒子数直接相关,另外本次计算未考虑源的自吸收效应,全部使用了点源设置,计算结果存在偏差。

结合相关研究文献,在估算简单模型过程中(例如探伤室、放射源库),优先选用点核积分法进行估算,可节省工作量及工作时间。对于大型核设施及复杂源项的屏蔽计算,可优先选用MCNP法提高计算的精度。

5 结论与展望

计算点源致固定点位空气比释动能率时,在无屏蔽条件下,经验公式法优于其他两种方法,与测量结果基本吻合; 存在屏蔽介质时,三种方法均为保守计算,其中经验公式法偏保守,与测量结果相差约1个量级。

在实际屏蔽设计与环境影响评价过程中,对于简单模型,可优先选用点核积分法进行估算; 对于复杂模型,可优先选用MCNP法进行估算。

通过对存在屏蔽介质与无屏蔽介质的计算结果比较分析可知,计算结果的保守性与屏蔽材料衰减参数选取直接相关,根据现有参考文献查询得知的屏蔽材料种类相对较少,且查询的数据与实际生产的屏蔽材料也存在一定的误差。如今对屏蔽材料屏蔽效果鲜有研究,需进一步开展相关理论及实验研究。

 


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