鎢玻璃與鉛玻璃對X射線輻射屏蔽效果的數(shù)值計算分析

張志程,陸春海,2,陳 敏,倪師軍,楊 森,劉自霞,黃 碩

(1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院,成都610059;2.東華理工大學(xué)放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室,南昌330013;3.西南科技大學(xué)國防學(xué)院,綿陽621010)

鎢玻璃與鉛玻璃對X射線輻射屏蔽效果的數(shù)值計算分析

張志程1,陸春海1,2,陳 敏3,倪師軍1,楊 森1,劉自霞1,黃 碩1

(1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院,成都610059;2.東華理工大學(xué)放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室,南昌330013;3.西南科技大學(xué)國防學(xué)院,綿陽621010)

通過WINXCOM理論計算X射線能量在20～100 ke V下,鎢和鉛硅酸鹽玻璃的質(zhì)量衰減系數(shù)、有效原子序數(shù)和半值層。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著WO3和Pb O含量的增加質(zhì)量衰減系數(shù)增加。鎢玻璃在70 ke V能量下,由于光電效應(yīng)發(fā)生突變,質(zhì)量衰減系數(shù)突然增強。隨后,利用MCNP 5計算5種能量下鎢玻璃的積累因子,以便進一步修正模擬結(jié)果以達到真實情況。

硅酸鹽玻璃;屏蔽材料;衰減系數(shù)

輻射存在于整個宇宙空間,人類一直受著天然電離輻射源的照射[1]。人類所受到的輻射劑量主要來自天然本底輻射(約76.58%)和人為因素導(dǎo)致的輻射(約20%)。其中在所有人為因素的輻射中,醫(yī)療輻射所占的比例高達98%,成為全世界人口所受劑量的第二大來源,并且有逐年遞增的趨勢。射線可能會造成人體器官和系統(tǒng)的損傷,能夠誘發(fā)白血病和癌癥等,因此輻射安全問題一直受到人們的關(guān)注。原則上,任何材料都可以用于輻射屏蔽,混凝土價格低廉且結(jié)構(gòu)性能良好,但混凝土容易由溫度、熱變形和負載所產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力等因素出現(xiàn)裂縫,嚴重影響材料質(zhì)量和使用的安全性[2]。玻璃的透光性良好、制造工藝簡便[3,4],而且可以在玻璃配方加入適當(dāng)?shù)难趸飦硖岣咂漭椛淦帘涡阅艿葍?yōu)點。目前醫(yī)院的X光室、放射治療室、機場安檢和科研實驗室等均采用鉛玻璃作為具有防護性能的觀察窗材料。而鉛是在一種有毒的重金屬,如果長期食用含鉛食物,會對身體的神經(jīng)、血液和生殖系統(tǒng)造成一定的損傷,因此如何盡量減少鉛的使用是很多科學(xué)工作者研究的目標(biāo)[5,6]。因此,需要一種新的透明材料來替代鉛玻璃。由于鎢的毒性遠遠小于鉛,鎢元素在射線69.5～100 ke V范圍內(nèi)有著強烈的X射線吸收,而且很多文獻中均報道了鎢元素有助于形成穩(wěn)定的玻璃結(jié)構(gòu)[7-9],因此鎢玻璃可能是一種替代鉛玻璃的輻射屏蔽材料。

對于輻射屏蔽材料來說,質(zhì)量衰減系數(shù)是研究射線與物質(zhì)相互作用最基本的參數(shù),因此如何精確的計算這些相互作用參數(shù)是許多科學(xué)人員研究的重點。光子截面數(shù)據(jù)庫WINXCOM程序[10,11]和MCNP 5可以計算光子與任何元素以及化合物的相互作用。射線的散射和吸收與密度和元素的原子序數(shù)有關(guān),而在復(fù)合材料中,它與材料的密度和有效原子序數(shù)有關(guān)。多種元素組成的復(fù)合材料的有效原子序數(shù)并不能表示為單一的數(shù)字,它是材料中不同原子的權(quán)重,隨著能量的變化而不同。因此,在這項工作中,嘗試通過計算玻璃密度以及模擬X射線能量為20～100 ke V范圍內(nèi)鎢硅酸鹽玻璃的總質(zhì)量衰減系數(shù)、有效原子序數(shù)和半值層,探討無毒鎢玻璃替代鉛玻璃的可行性。其中,玻璃密度的物理性質(zhì)根據(jù)美國的Sciglass玻璃性質(zhì)計算軟件[12,13]進行理論預(yù)測,它包含了干福熹等多種計算玻璃性質(zhì)理論以及至少23萬種玻璃的實驗數(shù)據(jù)。

1 理論

根據(jù)Lambert-Beer定律可知,平行單束光子的衰減可以表示為[14]:

式中:ρ為材料的密度,g/cm3,I0和I分別為入射和出射光的強度,t為材料的厚度,cm。

有效原子序數(shù)序數(shù)可以表示為[15]:

半值層(HVL)是指窄光束穿過物質(zhì)后,強度衰減到原來二分之一的厚度,即:

2 結(jié)果與討論

2.1 配方設(shè)計

作者首先設(shè)計了一系列鎢和鉛硅酸鹽玻璃配方,利用SciGlass玻璃性質(zhì)數(shù)據(jù)庫預(yù)測玻璃密度等物理性質(zhì),玻璃樣品的化學(xué)組分見表1。然后在20～100 ke V內(nèi)每10 ke V均勻布點,用MCNP 5和Win Xcom計算了材料對這9個能量下X射線的質(zhì)量衰減系數(shù)。由表1得到:WO3和Pb O的含量對于玻璃的質(zhì)量衰減系數(shù)相比于密度有著比較大的影響,玻璃的質(zhì)量衰減系數(shù)和密度均隨著WO3和Pb O的含量的增加而增加。總體上,質(zhì)量衰減系數(shù)隨著射線能量的增強而減弱;但是,鎢玻璃和鉛玻璃分別在70 keV和90 ke V能量下,質(zhì)量衰減系數(shù)陡然增強。

表1 玻璃樣品的化學(xué)組成、密度和質(zhì)量衰減系數(shù)Table 1 Chemical compositions,density and mass attenuation coefficient of glass samples．

2.2 光電吸收

不同能量段粒子的主要吸收方式:在低能段主要是光電吸收;中能段是康普頓散射;以及高能段是電子對效應(yīng),電子對效應(yīng)在低于1.02 Me V時不會發(fā)生,因此這里并不考慮電子對吸收對于總質(zhì)量衰減系數(shù)的影響。雖然在低能段瑞利散射并不顯著,但是瑞利散射也是射線衰減的一種方式,其對于總質(zhì)量衰減系數(shù)也有一定的影響。

圖1是軟X射線能量范圍內(nèi),鎢玻璃和鉛玻璃的光電吸收。從中可以看出:① 鎢玻璃和鉛玻璃的光電吸收均隨著WO3和Pb O的含量的增加而增強。② 在相同能量的射線照射下,WO3和Pb O的含量對于光電吸收差異十分顯著,當(dāng)其含量達到50%時,其光電吸收是含量20%的兩倍以上,這是因為鎢元素和鉛元素與其他元素相對比,它們有著更高能量的吸收邊界。

圖1 玻璃的光電吸收作用(a)鎢玻璃;(b)鉛玻璃Fig.1 The photoelectric absorption interaction of glasses(a)tungsten glasses;(b)lead glasses

特別指出的是:射線能量在70～88 ke V范圍內(nèi),鎢玻璃的光電吸收明顯強于鉛玻璃,甚至是鉛玻璃光電吸收的3倍以上;而射線能量在20～70 ke V,鎢玻璃的光電吸收低于鉛玻璃,但是能量超過40 ke V后,鎢與鉛玻璃相差并不明顯,這是由于低能射線能量未達到兩種元素的K層電子結(jié)合能。然而,當(dāng)射線能量在70 ke V時,剛好大于鎢元素K層電子的結(jié)合能,所以光電作用的概率發(fā)生突變。表1和圖1對比,不難發(fā)現(xiàn),光電吸收與其他作用相比占主導(dǎo)地位,即在此射線能量范圍內(nèi)光電吸收是射線的主要衰減方式,由于兩種玻璃光電吸收差異顯著,所以鎢和鉛玻璃總的質(zhì)量衰減系數(shù)具有相當(dāng)大的差異。

2.3 康普頓散射和瑞利散射

圖2反映了不同含量的鎢玻璃與鉛玻璃的康普頓散射作用,可見康普頓散射作用隨著WO3和Pb O含量的增加而減少,并且康普頓散射與能量成二項式分布,然而在低能段康普頓散射吸收對于總質(zhì)量衰減系數(shù)并沒有較大影響。

圖2 玻璃的康普頓散射作用(a)鎢玻璃;(b)鉛玻璃Fig.2 The compton scattering interaction of glasses(a)tungsten glasses;(b)lead glasses

如圖3所示,瑞利散射隨著 WO3和Pb O含量的增加而增加,卻隨著能量的增加反而降低,與康普頓散射不同的是瑞利散射受射線能量的影響非常顯著,只有當(dāng)射線能量低于40 keV時,瑞利散射發(fā)生概率才會高于康普頓散射。

圖3 玻璃的瑞利散射作用(a)鎢玻璃;(b)鉛玻璃Fig.3 The rayleigh scattering interaction of glasses(a)tungsten glasses;(b)lead glasses

2.4 有效原子序數(shù)和半值層

有效原子序數(shù)(Zeff)與材料的原子序數(shù)十分相似,然而,Zeff是最高原子序數(shù)的原子擁有最高的權(quán)重。圖4是鎢玻璃和鉛玻璃在20～100 ke V內(nèi)一些能量的有效原子序數(shù),從圖中可以看出,兩種玻璃的有效原子序數(shù)相對于玻璃的總質(zhì)量衰減系隨著WO3和Pb O含量的增加而增加。與表1相對比,我們可以看到原子序數(shù)相比于密度對于總質(zhì)量衰減系數(shù)有著更大的影響,產(chǎn)生這個結(jié)果主要歸因于光電吸收所致。不過,鎢玻璃和鉛玻璃材料的Zeff的最小值分別出現(xiàn)在中間能量段(60 keV和80 keV),反映出射線能量未達到鎢和鉛元素K層的結(jié)合能時,Zeff值與兩種玻璃材料的總質(zhì)量衰減系數(shù)相一致。

圖4 玻璃的有效原子序數(shù)(a)鎢玻璃;(b)鉛玻璃Fig.4 The effective atomic number of glasses(a)tungsten glasses;(b)lead glasses

重晶石和鐵屑混凝土是兩種常用的輻射屏蔽材料,我們選擇的混凝土數(shù)據(jù)來自Sukhpal Singh[14]等人的研究,他們研究報告中包含混凝土中不同元素的組分和混凝土的密度。利用公式(3)計算出混凝土在20～100 keV能量下的半值層(HVL)與鎢和鉛硅酸鹽玻璃相對比,對比結(jié)果如圖5所示,鐵屑混凝土的HVL大于重晶石混凝土且?guī)缀醮笥谒胁Ａ悠贰Ｖ鼐炷猎?0～80 ke V射線能量下HVL低于鉛玻璃樣品,而重晶石混凝土只有在40～60 ke V射線能量下HVL低于鎢玻璃樣品,因此鎢玻璃可以適當(dāng)?shù)膹浹a鉛玻璃的弱吸收區(qū)域。

2.5 不同能量積累因子

圖5 玻璃和不同種類混凝土的半值層(a)鎢玻璃;(b)鉛玻璃Fig.5 The half-value layer of glasses and different types of concretes(a)tungsten glasses;(b)lead glasses

以上都是理論上材料的衰減情況,然而在實際測量時,探測器測量到的不僅是未散射的光子,還有一次散射和多次散射的光子,這種射線稱為“寬束”射線。所以,要對理論的窄束射線進行修正,窄束與寬束測量值的比稱為積累因子。由于我們最關(guān)心的是不同能量變化下鎢玻璃的衰減情況,所以主要研究20、40、60、70、80和100 ke V射線能量對于積累因子的影響。其中材料的屏蔽層厚度選擇根據(jù)μd＝1,計算出對應(yīng)的照射量與窄束對比即得到不同能量的積累因子如表2所示。

表2 不同射線能量下鎢玻璃的積累因子Table 2 Build-up factor of tungsten glass underdifferent rays energy

從表2中可以看到,積累因子均隨著玻璃中鎢含量的增加反而減小,這是由于有效原子序數(shù)高的材料光電吸收較強的結(jié)果。在射線能量為70 keV時,由于光電吸收突然增強導(dǎo)致積累因子突然減小。當(dāng)超過70 ke V時,隨著康普頓散射逐漸占主導(dǎo),其減小的速度小于光電吸收較小的速度,因此積累因子有逐漸增大的趨勢。

3 總結(jié)

通過WINXCOM軟件計算x RmOn:(100－x)SiO2(20≤x≤50(質(zhì)量分數(shù)/%)(其中RmOn是WO3和Pb O)玻璃系統(tǒng)在X射線能量在20～100 keV能量范圍內(nèi)的總質(zhì)量衰減系數(shù)和粒子相互作用。結(jié)果表明:① WO3和Pb O硅酸鹽玻璃的光電吸收依賴于光子能量。② 由于光電吸收占主導(dǎo),玻璃的總質(zhì)量衰減系數(shù)隨著WO3和Pb O含量的增加而逐漸提升。③Zeff參數(shù)隨著能量不同而變化,并且與總質(zhì)量衰減系數(shù)一起反映材料的屏蔽性能。④ 鎢和鉛玻璃的HVL與重晶石混凝土和鐵屑混凝土相對比,說明如果恰當(dāng)?shù)厥褂面u玻璃,它可以擴大輻射屏蔽玻璃材料的使用范圍。⑤ 利用MCNP5計算鎢玻璃積累因子有助于修正理論計算結(jié)果,使其更符合真實情況。

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Comparative X-rayradiation shielding effect between tungsten glass and lead glass by numerical calculation analysis

ZHANG Zhi-cheng1,LU Chun-hai1,2,CHEN Min3,NI Shi-jun1,YANG Sen1,LIU Zi-xia1,HUANG Shuo1
(1．College of Nuclear Technology and Automation Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;2．Radioactive Geology and Exploration Technology Laboratory,East China Institute of Technology,Nanchang 330013,China;3．School of Nation Defense of Science and Technology,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China)

The mass attenuation coefficients,effective atomic number and half-value layer of tungsten and lead silicate glasses have been theoretically calculated for X-rays photon energies of 20～100 keV by WINXCOM program．These results indicate that the total mass attenuation coefficients were increased by increasing WO3and Pb O concentration．Mass attenuation coefficient of tungsten glass suddenly increases atenergy of 70 ke V,due to the photoelectric had mutation．Subsequently,the build-up factor of tungsten glass has been calculationed by MCNP 5 at five kinds of energies,so that further amendments to the simulation results in order to achieve real situation．

silicate glass;shielding materials;attenuation coefficients

TL12

A

0258-0918(2016)01-0263-06

2015-02-17

成都理工大學(xué)科研啟動項目(KR1115);核廢物與環(huán)境安全國防重點學(xué)科實驗室開放基金項目(10zxnk01);放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室開放基金項目(2011RGET022);貴州省教育廳科技項目(2011010);四川省教育廳重點項目(13ZA0067);國家自然科學(xué)基金項目(41273031)

張志程(1989—),男,回族,天津人,碩士生,專業(yè):安全工程