铅屏蔽效果实验验证及分析
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摘 要：在辐射防护工作中，铅屏蔽是最常用的辐射防护手段之一。对于铅屏蔽的实际屏蔽效果，实际效果与理论值存在较大偏差，本文通过实验，得到三门核电铅皮和铅衣的屏蔽效果，并通过γ光子与物质的相互作用，很好地解释了铅屏蔽实际效果与理论数值存在偏差的原因，对辐射防护屏蔽搭设及屏蔽防护的评估具有很好的借鉴意义。
关键词：铅皮;铅衣;γ光子与物质的相互作用
中图分类号：TD954 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）01-0224-02
0 引言
铅屏蔽是辐射防护降低外照射最重要的手段之一，比如用于屏蔽搭设的铅皮，高辐射场工作人员穿戴的铅衣。至于具体的铅屏蔽效果，辐射防护常用半减弱厚度来计算，半减弱厚度就是将γ射线的照射量率、吸收剂量率、比释动能率或注量率等减弱一半所需屏蔽层的厚度。由于Co-60为核电厂最常见的特征核素之一，且其能量较高，铅屏蔽效果预估常用Co-60的半减弱厚度12mm作为依据[1]。但是在实际工作中，发现一层铅皮（5mm）的屏蔽效果就有可能达到50%，比如在三门核电1号机组化容系统下泄流热交换器的筒体屏蔽工作中，屏蔽前热点最高剂量率约为3mSv/h，一层铅皮屏蔽后，其最高剂量率约为1.5mSv/h。
另一方面，考虑到散射的影响，宽束γ射线在物质中的减弱规律可用下式表示：
其中，N和N0分别当做加屏蔽和未加屏蔽时，所考虑的那一点的剂量率，B是描述散射光子影响的物理量，μ为线性衰减系数，R为屏蔽层厚度。假设射线能量为1MeV，将累计因子B分别采用常用的经验公式泰勒公式（式2）和伯杰公式（式3）展开，经查表可得，5mm铅皮的屏蔽效果分别为36.7%和22.5%[2]。
故本文利用电子式个人剂量计EPD的连续测量功能，加不同厚度的铅皮和铅衣，从而得到他们在不同辐射场的屏蔽效果。
1 实验设计
1.1 实验介绍
用传统的γ剂量率仪测量屏蔽前后管道或者设备的同一处剂量率，往往存在如下问题：γ剂量率仪表波动较大，铅皮没有好的固定方式，其他未屏蔽的管道对测量点的影响较大，测量点位置保持不变难度较大，人员所受剂量相对较高等问题。
故本实验设计如下：在剂量率较高的厂房，将电子式个人剂量计EPD放置在地面上，每隔10分钟获得该时段的累计剂量数据，获取约10组数据后，对这些数据取平均值D0。然后分别铺上一层、二层、三层、四层铅皮，分别获取不同铅皮层数下的10分钟剂量平均值DP1、DP2、DP3、DP4，最后通过公式（D0-Dpi）/D0获得i层数铅皮的屏蔽效果。同理，按照上述步骤可获得一层铅衣和二层铅衣的屏蔽效果。
1.2 实验地点
考虑到剂量的有效计数及统计误差，可达实验地点的剂量率越高，实验数据越准确。故本实验地点选取在三门核电2号机组除盐床/过滤器间2-12151和1号蒸汽发生器下部人孔区域2-11301。
2-12151主要放射性设备包括乏燃料池冷却系统（SFS）净化除盐床2台，过滤器2台和核岛液体废物系统（WLS）离子交换器4台，过滤器2台，EPD放置位置剂量率约为250μSv/h，2-11301主要放射性管道及设备包括蒸汽发生器1台，热段管道1条，冷段管道2条，稳压器波动管1条，ADS4爆破阀管线2条，EPD放置位置剂量率约为25μSv/h。
1.3 实验数据
1.3.1 铅皮数据
用两组EPD同时测量铅皮的屏蔽效果，10分钟剂量平均值（μSv）如表1所示。
则不同层铅皮在2-12151和2-11301的平均屏蔽效果，如表2所示。
1.3.2 铅衣数据
用两组EPD同时测量铅衣的屏蔽效果，10分钟剂量平均值（μSv）如表3所示。
则不同层铅衣在2-12151和2-11301的平均屏蔽效果，如表4所示。
从以上可以看到，2-12151铅的屏蔽效果要好于2-11301铅的屏蔽效果，在以上两个房间的屏蔽效果均要远远好于Co-60在铅中的半减弱层效果。
2 特征核素的屏蔽效果和厂房的谱图测量
Canberra公司开发的三维屏蔽计算软件（mercurad）能够根据现场场景建立3D模型，然后定义放射源的情况，最终通过其内部计算引擎得到给定点的剂量率，在建模过程中加入指定屏蔽，能够通过屏蔽前后的剂量率数值给出屏蔽效果。
三门核电2号机组当前运行的主要特征核素为Co-58和Co-60，通过三维屏蔽计算软件（mercurad）计算，5mm铅对Co-58和Co-60的屏蔽效果分别为27.9%和15.6%。
在2-12151和2-11301用便携式LaBr谱仪进行谱图分析，2-12151所测位置基本为散射光子，没有明显的特征峰，而2-11301有非常明显的Co-58和Co-60放射性核素特征峰。
3 原因分析
γ光子与物质的相互作用主要包括光电效应、康普顿效应和电子对效应。光电效应是指γ光子与靶物质原子相互作用，γ光子中的全部能量转移给原子中的束缚电子，使这些电子从原子中发射出来，γ光子本身消失。康普顿效应是指入射γ光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子，使它反冲出来，而光子的运动方向和能量都发生了变化，成为了散射光子，其能量介于Eγ/（1+2Eγ/m0c2）～Eγ之间，其中Eγ为入射粒子的能量。电子对效应是指γ光子与靶物质原子的原子核库仑场作用，光子转换成正负电子对，其中正电子会发生湮灭，可能会有两个0.511MeV的γ光子逃逸出来。
当管道设备中的γ光子与金属管壁及墙壁发生相互作用时，若发生的为光电效应，则只产生电子，其会被金属管壁及墙壁吸收;由于发生电子对效应的入射粒子能量必须>1.02MeV，且能量越高，发生的几率越高，而以上特征核素中能量最高的射线也就Co-60的1.33MeV，所以产生电子对效应的几率很小，即使发生电子对效应，逃逸处的光子能量必然≤0.511MeV。若发生康普顿效应，其产生的电子被金属管壁及墙壁吸收，逃逸的散射光子方向与原方向相反，其能量大大减少。
在核电厂的实际辐射场中，某一点的剂量率贡献可能是由核素的特征能量γ射线贡献的，此时其屏蔽效果应与理论值符合，当然也有可能是由特征能量的γ射线经过金属管壁或者墙壁的一次或者多次康普顿散射得到的散射光子贡献的，其能量要远远低于初始的γ射線能量，这时实际屏蔽效果就比理论上的屏蔽效果好很多，且随着康普顿散射次数越多，粒子的能量越低，屏蔽效果会越好。
2-12151房间较为狭长，结合LaBr谱图分析，其所在点的剂量率贡献基本是由散射光子贡献的，且该房间的散射光子是由多次散射产生的，能量较低，所以铅的屏蔽效果非常好。
2-11301房间所在点的剂量率贡献既有墙壁、金属管壁等的散射光子，也有直接从管道设备穿透出来的放射性核素的特征γ射线，所以其屏蔽效果比2-12151房间的要差，但是相比理论值，屏蔽效果还是好上不少。
4 结语
屏蔽防护是辐射防护降低外照射最常用的手段之一，本文通过实验，得到了铅皮和铅衣在典型AP1000厂房中的屏蔽效果，并可根据实验结果，应用于实际工作中铅屏蔽厚度的有效预估以及穿铅衣后个人剂量的有效预估等。
另一方面，在核电厂实际的辐射剂量场中，除了放射性核素特征γ射线的贡献，其散射光子也占了非常大的贡献，散射光子所占贡献的大小和厂房结构、墙壁及管道设备材质、核素特征γ射线的能量、剂量率测量点位、方向等都有非常大的关系。而用核素的半减弱层或者理论计算去评估，往往会造成过分保守的估计，从而给实际工作带来不可操作性，比如铅用量的过分预估或者超过管道设备的载重量。这时，可以参考以上实验方法，积累典型厂房的铅实际屏蔽效果，用实验数据去预估，能够更加准确地评估屏蔽需求及屏蔽效果。
参考文献
[1] 郭洪涛，彭明辰.电离辐射剂量学基础[M].北京：中国质检出版社，2011.
[2] 吴治华.原子核物理实验方法[M].北京：原子能出版社，1996.
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