建筑材料作为γ射线屏蔽材料的调查研究.ppt

建筑材料作为γ射线屏蔽材料的调查研究 Investigations of Building Materials as Gamma Ray Shielding Materials 引言 在不同领域，γ射线的使用呈急速增加的趋势，然而，γ射线长时间的暴露在空气中对生物体非常有害。为了安全使用穿透性强的γ射线，合适的屏蔽材料有着及其重要的作用。 大多数的屏蔽材料是用高原子序数和高密度的物质，例如铅和汞。可这些材料成本限制了其大面积的使用。 因此，本文用等效原子序数小于20的建筑材料（如水泥、石膏、石灰和沙子）作为屏蔽材料做成了研究。 等效原子序数 物质的等效原子序数具有广泛的用途，尤其是在辐射防护，计量的测量和评估，判定物质对射线的等效性等发面更为常用。这是因为射线与物质的相互作用同该物质的等效原子序数 有着密切的关系，如果能确定该物质的等效原子序数 ，那么通过计算，就可以得到物质对X或低能γ射线所吸收的能量。这对辐射剂量学和等效屏蔽材料的设计都极为重要。 物质对射线的减弱作用，用射线的质量减弱系数μ来衡量。X和低能γ射线穿过物质时，主要产生的作用是光电效应和康普顿效应。 A为原子质量数，NA为阿伏伽德罗常数，σ（两种截面效应之和）与物质的原子序数有着直接关系。 光电效应和康普顿效应 光电效应：γ光子通过物质时，可与原子某壳层中的一个轨道电子相互作用，把自己的全部能量转移给这个电子，使该壳层电子脱离它所在的壳层，并以光电子的形式从原子中释放出来。入射光子的能量最终转化为两部分：一部分为次级电子的动能，另一部分为特征X射线。而这两部分都易于止住，从辐射屏蔽的观点看，光电效应可以看成是真正的吸收过程，它使入射的光子完全消失。 康普顿效应：当初始能量为E的入射光子与原子内一个轨道电子相互作用后，把自己一部分能量交给轨道电子，而本身能量变成E‘，并与入射方向θ角散射，获得足够能量的轨道电子与光子的入射方向成φ角而射出。由于反冲电子总要吸收一部分能量，所以散射光子的能量必定低于入射光子的能量，但康普顿散射不是完全吸收γ射线的过程，γ光子每经过一次康普顿散射后，其次级γ光子能量都降低一些，出射方向改变一次，于是形成多次散射。 实验材料和方法 选定的建筑材料的质量减弱系数数据是使用WinXCom软件得到的。 建筑材料的辐射积累因子的计算是入射光子能量为59.94到1332keV，材料厚度达到40的的平均自由程的实验数据用G.P.拟合方法得到的。 线减弱系数的倒数称为光子在物质中的平均自由程。即λ=1/μ。表示光子每经过一次相互作用之前，在物质中所穿行的平均厚度。如果d＝λ，即厚度等于一个平均自由程，X或γ射线被减弱到原来的e-1。 结果和讨论 1 图1显示了对所有选择的材料的质量减弱系数随不同光子能量的变化。 2. 所有选择的材料的质量减弱系数的最大值出现在最开始，光子能量为59.54KeV，随着实验的光子能量增加，质量减弱系数减小。质量减弱系数减小的趋势能够被不同部分光子相互作用的过程占主导地位解释。 3. 在被选的建筑材料中，石灰有最大的质量减弱系数，因为有更高的等效原子序数20Ca,然而沙子有最小的质量减弱系数，因为有更小的原子系数8O。 4. 比较光电吸收和康普顿散射的质量减弱系数，在能量为50-80KeV的光子通过光电效应和康普顿效应的相互作用有相同的几率。 1. 辐射积累因子决定这些穿过厚厚的交互介质的光子多重散射程度，因此，在设计辐射屏蔽材料，是一个重要的参数。 2. 在图2中，辐射积累因素的数值在最初有最小值，在实验光子能量增加到300KeV之前，随着光子能量的增加而增加，在光子能量为300KeV到1332KeV，随着光子能量的增加而减小。可能是因为在低能和高能区间，光电吸收和散射过程占优。 3. 对于所有不同光子能量，沙子有最大的辐射累计因素，而石灰有最小的辐射累计因素。 比较图2和图3，随着渗入材料的厚度增加，辐射积累因素显著的增加。对于厚度为1mfp的材料，辐射积累因素的数值为 1.4-2.6。对于10mfp的材料，辐射积累因素的数值为10-50。这显示了交互材料的厚度对光子的多重散射是有重要意义的。 结论 在所选的建筑材料中，石灰是更好的γ射线屏蔽材料（依据质量减弱系数和辐射积累系数）。 建筑材料能提供更好的γ射线屏蔽，特别是在光子能量小于100KeV和大于1.0MeV时（此时辐射积累因素更小）。 * *