γ射线屏蔽计算方法的比较

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。探伤室模型见图 1。

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

① 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。②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] :

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^-1; r₁—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^[3, 6] :

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^-1; t₂—屏蔽层的厚度，cm; K_a/φ—空气比释动能率与通量密度的比值，pGy. cm²; n—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表 1。

根据表 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，见图 1。

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表 2。

根据表 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，见图 2。

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，见图 3。

从图 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: ①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; ②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。