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X射线照相曝光室的屏蔽防护设计实例
夏纪真
关键词：无损检测 射线照相检测 射线辐射防护
一. 前言
广东某地某厂欲新建X射线照相检测室，笔者受该厂无损检测设备总承包商深圳市亨立实业发展有限公司委托，承担为其提供包括屏蔽防护、土建、工艺布置直至水电照明等全套的设计任务，现将有关X射线曝光室部分的屏蔽防护设计介绍如下，以供无损检测技术人员参考。
该X射线照相检测室位于已完工的大型机械加工生产车间的厂房内，包含X射线曝光室、洗片暗室、工作间、评片室和废液处理室（兼材料储藏室）；使用X射线机为200KV周向、定向便携式X射线机各一台（非同时使用）。X射线曝光室部分的占地面积按厂房设计预留为宽4.5米x长6米。
二. X射线曝光室的屏蔽防护设计
1. 屏蔽防护的计算
考虑因素：考虑防护余量与未来设备性能指标发展提高的可能性，按照250KV的恒电位X射线机设计，并且因为是位于生产车间内，曝光室外即为车间工作场地，长期有非射线检测职业人员在现场工作，因此按GB 18871-2002《电离辐射防护和辐射源安全基本标准》的附录B-B1“剂量限值”中规定的公众照射剂量限值（年有效剂量1mSv）考虑。
具体计算如下：
一台250KV的X光机，管电流5mA，每个工作班的高压通电时间按4h(一个工作班的工作时间按8h，但是所用X射线机的暂载率规定为50%，即1:1工作，且规定X射线机的每次高压通电时间不超过5分钟)，每周工作5天，操作人员的工作地点距X射线管焦点2.225米(X射线机置曝光室中心位置)。
首先求防护初级X射线（主射线防护）的铅板厚度：
计算公式：
X射线的屏蔽透射量(在1米处)：B =P•R2/Dw•U•T
工作负荷：Dw=I•t=5mA•60min•4h•5day=6000 mA•min/week
每周最大容许剂量当量：P=1mSv/50周=0.02 mSv/week=0.002 rem/week
注：按一年50周计算得到0.002 rem/周的限值。
X射线源到操作者的距离：R=2.225m（按可能的最近距离）
使用因子（按充分使用）：U=1
居留因子（按全居留）：T=1
因此：
B=(0.002•2.2252)/(6000•1•1)=0.0000016rem/(mA•min)=1.6x10-6rem/(mA•min)
或者说是：0.16x10-5rem/(mA•min)
在下图所示的X射线减弱曲线图纵坐标查到B值并从该点作横坐标与250KV曲线相交得到铅板的厚度约11.5mm，考虑两倍安全系数，增加一个铅板半值层0.86mm（依据GB16357-1996 沧州欧谱工业X射线探伤放射卫生防护标准），合计12.36mm。
再求防护散射X射线所需铅板厚度：
其他参数同上，散射体距X射线管焦点1.975米（防护墙厚250mm，），散射面积按400cm2，工作点距散射体一般按0.5米，散射角60°（或135°）：
计算公式：
X射线的屏蔽透射量(在1米处)：
Bs =(P•RS22•RS12•400)/(S•Dw•F•T)
散射体到散射点的距离：RS1=0.5m
射源到散射体的距离：RS2=1.975m
散射面积：F=400cm2
S为散射面积为400cm2时离散射体1米处的散射辐射产生的照射量与入射辐射照射量之比，查看“散射的S值与入射光子能量的关系”得到：
60°的S=0.0019（或135°的S=0.0028）
散射线的屏蔽透射量：
Bs=
(0.002•1.9752•0.52•400)/(0.0019•6000•400)
=1.71x10-4 rem/(mA•min)
或：
Bs=
(0.002•1.9752•0.52•400)/(0.0028•6000•400)
=1.16x10-4 rem/(mA•min)
查上图所示的X射线减弱曲线图得铅板的厚度约7 mm。
以上初级X射线与散射X射线两项相加得总屏蔽厚度为：铅板厚度约19.36mm。从工艺角度和考虑不同X射线机内过滤材料及厚度的影响，取整数为铅板厚度
管电压250-400KV的宽束X射线
穿过铅(密度11.35g/cm3)的减弱曲线
20mm。
散射的S值与入射光子能量的关系
X射线源
KV 散射角
30° 45° 60° 90° 120° 135°
50 0.0005 0.0002 0.00025 0.00035 0.0008 0.0010
70 0.00065 0.00035 0.00035 0.0005 0.0010 0.0013
100 0.0015 0.0012 0.0012 0.0013 0.0020 0.0022
125 0.0018 0.0015 0.0015 0.0015 0.0023 0.0025
150 0.0020 0.0016 0.0016 0.0015 0.0024 0.0026
200 0.0021 0.0020 0.0019 0.0019 0.0027 0.0028
250 0.0025 0.0021 0.0019 0.0019 0.0027 0.0028
300 0.0026 0.0022 0.0020 0.0020 0.0026 0.0028
由于预留的曝光室面积有限，作为屏蔽材料选择方案常见的有混凝土、混凝土加铅板、铅板以及特种射线防护材料四种方式，考虑到如果采用全混凝土防护墙方案时，由于混凝土墙屏蔽厚度较大（在250KV条件下20毫米铅当量的混凝土墙厚度约为640毫米），将势必使得X射线曝光室内面积狭小，不利于工作，采用混凝土加铅板或纯铅板制作曝光室虽然能够增大曝光室内空间，然而造价过高，因此衡量造价和顾及曝光室应有足够的面积和容积的设计原则，以及在现已完工的车间内施工较简便和车间地面的承载能力（车间地面为承载强度5吨/平方米的钢筋混凝土），决定采用宜兴市电磁辐射防护材料厂定制特种射线防护材料的防护房方案，即：使用20mm铅当量的特种射线防护材料（密度达到3g/cm3，得到曝光室防护墙体和防护屋顶厚250mm），既能够达到国家放射卫生防护标准，其防护墙厚度又可以大大小于混凝土墙厚度，其结构为型钢框架和特种射线防护材料，房顶为钢筋和特种射线防护材料，无需开挖地基（墙体与车间地面之间采用宽800毫米、厚30毫米的钢板分散墙体对地面的载重），现场浇灌组装，其造价处于混凝土方案与铅板之间，是用户所能接受的方案。
根据用户需要，曝光室设置电动X射线防护铅门（包括进出工件的大门和从曝光室进出相邻工作间的小门，防护材料为20mm铅板）、内外墙上漆和配套的通风、电源、照明、连锁装置、警示灯等。
此外，用户要求在曝光室内划出X射线机头摆放的允许范围。无损检测资源网根据上面的参考图表，可以估算250KV的X射线管输出比200KV时高出大约0.55rem/mA•min，根据平方反比定律，可估算在本X射线曝光室内使用200KV的X射线机时，X射线机头摆放位置的安全范围可以是2米（4.5米方向）乘3米（6米方向），但要求必须经过实际测试验证。
参考文献：
[1]X射线和γ射线防护手册（诊断与科研用）苏森龄编著 第四章：诊断与科研用X射线和γ射线的防护设计与计算 贵州人民出版社 1982年11月第一版
[2]锅炉压力容器压力管道及特种设备安全系列教材-射线检测 强天鹏主编 全国锅炉压力容器无损检测人员资格鉴定考核委员会主审 第七章 辐射防护 云南科技出版社 2001年10月第1版 ISBN 7-5416-1578-1/TB•31
[3]无损检测II级培训教材 射线检测 第八章 辐射防护 中国机械工程学会无损检测学会 航空航天无损检测人员资格鉴定委员会编（第二版） 机械工业出版社1994年10月第2版 ISBN 7-111-04177-1
[4] GB 18871-2002 电离辐射防护和辐射源安全基本标准
[5] GB16357-1996 工业X射线探伤放射卫生防护标准
（2006年1月定稿）
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