ECR(Electron Cyclotrom Reasoncence电子回旋共振)离子源是近期得到迅速发展的一种新型外注入高电荷态重离子源, 它正逐渐被国内外一些加速器采用。兰州重离子加速器国家实验室从法国的CENG实验室引进了一台CAPRICE型ECR离子源, 该源能够提供C-U各种元素的离子, 用它取代了原来的PIG源, 不仅扩大了加速束流的品种, 还提高了束流能量和强度, 增加了运行效率。为了深入了解ECR源的性能, 为ECR源的逐步改进创造必要的条件, 筹建了一套ECR离子源试验装置装, 该装置可实现多参数调节, 其平面布置图如图 1所示。
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图 1 ECR平面布置图 |
对离子源进行研究和改装, 操作人员常需就近调节, 因此有必要对其辐射场进行可靠的测量, 做出安全卫生评价, 并提出防护措施。
ECR离子源工作时伴随着两种不同性质的辐射, 即微波和低能X射线。
该装置的微波发生机容量为15kV·A, 微波频率为10GHZ, 最大输出微波功率2.5kW, 通常工作在几百W。微波依次通过波导管、微波窗、微波接收器进入源体腔内, 在各ECR共振点有效地加速电子并产生气体游离, 使进入腔体内的工作气体逐渐处于高电离、高密度的等离子体态。由于在密闭金属容器内微波不会泄漏, 微波窗是该装置正常工作时微波泄漏的主要来源。
ECR离子源的引出电源最高输出高压25kV, 10mA, 通常工作状态是十几kV, 高压加在源体的等离子体腔体上, 离子引出后, 依次经过透镜聚焦, 分析磁铁分析, 穿过狭缝后轰击到法拉第筒上。当离子轰击到靶材料, 如偏转磁铁、法拉第筒、管壁上, 可使靶材料原子的轨道电子移出, 从而产生特征X射线; 此外离子与腔体内的残余气体或靶材料相互作用, 释放出的电子被反向加速轰击到高压端板时, 会产生具有连续能谱的轫致辐射X射线。在等离子体腔体内逃逸出来的电子, 其能量峰值在kV量级, 绝大部分打在腔体壁上, 也会产生X射线, 显然X射线的来源是比较复杂的。由于等离子体腔体及真空管道都是密闭钢管, 壁厚在10mm以上, 吸收X射线能力很强, 所以X射线泄漏仅是个别屏蔽薄弱的地方。至于引出的正离子束流, 或者注入到加速器, 或者被阻挡片、法拉第筒吸收。总之不会泄漏出来危及环境安全。
2 测量仪器与方法微波测量使用RCQ-1A微波漏能仪, 这是国家标准《作业场所微波辐射卫生标准》 GB10436-89推荐的测量仪器之一, 并经生产厂家刻度校正。测量方法以微波窗为中心, 首先测量固定半径的球面上微波漏能的角分布, 即可找到漏能最大的方向, 然后详细测量在这个方向不同距离的微波发射强度随微波功率的变化。此外还测量了工作人员经常操作的地点, 特别是头和胸部位置处的情况。
低能X射线是用LiF(Mg、Ti)-100M型热释光剂量计分别在ECR离子源注入Ar8+, 流强109μ A; O5+, 流强50μA两种状态下进行测量。为了提高测量的准确度, 由中国辐射防护研究院和卫生部工业卫生实验所对LiF(Mg、Ti)-100M型热释光剂量计进行了能量响应刻度, 能量在11keV以上, 相对误差不大于20%。测量点选在工作人员经常操作、活动较频繁的部位, 即以波导管为中心, 且与波导管的固定板在同一平面上, 每隔45°设置一个测点, 测点到中心的距离50cm, 距地面1.2m, 测量了X射线剂量角分布, 另外又在工作进气阀、掺气阀、微波适配器前绝缘体和法拉第筒上设置了测量点, 分别对注入Ar8+和O5+时的X射线剂量分布进行了测量。
3 结果与分析微波测量结果示于图 2。
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图 2 微波机漏能与输出功率和距离的关系 |
从图 2可以看出, 各测量点的微波漏能功率密度与微波机输出功率基本成正比, 且距离越近, 斜率越大。当微波机输出功率固定时, 微波漏能功率密度与距离成平方反比关系。因此, 尽可能地降低微波机发射功率, 工作人员尽可能地远离微波窗口是减少微波辐照的有效措施之一。
国家标准(GB10436-89)明确规定, 作业人员在连续波照射条件下, 一日8小时暴露的平均功率密度限量值为50μw/cm2; 小于或大于8小时暴露的平均功率密度按下式计算(即日剂量不超过400μw·h/cm2)。
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式中pd-容许辐射平均功率密度, μw/cm2; t-受辐照时间, h。
从图 2看到, 近距离处尤其是大功率条件下, 漏能功率密度明显超过国家标准限值, 因此, 工作时间限制是必要的。幸好, 实际作业时工作人员不会长期在近距离处停留的。
根据辐射防护最优化的原则, 即使日剂量不超过400 μw·h/cm2, 还是应该尽可能合理地降低受照剂量, 避免不必要的照射, 为此采用金属网式金属薄板隔离屏蔽乃是有效的防护措施, 重点屏蔽头部和躯体。金属网不妨碍观察, 轻便简单, 是实际工作中最常用的屏蔽手段, 其孔目大小取决于微波的波长。我们在EC R源实际作业中, 在距离微波窗50cm处安装一金属网, 当微波功率升到700w时, 在网后难以测到微波, 其屏蔽效果是相当明显的。
由于ECR离子源自身的性质和自屏蔽较好, 在我们测量时的运行条件下, 低能X射线比较弱, 在50cm外基本为本底水平, 对操作人员不会造成伤害。