X射线探伤机辐射防护计算方法及应用
摘要
关键词
X射线探伤机；分析计算；辐射防护；探伤室
正文
X射线探伤机是利用X射线穿透物质和在物质中有衰减的特性，来发现其中缺陷的一种无损探伤方法[1,2]。进入21世纪，利用X射线探伤机进行无损检测技术被广泛应用于工业、农业、医疗、科学研究、工程技术应用等各个领域。然而，在应用如何防护不当，X射线探伤机会对周围环境带来辐射照射，给人体照成严重的危害[3,4,5]。
1 探伤机无损检测原理
探伤机由X射线管和高压电源组成，X射线管是一个内真空的玻璃管，由阴极和阳极组成，阴极通常是装在聚焦杯中的钨制灯丝，阳极靶则根据应用的需要，由不同材料制成各种形状，一般采用高原子序数的难熔金属如钨、铂、金等制成。
当灯丝通电加热时，电子就“蒸发”出来，而聚焦杯使这些电子聚焦成束，直接向嵌在金属阳极中的靶体射击。靶体高电压加在X射线管的两极之间，使电子在射到靶体之前被加速达到很高的速度，这些高速电子到达靶面被靶突然阻挡而产生X射线穿透试件。
通过X射线管产生的X射线对受检部位进行透照，当射线穿过有缺陷部位时，该区域的透过射线强度会与周围产生差异，把胶片放在适当的位置使其在透射线作用下感光，由于缺陷部位和完好部位透射射线强度不同，底片上相应部位会出现黑度差异。把底片放在观片灯光屏上借助透过光线观察，依据看到不同形状的影响来判断缺陷情况及评价试件质量。
X射线装置只有在开机并处于出束状态时才会发出X射线。在开机出束时，主射方向记录胶片以外的区域及漏射、散射的X射线对周围环境造成辐射污染。
2 计算方法
本文采用《工业X射线探伤室辐射屏蔽规范》（GBZ/T 250-2014）给出的辐射屏蔽估算方法，计算探伤机工作时周围辐射剂量值。
（1）主射方向屏蔽效果预测：
H=I·H0·B/R2 式1
B=10-X/TVL 式2
式中：H-关注点的剂量率，μSv/h；I-最大管电流，mA；H0-距辐射源点（靶点）1m处的输出量，μSv•m2/（mA•h）；B-屏蔽透射因子；R-辐射源点（靶点）至关注点的距离，m；X-屏蔽物质厚度，与TVL取相同的单位；TVL-什值层厚度，mm。
（2）泄漏辐射屏蔽效果预测
对于泄漏辐射屏蔽采用以下公式计算关注点处的辐射剂量率：
H=HL·B/R2 式3
式中：B-屏蔽透射因子；R-辐射源点（靶点）至关注点的距离，m；HL-距靶点1 m处X射线管组装体的泄露辐射剂量率，μSv/h。
（3）散射辐射屏蔽效果预测
对于散射辐射屏蔽采用以下公式计算关注点处的辐射剂量率：
H=I·H0·B·F·α/（RS2·R02） 式4
式中：I-最大管电流，mA；H0-距辐射源点（靶点）1m处的输出量，μSv•m2/（mA•h）；B-屏蔽透射因子；F-R0处的辐射野面积，m2；α-散射因子；R0-辐射源点（靶点）至探伤工件的距离，m；RS-散射体至关注点的距离，m。
3 应用举例
某企业是一家生产大型余热锅炉产品、压力容器的民营企业，为了保证产品出厂质量提高工作效率，企业在生产车间内建设探伤室1座，使用X射线探伤机对工件进行无损检测。使用探伤机型号为XYG-4505型，管电压为450 kV，管电流为10 mA，定向探伤机，固定安装在探伤室南侧中间位置，出束方向为北向。
3.1 保护目标
探伤室屏蔽墙外计算点位见图1。
图1 探伤室屏蔽墙外关注点位图
3.2 探伤室防护参数
探伤室东西方向长度为18.0 m，南北方向宽8.0 m，高度为7.0 m。迷道宽度为1000 mm，长度为3200 mm。在探伤室西北角顶部设置排风机，风机风量约800m3/h。
3.3 主射方向屏蔽效果预测
XYG-4510/2型定向探伤机固定安装在探伤室南侧中间位置，出束方向为北，因此北屏蔽墙为射线主射方向。
由于《工业X射线探伤室辐射屏蔽规范》（GBZ/T 250-2014）未列出管电压为450kV探伤机输出量H0值，采用仪器生产厂家提供的数值H0为25.0 mSv•m2/（mA•min）进行辐射防护计算；由表B.2查得铅的什值层厚度TVL为5.7 mm，混凝土什值层厚度TVL为100 mm。
表1 探伤机主射方向剂量率防护效果计算结果
关注点 | I，mA | H0，μSv·m2/（mA·h） | R，m | X，mm | B | H，μSv/h |
北屏蔽墙外30cm处 | 10 | 25.0×6×104 | 7 | 1000（混凝土） | 1.0×10-10 | 3.06×10-5 |
3.4 泄漏辐射屏蔽效果预测
根据《工业X射线探伤室辐射屏蔽规范》（GBZ/T 250-2014）表1查得：管电压大于200kV，距靶点1 m处泄露辐射剂量率为5000μSv/h，计算结果见表2。
表2 探伤机泄漏射线剂量率防护效果计算结果
关注点 | HL，μSv/h | R，m | X，mm | B | H，μSv/h |
探伤室西屏蔽墙外30cm处 | 5.0×103 | 2 | 800（混凝土） | 1.0×10-8 | 1.25×10-5 |
探伤室南屏蔽墙外30cm处 | 5.0×103 | 2 | 800（混凝土） | 1.0×10-8 | 1.25×10-5 |
迷道小防护门外30cm处 | 5.0×103 | 3 | 10(铅板)+800(混凝土) | 1.8×10-10 | 9.78×10-8 |
工作人员操作位 | 5.0×103 | 3 | 800（混凝土） | 1.0×10-8 | 5.56×10-6 |
探伤室东屏蔽墙外表面30cm处 | 5.0×103 | 2 | 800（混凝土） | 1.0×10-8 | 1.25×10-5 |
探伤室东侧防护门外表面30cm处 | 5.0×103 | 2 | 30（铅板） | 5.91×10-7 | 7.37×10-4 |
探伤室顶部外30cm处 | 5.0×103 | 2 | 500（混凝土） | 1.0×10-5 | 1.25×10-2 |
3.5 散射辐射屏蔽效果预测
采用仪器生产厂家提供的数值H0为25.0 mSv•m2/（mA•min）进行辐射防护计算，探伤室屏蔽外剂量率计算参数选取与计算结果见表3。
表3 散射射线剂量率防护效果计算结果
关注点 | I，mA | H0，μSv·m2/（mA·h） | RS，m | F·α/R02 | B | H，μSv/h |
探伤室西屏蔽墙外30cm处 | 10 | 25.0×6×104 | 3.3 | 0.02 | 1.0×10-8 | 2.75×10-4 |
探伤室南屏蔽墙外30cm处 | 10 | 25.0×6×104 | 3.3 | 0.02 | 1.0×10-8 | 2.75×10-4 |
迷道小防护门外表面30cm处 | 10 | 25.0×6×104 | 3.3 | 0.02 | 1.8×10-10 | 4.96×10-6 |
工作人员操作位 | 10 | 25.0×6×104 | 3.3 | 0.02 | 1.0×10-8 | 2.75×10-4 |
探伤室东屏蔽墙外表面30cm处 | 10 | 25.0×6×104 | 3.3 | 0.02 | 1.0×10-8 | 2.75×10-4 |
探伤室东侧防护门外表面30cm处（工件进出） | 10 | 25.0×6×104 | 3.3 | 0.02 | 5.91×10-7 | 1.63×10-2 |
探伤室顶部外表面30cm处 | 10 | 25.0×6×104 | 3.3 | 0.02 | 1.0×10-5 | 0.27 |
探伤室屏蔽墙外各计算点剂量率最大值为1.63×10-2 μSv/h，满足《工业X射线探伤放射防护要求》（GBZ117-2015）要求的探伤室屏蔽墙外30 cm处关注点最高周围剂量当量率参考控制水平不大于2.5 μSv/h的标准要求。探伤室顶外表面30 cm处的剂量率为0.27 μSv/h，满足《工业X射线探伤放射防护要求》（GBZ117-2015）要求的对不需要人员到达的探伤室顶，探伤室顶外表面30 cm处的剂量率参考控制水平不大于100 μSv/h的标准要求。
4 结论
X射线探伤机的使用是经济发展过程当中不可或缺的，当时应该重视辐射防护，通过计算可知，该企业探伤室设计材质及厚度可以满足辐射防护要求。在实际工作当中，探伤操作人员应当综合利用时间、距离和屏蔽防护，尽量减少辐射照射剂量。
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