X射线发生器辐射屏蔽系统的研制

1、X射线发生器辐射屏蔽系统的研制摘要：在已有课题“能量色散X射线荧光分析”的基础之上，对实验环境中的X射线发生装置进行必要的辐射屏蔽设计。在明确工作室内辐射剂量标准的前提下，计算铅作为屏蔽材料所需的有效且经济的厚度；之后搭建框架，尤其重视对接缝的处理；最后再次确认屏蔽的效果以及进行能量刻度，并通过探究真假硬币所含元素的特征X谱线实现真假硬币的甄别。关键词：辐射屏蔽设计 X射线荧光分析 Abstract: Based on the existing topic “Energy Dispersive X-ray Fluorescence (XRF) Analysis”, it is importan

2、t and necessary to do the designing of the shielding for the X-ray radiation device in the experimental environment. Under the premise of the knowledge of the radiation dose standard in the laboratory, the thickness of lead which has been chosen as shielding material will be calculated effectively a

3、nd economically. Then the framework will be built and more attention should be paid to junctures. Finally , we will ensure the shielding does work and do the energy calibration and distinguish real coin from the false one through the characteristic X-rays of elements the two coins have. Key words: r

4、adiation shielding design X-ray fluorescence引言自1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线管中气体放电实验时发现X射线以来，X射线被广泛应用于医学、工业和研究领域。依据X射线的穿透作用、差别吸收、感光作用和荧光作用，发展了X射线诊断；工业中利用X射线进行探伤；X射线衍射法已成为研究晶体结构、形貌和各种缺陷的重要手段。但是，X射线为人类带来便利的同时也造成了负面影响，X射线对于人体组织细胞的破坏力是绝不容小觑的。它与细胞直接作用，会引起分子的电离、激发、分解，使细胞丧失生物功能；或与细胞核内的DNA长链直接作用，导致DNA碱基对排列顺序改变、缺失、重复

5、、易位等，造成染色体畸变。长期承受高剂量的辐射会对人体的某些生理功能产生不可逆转的破坏，重者甚至会危及生命安全，故对X射线的防护就显得尤为重要。外照射防护的基本方法为时间防护、距离防护和屏蔽防护。本课题中涉及的是屏蔽防护，其中包括屏蔽材料的选择，材料厚度的计算，屏蔽框架的搭建、接缝的处理以及辐射剂量的再检验等。完成屏蔽之后，通过材料的特征X谱线对真假硬币内所含元素进行探究并甄别。1、原理和背景足够高能量的射线（如X射线、粒子、电子、质子等）入射到靶材料上时，靶材料会发射出X射线。通常把入射到靶材料上的射线称为初级射线，靶材料发射出的X射线称为次级X射线。次级X射线谱由两部分构成，一是波长连续变

6、化的部分，称为连续谱，它的最小波长只与初级射线的能量有关；另一部分是具有分立波长的谱线，当初级射线能量足够高时，这部分线状谱线就会出现，它们的峰所对应的波长位置完全决定于靶材料本身，称为特征谱。特征谱重叠在连续谱之上，如同山丘上的宝塔。我们知道，带电粒子在加速（或减速）时必然伴随着电磁辐射，所以带电粒子与原子（原子核）相碰撞发生骤然减速时会产生所谓的韧致辐射，由于带电粒子在靶核库仑场的作用下的速度是连续变化的，所以辐射的X射线具有连续谱的性质。当初级射线使靶材料内层电子激发后则在内壳层产生空穴，外层的电子跃迁到该空穴上时会以发射X射线的方式将多余能量释放出去，这样就产生了特征谱。X射线荧光分析

7、技术正是利用特征谱是元素的“指纹”，用初级X射线光子或其他微观粒子激发待测样品中的原子，使之产生荧光（次级X射线）而进行物质成分分析和化学形态的研究。只要测出荧光X射线的波长或者能量，就可以确定元素的种类，即实现了荧光X射线定性分析。不同元素的不同壳层间跃迁发出的特征X射线的能量可见核素手册，这里举出几种常用元素的特征X射线的能量值，如表1所示。同时荧光X射线的强度与相应元素的含量又有一定的关系，据此，可进行元素的定量分析。用于X射线荧光分析的装置有X射线荧光光谱仪和X射线荧光能谱仪有何区别?，两者各有优缺点。前者分辨率高，适应性广；后者X射线探测效率可提高2-3个数量级，可同时进行定性和定量

8、测定，但分辨率较差。表1 部分元素特征X射线能量单位?2、实验部分本课题小组所做的实验探究内容主要涵盖以下几点：）熟悉实验设备，明确所用X射线发生器发射的X射线强度（包括X射线光子的最大能量与平均能量），根据实际情况选择屏蔽材料，计算所需的最为经济有效的材料厚度以尽可能节省经费开支。）与制作厂家充分沟通后加工屏蔽罩。与厂家共同包括：确定屏蔽罩框架结构、屏蔽材料型号、屏蔽材料和支撑材料之间接缝的处理等。）屏蔽罩加工好后，进行屏蔽效果测试。确保实验室人员所接受的X射线辐照剂量在可以接受的安全范围之内。）用X射线发生器辐照真假硬币，通过材料的特征X谱线对真假硬币内所含元素进行探究并甄别。2.1 对X

9、射线剂量进行理论计算并合理设计辐射屏蔽框架：2.1.1工作室内的辐射剂量标准：根据国家颁布的电离辐射防护与辐射源安全基本标准（GB18871-2002）中的相关规定，公众中的个体成员年有效剂量为1mSv，特殊情况下，如果五个连续年的平均剂量不超过1mSv/a，则某一单一年份的有效剂量限值可以提高到5mSv。其中眼晶体所受到的当量剂量每年应不超过15mSv，皮肤所受到的当量剂量每年应不超过50mSv。根据该标准推算，假设一年工作250天，每天工作8小时，则由此推算每小时所受到的辐射剂量应不超过2.5Sv。2.1.2屏蔽材料的选取：一定能量、强度为I0的X射线穿过吸收物质时强度变为I，发生指数衰减

10、，其公式可以表示为 1其中表示X射线的线性衰减系数，与X射线的能量和吸收材料的核电荷数、密度有关，单位为1/cm；x表示吸收材料的线性厚度，单位为cm。如果知道了吸收物质的衰减系数，我们可以根据辐射剂量标准及原X射线强度对应的辐射剂量推算出屏蔽物质的线性厚度。这里要注意的是：虽然发射器出射方向上的X射线强度已由厂家给出，但实际的操作位置并不是正对着发射器，而且只有窄束X射线强度才与距离大致满足平方反比关系，因此实际操作时周围环境的辐射强度需要实际测量才能给出。因此，首先我们测量并参考了发射器周围的直接辐射与散射强度（见表3），通过探究不同方向不同距离的射线强度，来判断合理的材料厚度。考虑到铅是

11、最好的X射线屏蔽材料，根据铅的X射线衰减系数，则由公式1可知，当辐射剂量最大时（X射线辐射器在出射方向上10cm处最大辐射剂量），要想屏蔽至国家安全标准水平的话（0.5Sv/h）只需要0.53mm铅当量的材料。又考虑到透过屏蔽罩需要看到内部设备，我们决定用铅玻璃作为屏蔽材料。根据厂家提供的数据，可以使用的ZF2铅玻璃厚度较厚，相当于2mm的铅当量，虽然较重，但由于工艺的问题，要打磨成2个mm左右的铅玻璃所需的成本反而更大，因此我们决定屏蔽材料就用厚度为8mm的铅玻璃。2.1.3屏蔽罩结构设计和加工相较于铅玻璃的框架结构，玻璃与玻璃之间的接缝处理更加关键。要想达到良好的屏蔽效果就要求屏蔽材料的拼

12、接处没有缝隙。如果将拼接处焊接的话，要求焊接处内没有气泡，没有裂缝，又不能损坏屏蔽材料，这对于焊接技术要求比较高。所以我们就需要通过实验或者厂家调研等方法来探究其它的接缝处理方法（如：镶嵌式）以达到用较低的工本达到同样的预期效果。对屏蔽材料的框架结构以及接缝处理有大致设想后，接下来告知制作厂方我们所要定做的各项标准，与厂家沟通确定屏蔽罩结构。整体屏蔽框架成长方体，在接焊处镶嵌有铅板以防止辐射泄漏，然后另外用不锈钢框架对接缝处和整体结构进行加固。屏蔽框架的尺寸参数如下：长：35cm；宽：22.5cm；高：19.5cm最终定制加工的屏蔽罩如图1所示：图1 实验器材及屏蔽架构2.2 屏蔽效果测试2.

13、2.1 X射线发生器的发射口堵住的情况下发射器周围的辐射泄漏情况：（本底辐射：0.40 Sv/h）不加屏蔽罩，测量X射线发射口用铜塞堵住时发射器在不同电压下，位于发射口正前方20cm处的辐射剂量，见表2，旨在确定仪器本身辐射泄漏的情况。实验结果表明：在X射线发生器为屏蔽的情况下，在仪器半径20cm范围内辐射泄漏的剂量最多不超过0.09Sv/h，远小于我们所要求的2.5Sv/h，由此可认为仪器本身的辐射屏蔽情况是良好的，主要的X射线的剂量源来自发射口。表2 X射线发生器的发射口堵住发射器周围的辐射泄漏情况电压/kv电流/A相对发射口方向距离 /cm剂量/Sv/h1515正面200.472015正

14、面200.482515正面200.473015正面200.473515正面200.484015正面200.481520正面200.481550正面200.4615100正面200.4815150正面200.4915200正面200.452.2.2 X射线发射器的发射口直径为2mm时（未屏蔽）：测量X射线发射口直径为2mm时发射器在没有屏蔽的条件下，位于发射口正前方10cm处的辐射剂量，见表3，此时X射线发生器的功率达到最大，即当电压一定时电流调至发射器可提供的上限值。另外，我们也在发射器侧面20cm处进行了剂量探测，旨在探究实验人员在发射器周围时可能受到的影响。实验表明，发射器周围的辐射剂量远

15、远小于发射口正面的计量值，因此，若是发射口处的剂量达到了屏蔽指标，我们就认为该屏蔽防护设备达到了我们的实验要求。我们对该两种情况下的X射线剂量数据进行探测记录，同样也为了与屏蔽后的剂量情况进行比较，从而判断是否达到安全标准。（本底辐射为0.45 Sv/h）表3 X射线发射器的发射口直径2mm未屏蔽距离10 cm正面剂量情况对辐射剂量和电压的关系有何解释?电压/kv电流/A相对发射口方向距离 /cm剂量/mSv/h5079正面105.804099正面105.1430132正面104.6120198正面102.2515150侧面2015200侧面203515侧面204015侧面202.2.3 X射

16、线发射器的发射口直径为2mm时（屏蔽）：测量X射线发射口直径为2mm时发射器在屏蔽的条件下，位于发射口正前方10cm处的辐射剂量，见表4，此时X射线发生器的功率达到最大。与没有屏蔽时的辐射剂量相比，我们可以看到，发射口正前方的辐射剂量大大降低。通过实验数据我们发现，仪器产生的净剂量大小在发射器功率上限的情况下最多不超过0.14Sv/h，同样小于实验设计时要求的2.5Sv/h的剂量标准。（本底辐射为0.15 Sv/h）表4 X射线发射器的发射口直径2mm屏蔽距离10 cm正面剂量情况对辐射剂量和电压的关系有何解释? 电压/kv电流/A相对发射口方向距离 /cm剂量Sv/h5079正面100.20

17、4099正面100.2530132正面100.2820198正面100.29由于仪器的辐射泄漏很小，辐射剂量的来源主要来自于发射口，同时，发射口正面的辐射剂量一定是最强的，所以我们仅对发射器正面的剂量进行探测，并以此作为我们对剂量的判断指标。综上所述，我们可以得出以下结论：（1）仪器本身的辐射泄漏很小，辐射剂量主要来自发射口；（2）在X射线发生器最大功率的工作条件下比较屏蔽前后发射口前10cm的辐射剂量情况，发现屏蔽后仪器的净辐射剂量满足实验设计的安全标准。2.3 将X射线发生器用于真假硬币成分测定完成X射线发生器的屏蔽后，我们利用该发生器研究了真假硬币的成分组成。2.3.1 能量刻度：首先我

18、们对X射线能谱仪进行了能量刻度。我们用241Am放射源发出的射线使Cu、Ag、Ba、Tb激发，测量它们退激时会发出的特征谱线谱，见图2-5，再确定各特征谱线对应的道址，然后通过查表确定对应的能量，最后就可以确定能量与道值道值还是道址?之间的关系。（K= 22.16292eV 432.63道；K=24.9424eV 487.88道）图2 Ag 特征X谱线图（K= 32.1936eV 629.53道）图3 Ba特征X谱线图（K= 44.4816eV 853.92道；K=50.382eV 982.63道）图4 Tb特征X谱线图（K= 8.04778eV 158.30道；K=8.90529eV 175

19、.10道）图5 Cu 特征X谱线图定标所用到的元素的数据：元素特征射线道值能量/keV432.6322.163487.8821.990629.5332.194158.308.027175.108.047853.9243.744868.7744.482982.6350.382用Origin对以上数据进行线性拟合：图6 E-CH关系图得到能量与道值之间满足的关系为 E=0.05173CH-0.18983 （E为能量，单位为keV，CH为道址）。2.3.2真假一元硬币内所含元素的确定由于不同元素拥有不同的特征谱线，它们犹如“指纹”一般，是元素独一无二的标记。因此， 通过X射线发生器发出的X射线照射到

20、真假硬币假硬币是哪里搞来的?上，对硬币发出的特征X射线进行分析，我们可以比较两待测物体成分的异同，还可以进一步探测待测物体内的具体元素乃至其含量。以下我们对真假硬币进行甄别：以下我们对真假硬币进行甄别：假硬币的特征谱线如图7所示，将其谱线与各元素的特征谱线表1进行对比，我们将净计数大于2000的元素纳入分析范围，由此分析假硬币中含有表5中列出的元素。真硬币的特征谱线见图8，将其谱线与各元素的特征谱线表1进行对比，我们将净计数大于2000的元素纳入分析范围，由此分析真硬币中含有表6中列出的元素。2.4.1 假硬币的特征谱线：图7假硬币的特征谱线表5 假硬币中所含元素对应的道址与能量道值净计数E/keV元素78.1652203.876Ca91.4929574.569Ti126.215666126.375Fe138.861071977.033Co146.931694467.452Ni162.46266648.260Cu250.23364412.823Kr2.4.2 图8真硬币的特征谱线表6真硬币中所含元素对应的道址与能量道值净计数E/keV元素91.0148524.54Ti126.2476846.38Fe147.026223