辐照探伤是工业上无损探伤中的一种有效方法, 它是利用轫致辐射穿过不同厚度的工件时, 其损失的能量不同这一基本特征, 分析辐照在工件内部的正常结构和缺陷间出现的辐射强度衰减变化, 来探测工件内部缺陷的方法。由于X射线探伤机和⁶⁰Co探伤机能量低, 对于一些较大工件远不能满足无损探伤要求。电子加速器作为高能量的轫致辐射源以它的靶点小、灵敏度高、能量大、穿透工件厚的特点, 用于大厚度工件, 特别是对某些特殊产品的质量检验, 有着广泛的应用。但电子加速器产生的轫致辐射一直是人们关注的问题, 笔者以一台20MV电子加速器探伤机为例, 对此进行分析。

1 电子加速器轫致辐射源

轫致辐射穿过工件时能量被吸收, 其能谱将发生变化, 工件品后面的辐射由两部分组成:一部分是直接穿过工件的轫致辐射; 另一部分是由各种次级辐射组成的散射。

20 MV加速器工作方式是单脉冲形式, 脉冲宽度为90 ns, 年工作2 000次, 产生的电子束最大能量可达20 M eV。由于电子束能量高、束流强, 轰击高原子序数物质(如钽、钨等)时, 产生的轫致辐射的产额是很高的。在给定的工作条件下, 在靶前1 m处一次脉冲的照射量可达1.55×10^-2 C·kg^-1, 照射率可达10⁷ C·kg^-1·s^-1。因此, 被加速的电子束流受到钽或钨靶的阻挡时, 所产生侧向(90°方向)的X射线及主射束(0°方向)的X射线是屏蔽防护的主要对象。

1.1 主束方向(0°方向)X射线的照射量和能量

加速电子轰击重金属靶产生的X射线量是其出射角的函数, 出射角各向异性分布是十分明显的。轫致辐射的角分布与加速器的能量有关, 它的半张角φ可由经验公式φ=110°/E_max确定^[1]。当电子束能量为20 MeV时, 0°方向出射的X射线占主要成份时, 其射线束的张角约为11°。这种射线是连续的能谱分布, 其光子的有效能量约为其电子束最大能量的1/3, 即7.0M eV^[2]。

1.2 侧方向(90°方向)X射线的照射量和能量

侧向射线束(90°方向)的X射线辐射强度约为主射束(0°)方向的2%, 能量比主射束(0°方向)的X射线的能量低。图 1表示出射角90°方向X射线的有效电子能量与入射电子能量之间的关系^[3]。由图 1可知, 20 MeV电子束在侧向(90°方向)所致的能量最大约为10 MeV, 其相应的轫致辐射光子有效能量为3.3MeV^[2]。

2 辐射防护

20 MV电子加速器安装在混凝土建筑物大厅内, 并设置防护门, 使电子束轰击重金属靶产生的X射线在大厅外的泄漏辐射减弱到可接受的水平。

根据《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB18871-2002)中规定限值要求, 结合《粒子加速器辐射的防护规定》 (GB5172-85)中的2.8和2.10条款确定工作人员年人均有效剂量≤5 mSv, 公众个人年有效剂量≤0.1 mSv。同时考虑到高能电子产生的轫致辐射的前向性, 在屏蔽体厚度设计中考虑到辐射角分布规律。

2.1 屏蔽厚度估算 2.1.1 屏蔽厚度估算依据

X射线在屏蔽体中的衰减倍数与屏蔽材料的种类、厚度及射线的能量、出射角有关。屏蔽体的厚度根据十分之一减弱层的数目来确定屏蔽层的大致厚度, 本装置确定的屏蔽体材料为混凝土(密度=2.3 g/cm³)构筑物, 其十分之一屏蔽层厚度是射线能量的函数。在屏蔽估算中采用文献[3]给出的混凝土的T_1/10曲线, 曲线上所示的T_1/10值都是对应于宽束X射线的情况。

2.1.2 X射线贯穿辐射的屏蔽厚度估算模式

按照GB5172-85《粒子加速器辐射防护规定》的有关设计要求, 根据设定的剂量目标值和无屏蔽体时的年照射量, 对于主射线束向(0°方向)和侧向(90°方向)的相关点估算出其所需最小混凝土屏蔽厚度。

2.1.2.1 主射线和漏出束剂量估算模式

(1)

式中:X_i—屏蔽外参考点的照射量(C/kg); η—透射系数; X_{i, e} —无屏蔽体时, 距离r(m)的年照射量(C/kg)。

2.1.2.2 屏蔽厚度估算模式

(2)

式中:d—屏蔽层厚度(cm); T_1/10———第一个十分之一屏蔽层厚度值(cm); Te———平衡十分之一屏蔽层厚度值(cm)。

(3)

2.2 估算结果及建成后实际值

运用以上模式估算主射线束向(0°方向)及侧向(90°方向)相关点的最小混凝土屏蔽厚度及根据估算结果建成的实际厚度见表 1。

3 轫致辐射环境影响分析 3.1 剂量估算

根据与源距离和建成后的屏蔽体厚度, 可求出轫致辐射经屏蔽体后的各个关心点的剂量率。剂量率H_i的估算模式为:

(4)

式中:H_i—屏蔽体外参考点的剂量率(Sv/a); H_i·e—无屏蔽体时, 距离r(m)处的剂量率(Sv/a); B—累积因子, 用泰勒公式计算; μ———混凝土线性衰减系数cm^-1; d—屏蔽墙厚度cm。

根据μd和X射线有效能量可查文献^[5](P285)的附表, 采用内插法求得累积因子B值, 屏蔽体厚度与衰减倍数的关系查《辐射防护手册》有关的图表。

运用以上模式估算了运行时各个关心点位置的剂量当量见表 2。

3.2 实测结果

运行时对主射线束0°方向屏蔽墙外工作人员处(大厅后墙面正对出束口)的周围剂量进行了测量, 结果列于表 3及布点示意图见图 2。表 3中周围剂量当量为40次脉冲的平均值。

由表 3可见, 装置建成运行时, X射线经屏蔽墙屏蔽后, 墙外的实测剂量比估算剂量低一些。说明现有屏蔽墙厚度可满足辐射防护要求。

3.3 轫致辐射环境评价

通过对工作人员和公众关心点X射线直接贯穿辐射的计算, X射线经相应的辐射屏蔽体减弱后, 各个关心点的年剂量当量均小于剂量约束目标值。其中工作人员年剂量当量小于4 mSv/a; 公众个人年剂量当量最大为0.04 mSv/a。此外, 以上计算均未考虑辅助房间砖墙和围墙对X射线的衰减作用, 在正式运行时, 表 3中的实测值小于计算值。

由计算结果和实测结果可见, X辐射对工作人员和厂外公众所造成的剂量水平完全满足剂量约束目标值的要求, 对工作人员和公众造成辐射危害是可忽略的, 对周围环境的影响不大。

4 结语

利用电子加速器对大厚度工件进行无损探伤是一种先进的工艺技术, 它已应用于重型机械、化工等各个领域。笔者通过估算和实测, 一台20MV电子加速器探伤机产生的轫致辐射经屏蔽墙后对周围环境的辐射影响是可接受的。建设此类设施, 只要严格按照相应的标准和方法加强辐射防护, 工作人员和公众的剂量能满足相应的限值要求。