针对现有效活度为74 × 10¹⁰Bq(20Ci)的²³⁸Pu-Be中子源在使用过程中, 如何加强防护和屏蔽?因源的出射率为0.5 × 10^-4n/(Bq), 虽然源在实验装置中经过充分慢化和屏蔽, 但源处于工作状态时, 中子源发射率比较高, 对源仓四周辐射很大, 如较长时间的使用中子源, 不可避免对在源室的工作人员和周边环境造成不同辐射, 为保障中子源的安全使用, 满足辐射防护安全的国家标准设计和优化要求^[1]。笔者对其中子源在工作状态时, 源室内各点所接受到的辐射剂量进行分析与计算, 为源室的屏蔽和人员防护安全提供理论参考依据。

1 中子源辐射防护原理及屏蔽计算 1.1 中子源辐射防护原理

中子在通过物质时, 其行为复杂。对比自身大得多的原子和分子, 快中子被其散射(反冲)而不丢失多少能量。然而, 在中子和轻原子或分子碰撞时, 后者将作者单位:南华大学核科学技术学院, 湖南衡阳421001作者简介:谢菊英, 女, 高级实验师, 江西吉安人, 从事放射性测量与防护工作。吸收中子的部分能量。氢原子能够使中子的能量发生最大的减弱^[2]。因此, 水, 油, 石蜡和聚乙烯等含氢物质能用作对中子提供最好的屏蔽。但当中子失去几乎全部的能量后, 它可能被俘获, 即被原子全部吸收而使情况变得复杂。这时常常导致一种新的放射性核素原子的形成。而这种新生成的核素, 在许多情况下, 能够发射极高的γ射线。特殊的吸收中子的含氢屏蔽物包含少量的硼, 帮助吸收中子。

电离辐射引起的人体组织损伤同沉积于组织的能量有关。它取决于所利用的辐射类型和能量^[3-5]。因此, 对不同放射性核素必须采取的防护措施取决于辐射类型和能量。

1.2 中子源室的屏蔽设计考虑

要将可能受到的透射剂量当量率减少到可接受的水平, 如2.5μSv/h, 需足够的屏蔽。在屏蔽室外, 可能需要一个控制区。见图 1图 2。

要求屏蔽(通常称此为二次屏蔽)对次级辐射和泄露辐射提供足够的屏蔽, 次级辐射来自有用的射线束的散射, 而泄露出来的辐射是通过装有放射源的源室透射出来的。虽然次级辐射比初始辐射的能量低, 但泄露辐射的能量有时与初始辐射一样高。这常常决定所需的二次屏蔽的厚度, 对它可以使用与计算一次屏蔽厚度相似的方法来计算。使用用于估算距墙、地板和射线照相物体或其他散射点1m处的散射剂量率的图形, 利用与距离平方成反比规律可以计算在较大距离处的剂量率。

1.3 屏蔽室屏蔽的理论计算

考虑到中子源的屏蔽计算主要包括室源屏蔽墙及屋顶厚度的计算。最常用的屏蔽材料是混凝土, 其次是水和石蜡。水是作为水门的常用材料。

屏蔽墙厚度的计算法, 有分出截面法, 张弛长度法, 1/10减弱厚度法, 查表法等^{[6, 7]}。

由于²³⁸Pu-Be源发射中子能量为连续谱, 可测能量分布, 其平均能量为4MeV可使用分出截面法来估算各自单一屏蔽材料的屏蔽厚度。

为了运用分出截面处理宽束中子的减弱, 屏蔽材料必须满足下列条件:①屏蔽层足够厚, 使得在屏蔽层后面的当量剂量主要是由中子束中一组贯穿能力最强的中子所致。②屏蔽层内须含有像铁, 铅之类的中等重的或重的材料, 以使入射中子能量通过非弹性散射很快降低到1MeV左右。③屏蔽层内要含有足够的氢(或充分混合, 或放在屏蔽层的最后), 以保证在很短的距离内, 使中子的能量从1MeV左右很快降低到热能区, 并使其能在屏蔽层内被吸收。见图 3。

上述条件得到满足时, 则宽束中子在屏蔽体中的减弱就可用下列式子进行描述:

屏蔽后的当量剂量率=屏蔽前的当量剂量率× exp (-屏蔽材料对中子的宏观分出截面×屏蔽层厚度)^{[8, 9]}; 见表 1。

偏保守考虑, 对应于厚度不少于20cm的水, 石蜡, 聚乙烯一类的含氢物质, 可以取B=5;对铁, B=2.6;

根据上述公式, 为使参考点的中子注量率降低到ψ所需的屏蔽材料厚度d可按下式算得:

所以

式中, d是屏蔽层厚度(cm); ε是屏蔽材料的宏观分出截面(/cm); A是放射性核素中子源中放射性核素的活度(Bq); y是放射性核素中子源的产额(/Bq.s); A·y即为中子源中子发射率(/s) B是中子的积累因子; q是居留因子; r是参考点源的距离(cm)。

根据中子在物质中的减弱规律, 绘制成若干屏蔽材料的减弱曲线, 这样就可以从这些曲线图中直接查的所需的屏蔽材料厚度^[8]。经查表和代入公式计算绘制得到, 见图 4。

2 结论

利用分出截面法计算的数据结果可知在对, ²³⁸Pu-Be中子源的屏蔽防护中, 若用单一物质进行屏蔽, 可以看出铁的屏蔽效果较好, 其次聚乙烯, 再就石蜡, 还有水, 最差的是混凝土。

从理论分析可知铁虽然质量数大, 与中子发生弹性碰撞损失的能量少, 但由铁与中子作用的宏观截面较大, 从而对中子的屏蔽能力增强。但铁容易活化, 感生放射性, 如伽马射线增加了次级屏蔽一般采用量少。

聚乙烯韧性好, 是常用的商业屏蔽材料, 实用效果好; 石蜡和水含氢较多是廉价的中子慢化剂和吸收剂, 但石蜡易开裂, 水流动性强且易蒸发所以值得注意。

混凝土虽然屏蔽效果相对较差, 但对二次屏蔽效果较好是常用的屏蔽材料。总的来说, 屏蔽一般采用复合物质, 这样可以弥补单一材料的缺点, 从而增强屏蔽效果。