一种低本底碘化钠伽马能谱仪屏蔽铅室设计

一种低本底碘化钠伽马能谱仪屏蔽铅室设计

钟春明1,2，朱姝1,2，黄宇琦1,2

1核工业二三0研究所，湖南 长沙 410007    2湖南省伴生放射性矿产资源评价与综合利用工程技术研究中心，湖南 长沙 410007

摘要：碘化钠伽马能谱仪普遍用于环境或建材样品中天然放射性核素的检测分析。铅室作为碘化钠伽马能谱仪的重要组成部分，能够起到屏蔽环境外的辐射影响，降低探测器环境本底，从而降低仪器探测限，提高测量精度。本文针对碘化钠伽马能谱仪的屏蔽铅室，在达到辐射屏蔽效果的同时，降低了铅室中铅重金属的使用量。可在碘化钠伽马能谱仪中广泛应用，产生积极的经济效益。

在环境样品中放射性核素监测以及建材放射性核素检测过程中，碘化钠伽马能谱仪是最常用最高效的检测设备。一整套碘化钠伽马能谱仪检测仪器主要由碘化钠闪烁体探测器、屏蔽铅室、计算机处理软件等部件组成。它具有探测效率高、价格便宜和维护容易等优点。一般，碘化钠伽马能谱仪仅用于分析：天然放射性核素238U系、232Th系和40K；具有简单γ能谱的人工放射性核素，如60Co和137Cs等；经放射化学分离后的单个核素或具有简单γ能谱的多个核素样品。图1为市面上常见的一整套碘化钠伽马能谱仪实物图。

图1 一整套碘化钠伽马能谱仪实物图

屏蔽铅室的主要作用是屏蔽来自周围环境中的低能宇宙射线、空气中氡及其子体γ射线等干扰，从而降低探测装置放射性本底，降低康普顿散射，降低仪器探测下限，提高样品放射性核素测量精度。所以，屏蔽铅室是碘化钠伽马能谱仪重要组成部分。屏蔽铅室最重要的原材料为金属铅。铅是一种高密度、柔软的蓝灰色金属，元素符号为Pb，原子序数为82，原子量为207.2，密度为11.34g/cm³，熔点327℃，沸点1740℃，是原子量最大的非放射性元素。金属铅是一种耐蚀的有色重金属材料，铅具有熔点低、耐蚀性高、X射线和γ射线等不易穿透、塑性好等优点，常被加工成板材和管材，广泛用于放射性防护等工业。但普通铅屏蔽室存在以下问题：

整个屏蔽铅室为一个整体铅室组成或者由几层同样高度的铅块叠加而成，探测器整个置于铅室内腔，使得铅室高度更高，用铅量更大，提高了制造成本。同时，由于铅是一种密度很大的金属材料，其质量也很大，提高了铅室搬运和安装的难度。探测器直接立于铅室圆柱形内腔中，由于内腔直径比探测器大1~2倍，探测器很难成稳定状态，在测样过程中进行拿取样品时，容易磕碰探测器造成其位移。长此以往，容易损坏探测器结构，缩短探测器使用寿命。整个屏蔽铅室用料为铅、钢，不能有效屏蔽低能X射线，对于碘化钠伽马能谱仪，在能区(59～3000)keV内本底计数率为3~8s-1（cps）。因此，如何在保证屏蔽效果的同时，降低铅用量并能够做到灵活搬运和安装的屏蔽铅室，是仪器产生厂家需要面对的问题。

提出屏蔽铅室设计方案

目前，应用最为广泛的方法是采用壁厚不小于100mm铅当量的金属屏蔽室，也是中国国家标准GB/T 11743-2013、GB 6566-2010和检定规程JJF 1744-2019等的要求。置于铅室重的探测器有两部分构成：碘化钠闪烁晶体和光电倍增管。其中，碘化钠晶体是γ光子的有效探测部分；光电倍增管体积较大，但是不具备探测γ光子的能力。现有的铅室设计一般能够达到国标或者闪烁体探测器γ能谱仪检定规程中的要求。但其设计用铅量大，制造成本高。

针对现有铅屏蔽室设计结构单一、用铅量多，提供一种铅屏蔽室结构设置更加合理，铅用量少，使探测器能够更稳定的用于低本底碘化钠伽马能谱仪的屏蔽铅室。屏蔽铅室用料为铅、钢、铜、聚乙烯等多种材料，能够有效屏蔽低能X射线，从而降低铅室辐射本底，使碘化钠伽马能谱仪，在能区30keV～3MeV内本底计数率为不大于2.5s-1（cps）。

设计技术方案及附图说明

本文设计的屏蔽铅室主要部件包括三脚支架、上部屏蔽铅室和下部屏蔽铅室。三脚支架通过平台连接上部屏蔽铅室和下部屏蔽铅室；上部屏蔽铅室由四部分铅块层叠加而成，在屏蔽铅室的上端安设从中间开合的顶盖；下部屏蔽铅室是一个带腔体和电线口的屏蔽铅室。本文设计的屏蔽铅室的结构设计科学合理，在达到同等屏蔽效果的同时，减少金属铅量用量，降低制作成本和整体重量，提高操控性；顶盖根据重力原理和杠杆原理，采用偏心轮压杆式，控制开合角度，减少打开时用力，方便拿取屏蔽室内的样品。上部屏蔽铅室采用上下铅块层叠加相连的结构，可以根据不同的被测样品盒的体积和形状，自由增减屏蔽铅室铅块层。使得屏蔽铅室的使用性能更为灵活。所使用的的新铅经过电解提纯，不含杂质；老铅经过210Pb至少2个半衰期的储存时间。铅块采用铅、钢、铜、聚乙烯等多种材料组合而成，从而有效降低铅室放射性本底。

图2为屏蔽铅室结构示意图；

图3为屏蔽铅室的下部屏蔽铅室结构示意图；

图4为屏蔽铅室的上、下部屏蔽铅室连接结构示意图；

图5为屏蔽铅室整体效果图。

图2 屏蔽铅室结构示意图          图3 屏蔽铅室的下部屏蔽铅室结构示意图

图4 屏蔽铅室的上、下部屏蔽铅室连接结构示意图

图5 屏蔽铅室整体效果图

屏蔽铅室具体实施方式

如图2~5所示，屏蔽铅室主要由三脚支架（5）、上部屏蔽铅室（11）、下部屏蔽铅室（12）、顶盖（1）、铅块层（2）等部件组成。

其中三脚支架（5）包括支架（5）、圆形钢盘（9）和圆环铁线圈（4），上部屏蔽铅室和下部屏蔽铅室通过圆形钢盘进行连接，圆形钢盘下方设置三脚支架以及固定的圆环铁线圈。支架与圆形钢盘焊接，三个支架成等边三角形分布，整个支架为钢制构件。圆形钢盘（9）下方通过螺丝钉连接下部屏蔽铅室（12）。钢盘外径为552mm，内部开孔径为70mm的圆孔，钢盘厚度为10mm。在圆形钢盘的440mm直径处开孔径为14mm的贯穿螺丝孔。圆环铁线圈（4）的铁线直径为10mm，圆环铁线圈孔径为400mm，对三个支架起固定作用。

上部屏蔽铅室（11）里面呈的圆柱形中空室腔，室腔孔径为200mm、高度为300mm。上部屏蔽铅室由四部分高度为100mm的铅块层（2）叠加而成，铅块层外围为钢模，里面浇筑铅。每一块铅块层（2）从外到里分别是钢、铅、铜、聚乙烯材料组成。上部屏蔽铅室每层铅块层中钢厚度为10mm、铅厚度为100mm、铜厚度为1mm、聚乙烯厚度为5mm。上层铅块层设置为凸面，下层铅块层设置为凹面，如此相互契合形成凹凸盘止口。

下部屏蔽铅室（12）呈中空圆柱形的内腔，内腔孔径为70mm、高度为120mm。下部屏蔽铅室从外到里分别为5mm厚度的钢、50mm厚度的铅、1mm厚度的铜组成，外围为钢模，里面浇筑铅。下部屏蔽铅室的上部安装有圆形钢盘（9），用于接连三脚支架钢盘；下部屏蔽铅室的底部设置有孔径为36mm的电缆线进出口（10）；下部屏蔽铅室的内部腔体与上部屏蔽铅室的内部腔体相贯通，形成用于探头存放的封闭铅室内腔。

顶盖（1）为半圆形由钢板包裹的两块铅块，高度为120mm，外围为厚度5mm的钢模，里面浇筑铅。两块铅块通过压杆式铰链（6）与上部铅屏蔽室连接，采用偏心轮压杆式，通过在铰链上安装限位阀控（7）制开合角度。半圆形两块铅块中间相互契合形成凹凸盘。

下部屏蔽铅室的内部腔体与上部屏蔽铅室的内部腔体相贯通，形成用于探头存放的封闭铅室内腔，内腔高度为500mm。探测器安装在内腔时，探测器下头卡在下部屏蔽铅室的内腔里，起到稳定探测器作用。被测样品放置于探测器端面正中间。

本文设计的屏蔽铅室性能指标和材料用料如下：

设计技术总结

本文设计的屏蔽铅室的特出优势主要由如下：

1、用于低本底碘化钠伽马能谱仪屏蔽铅室满足进行环境放射性检测以及建材放射性核素检测的屏蔽要求；

2、合理设计了屏蔽铅室结构，将屏蔽铅室分为上下两部分，上部屏蔽铅室和下部屏蔽铅室通过圆形钢盘进行连接，通过圆形钢盘进行连接。在满足碘化钠伽马能谱仪测量放射性本底要求下，减少了铅的用量，降低了制作成本，减轻了重量；

3、铅块层由铅、钢、铜、聚乙烯等材料制作而成，从而降低铅室辐射本底，使碘化钠伽马能谱仪，在能区30keV～3MeV内本底计数率为不大于2.5s-1（cps）。

结语

设计研制出的低本底碘化钠伽马能谱仪屏蔽铅室，合理设计了屏蔽铅室结构，改变以往为了将整个探测器放置于铅室中构建很大屏蔽铅室的方式，将探测器的闪烁晶体部分重点用上部屏蔽铅室包裹起来，光电倍增管部分则采用相对薄的下部屏蔽铅室包裹，在保证更低放射性本底的测量环境前提下，大大减少了金属铅材料的用量，降低了制作成本，减轻了整体重量，更节能环保。使得本文设计的屏蔽铅室使用性能更为灵活和方便，也便于安装和搬运。

基金资助：中国核工业地质局铀矿地质项目（项目编号：202324-3）