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(dòng)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(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,南昌330013;3.西南科技大學(xué)國(guó)防學(xué)院,綿陽(yáng)621010)

鎢玻璃與鉛玻璃對(duì)X射線輻射屏蔽效果的數(shù)值計(jì)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(dòng)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(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,南昌330013;3.西南科技大學(xué)國(guó)防學(xué)院,綿陽(yáng)621010)

通過(guò)WINXCOM理論計(jì)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(qiáng)。隨后,利用MCNP 5計(jì)算5種能量下鎢玻璃的積累因子,以便進(jìn)一步修正模擬結(jié)果以達(dá)到真實(shí)情況。

硅酸鹽玻璃;屏蔽材料;衰減系數(shù)

輻射存在于整個(gè)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(lái)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(dá)98%,成為全世界人口所受劑量的第二大來(lái)源,并且有逐年遞增的趨勢(shì)。射線可能會(huì)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(wèn)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(jià)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(fù)載所產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力等因素出現(xiàn)裂縫,嚴(yán)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(jiǎn)便[3,4],而且可以在玻璃配方加入適當(dāng)?shù)难趸飦?lái)提高其輻射屏蔽性能等優(yōu)點(diǎn)。目前醫(yī)院的X光室、放射治療室、機(jī)場(chǎng)安檢和科研實(shí)驗(yàn)室等均采用鉛玻璃作為具有防護(hù)性能的觀察窗材料。而鉛是在一種有毒的重金屬,如果長(zhǎng)期食用含鉛食物,會(huì)對(duì)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(lái)替代鉛玻璃。由于鎢的毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鉛,鎢元素在射線69.5～100 ke V范圍內(nèi)有著強(qiáng)烈的X射線吸收,而且很多文獻(xiàn)中均報(bào)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(duì)于輻射屏蔽材料來(lái)說(shuō),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(jì)算這些相互作用參數(shù)是許多科學(xué)人員研究的重點(diǎn)。光子截面數(shù)據(jù)庫(kù)WINXCOM程序[10,11]和MCNP 5可以計(jì)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(xiàng)工作中,嘗試通過(guò)計(jì)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(wú)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(guó)的Sciglass玻璃性質(zhì)計(jì)算軟件[12,13]進(jìn)行理論預(yù)測(cè),它包含了干福熹等多種計(jì)算玻璃性質(zhì)理論以及至少23萬(wàn)種玻璃的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(guò)物質(zhì)后,強(qiáng)度衰減到原來(lái)二分之一的厚度,即:

2 結(jié)果與討論

2.1 配方設(shè)計(jì)

作者首先設(shè)計(jì)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(kù)預(yù)測(cè)玻璃密度等物理性質(zhì),玻璃樣品的化學(xué)組分見(jiàn)表1。然后在20～100 ke V內(nèi)每10 ke V均勻布點(diǎn),用MCNP 5和Win Xcom計(jì)算了材料對(duì)這9個(gè)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(duì)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(qiáng)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(qiáng)。

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(duì)效應(yīng),電子對(duì)效應(yīng)在低于1.02 Me V時(shí)不會(huì)發(fā)生,因此這里并不考慮電子對(duì)吸收對(duì)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(duì)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(qiáng)。② 在相同能量的射線照射下,WO3和Pb O的含量對(duì)于光電吸收差異十分顯著,當(dāng)其含量達(dá)到50%時(shí),其光電吸收是含量20%的兩倍以上,這是因?yàn)殒u元素和鉛元素與其他元素相對(duì)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(qiáng)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(guò)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(dá)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(shí),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(duì)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(jiàn)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(xiàng)式分布,然而在低能段康普頓散射吸收對(duì)于總質(zhì)量衰減系數(shù)并沒(méi)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(shí),瑞利散射發(fā)生概率才會(huì)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(duì)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(duì)比,我們可以看到原子序數(shù)相比于密度對(duì)于總質(zhì)量衰減系數(shù)有著更大的影響,產(chǎn)生這個(gè)結(jié)果主要?dú)w因于光電吸收所致。不過(guò),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(dá)到鎢和鉛元素K層的結(jié)合能時(shí),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(lái)自Sukhpal Singh[14]等人的研究,他們研究報(bào)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(jì)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(duì)比,對(duì)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?。重晶石混凝土?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(bǔ)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(shí)際測(cè)量時(shí),探測(cè)器測(cè)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(duì)理論的窄束射線進(jìn)行修正,窄束與寬束測(cè)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(duì)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(jì)算出對(duì)應(yīng)的照射量與窄束對(duì)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(qiáng)的結(jié)果。在射線能量為70 keV時(shí),由于光電吸收突然增強(qiáng)導(dǎo)致積累因子突然減小。當(dāng)超過(guò)70 ke V時(shí),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(shì)。

3 總結(jié)

通過(guò)WINXCOM軟件計(jì)算x RmOn:(100－x)SiO2(20≤x≤50(質(zhì)量分?jǐn)?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(duì)比,說(shuō)明如果恰當(dāng)?shù)厥褂面u玻璃,它可以擴(kuò)大輻射屏蔽玻璃材料的使用范圍。⑤ 利用MCNP5計(jì)算鎢玻璃積累因子有助于修正理論計(jì)算結(jié)果,使其更符合真實(shí)情況。

[1] Meghzifene A,Dance DR,Mc Lean D,et al．Dosimetry in diagnostic radiology[J]．European Journal of Radiology．2010,76(1):11-14．

[2] Lee C-M,Lee YH,Lee KJ．Cracking effect on gammaray shielding performance in concrete structure[J]．Progress in Nuclear Energy．2007,49(4):303-312．

[3] Bootjomchai C,Laopaiboon J,Yenchai C,et al．Gamma-ray shielding and structural properties of barium-bismuth-borosilicate glasses[J]．Radiation Physics and Chemistry．2012,81(7):785-790．

[4] Singh KJ,Singh N,Kaundal RS,et al．Gamma-ray shielding and structural properties of Pb O-SiO2glasses[J]．Nuclear Instruments&Methods in Physics Research Section B-Beam Interactions with Materials and Atoms．2008,266(6):944-948．

[5] Kumar A,Prasad MNV,Sytar O．Lead toxicity,defense strategies and associated indicative biomarkers in Talinum triangulare grown hydroponically[J]．Chemosphere．2012,89(9):1056-1065．

[6] Wu B,Liu ZT,Xu Y,et al．Combined toxicity of cadmium and lead on the earthworm Eisenia fetida(Annelida,Oligochaeta)[J]．Ecotox Environ Safe．2012,81:122-126．

[7] ElBatal FH,Marzouk SY．Interactions of gamma rays with tungsten-doped lead phosphate glasses[J]．Journal of Materials Science．2009,44(12):3061-3071．

[8] Rada M,Rada S,Culea E．Structural properties of the tungsten-lead-borate glasses before and after laser irradiation[J]．Journal of Non-Crystalline Solids．2011,357(10):2024-2028．

[9] Manzani D,Fernandes RC,Messaddeq Y,et al．Thermal,structural and optical properties of new tungsten lead-pyrophosphate glasses[J]．Optical Materials．2011,33(12):1862-1866．

[10] Gerward L,Guilbert N,Jensen KB,et al．Win XCom—a program for calculating X-ray attenuation coefficients[J]．Radiation Physics and Chemistry．2004,71(3-4):653-654．

[11] El-Khayatt AM．NXcom-A program for calculating attenuation coefficients of fast neutrons and gammarays[J]．Annals of Nuclear Energy 2011,38(1):128-132．

[12] Fluegel A．Global model for calculating roomtemperature glass density from the composition[J]．Journal of the American Ceramic Society．2007,90(8):2622-2625．

[13] Mazurin OV．Glass properties:compilation,evaluation,and prediction[J]．Journal of Non-Crystalline Solids．2005,351(12-13):1103-1112．

[14] Singh S,Kumar A,Singh D,et al．Barium-borateflyash glasses:As radiation shielding materials[J]．Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 2008,266(1):140-146．

[15] Chanthima N,Kaewkhao J,Limsuwan P．Study of photon interactions and shielding properties of silicate glasses containing Bi2O3,Ba O and Pb O in the energy region of 1 ke V to 100 GeV[J]．Annals of Nuclear Energy．2012,41:119-124．

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(dòng)項(xiàng)目(KR1115);核廢物與環(huán)境安全國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(10zxnk01);放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(2011RGET022);貴州省教育廳科技項(xiàng)目(2011010);四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(13ZA0067);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41273031)

張志程(1989—),男,回族,天津人,碩士生,專業(yè):安全工程