实验五：γ射线的辐射屏蔽防护一、实验目的1、了解各种材料对给定能量和强度的γ射线的屏蔽防护能力；2、学习蒙特卡罗软件MCNP在辐射屏蔽防护中的应用；3、通过分析实验测定值与理论计算值之间的关系和差别，获得直观的认识，加强理论与实际的联系；二、实验原理利用宽束X或γ射线的减弱规律，考虑康普顿散射效应造成的散射光子不是被完全吸收而仅仅是能量和传播方向发生改变，从而会继续传播而有可能穿出物质层。图1、窄束、宽束示意图在辐射防护中遇到的辐射一般为宽束辐射，射线束较宽、准直性差，穿过的物质层也很厚，如上图1所示，在此情况下，受到散射的光子经过多次散射后仍然可能会穿出物质，到达观察的空间位置，此时考察点上观察到的不仅包括那些未经相互作用而穿出物质层的光子，而且还包括初级γ射线经过多次散射后产生的散射光子。窄束、宽束是物理上的概念，而不是由射线束的几何尺寸决定的，即不是几何上的概念。窄束可以看作是宽束的特殊情况。质量厚度宽束条件下X、γ射线的衰减规律如下：质量衰减系数积累因子对积累因子B的数值可以从各种参考资料查找，如《防护》P89。三、实验内容1、测量给定厚度的水层对γ射线的减弱程度，得到减弱倍数K或透射比η的测量值；2、测量上述水层的厚度，通过理论计算给出减弱倍数K或透射比η的理论值，并与上述测量值进行比较与分析；3、以上述给出的K或η的测量值为准，测量得到铝板、铁板、铅板达到上述减弱倍数值时所需的厚度，如果没有正好合适厚度的材料，则利用由偏厚和偏薄的对应材料测量得到的减弱倍数值进行线性插值计算得到对应材料厚度；四、实验设备1、0.5mCi的Cs-137源一个；2、塑料水箱一个，内置约30cm高的纯化水；图2、实验状态示意图3、铅、铁、铝板若干；4、JB4000(A)型X-γ辐射仪一台；五、实验步骤布置实验台，注意：严格按照实验步骤进行，首先布置好水箱、准直器、探测仪，最后放置放射源，并覆盖铅皮以屏蔽散漏射线，养成良好的操作习惯！！实验步骤如下：1、调节好水箱、准直器以及探测仪器的相对位置，如下图3所示，调节到仪器的cps档，记录仪器的本底计数率Nd（连测3次以上，取平均值）；2、在探测仪器对面布置好放射源，使得射束中轴线和准直器中轴线重合，如下图4所示，测定并记录水箱未充水时仪器的计数率N0（连测3次以上，取平均值）；图3、不放置放射源，测量本底Nd示意图图4、水箱未充水状态，测量N0示意图3、暂时屏蔽放射源，并在水箱内充入足够的纯化水(蒸馏水)，开启放射源，得到当前仪器的计数率N1（连测3次以上，取平均值），如下图5所示；图5、水箱充水状态，测量N1示意图4、利用上述测定的计数Nd、N0、N1计算实验测定值，即减弱倍数；5、暂时屏蔽放射源，测量水层的厚度dH2O。课后根据经验公式，计算得到理论减弱倍数K1，并与实验值K0相比较；6、测定要实现上述的减弱倍数K0需要的铅、铁、铝的等效厚度dPb、dFe、dAl，如下图6所示，基本过程是：放入足够厚的材料，使得读数小于N1，然后逐步撤出部分材料，使得仪器读数逐渐增大到N1，此时的材料厚度就是等效厚度。如果没有正好合适厚度的材料，则利用偏薄和偏厚的测定值进行线性插值计算得到。图6、各种屏蔽材料测量示意图六、思考题与计算题1、解释步骤6中的材料厚度放置方式采用逐渐减少的方式，而不是逐渐增加的方式？2、理论计算出铅、铁、铝的等效屏蔽厚度d’Pb、d’Fe、d’Al，并与实验测定值dPb、dFe、dAl进行比较，以表格的形式列出对应结果，给出分析结论。3、利用测量得到的水层厚度dH2O，利用经验理论公式，计算得到理论减弱倍数K1。4、利用测量得到的水层厚度dH2O，编写输入文件，利用蒙特卡罗方法模拟软件MCNP计算出水的减弱倍数K2。5、如果上述几组结果差别比较大，分析原因并给出分析结论。6、比较实验测定值K0、经验公式结果K1和蒙特卡洛方法模拟结果K2，分析比较实验测定方法、经验公式方法以及蒙特卡洛方法模拟方法各自的优缺点；七、参考文献【1】方杰，《辐射防护导论》，原子能出版社，北京，1991；【2】郑华，《MCNP3B实用教程》，大庆生产测井研究所，1998；八、附录1、实验中受到的剂量值估算计算暴露在空气中的0.5mCi的Cs-137点源在空气中某位置处造成的吸收剂量，计算参数如下：距离源r=10cm；照射时间t=20min；采用Mathematicav5.0计算：输入：图7、剂量计算示意图结论：计算结果意味着即使源直接暴露在空气中，而且人非常靠近源(10cm)，在照射较长时间(20min)条件下，受到的剂量也仅仅在0.0475mGy左右，对人体的危害极其有限，