γ射线移动探伤在工业中已被广泛应用, 由于多在野外进行, 没有固定的屏蔽物, 对周围的环境存在一定的辐射影响, 因此要求在探伤作业时划定防护距离^{[1, 2]}, 以分别限制工作人员和公众的进入, 受到不必要的辐射损伤。相关标准对γ射线移动探伤时控制区和监督区的边界辐射剂量提出了分别为15 μGy/h和2.5 μGy/h的要求^[3]。由于实际操作时通常是先估算距离, 划好边界后再进行探伤作业, 通过对边界处的实际辐射剂量进行巡测, 再根据标准限值要求对边界进行恰当的调整。因此, 提供一种简便、快捷、准确的估算方法, 在γ射线移动探伤实践中具有一定的积极意义。

《工业γ射线探伤放射防护标准》^[3]的资料性附录B对目前γ射线移动探伤时的边界划分给出了参考方法, 其中无屏蔽射线对应的边界距离常在10¹~10² m量级, 在此量级的线性距离上, 空气对射线的衰减是可以被考虑的, 本文由此进行了相应的计算和讨论。

1 计算

由于探伤用γ放射源的尺寸一般在10^-2 m量级, 而无屏蔽射线的边界至少在10 m的量级, 距源的距离远远大于放射源的尺寸, 可以当作点源进行处理。存在公式(1):

(1)

式中K₀为无屏蔽时, 在距离源R处的空气比释动能率, A为源的活度, Г_k为放射源的比释动能常数。

而根据线性衰减公式, 有如下关系:

(2)

式中, K为衰减后的空气比释动能率, K₀为衰减前的空气比释动能率, u为线性衰减系数, d为屏蔽物的厚度。

将空气作为屏蔽物, 则距离放射源的距离R即为屏蔽物的厚度d, 将(2)式代入(1)式, 得到公式如下:

(3)

式中, u_en为特定能量γ射线对应的线性衰减系数, 而u_en/ρ称为质量能量衰减系数, 如果知道了u_en/ρ值, 乘以屏蔽物的实际密度即可计算出u_en。

2 结果

目前常见探伤用放射源多为⁶⁰Co、¹⁹²Ir、⁷⁵Se^[4], 对应的衰变常数Г_k和γ射线在空气中能量衰减系数见表 1, 其中能量衰减系数数据来源于美国科技标准协会(NIST)网站“材料的X射线衰减和吸收剂量学数据库”, 用插值法求得。在标准状态下, 空气密度为1.29 kg/m³, 20℃时, 干燥空气密度为1.204 kg/m³, 考虑到湿度的影响, 通常情况下, 环境中大气密度范围约在1.20~1.30 kg/m³之间, 计算时保守取空气密度为1.20 kg/m³。

计算时, 控制区边界外空气比释动能率限值取15 μGy/h, 监督区边界外空气比释动能率限值取2.5 μGy/h, 将这两个边界限值和表 1中的参数分别代入公式(3), 利用作图法, 得出不同活度放射源在对应边界剂量率限值下的控制区和监督区边界距离, 具体结果见图 1和图 2。不考虑空气吸收时利用公式(1)计算得到的控制区和监督区边界距离见图 3。

3 讨论

空气对γ射线的吸收源自于其所含的各种气体原子, 能量衰减系数u_en/ρ是一个不依赖物理状态的量, 只和原子的种类有关, 根据朗伯定律, 物质对射线的衰减能力近似和原子序数的3次方成正比。表 1中的空气能量衰减系数是通过对干燥空气的试验而测得的, 其组成主要是O和N元素, 实际空气与干燥空气的差别主要是空气中所含的水份, 由于H₂O中O元素占据了重量的89%, 湿度引起的空气密度变化主要来源于O元素的贡献, 因此湿润空气的能量衰减系数和干燥空气也相近。

对于0.3 MeV的γ射线, 用铅作为屏蔽材料时, 其线性衰减系数为1.484 cm^-1, 而空气作为屏蔽体时, u_en=ρ×(u_en/ρ) =0.028 8×1.20×10^-3=3.456×10^-5 cm^-1, 可见对0.3 MeV的γ射线, 铅的屏蔽作用约是空气的42 940倍, 相当于1 mm铅等效于42.9 m的空气, 因此, 在大于50 m的尺度上, 考虑空气的屏蔽作用是可行的。

根据图 1和图 2可以方便的查出不同种类和不同活度放射源在边界剂量率限值下的控制区和监督区边界距离。

对于γ射线偏"硬"的⁶⁰Co放射源, 活度为1.85×10¹² Bq (50 Ci)时, 控制区边界距离约为161 m, 监督区边界距离约为310 m; 而不考虑空气吸收时, 用公式(1)可以计算出控制区边界距离约为208 m, 监督区边界距离约为509 m。

对于γ射线较"软"的¹⁹²Ir放射源, 活度为1.85×10¹² Bq时, 控制区边界距离约为101 m, 监督区边界距离约为214 m; 不考虑空气吸收时, 控制区边界距离约为127 m, 监督区边界距离约为310 m。

同样, 对于γ射线较"软"的⁷⁵Se放射源, 活度为1.85×10¹² Bq时, 控制区边界距离约为72 m, 监督区边界距离约为154 m; 不考虑空气吸收时, 控制区边界距离约为82 m, 监督区边界距离约为200 m。

根据以上比较, 对常见探伤用放射源, 可见看出考虑空气吸收值能缩短控制区边界距离约10%~20%, 对监督区边界距离则能缩短20%以上。实际的现场测量复核中, 在估算距离上未发现空气比释动能率超出限值的情况, 因此, 本估算结果是较为可信的。

在高海拔地区, 由于空气稀薄, 例如海拔4 000 m左右, 气压通常只有60%^[6], 建议将图中查得的距离值乘以修正因子1.1或保守用公式(1)计算。

4 结论

考虑空气对γ射线的吸收, 对于未经屏蔽的γ射线, 估算出常见的探伤用⁶⁰Co、¹⁹²Ir、⁷⁵Se放射源对应的控制区和监督区边界距离, 其中控制区距离, 缩短约10%~20%, 监督区距离缩短20%以上, 距离越远, 缩短越明显。这一估算结果较为合理, 可方便γ射线移动探伤工作人员在现场划区时作为参考。