兰州电子回旋共振离子源(LECR3)实验平台是为满足科研人员工作需要而建立的实验装置。它可以提供强流、高电荷态离子束进行低能重离子实验研究。由于其输出高压低, 18 kV, 不可能发生核反应, 只产生X射线。被产生的X射线是运动在离子源腔体和密闭的真空钢管内, 管壁厚在10 mm以上, 吸收X射线的能力很强, 因此建设初期没有考虑特殊的辐射屏蔽措施。实验装置建成运行后, 考虑到个别薄弱环节可能泄漏X射线, 给工作人员造成不必要的照射, 对其辐射场进行了测量。

1 材料与方法 1.1 测量时运行参数

加速¹⁶ O⁶⁺离子, 电流强度为1 mA, 输出高压为18 kV, 微波功率为280 W。

1.2 测量仪器和方法

首先使用FD-71A和FJ-347A两种量程不同的便携式仪器对LECR3离子源运行中辐射场巡视一遍, 找出剂量率较高的部位, 确定累积测量点位的设置。累积测量是用LiF(Mg, Ti) -100M热释光探测器, 其能量响应用Х射线机和⁶⁰Co参考辐射源进行了实验测定, 能量在0.03~ 1.25 MeV范围光子照射, 响应的变化不大于30%;为了减少由于热释光探测器的分散性给测量结果带来的误差, 用⁶⁰Co标准源照射探测器, 使其分散性控制在(式中Emax为最大评定值, Emin为最小评定值), 并对探测器进行标记, 测量时进行定面测量。

被选定的探测器装在长50 mm, 宽15 mm, 厚9 mm, 壁厚2 mm的塑料盒内, 每盒装有3枚探测器, 组成热释光剂量仪。将热释光剂量仪悬挂在木杆上, 距离地面高1.5 m, 木杆置于选定点位上, 连续照射4 h。探测器用RGD-3型热释光仪测读后取平均值。

1.3 测量点的设置

LECR3离子源辐射场测量, 共设置了23个测点, 由于受LECR3离子源相关设备的限定, 选择束流输运线上三通中心作为中心点, 围绕中心点, 在三通的南侧, 距离中心点1 m的位置, 沿束流方向顺时针为30 °、60°、90 °、120 °、和150 °夹角设置了5个点, 测量了剂量率角分布, 其编号为1 ~ 5。其余17个测点分别设置在工作人员经常活动、剂量率较高的位置及其延长线上(见图 1), 其中23号点设置在LECR3离子源操作室内。

2 测量结果与分析

图 2给出了23个测量点的剂量率, 从中可以看出, 设置在离子源体尾部且距离尾部1 m位的8号点剂量率最高, 为272μ Gy/h。它是由离子与腔体内的残余气体或者其他靶物质相互作用, 释放出的电子被反向加速轰击到高压端上, 产生了具有连续能谱的Х射线。由于源体的壁厚足以吸收掉腔体内发射的Х射线, 仅源体尾部存在薄弱环节, 泄漏出较强的Х射线, 应引起足够重视。

其次, 设置在三通北侧, 距离中心点1 m位置上的2、3、4、5号点和三通南侧15号点的剂量率相对高一些, 分别为34.62、47.12、30.12、37.37和37.5 μ Gy/h, 是由于离子流打到管壁上或其他厚靶材料上使靶材料轨道电子移出, 从而产生了Х射线。一般, 当轨道电子的能量低于1 MeV时, Х射线最大发射率方向倾向于电子入射的垂直方向(90 °), 随着电子能量增高, Х射线最大发射率方向会越来越偏向电子入射方向(0 °) ^[1]。

另外, 设置在高压控制器上的11号点, 距离中心点约1.5 m, 剂量率为23.37 μ Gy/h, 是工作人员接受Х射线照射的主要部位, 应进行防护, 剩余测点Х射线剂量率是可以接受的。

3 防护措施

辐射防护最优化原则是, 对于来自一项实践中的任一特定源的照射应使防护与安全最优化均保持在可合理达到的尽量低水平^[2]。遵照这一原则, 对LECR3离子源实验平台薄弱环节实行局部屏蔽防护是必要的。考虑到LECR3离子源实验平台的特殊位置, 可选择不同厚度的铅皮, 加工成正方形或长方形, 用铁架将其组合成不同厚度铅屏障, 对离子源体的尾部和三通南、北两侧进行活动式屏蔽防护, 可有效地防护Х射线对工作人员不必要的照射, 使LECR3离子源实验平台辐射场Х射线照射可合理达到尽可能低水平。