KFG-1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, 它产生的高能粒子与物质相互作用, 使物质分子、原子发生激化、转移, 从而具有一些特殊的性能。如使绝缘材料获得某些耐高温、耐腐蚀、抗老化、高强度的性能。目前, 我省已有两台同类型的加速器投入使用。现介绍其中一台加速器机房和辐照室的屏蔽设计情况。

1 屏蔽对象

加速器中被加速的带电粒子一旦从加速器的真空区发射出, 这些带电粒子本身就会构成潜在的辐射危害, 如可能产生X射线福射, 中子辐射和缓发福射。由于该加速器产生的电子的最大能量为25MeV, 低于产生中子辐射光核反应阂值(对于重质材料, 产生中子的阂值为4~6MeV, 而轻质材料, 闭值为10~19Mev), 所以不会产生中子辐射, 因而也不存在感生放射性(缓发辐射), 故屏蔽的重要对象为X射线辐射。

2 设计要求

机房和辐照室分为上、下两层, 加速器安装在上层, 电子束通过加速管, 扫描器窗口引向下层的辐照室。

辐照室四周的墙壁, 顶和门应有足够的屏蔽厚度, 需要通过辐射室墙壁的导线, 导管, 电线电缆, 通风管道等应注意采取措施, 不能影响墙壁的屏蔽防护效果。

加速器的屏蔽体厚度根据加速粒子的种类、能量和束流强度以及靶材料等因素和加速器的最大辐射输出量以及周围人员的停留情况及其国标的剂量限值进行设计, 并给予两倍的安全系数。

另外, 辐照室的入口应设置减缓辐射场影响的迷路。机房和辐照室均须安装门一机联锁装置和良好的通风设备, 以保证臭氧和氮氧化物质浓度低于国家标准的规定值。

3 设计依据

X射线的最大能量等于被加速电子的最大能量, 即2.5MeV, 加速器束流向下, 所以主要是对侧向(90°)辐射的防护。根据电子能量与X射线发射率的关系可求得, 当电子能量为2.5Mev时, 距靶1米处, 沿90°方向, 每mA产生的量导致辐射吸收剂量为3Gy·m² ·mA^-1·min^-1。

由于加速器中的电子束通过加速管从扫描窗口向下照射时, 直接照射在电缆, 热塑材料等物体上, 电缆芯体为铜或铝, 均为低原子序数材料, 电子轰击低原子序数的厚靶时, 90°方向的修正因子为0.5或0.3^[1], 如按0.5计算, 发射率为1.5Gy·m²·mA^-1· min^-1; 而该加速器的束流为20mA, 则该加速器的X射线发射率D_I为30Gy·m²·min^-1。

4 屏蔽计算 4.1 X针线的屏蔽计算

参照文献^[2]提供的计算方法, 得出屏蔽材料厚度的计算公式为:

S_H=TVTlg(DlotTUn/pd²)式中: S_H为屏蔽材料厚度, cm; TVT为十分之一值层; D_IO为X射线的发射率, Gy·m²· min^-1; t为加速器出来时间, min·W^-1; T为居留因子, U为使用因子, n为安全系数:P为周剂量控制值, Sv·W^-1; d为参考点到源的距离, m; 这里假定以Gy为单位的空气吸收剂量与以Sv为单位的剂量当量有数值上的近似相等。

各种屏蔽参数的取值为:TVT= 21.35^[1]; t按40h·w^-1计则取2400min· w ^-1; T、U的取值参考文献^[3]确定; n取两倍安全系数, P以放射工作人员计取3× 10^-4Sv·w^-1, 以公众计取2×10^-4Sv· w^-1;d由参考点到源的实际距离确定。

屏蔽计算的结果如下, (屏蔽墙材料为钢筋混凝土)。

居顶根据屏蔽180°出射的X射线和0°方向的散射计算, 厚度为103cm, 实际建造中取120cm。

由于辐照室东面为迷路, X射线要经过多次散射才能到达防护门M处, 参照文献^[3]提供的计算方法, X射线经多次散射后到达防护门处的剂量率几乎为零, 但考虑到将来照射过程中避免人员误入, 因而采用了一大铁门, 并与加速器联锁。

机房的屏蔽墙按屏蔽出射角180°的X射线的要求设计。防护门与辐照室的防护门相同。

4.2 辐照室内亮氧浓度的计算

空气在强电离辐射的作用下, 会产生臭氧和氮氧化物。辐照室内臭氧浓度的计算参照文献^[4]提供的计算方法。

a.假设辐照期间靶室无通风, 臭氧无分解, 且在靶室内均匀分布, 则浓度Co为:

(①)

式中:L_d为标准状态下电子在空气中的有限线碰撞阻止本领; I为电子束流强度, mA; d为电子束在空气中的径迹长度, 取100cm; t为辐照时间, S; V为辐照室体积, 取200m³。

b.假设辐照期间靶室有通风, 臭氧无分解, 且在靶室内均匀分布, 则浓度C₁为:

(②)

式中:v为排速率, m³·S^-1; 其它符号的意义同①式。

c.加速器停机后, 靶室内t时刻臭氧浓度C₂的计算:

(③)

式中:t为停机后的等待时间, S; 其它符号的意义同①、②式。

通过计算, 辐照室的通风设计为:当加速器正常运行时, 排风量为1000m³·h^-1, 停机时排风量改为6000m³·h^-1, 10分钟后, 再改为1000m³·h^-1。

5 小结

该加速器在设计中以最大能量2.5 MeV, 束流强度20mA, 加速电子轰击电缆(芯体为铜)时产生的X射线为屏蔽对象, 计算取值时既考虑了两倍安全系数, 又考虑了今后国际的变更, 而且还为将来的防护发展留有了余地。监测结果表明:在加速器的电子束能量为2.5MeV, 束流强度为20 mA的运行情况下, 机房和辐照室四周墙外侧的照射量率为(4.3~8.4)×10^-9C·kg^-1·h^-1; 停机后五分钟辐照室内臭氧浓度为0.03~0.06mg·m ^-3, 均符合国家标准的规定。