X射線發(fā)生器輻射屏蔽系統(tǒng)的研制

1、X射線發(fā)生器輻射屏蔽系統(tǒng)的研制摘要：在已有課題“能量色散X射線熒光分析”的基礎(chǔ)之上，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的X射線發(fā)生裝置進(jìn)行必要的輻射屏蔽設(shè)計(jì)。在明確工作室內(nèi)輻射劑量標(biāo)準(zhǔn)的前提下，計(jì)算鉛作為屏蔽材料所需的有效且經(jīng)濟(jì)的厚度；之后搭建框架，尤其重視對(duì)接縫的處理；最后再次確認(rèn)屏蔽的效果以及進(jìn)行能量刻度，并通過探究真假硬幣所含元素的特征X譜線實(shí)現(xiàn)真假硬幣的甄別。關(guān)鍵詞：輻射屏蔽設(shè)計(jì) X射線熒光分析 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年德國(guó)物理學(xué)家倫琴在研究陰極射線管中氣體放電實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)X射線以來，X射線被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)和研究領(lǐng)域。依據(jù)X射線的穿透作用、差別吸收、感光作用和熒光作用，發(fā)展了X射線診斷；工業(yè)中利用X射線進(jìn)行探傷；X射線衍射法已成為研究晶體結(jié)構(gòu)、形貌和各種缺陷的重要手段。但是，X射線為人類帶來便利的同時(shí)也造成了負(fù)面影響，X射線對(duì)于人體組織細(xì)胞的破壞力是絕不容小覷的。它與細(xì)胞直接作用，會(huì)引起分子的電離、激發(fā)、分解，使細(xì)胞喪失生物功能；或與細(xì)胞核內(nèi)的DNA長(zhǎng)鏈直接作用，導(dǎo)致DNA堿基對(duì)排列順序改變、缺失、重復(fù)

5、、易位等，造成染色體畸變。長(zhǎng)期承受高劑量的輻射會(huì)對(duì)人體的某些生理功能產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞，重者甚至?xí)＜吧踩蕦?duì)X射線的防護(hù)就顯得尤為重要。外照射防護(hù)的基本方法為時(shí)間防護(hù)、距離防護(hù)和屏蔽防護(hù)。本課題中涉及的是屏蔽防護(hù)，其中包括屏蔽材料的選擇，材料厚度的計(jì)算，屏蔽框架的搭建、接縫的處理以及輻射劑量的再檢驗(yàn)等。完成屏蔽之后，通過材料的特征X譜線對(duì)真假硬幣內(nèi)所含元素進(jìn)行探究并甄別。1、原理和背景足夠高能量的射線（如X射線、粒子、電子、質(zhì)子等）入射到靶材料上時(shí)，靶材料會(huì)發(fā)射出X射線。通常把入射到靶材料上的射線稱為初級(jí)射線，靶材料發(fā)射出的X射線稱為次級(jí)X射線。次級(jí)X射線譜由兩部分構(gòu)成，一是波長(zhǎng)連續(xù)變

6、化的部分，稱為連續(xù)譜，它的最小波長(zhǎng)只與初級(jí)射線的能量有關(guān)；另一部分是具有分立波長(zhǎng)的譜線，當(dāng)初級(jí)射線能量足夠高時(shí)，這部分線狀譜線就會(huì)出現(xiàn)，它們的峰所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)位置完全決定于靶材料本身，稱為特征譜。特征譜重疊在連續(xù)譜之上，如同山丘上的寶塔。我們知道，帶電粒子在加速（或減速）時(shí)必然伴隨著電磁輻射，所以帶電粒子與原子（原子核）相碰撞發(fā)生驟然減速時(shí)會(huì)產(chǎn)生所謂的韌致輻射，由于帶電粒子在靶核庫(kù)侖場(chǎng)的作用下的速度是連續(xù)變化的，所以輻射的X射線具有連續(xù)譜的性質(zhì)。當(dāng)初級(jí)射線使靶材料內(nèi)層電子激發(fā)后則在內(nèi)殼層產(chǎn)生空穴，外層的電子躍遷到該空穴上時(shí)會(huì)以發(fā)射X射線的方式將多余能量釋放出去，這樣就產(chǎn)生了特征譜。X射線熒光分析

7、技術(shù)正是利用特征譜是元素的“指紋”，用初級(jí)X射線光子或其他微觀粒子激發(fā)待測(cè)樣品中的原子，使之產(chǎn)生熒光（次級(jí)X射線）而進(jìn)行物質(zhì)成分分析和化學(xué)形態(tài)的研究。只要測(cè)出熒光X射線的波長(zhǎng)或者能量，就可以確定元素的種類，即實(shí)現(xiàn)了熒光X射線定性分析。不同元素的不同殼層間躍遷發(fā)出的特征X射線的能量可見核素手冊(cè)，這里舉出幾種常用元素的特征X射線的能量值，如表1所示。同時(shí)熒光X射線的強(qiáng)度與相應(yīng)元素的含量又有一定的關(guān)系，據(jù)此，可進(jìn)行元素的定量分析。用于X射線熒光分析的裝置有X射線熒光光譜儀和X射線熒光能譜儀有何區(qū)別?，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。前者分辨率高，適應(yīng)性廣；后者X射線探測(cè)效率可提高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，可同時(shí)進(jìn)行定性和定量

8、測(cè)定，但分辨率較差。表1 部分元素特征X射線能量單位?2、實(shí)驗(yàn)部分本課題小組所做的實(shí)驗(yàn)探究?jī)?nèi)容主要涵蓋以下幾點(diǎn)：）熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備，明確所用X射線發(fā)生器發(fā)射的X射線強(qiáng)度（包括X射線光子的最大能量與平均能量），根據(jù)實(shí)際情況選擇屏蔽材料，計(jì)算所需的最為經(jīng)濟(jì)有效的材料厚度以盡可能節(jié)省經(jīng)費(fèi)開支。）與制作廠家充分溝通后加工屏蔽罩。與廠家共同包括：確定屏蔽罩框架結(jié)構(gòu)、屏蔽材料型號(hào)、屏蔽材料和支撐材料之間接縫的處理等。）屏蔽罩加工好后，進(jìn)行屏蔽效果測(cè)試。確保實(shí)驗(yàn)室人員所接受的X射線輻照劑量在可以接受的安全范圍之內(nèi)。）用X射線發(fā)生器輻照真假硬幣，通過材料的特征X譜線對(duì)真假硬幣內(nèi)所含元素進(jìn)行探究并甄別。2.1 對(duì)X

9、射線劑量進(jìn)行理論計(jì)算并合理設(shè)計(jì)輻射屏蔽框架：2.1.1工作室內(nèi)的輻射劑量標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)國(guó)家頒布的電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)（GB18871-2002）中的相關(guān)規(guī)定，公眾中的個(gè)體成員年有效劑量為1mSv，特殊情況下，如果五個(gè)連續(xù)年的平均劑量不超過1mSv/a，則某一單一年份的有效劑量限值可以提高到5mSv。其中眼晶體所受到的當(dāng)量劑量每年應(yīng)不超過15mSv，皮膚所受到的當(dāng)量劑量每年應(yīng)不超過50mSv。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)推算，假設(shè)一年工作250天，每天工作8小時(shí)，則由此推算每小時(shí)所受到的輻射劑量應(yīng)不超過2.5Sv。2.1.2屏蔽材料的選?。阂欢芰?、強(qiáng)度為I0的X射線穿過吸收物質(zhì)時(shí)強(qiáng)度變?yōu)镮，發(fā)生指數(shù)衰減

10、，其公式可以表示為 1其中表示X射線的線性衰減系數(shù)，與X射線的能量和吸收材料的核電荷數(shù)、密度有關(guān)，單位為1/cm；x表示吸收材料的線性厚度，單位為cm。如果知道了吸收物質(zhì)的衰減系數(shù)，我們可以根據(jù)輻射劑量標(biāo)準(zhǔn)及原X射線強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的輻射劑量推算出屏蔽物質(zhì)的線性厚度。這里要注意的是：雖然發(fā)射器出射方向上的X射線強(qiáng)度已由廠家給出，但實(shí)際的操作位置并不是正對(duì)著發(fā)射器，而且只有窄束X射線強(qiáng)度才與距離大致滿足平方反比關(guān)系，因此實(shí)際操作時(shí)周圍環(huán)境的輻射強(qiáng)度需要實(shí)際測(cè)量才能給出。因此，首先我們測(cè)量并參考了發(fā)射器周圍的直接輻射與散射強(qiáng)度（見表3），通過探究不同方向不同距離的射線強(qiáng)度，來判斷合理的材料厚度?？紤]到鉛是

11、最好的X射線屏蔽材料，根據(jù)鉛的X射線衰減系數(shù)，則由公式1可知，當(dāng)輻射劑量最大時(shí)（X射線輻射器在出射方向上10cm處最大輻射劑量），要想屏蔽至國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)水平的話（0.5Sv/h）只需要0.53mm鉛當(dāng)量的材料。又考慮到透過屏蔽罩需要看到內(nèi)部設(shè)備，我們決定用鉛玻璃作為屏蔽材料。根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，可以使用的ZF2鉛玻璃厚度較厚，相當(dāng)于2mm的鉛當(dāng)量，雖然較重，但由于工藝的問題，要打磨成2個(gè)mm左右的鉛玻璃所需的成本反而更大，因此我們決定屏蔽材料就用厚度為8mm的鉛玻璃。2.1.3屏蔽罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工相較于鉛玻璃的框架結(jié)構(gòu)，玻璃與玻璃之間的接縫處理更加關(guān)鍵。要想達(dá)到良好的屏蔽效果就要求屏蔽材料的拼

12、接處沒有縫隙。如果將拼接處焊接的話，要求焊接處內(nèi)沒有氣泡，沒有裂縫，又不能損壞屏蔽材料，這對(duì)于焊接技術(shù)要求比較高。所以我們就需要通過實(shí)驗(yàn)或者廠家調(diào)研等方法來探究其它的接縫處理方法（如：鑲嵌式）以達(dá)到用較低的工本達(dá)到同樣的預(yù)期效果。對(duì)屏蔽材料的框架結(jié)構(gòu)以及接縫處理有大致設(shè)想后，接下來告知制作廠方我們所要定做的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，與廠家溝通確定屏蔽罩結(jié)構(gòu)。整體屏蔽框架成長(zhǎng)方體，在接焊處鑲嵌有鉛板以防止輻射泄漏，然后另外用不銹鋼框架對(duì)接縫處和整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。屏蔽框架的尺寸參數(shù)如下：長(zhǎng)：35cm；寬：22.5cm；高：19.5cm最終定制加工的屏蔽罩如圖1所示：圖1 實(shí)驗(yàn)器材及屏蔽架構(gòu)2.2 屏蔽效果測(cè)試2.

13、2.1 X射線發(fā)生器的發(fā)射口堵住的情況下發(fā)射器周圍的輻射泄漏情況：（本底輻射：0.40 Sv/h）不加屏蔽罩，測(cè)量X射線發(fā)射口用銅塞堵住時(shí)發(fā)射器在不同電壓下，位于發(fā)射口正前方20cm處的輻射劑量，見表2，旨在確定儀器本身輻射泄漏的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在X射線發(fā)生器為屏蔽的情況下，在儀器半徑20cm范圍內(nèi)輻射泄漏的劑量最多不超過0.09Sv/h，遠(yuǎn)小于我們所要求的2.5Sv/h，由此可認(rèn)為儀器本身的輻射屏蔽情況是良好的，主要的X射線的劑量源來自發(fā)射口。表2 X射線發(fā)生器的發(fā)射口堵住發(fā)射器周圍的輻射泄漏情況電壓/kv電流/A相對(duì)發(fā)射口方向距離 /cm劑量/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射線發(fā)射器的發(fā)射口直徑為2mm時(shí)（未屏蔽）：測(cè)量X射線發(fā)射口直徑為2mm時(shí)發(fā)射器在沒有屏蔽的條件下，位于發(fā)射口正前方10cm處的輻射劑量，見表3，此時(shí)X射線發(fā)生器的功率達(dá)到最大，即當(dāng)電壓一定時(shí)電流調(diào)至發(fā)射器可提供的上限值。另外，我們也在發(fā)射器側(cè)面20cm處進(jìn)行了劑量探測(cè)，旨在探究實(shí)驗(yàn)人員在發(fā)射器周圍時(shí)可能受到的影響。實(shí)驗(yàn)表明，發(fā)射器周圍的輻射劑量遠(yuǎn)

15、遠(yuǎn)小于發(fā)射口正面的計(jì)量值，因此，若是發(fā)射口處的劑量達(dá)到了屏蔽指標(biāo)，我們就認(rèn)為該屏蔽防護(hù)設(shè)備達(dá)到了我們的實(shí)驗(yàn)要求。我們對(duì)該兩種情況下的X射線劑量數(shù)據(jù)進(jìn)行探測(cè)記錄，同樣也為了與屏蔽后的劑量情況進(jìn)行比較，從而判斷是否達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。（本底輻射為0.45 Sv/h）表3 X射線發(fā)射器的發(fā)射口直徑2mm未屏蔽距離10 cm正面劑量情況對(duì)輻射劑量和電壓的關(guān)系有何解釋?電壓/kv電流/A相對(duì)發(fā)射口方向距離 /cm劑量/mSv/h5079正面105.804099正面105.1430132正面104.6120198正面102.2515150側(cè)面2015200側(cè)面203515側(cè)面204015側(cè)面202.2.3 X射

16、線發(fā)射器的發(fā)射口直徑為2mm時(shí)（屏蔽）：測(cè)量X射線發(fā)射口直徑為2mm時(shí)發(fā)射器在屏蔽的條件下，位于發(fā)射口正前方10cm處的輻射劑量，見表4，此時(shí)X射線發(fā)生器的功率達(dá)到最大。與沒有屏蔽時(shí)的輻射劑量相比，我們可以看到，發(fā)射口正前方的輻射劑量大大降低。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，儀器產(chǎn)生的凈劑量大小在發(fā)射器功率上限的情況下最多不超過0.14Sv/h，同樣小于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)要求的2.5Sv/h的劑量標(biāo)準(zhǔn)。（本底輻射為0.15 Sv/h）表4 X射線發(fā)射器的發(fā)射口直徑2mm屏蔽距離10 cm正面劑量情況對(duì)輻射劑量和電壓的關(guān)系有何解釋? 電壓/kv電流/A相對(duì)發(fā)射口方向距離 /cm劑量Sv/h5079正面100.20

17、4099正面100.2530132正面100.2820198正面100.29由于儀器的輻射泄漏很小，輻射劑量的來源主要來自于發(fā)射口，同時(shí)，發(fā)射口正面的輻射劑量一定是最強(qiáng)的，所以我們僅對(duì)發(fā)射器正面的劑量進(jìn)行探測(cè)，并以此作為我們對(duì)劑量的判斷指標(biāo)。綜上所述，我們可以得出以下結(jié)論：（1）儀器本身的輻射泄漏很小，輻射劑量主要來自發(fā)射口；（2）在X射線發(fā)生器最大功率的工作條件下比較屏蔽前后發(fā)射口前10cm的輻射劑量情況，發(fā)現(xiàn)屏蔽后儀器的凈輻射劑量滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的安全標(biāo)準(zhǔn)。2.3 將X射線發(fā)生器用于真假硬幣成分測(cè)定完成X射線發(fā)生器的屏蔽后，我們利用該發(fā)生器研究了真假硬幣的成分組成。2.3.1 能量刻度：首先我

18、們對(duì)X射線能譜儀進(jìn)行了能量刻度。我們用241Am放射源發(fā)出的射線使Cu、Ag、Ba、Tb激發(fā)，測(cè)量它們退激時(shí)會(huì)發(fā)出的特征譜線譜，見圖2-5，再確定各特征譜線對(duì)應(yīng)的道址，然后通過查表確定對(duì)應(yīng)的能量，最后就可以確定能量與道值道值還是道址?之間的關(guān)系。（K= 22.16292eV 432.63道；K=24.9424eV 487.88道）圖2 Ag 特征X譜線圖（K= 32.1936eV 629.53道）圖3 Ba特征X譜線圖（K= 44.4816eV 853.92道；K=50.382eV 982.63道）圖4 Tb特征X譜線圖（K= 8.04778eV 158.30道；K=8.90529eV 175

19、.10道）圖5 Cu 特征X譜線圖定標(biāo)所用到的元素的數(shù)據(jù)：元素特征射線道值能量/keV432.6322.163487.8821.990629.5332.194158.308.027175.108.047853.9243.744868.7744.482982.6350.382用Origin對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合：圖6 E-CH關(guān)系圖得到能量與道值之間滿足的關(guān)系為 E=0.05173CH-0.18983 （E為能量，單位為keV，CH為道址）。2.3.2真假一元硬幣內(nèi)所含元素的確定由于不同元素?fù)碛胁煌奶卣髯V線，它們猶如“指紋”一般，是元素獨(dú)一無(wú)二的標(biāo)記。因此， 通過X射線發(fā)生器發(fā)出的X射線照射到

20、真假硬幣假硬幣是哪里搞來的?上，對(duì)硬幣發(fā)出的特征X射線進(jìn)行分析，我們可以比較兩待測(cè)物體成分的異同，還可以進(jìn)一步探測(cè)待測(cè)物體內(nèi)的具體元素乃至其含量。以下我們對(duì)真假硬幣進(jìn)行甄別：以下我們對(duì)真假硬幣進(jìn)行甄別：假硬幣的特征譜線如圖7所示，將其譜線與各元素的特征譜線表1進(jìn)行對(duì)比，我們將凈計(jì)數(shù)大于2000的元素納入分析范圍，由此分析假硬幣中含有表5中列出的元素。真硬幣的特征譜線見圖8，將其譜線與各元素的特征譜線表1進(jìn)行對(duì)比，我們將凈計(jì)數(shù)大于2000的元素納入分析范圍，由此分析真硬幣中含有表6中列出的元素。2.4.1 假硬幣的特征譜線：圖7假硬幣的特征譜線表5 假硬幣中所含元素對(duì)應(yīng)的道址與能量道值凈計(jì)數(shù)E/keV元素78.1652203.876Ca91.4929574.569Ti126.215666126.375Fe138.861071977.033Co146.931694467.452Ni162.46266648.260Cu250.23364412.823Kr2.4.2 圖8真硬幣的特征譜線表6真硬幣中所含元素對(duì)應(yīng)的道址與能量道值凈計(jì)數(shù)E/keV元素91.0148524.54Ti126.2476846.38Fe147.026223