电子辐照加速器屏蔽设计核算

【摘要】介绍一台2.5MeV电线电缆辐照交联加速器辐照中心的屏蔽设计，采用NCRP Report NO.51报告中屏蔽计算公式对该辐照中心屏蔽墙设计进行核算，核算结果表明：屏蔽墙外的辐射水平低于国家标准规定的限值，屏蔽设计是合理的。

【关键词】电子辐照加速器屏蔽

中图分类号：TL5文献标识码：A

1、工作原理

AB型工业辐照加速器是一种低能、高束流的高频高压型电子加速器，其工作原理是：高频振荡器通过高压电缆，将100kHz左右的高频电能输送给高频变压器初级，在次级可获得上百千伏的高频电压，再将此电压加在射频电极上。射频电极与加速器主体上的耦合环相互对应，构成空间耦合电容，高频功率通过该耦合电容分别加到主体上的各个整流盒上，此时每一个耦合环上得到几十千伏直流高压，由于各级串联，电压叠加，从而在高端获得很高的电压。

辐照加工以高能电子束对物质进行辐射打开高分子结构中的共价键，使线性高分子之间形成相互连结的网状结构，从而提高和改善材料的各种性能，如耐热、耐压、耐老化和绝缘性能等。

2、技术参数

AB型工业辐照加速器加速器的主要技术参数见表1。

表1 加速器主要技术参数一览表

3、屏蔽对象

在辐照过程中电子射线对产品进行辐照，同时电子线会照射至地面或其他材料表面，电子线在照射至地面或其他材料表面时会产生X射线。

加速器加速电子的能量为2.5MeV，在运行过程中，电子线是加速器运行时产生的初级辐射，关机后即消失。由于能量低于10MeV，加速器运行时不会产生中子辐射，因此也不产生感生放射性，因此屏蔽的重要对象为X射线。

4、屏蔽设计

辐照中心为二层建筑，一层为辐照室，二层为主机室，安装加速器1台。

辐照室尺寸为12.9（长）×12.6（宽）×2.3（高）m，面积为162.54m2，主机室尺寸为12.9（长）×12.6（宽）×9.2（高）m，面积为162.54m2。

电缆辐照时电缆利用嵌入墙体的55°倾斜的弯曲钢管进出辐照室。项目在进入地下一层地坑的地面入口处设置有铅板。辐照室地面采用混凝土浇筑。辐照室大门采用铅门。二楼主机室设置有迷道。该辐照中心墙体均为混凝土结构。具体见表2和图1、图2、图3。

辐照中心工作人员共12人，分三班制，每班每日工作时间为8h，每班在开机状态下工作时间为2000小时，加速器年开机时间为6000小时。

表2辐照中心屏蔽情况一览表

图1 辐照室平面图 单位：mm

图2 主机室平面图 单位：mm

图3辐照中心剖面图

5、评价标准

《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》（GB18871-2002）

关于公众照射：

实践使公众中有关关键人群组的成员所受到的平均剂量估计值不应超过下述限值：

a）年有效剂量，1mSv；

b）特殊情况下，如果5个连续年的年平均剂量不超过1mSv，则某一单一年份的有效剂量可提高到5mSv。

同时，应对剂量限制进行约束，约束值通常应在公众照射剂量限值10%-30%（即0.1mSv/a-0.3mSv/a范围之内）。

本项目选取1mSv的30%即0.3mSv作为公众成员的年剂量限值约束值。

关于职业照射：

应对任何工作人员的职业照射水平进行控制，使之不超过下述限值：

a）由审管部门决定的连续5年的平均有效剂量（但不可作任何追溯性平均）20mSv；

b）任何一年中的有效剂量50mSv。

本项目选取6mSv作为职业人员的年剂量限值管理限值。

6、屏蔽设计核算

该加速器运行时束流方向朝下，且其辐照室位于一层，因此0°是地板不需要防护，辐照室四周的墙壁厚度取决于90°方向X射线的放射率，因此，计算时仅考虑90°方向X射线的影响。本次评价采用偏保守计算，采用其最大能量2.5MeV计算。

计算采用NCRP.NO.51报告书中给出的公式。

①、辐照中心墙体屏蔽计算

本项目所使用的加速器在被照物下方放置有束流阻拦板，材质为不锈钢，内部通有由冷却塔提供的室温冷却水，由于NCRP.NO.51报告书中给出的各级电子能量X射线放射率为射线打High-Z靶时所得，本项目束下设有束流阻挡板，其X射线放射率应做修正，修正值为0.5，由此可在NCRP.NO.51报告书中查得数据乘以0.5。

90°方向对于电子能量为2.5MeV时X射线放射率：

DI0·I-1=0.5×200rad·m2·mA-1·min-1=1Gy·m2·mA-1·min-1

辐照室出束口侧面90°方向1米处的剂量率为分别为：

DI0=1×40×60=2400Gy/h

上层主机室能量按辐照室的0.01%计算，则侧面90°方向1米处的剂量率为：

DI0=1×0.004×60=0.24Gy/h

电子能量为2.5MeV时90°方向的能谱分布大约相当于1.6MeV时0°方向的能谱分布，据此可知该电子能量下混凝土屏蔽墙的第一个十值层厚度为20cm，其他十值层厚度为16cm。

辐照室东侧屏蔽墙总厚度为2.05m，南侧、西侧和北侧屏蔽墙厚均为1.55m。主机室东侧屏蔽墙总厚度均为1.2m，南侧、西侧和北侧屏蔽墙厚均为0.6m。根据以上可知各侧屏蔽墙外年剂量当量，其计算如下：

B=PT/d2/10n （1）

式中：B——计算点年剂量当量；

T——居留因子，辐照室墙外除主控室内（E点）取1外，其余均取1/16；主机室墙外均取1/16；

P——加速器年负荷；

d——计算点至加速器距离；

n——墙体的十值层个数。

计算结果如下：

表3 辐照室屏蔽墙外剂量当量计算结果一览表

注：表中B的单位为mSv/a。

表4 主机室屏蔽墙外剂量当量计算结果一览表

注：表中B的单位为mSv/a。

辐照室各预测点中D点和E点为辐照室工作人员接触点，其余点位为公众人员接触点，从表3可以看出：公众人员所受到的年计量当量为4.35×10-9～0.01mSv/a，满足公众人员0.3mSv/a的剂量限值约束限值要求；辐射工作人员年计量当量为0.008～0.091mSv/a，满足工作人员6mSv/a的剂量限值管理限值要求。辐照室屏蔽效果较好。

主机室位于二楼，其各侧墙壁外公众人员无法接触，接触主机室的均为辐射工作人员，从表4可以看出：各预测点年计量当量为8.88×10-5～0.89mSv/a，满足工作人员6mSv/a的剂量限值要求。主机室屏蔽效果较好。

由于项目辐射工作人员工作制度实行三班制，工作人员所受的年剂量当量实际为预测值的1/3。

②、迷道反散射

该处的反散射计算实际应该包括两部分，除90°方向外，还要0°方向造成的散射剂量，但在0°方向这部分剂量与90°方向部分在第一反射面积上的贡献比，小一个数量级以上，故可以忽略。具体计算示意图见图4、图5。

⑴ 辐照室迷道反散射

H=D0α1A1……（αjAj）/（d1……dj+1）2 （2）

式中：α1——第一个材料的反射系数；

αj——第j个材料的反射系数；

A1——在第一个反射材料上的反射面积；

Aj——在第j个反射材料上的反射面积；

d1……dj+1——每一个迷宫段中线间的距离。

具体计算参数及示意图如下：

表5计算参数选取一览表

图4 辐照室迷道散射示意图

H==3.96 mSv/a

由于反散射辐射能量比入射辐射能量低，对于入射X射线若由能量为0.5～3MeV电子产生，当反射角为90°时，反散射辐射能量则相当于0.5MeV电子线。

由于辐照室采用铅防护门，防护门铅厚度为5mm，对于0.5MeV电子线，其十分之一层铅厚度为1.2cm，因此，经铅门屏蔽后，其防护门外年剂量当量为1.52mSv/a，该辐照室工作人员实行三班制，因此每班工作人员所受年剂量当量为0.51 mSv/a，低于《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》（GB18871-2002）中工作人员6mSv/a的剂量限值管理限值要求。

⑵ 主机室迷道反散射

该处计算公式同式2。具体计算参数及示意图如下：

表6计算参数选取一览表

图5主机室迷道散射示意图

H==8.99×10-4 mSv/a

主机室采用不锈钢栅栏门，防护门外年剂量当量为8.99×10-4mSv/a，低于《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》（GB18871-2002）中工作人员6mSv/a的剂量限值要求。

从以上计算可以看出，辐照室与主机室迷道出口处年剂量当量均满足相关限值要求，屏敝效果较好。

③、天空反散射

该辐照中心屋顶无建筑物，辐照中心周围有车间、办公楼、居民区等，射线经屋顶逸出通过天空反散射对周围工作人员和居民造成影响，天空反散射对辐照中心屏蔽墙外影响最近距离为49m，本次预测点选取距离辐照中心墙外49m处。具体计算如下。

图6天空反散射最近点计算示意图

D= 0.025[D0Ω1.3 / (di)2(ds)2K] （3）

式中：K——为房顶屏蔽层减弱因子。

Di——为出束口至屋顶外2米处的距离，m

Ds——为出束口至计算点的距离，m

Ω——为出束口至屋顶间所包含的立体角

表7计算参数选取一览表

Ω di ds K

1.49 13.2 55.5 101.9

D1.5=0.025 [1440×1.491.3 /（13.22×55.52×101.9）]=0.0014mSv/a

从以上计算可知，主机室的天空反散射对辐照中心周围环境的影响较小，周围车间内公众人员年剂量当量低于0.3 mSv/a的剂量限值约束限值要求。

7、结论

综上所述：辐照中心屏蔽墙、防护门外及周围环境的辐射水平低于《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》（GB18871-2002）中工作人员6mSv/a的剂量限值管理限值和公众人员年剂量当量0.3 mSv/a的剂量限值约束限值要求，屏蔽设计是合理的。

参考文献

[1] NCRP Radiation Protection Design Guidelities for 0.1-100MeV Particle Accelerator Facilities：NCRP Report. 51 [R] .Washington :Pergamon Press ,1977

[2] 《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》（GB18871-2002）