钨玻璃与铅玻璃对X射线辐射屏蔽效果的数值计算分析

张志程,陆春海,2,陈 敏,倪师军,杨 森,刘自霞,黄 硕

(1.成都理工大学核技术与自动化工程学院,成都610059;2.东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室,南昌330013;3.西南科技大学国防学院,绵阳621010)

钨玻璃与铅玻璃对X射线辐射屏蔽效果的数值计算分析

张志程1,陆春海1,2,陈 敏3,倪师军1,杨 森1,刘自霞1,黄 硕1

(1.成都理工大学核技术与自动化工程学院,成都610059;2.东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室,南昌330013;3.西南科技大学国防学院,绵阳621010)

通过WINXCOM理论计算X射线能量在20～100 ke V下,钨和铅硅酸盐玻璃的质量衰减系数、有效原子序数和半值层。结果发现,随着WO3和Pb O含量的增加质量衰减系数增加。钨玻璃在70 ke V能量下,由于光电效应发生突变,质量衰减系数突然增强。随后,利用MCNP 5计算5种能量下钨玻璃的积累因子,以便进一步修正模拟结果以达到真实情况。

硅酸盐玻璃;屏蔽材料;衰减系数

辐射存在于整个宇宙空间,人类一直受着天然电离辐射源的照射[1]。人类所受到的辐射剂量主要来自天然本底辐射(约76.58%)和人为因素导致的辐射(约20%)。其中在所有人为因素的辐射中,医疗辐射所占的比例高达98%,成为全世界人口所受剂量的第二大来源,并且有逐年递增的趋势。射线可能会造成人体器官和系统的损伤,能够诱发白血病和癌症等,因此辐射安全问题一直受到人们的关注。原则上,任何材料都可以用于辐射屏蔽,混凝土价格低廉且结构性能良好,但混凝土容易由温度、热变形和负载所产生的拉伸应力等因素出现裂缝,严重影响材料质量和使用的安全性[2]。玻璃的透光性良好、制造工艺简便[3,4],而且可以在玻璃配方加入适当的氧化物来提高其辐射屏蔽性能等优点。目前医院的X光室、放射治疗室、机场安检和科研实验室等均采用铅玻璃作为具有防护性能的观察窗材料。而铅是在一种有毒的重金属,如果长期食用含铅食物,会对身体的神经、血液和生殖系统造成一定的损伤,因此如何尽量减少铅的使用是很多科学工作者研究的目标[5,6]。因此,需要一种新的透明材料来替代铅玻璃。由于钨的毒性远远小于铅,钨元素在射线69.5～100 ke V范围内有着强烈的X射线吸收,而且很多文献中均报道了钨元素有助于形成稳定的玻璃结构[7-9],因此钨玻璃可能是一种替代铅玻璃的辐射屏蔽材料。

对于辐射屏蔽材料来说,质量衰减系数是研究射线与物质相互作用最基本的参数,因此如何精确的计算这些相互作用参数是许多科学人员研究的重点。光子截面数据库WINXCOM程序[10,11]和MCNP 5可以计算光子与任何元素以及化合物的相互作用。射线的散射和吸收与密度和元素的原子序数有关,而在复合材料中,它与材料的密度和有效原子序数有关。多种元素组成的复合材料的有效原子序数并不能表示为单一的数字,它是材料中不同原子的权重,随着能量的变化而不同。因此,在这项工作中,尝试通过计算玻璃密度以及模拟X射线能量为20～100 ke V范围内钨硅酸盐玻璃的总质量衰减系数、有效原子序数和半值层,探讨无毒钨玻璃替代铅玻璃的可行性。其中,玻璃密度的物理性质根据美国的Sciglass玻璃性质计算软件[12,13]进行理论预测,它包含了干福熹等多种计算玻璃性质理论以及至少23万种玻璃的实验数据。

1 理论

根据Lambert-Beer定律可知,平行单束光子的衰减可以表示为[14]:

式中:ρ为材料的密度,g/cm3,I0和I分别为入射和出射光的强度,t为材料的厚度,cm。

有效原子序数序数可以表示为[15]:

半值层(HVL)是指窄光束穿过物质后,强度衰减到原来二分之一的厚度,即:

2 结果与讨论

2.1 配方设计

作者首先设计了一系列钨和铅硅酸盐玻璃配方,利用SciGlass玻璃性质数据库预测玻璃密度等物理性质,玻璃样品的化学组分见表1。然后在20～100 ke V内每10 ke V均匀布点,用MCNP 5和Win Xcom计算了材料对这9个能量下X射线的质量衰减系数。由表1得到:WO3和Pb O的含量对于玻璃的质量衰减系数相比于密度有着比较大的影响,玻璃的质量衰减系数和密度均随着WO3和Pb O的含量的增加而增加。总体上,质量衰减系数随着射线能量的增强而减弱;但是,钨玻璃和铅玻璃分别在70 keV和90 ke V能量下,质量衰减系数陡然增强。

表1 玻璃样品的化学组成、密度和质量衰减系数Table 1 Chemical compositions,density and mass attenuation coefficient of glass samples．

2.2 光电吸收

不同能量段粒子的主要吸收方式:在低能段主要是光电吸收;中能段是康普顿散射;以及高能段是电子对效应,电子对效应在低于1.02 Me V时不会发生,因此这里并不考虑电子对吸收对于总质量衰减系数的影响。虽然在低能段瑞利散射并不显著,但是瑞利散射也是射线衰减的一种方式,其对于总质量衰减系数也有一定的影响。

图1是软X射线能量范围内,钨玻璃和铅玻璃的光电吸收。从中可以看出:① 钨玻璃和铅玻璃的光电吸收均随着WO3和Pb O的含量的增加而增强。② 在相同能量的射线照射下,WO3和Pb O的含量对于光电吸收差异十分显著,当其含量达到50%时,其光电吸收是含量20%的两倍以上,这是因为钨元素和铅元素与其他元素相对比,它们有着更高能量的吸收边界。

图1 玻璃的光电吸收作用(a)钨玻璃;(b)铅玻璃Fig.1 The photoelectric absorption interaction of glasses(a)tungsten glasses;(b)lead glasses

特别指出的是:射线能量在70～88 ke V范围内,钨玻璃的光电吸收明显强于铅玻璃,甚至是铅玻璃光电吸收的3倍以上;而射线能量在20～70 ke V,钨玻璃的光电吸收低于铅玻璃,但是能量超过40 ke V后,钨与铅玻璃相差并不明显,这是由于低能射线能量未达到两种元素的K层电子结合能。然而,当射线能量在70 ke V时,刚好大于钨元素K层电子的结合能,所以光电作用的概率发生突变。表1和图1对比,不难发现,光电吸收与其他作用相比占主导地位,即在此射线能量范围内光电吸收是射线的主要衰减方式,由于两种玻璃光电吸收差异显著,所以钨和铅玻璃总的质量衰减系数具有相当大的差异。

2.3 康普顿散射和瑞利散射

图2反映了不同含量的钨玻璃与铅玻璃的康普顿散射作用,可见康普顿散射作用随着WO3和Pb O含量的增加而减少,并且康普顿散射与能量成二项式分布,然而在低能段康普顿散射吸收对于总质量衰减系数并没有较大影响。

图2 玻璃的康普顿散射作用(a)钨玻璃;(b)铅玻璃Fig.2 The compton scattering interaction of glasses(a)tungsten glasses;(b)lead glasses

如图3所示,瑞利散射随着 WO3和Pb O含量的增加而增加,却随着能量的增加反而降低,与康普顿散射不同的是瑞利散射受射线能量的影响非常显著,只有当射线能量低于40 keV时,瑞利散射发生概率才会高于康普顿散射。

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

2.4 有效原子序数和半值层

有效原子序数(Zeff)与材料的原子序数十分相似,然而,Zeff是最高原子序数的原子拥有最高的权重。图4是钨玻璃和铅玻璃在20～100 ke V内一些能量的有效原子序数,从图中可以看出,两种玻璃的有效原子序数相对于玻璃的总质量衰减系随着WO3和Pb O含量的增加而增加。与表1相对比,我们可以看到原子序数相比于密度对于总质量衰减系数有着更大的影响,产生这个结果主要归因于光电吸收所致。不过,钨玻璃和铅玻璃材料的Zeff的最小值分别出现在中间能量段(60 keV和80 keV),反映出射线能量未达到钨和铅元素K层的结合能时,Zeff值与两种玻璃材料的总质量衰减系数相一致。

图4 玻璃的有效原子序数(a)钨玻璃;(b)铅玻璃Fig.4 The effective atomic number of glasses(a)tungsten glasses;(b)lead glasses

重晶石和铁屑混凝土是两种常用的辐射屏蔽材料,我们选择的混凝土数据来自Sukhpal Singh[14]等人的研究,他们研究报告中包含混凝土中不同元素的组分和混凝土的密度。利用公式(3)计算出混凝土在20～100 keV能量下的半值层(HVL)与钨和铅硅酸盐玻璃相对比,对比结果如图5所示,铁屑混凝土的HVL大于重晶石混凝土且几乎大于所有玻璃样品。重晶石混凝土在40～80 ke V射线能量下HVL低于铅玻璃样品,而重晶石混凝土只有在40～60 ke V射线能量下HVL低于钨玻璃样品,因此钨玻璃可以适当的弥补铅玻璃的弱吸收区域。

2.5 不同能量积累因子

图5 玻璃和不同种类混凝土的半值层(a)钨玻璃;(b)铅玻璃Fig.5 The half-value layer of glasses and different types of concretes(a)tungsten glasses;(b)lead glasses

以上都是理论上材料的衰减情况,然而在实际测量时,探测器测量到的不仅是未散射的光子,还有一次散射和多次散射的光子,这种射线称为“宽束”射线。所以,要对理论的窄束射线进行修正,窄束与宽束测量值的比称为积累因子。由于我们最关心的是不同能量变化下钨玻璃的衰减情况,所以主要研究20、40、60、70、80和100 ke V射线能量对于积累因子的影响。其中材料的屏蔽层厚度选择根据μd＝1,计算出对应的照射量与窄束对比即得到不同能量的积累因子如表2所示。

表2 不同射线能量下钨玻璃的积累因子Table 2 Build-up factor of tungsten glass underdifferent rays energy

从表2中可以看到,积累因子均随着玻璃中钨含量的增加反而减小,这是由于有效原子序数高的材料光电吸收较强的结果。在射线能量为70 keV时,由于光电吸收突然增强导致积累因子突然减小。当超过70 ke V时,随着康普顿散射逐渐占主导,其减小的速度小于光电吸收较小的速度,因此积累因子有逐渐增大的趋势。

3 总结

通过WINXCOM软件计算x RmOn:(100－x)SiO2(20≤x≤50(质量分数/%)(其中RmOn是WO3和Pb O)玻璃系统在X射线能量在20～100 keV能量范围内的总质量衰减系数和粒子相互作用。结果表明:① WO3和Pb O硅酸盐玻璃的光电吸收依赖于光子能量。② 由于光电吸收占主导,玻璃的总质量衰减系数随着WO3和Pb O含量的增加而逐渐提升。③Zeff参数随着能量不同而变化,并且与总质量衰减系数一起反映材料的屏蔽性能。④ 钨和铅玻璃的HVL与重晶石混凝土和铁屑混凝土相对比,说明如果恰当地使用钨玻璃,它可以扩大辐射屏蔽玻璃材料的使用范围。⑤ 利用MCNP5计算钨玻璃积累因子有助于修正理论计算结果,使其更符合真实情况。

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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

成都理工大学科研启动项目(KR1115);核废物与环境安全国防重点学科实验室开放基金项目(10zxnk01);放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室开放基金项目(2011RGET022);贵州省教育厅科技项目(2011010);四川省教育厅重点项目(13ZA0067);国家自然科学基金项目(41273031)

张志程(1989—),男,回族,天津人,硕士生,专业:安全工程