射线探伤是无损探伤的重要方法之一。根据探伤的形式一般可分为专用探伤室探伤和现场探伤, 专用探伤室探伤时, 探伤机和工件一起载入探伤室中, 工作人员在探伤室外远程作业, 射线被探伤室屏蔽, 工作人员受射线影响较小。当被测工件外形较大, 或工件被安装在生产线、管道等设备上无法移出时, 只能进行现场探伤, 现场探伤作业前会根据工件厚度、探伤机的性能、剂量场参数划分监督区和控制区, 进行有效的清场以防止公众人员误进入, 公众基本不会受到超过剂量限值的照射。但由于探伤机、工件和工作人员均暴露在同一空间中, 工作人员受场所条件所限, 即使采用20 m长电缆远距离曝光或30 s延时曝光技术, 部分恶劣工作环境下, 工作人员也难以完全撤离至监督区外, 此时只能选择就地隐蔽, 为降低射线对工作人员的损伤, 保护工作人员健康, 本文从X-γ射线反散射模型上讨论合理的撤离或隐蔽方向。

1 建模与分析

工作中, 一般不会选择射线透射方向作为人员隐蔽方向, 故本文以反散射方向上的剂量数值讨论人员的合理隐蔽方向。

1.1 反散射射线来源

X-γ射线虽然射线发生方式不同, 能量不同, 但本质均为光子, 他们与物质作用方式最主要有光电效应、电子对效应、康普顿散射三种, 见图 3。发生光电效应时, 入射光子消失, 靶物质内束缚电子被轰出, 打出光电子; 入射射线能量大于1.02 MeV时产生电子对效应, 正负电子对随即湮没成光子发出, 且随着入射射线能量的增高其发射方向趋于前倾^[1]。康普顿散射时, 光子与原子核外电子发生非弹性碰撞, 入射光子损失一部分能量改变入射方向从物质表面散射。

实际工作中使用的X射线探伤机一般不超过250 kV, 采用¹⁹²Ir或⁷⁵Se的γ探伤机射线能量也不超过0.81 Mev或0.39 MeV, 由图 1可知, 一般探伤作业时, 射线与物质相互作用主要为光电效应和康普顿散射, 射线与物质的多次康普顿散射是反散射射线的主要来源。二次以上的康普顿散射作用原理非常复杂, 本文采用数值方法讨论一次康普顿散射时反散射方向上通量变化, 并用MCNP软件模拟不同条件下反散射剂量数值变化。

1.2 反散射射线能量和通量分布

见图 2~图 4。

能量为hv的入射射线轰击靶材料, 忽略核外电子束缚能以及二次以上的康普顿效应, 反散射射线能量为:

(1)

式中:m₀c²是电子静止能量0.511 MeV。

由Klein-Nishina可得出入射能量为hv射线在不同散射角的微分散射截面, 在单位立体角dΩ内散射概率为:

(2)

r₀为电子的经典半径, r₀=2.818 × 10^-13 cm, a=, 所以当立体角不变时, 探测器所在立体角内被散射光子通量为:

(3)

探测器所在立体角dΩ与该散射方向上锥顶角dθ之间关系如下:

(4)

(5)

由公式(3)可得出, 不同散射角下单位立体角内反散射射线通量为入射射线能量的函数, 与靶物质材料、靶物质厚度等均无关。利用数值方法对公式(3)积分可以得出不同能量入射线下各角度的散射粒子通量, 图 3分别是入射线能量为60, 80, 120, 510 keV时散射射线通量角分布, 通常反散射粒子通量在± 90°时最小, 与文献[1]一致。

实际由于靶材料对入射线的多次散射, 在不同立体角时实际散射线能谱为康普顿平台上叠加的特征峰, 这在文献中得以证实^[2], 当次级带电粒子平衡时, 该点位的空气吸收剂量为:

(6)

式中:ϕ_E为光子数量按光子能量的微分分布; f_X (E)为光子能量为E的照射量因子^[3]。

当不考虑多次康普顿散射效应造成的康普顿平台所致吸收剂量, 依公式1得出探测器所在角度的散射射线能量, 依公式6得出单次康普顿效应所致吸收剂量角分布, 如图 4、图 5。由图得知, 反散射射线所致吸收剂量最小处一般出现在± 90°, 最大值近似出现在0°, 随着入射射线变硬, 透射射线比重增加。当考虑多次康普顿散射效应造成的康普顿平台所致吸收剂量, 则该积分十分复杂, 一般采用蒙卡软件进行计算。

1.3 蒙卡模拟

建立如图 4模型, 坐标中心为边长1 m的正方形靶, 距靶中心20 cm处为放射源, 射线发射方向为Y轴负方向, 距靶10 m处YOZ平面上每10°依次放置19个点探测器, 利用F5卡和DE/DF卡分别计算每个探测器处空气吸收剂量率。

为探讨不同条件下探测器处空气吸收剂量率分别如下改变模型:①保持入射射线能量120 keV, 靶厚度1 cm, 更换靶材料为铁、镍, 铜, 不锈钢; ②保持入射射线能量120 keV, 更改靶厚度1 cm, 5 cm, 10 cm; ③保持靶厚度1 cm不变, 更改入射射线能量从40 keV~ 300 keV; ④保持靶厚度1 cm不变, 保持入射射线能量120 keV不变, 更改入射射线照射野的锥顶角10°, 20°, 30°。

1.4 数据分析

以YOZ坐标系分析, 计算数据显示, 归一化之后, 反散射射线整体剂量分布与靶物质厚度几乎无关, 这与前文康普顿散射模型分析结论一致; 随靶物质原子序数(材料变硬)的增加(不锈钢采用等效原子序数), 光电截面变大, 反散射射线变少; 在接近± 90°时剂量数值最小, 最大值出现在接近0°的某处, 并随着射线能量的增加而趋于0°; 当射线照射野的变大之后, 吸收剂量最小值加速稳定出现在± 90°处。见图 7~图 10。

1.5 实际监测

采用¹³⁷Cs放射源模拟窄束射线打靶, ¹³⁷Cs放射源2006年出厂活度7.4 × 10⁹Bq (0.2 Ci), 采用铅罐外加准直器方式获取窄束射线, 用FH 40G-10外接FHZ 672E-10剂量率仪对反散射射线监测, 如图 9, 放射源距离靶中心30 cm, 监测点位距离靶中心100 cm, 监测角度0°~90°, 监测结果为表 1所示。由监测结果可得, 剂量率数值从0°到90°为递减趋势, 在90°时达到剂量率数值最小值, 符合上述结论。

2 结论

现场探伤作业时, 移动式X射线装置控制器和X射线管头或高压发生器的连接电缆一般不少于20 m, 有些探伤机可以采用延时曝光, 当场地条件允许时, 工作人员一般可以撤退到相对安全的位置, 但当场地受限或撤退时间有限时, 工作人员则必须考虑最优化的隐蔽位置或撤离路径, 依上文论证, 在射线入射垂直方向撤离或隐蔽可满足最优化要求。