蒸壓加氣混凝土砌塊輻射防護屏蔽性能試驗研究

陸 洋，張永貴，杜 中，陳 志，陶宗碩

(1.中國科學技術大學物理學院,合肥 230027； 2.中國建材檢驗認證集團安徽有限公司，合肥 230000； 3.合肥市環(huán)境監(jiān)測中心站，合肥 230000)

蒸壓加氣混凝土砌塊是以鈣質(zhì)材料和硅質(zhì)材料為基本材料，加入發(fā)氣劑、氣泡穩(wěn)定劑和調(diào)節(jié)劑等為原料，經(jīng)配料、攪拌、澆注成型、蒸壓養(yǎng)護、成品加工等工藝過程制成的多孔硅酸鹽砌塊。砌塊加工原料從工業(yè)廢料中獲取，不會破壞耕地或造成水土流失，生產(chǎn)過程幾乎不產(chǎn)生液體、氣體、固體環(huán)境污染物，是一種新型環(huán)保建筑材料[1]。依據(jù)國家公共建筑節(jié)能的相關要求[2]，蒸壓加氣混凝土砌塊在國內(nèi)已被許多新建醫(yī)院用于非承重墻及隔墻的建造；各醫(yī)療機構在新建、改建、擴建射線機房時，也多采用蒸壓加氣混凝土砌塊。蒸壓加氣混凝土砌塊的密度是傳統(tǒng)輻射防護屏蔽建筑材料實心紅磚的1/3，單塊蒸壓加氣混凝土砌塊的厚度通常約240 mm，是實心紅磚的4倍，在保證或改善與實心紅磚同等輻射屏蔽效果的同時，可減少建筑施工過程中墻體磚與磚之間的搭接縫隙，降低或避免射線泄露風險。砌筑厚度為24 cm，高度為100 cm，長度為60 cm的墻體時，蒸壓加氣混凝土砌塊需要約5塊，實心紅磚則需要約100塊。5塊蒸壓加氣混凝土砌塊市場價格約35元，100塊實心紅磚市場價格約50元，相比之下蒸壓混凝土砌塊的價格更加便宜一些。

然而，我國《醫(yī)用X射線診斷放射防護要求》[3]標準中沒有蒸壓加氣混凝土砌塊等效鉛當量厚度的參數(shù)要求。環(huán)境影響評價機構在對該類材料進行等效鉛當量厚度計算時，往往采用密度換算法進行折算，使得該類材料屏蔽效果的評估存在很大的不確定性。本文選擇4種國內(nèi)常用蒸壓加氣混凝土砌塊作為試驗樣品，使用不同能量的X射線對每個樣品進行照射，依據(jù)《醫(yī)用X射線診斷放射防護要求》[3]、《X射線防護材料衰減性能的測定》[4]、《蒸壓加氣混凝土砌塊》[5]和《蒸壓加氣混凝土實驗方法》[6]等標準，通過試驗得出4種蒸壓加氣混凝土砌塊樣品的等效鉛當量厚度，并結(jié)合樣品的干密度和抗壓強度等參數(shù)進行分析。研究結(jié)果可為醫(yī)院射線裝置機房建筑用屏蔽材料選取和設計提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗方案

試驗使用相同管電流(25 mA)、不同管電壓(70～120 kV)下產(chǎn)生的X射線，對國內(nèi)4種常用蒸壓加氣混凝土砌塊樣品進行照射，測量穿過每種樣品后固定點位處的透射線空氣吸收劑量率，測量相同情況下標準鉛片后透射線空氣吸收劑量率，將兩組數(shù)據(jù)對比計算各樣品等效鉛當量厚度。

1.1 試驗樣品

從江蘇、安徽購置的4種蒸壓加氣混凝土砌塊試驗樣品的尺寸、干密度和平均抗壓強度等參數(shù)見表1。由表1可見3號樣品干密度最大，為623 kg/m3，4號樣品干密度最小，為501 kg/m3；1號樣品抗壓強度最大，為3.7 MPa，4號樣品抗壓強度最小，為1.9 MPa。本試驗所用樣品實物照片如圖1所示。

表1 樣品參數(shù)Tab.1 Sample parameters

1)為便于與實物對應，表中編號直接采用樣品實物上的編號。

圖1 本試驗所用樣品實物圖Fig.1 Physical drawing of sample for this test

1.2 試驗設備

1.2.1X射線輻射場產(chǎn)生和測量儀器

X射線輻射場采用英國高美公司生產(chǎn)的GX160高頻恒電位X射線機系統(tǒng)(最大功率3 000 W)、德國PTW公司生產(chǎn)的TW23361流氣式圓柱形電離室(電離室高度5.1 cm、直徑3.1 cm、測量體積30 cm3、能量范圍30 keV～50 MeV、在40～150 keV能量范圍內(nèi)能量響應誤差≤±4%)和UNIDOSE主機。X射線輻射場通過中國計量科學研究院進行校準，證書編號為DYjl2019-3435，有效期至2020年5月19日，符合《X射線防護材料衰減性能的測定》[4]中的相關要求。

1.2.2標準鉛片

本試驗所用標準鉛片1 mm、1.2 mm、1.5 mm，均經(jīng)過南京市計量院進行校準，證書編號為00832893，有效期至2020年3月13日，校準鉛片厚度精確至0.001 mm。符合《X射線防護材料衰減性能的測定》[4]中的相關要求。

1.3 試驗原理及方法

根據(jù)《放射衛(wèi)生學》[7]，X射線的穿透能力與X射線的管電壓有關，管電壓越大，則產(chǎn)生的X射線的穿透能力越大。在給定的管電壓下，X射線的發(fā)射量取決于管電流的大小和曝光時間的長短。在X射線的應用中，常以管電壓(kV)表征X射線的穿透能力，而以管電流和曝光時間的乘積(mA·min)表征X射線的發(fā)射量。因此，所測得射線能量與射線發(fā)生器的管電壓與管電流有關。結(jié)合《醫(yī)用X射線診斷放射防護要求》[3]附錄B中對于不同射線裝置在防護檢測中檢測條件的要求(如透視檢測條件：70 kV，3 mA)，附錄D引用的NCRP 147號報告中計算屏蔽物質(zhì)等效鉛當量厚度時只考慮射線裝置管電壓。本試驗通過模擬影像診斷X射線裝置(如透視機、攝影機、乳腺攝影機、牙片機、CT機等)，在正常工作狀態(tài)下產(chǎn)生的一定能量X射線，對常見且符合《蒸壓加氣混凝土砌塊》[5]的4種蒸壓加氣混凝土砌塊樣品沿寬度方向進行照射，本試驗選擇的管電壓分別為70 kV、80 kV、90 kV、100 kV、110 kV、120 kV，同時為保障X射線的發(fā)射量選擇固定的管電流為25 mA。

等效鉛當量厚度試驗裝置示意圖見圖2。該裝置配有一個電離室探頭，可在配套導軌上前后移動。為便于計算，以X射線發(fā)生器出束口在導軌上垂直投影為原點。“儀器探頭1號位”是因支架等設備物理體積的影響，距準直器最近的探頭放置位置，此位置投影也正好距離原點1 000 mm(樣品前預留一個探頭位置是為了方便進行其他相關試驗)。“儀器探頭2號位”指距準直器600 mm探頭放置位置，此位置投影距離原點1 400 mm，用以測量透射線空氣吸收劑量率。樣品放置于探頭1號位與2號位之間，考慮探頭的物理大小，1號位與2號位間距400 mm，正好可以放下寬度最大為300 mm的4號樣品，這樣就可以盡可能測量射線在剛穿過樣品后的空氣吸收劑量率。測量不同管電壓下、加不同樣品后固定位置的透射線空氣吸收劑量率，與相同條件況下加標準鉛片后固定位置的透射線空氣吸收劑量率進行對比，使用線性插值法得出蒸壓加氣混凝土砌塊的等效鉛當量厚度。測試方法符合《X射線防護材料衰減性能的測定》[4]標準中的要求。

圖2 試驗裝置及各組成設備相互位置關系示意圖Fig.2 Schematic diagram of the mutual position of the test equipment and its components

2 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗結(jié)果

X射線經(jīng)過樣品、標準鉛片后測量的空氣吸收劑量率列于表2。

通過對比表2中各數(shù)值，使用線性插值法計算得出4種蒸壓加氣混凝土砌塊的等效鉛當量厚度，見表3。可知同種樣品在不同能量射線下的等效鉛當量厚度是不一樣的，但均大于1 mm。在70～120 kV條件下，蒸壓加氣混凝土砌塊的等效鉛當量厚度隨著管電壓的增加出現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，在約90 kV時達到最大。其中4號樣品等效鉛當量厚度最大為1.47 mm(90 kV)、3號樣品等效鉛當量厚度為1.30 mm(90 kV)、1號和5號樣品等效鉛當量厚度相同為1.19 mm(90 kV)。

通過以上試驗結(jié)果可以得出4種蒸壓加氣混凝土砌塊的等效鉛當量厚度均大于1 mm。根據(jù)《醫(yī)用X射線診斷放射防護要求》[3]中對不同類型X射線設備機房的屏蔽防護鉛當量厚度要求，部分影像診斷裝置機房可以選用蒸壓加氣混凝土砌塊作為屏蔽材料，如透視機房、全身骨密度儀機房、口內(nèi)牙片機房、牙科全景機房(無頭顱攝影)、乳腺機房，其正常使用時管電壓一般不超過100 kV，均可以選用蒸壓加氣混凝土砌塊對機房進行設計建造。

2.2 影響等效鉛當量厚度的因素

(1)等效鉛當量厚度與干密度的關系。根據(jù)表1和表3數(shù)據(jù)得到蒸壓加氣混凝土砌塊干密度與其等效鉛當量厚度關系，如圖3所示。

(2)等效鉛當量厚度與平均抗壓強度的關系。根據(jù)表1和表3數(shù)據(jù)得到蒸壓加氣混凝土砌塊抗壓強度與其等效鉛當量厚度關系，如圖4所示。

表2 射線經(jīng)過樣品/標準鉛片后測得空氣吸收劑量率值1)Tab.2 Air absorption dose rate measured by ray after sample/standard lead sheet

1)測量工況：管電壓由70 kV升至120 kV，管電流：25 mA；探頭刻度因子k=2，每個測量數(shù)據(jù)由10個測量數(shù)值取平均值而得，未扣除環(huán)境本底。

表3 不同能量射線下樣品等效鉛當量厚度(mm)Tab.3 Sample equivalent lead equivalent thickness under different energy rays (mm)

圖3 蒸壓加氣混凝土砌塊干密度與等效鉛當量厚度關系Fig.3 The relationship between the dry density and the equivalent lead equivalent thickness of autoclaved aerated concrete block

圖4 蒸壓加氣混凝土砌塊抗壓強度與 等效鉛當量厚度關系Fig.4 The relationship between compressive strength and the equivalent lead equivalent thickness of autoclaved aerated concrete block

比較圖3中1、3、5號樣品發(fā)現(xiàn)，三者寬度一樣，干密度高的樣品(3號)等效鉛當量厚度高于干密度低的樣品(5號)；比較圖4中1、3、5號樣品發(fā)現(xiàn)，平均抗壓強度對等效鉛當量厚度影響不明顯，平均抗壓強度最高的1號樣品在各管電壓條件下，與5號、3號樣品相比，等效鉛當量厚度沒有提高，甚至與平均抗壓強度低于1號樣品的3號樣品相比，其等效鉛當量厚度最多時還少了0.11 mm。比較圖3、圖4中3、4號樣品發(fā)現(xiàn)，4號樣品干密度、平均抗壓強度均低于3號樣品，厚(寬)度大于3號樣品，試驗結(jié)果顯示4號樣品等效鉛當量厚度高于3號樣品。

對于蒸壓加氣混凝土砌塊來說，其等效鉛當量厚度與材料的干密度、厚度有關，而與抗壓強度無關，即材料的干密度越大、材料厚度越大，等效鉛當量厚度越高，對X射線輻射防護屏蔽效果越好。

3 結(jié)論

(1)本試驗4種蒸壓加氣混凝土砌塊樣品的等效鉛當量厚度，隨著管電壓由70 kV升至120 kV,出現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，在約90 kV時達到最大。

(2)在70～120 kV范圍內(nèi)，本試驗4種蒸壓加氣混凝土砌塊的等效鉛當量厚度均大于1 mm，建設部分影像診斷裝置機房時可以滿足標準[3]要求。

(3)對于蒸壓加氣混凝土砌塊來說，其等效鉛當量厚度與材料的干密度、厚度有關，而與抗壓強度無關，即材料的干密度越大、材料厚度越大，等效鉛當量厚度越高，對X射線輻射防護屏蔽效果越好。