在防护实践中, 砂层不仅对γ射线有一定的屏蔽效果, 而且屏蔽层的厚度增减十分方便, 无需复杂的加工, 河砂取材便利, 成本较低谦。在辐射加工工业中, 砂有希望成为一种较理想的屏蔽材料。为了解砂对⁶⁰Coγ射线屏蔽性能，我们进行了实验。

1 实验原理

辐射屏蔽材料的最主要性能是能有效地减弱射线强度。屏蔽γ射线的主要性能参数是材料的线性减弱系数U和积累因子B。γ射线被厚度为X的材料屏蔽前后的强度分别为Io、I, 它们的关系服从于下式:

(1)

当为窄束辐射时, 积累因子B≈1, 光子经散射改变了方向就离开了入射束, 而当作被“吸收”了, 此时(1)式成为:

(2)

(2) 式两边取对数, 得到:

(3)

令Y = LnI; a = LnIo; b=-u则(3)式成为

(4)

(4) 式为直线方程, 因此可通过实验并借助于直线回归计算可求得线性减弱系数u。

当积累因子B≠1时, 为宽束辐射。由于散射使得原入射束某些射线虽经散射, 但仍未离开宽束范围; 或经多次散射使得离开此宽束范围的射线又回到此宽束范围; 或原不在宽束范围的射线被散射到此宽束范围来。可见, 在同样屏蔽条件下, 宽束辐射的减弱倍数低于窄束辐射。

由(1)式得：

(5)

屏蔽前后的强度之比Io/I, 为减弱倍数K, 即K=Io/I。减弱倍数的倒数I /Io为透射率系数, 即η=I/Io。

知道了材料的线性减弱系数u和屏蔽厚度x, 从透射率系数η便可求得B值。

2 实验设备方法及结果

γ放射源为各向同性源⁶⁰Co, 活度为9.9×10⁸ Bq (26.74 mCi)。测量仪器为北京核仪器厂的FJ-367型通用闪烁探头和FH-408型自动定标器。为了测定u本文设计了一套测量装置, ⁶⁰Co源置于铅室中心, 射线束的张角30°为以保证屏蔽物都在张角之内, 达到宽束的近效果, 放射源、准直孔、屏蔽材料的中心位置以及探头的中心点均通过激光调节在同一轴线上。

为了减少散射对实验结果的影响, 整个装置放在离地面1.2米高的木质台面上, 射线束朝向阔处。

用有机玻璃制成装砂的箱柜, 每隔5 cm为一格层, 格板用活动的有机玻璃板, 使用透明的有机玻璃使得激光准直定位十分方便而且可以观察到砂层装置是否夯实。

2.1 实验装置的可靠性验证 2.1.1 测量仪器的稳定性

仪器的工作电压V=300伏, 测得本底计数, 10次计数均值为1160cpm, 标准偏差为28cpm, 变异系数(c.v)为2 %。

2.1.2 实验装置的可靠性

通过此装置测量标准铅片对⁶⁰Coγ射线的线性减弱系数u, 与国际目前公认的标准u值进行比较, 求得验证。

在⁶⁰Co源与探头之间置有一准直孔的5 cm厚的铅砖, 在准直铅砖与探测器之间放置标准铅片, 测量结果示于表 1

2.2 窄束干砂和湿砂实验

使用准直铅砖形成窄束条件。在做湿砂实验时将5 cm厚的砂层装入塑料袋内注水, 使之达到饱和即可。测量干、湿砂对窄束射线的屏蔽结果示于表 2。

r_干=0.9639   u_干=0.1120 cm^-1   干砂密度=1.505 g/cm³

r_湿=0.9996   u_湿=0.1142 cm^-1   水饱和湿砂容重=1.792 g/cm³

2.3 宽束干砂和湿砂实验

测量湿砂与干砂的屏蔽结果比较, 示于表 3。

3 讨论

利用本装置以及实验方法所得到的铅的线性减弱系数U_Pb = 0.645 cm^-1与目前国际上通用的U_Pb⁽²⁾值相同, 说明该装置, 方法的设计是合理的, 利用此装置得到的实验结果是可信的。

实验得到的干砂线性减弱的系数U_干砂=0.1120 cm¹, 湿砂线性减弱系数U_湿砂=0.1142 cm^-1, U_湿砂>U_干砂, 其原因主要是水的注入减少了砂的间隙的缘故。

比较表 2、表 3的相同砂层厚度时I /Io值可以看出:无论是干砂还是湿砂, 对宽束的屏蔽效果都低于窄束时的屏蔽效果。

辐照加工中, 对屏蔽物来说, 源都是呈宽束照射。同样都是宽束, 湿砂的屏蔽效果也比干砂的好, 当砂层厚度越大, 其差异也越大。另外, 就宽束而言, 湿砂的厚度越大, 对射线的减弱倍数增加得越显著, 如砂层厚度x₁ = 75 cm和x₂=80 cm厚度仅差5 cm, 其相应的减弱倍数是K₁=325.6和K₂=513.2详见表 3。

由于实验条件的限制砂层厚度及分层都有限, 砂层厚度x与减弱倍数K的对应值也有限, 为此可利用x-I/Io的对应值, 制作x-I /Io关系曲线图, 以在屏蔽设计时参考。

我们使用的γ辐射源近乎是各向同性点源, 但在辐射加工中多使用平板源。所以在具体使用我们的实验结果的应注意辐射源的几何形状的不同造成的差别。

此外, 我们测量时探头距屏蔽材料的最近距离是5 cm, 这点在使用时也须注意。