工业射线探伤大多采用γ射线探伤机和X射线探伤机。由于常用X探伤机的射线能量只有几百kV, 其穿透力有限。在需要对较厚的物件探伤时, 可能会采用γ射线探伤机, 包括¹⁹²Ir、⁶⁰Co源的探伤机, 当遇到更厚的物件需要探伤时, 一般使用加速器探伤。加速器探伤使用的加速器包括可自由移动的回旋加速器, 也有固定使用的直线加速器, 还有一种可在一定范围内移动的直线加速器, 其加速器X射线头可在一个较大的范围内移动, 如果采用这种直线加速器作为射线源, 同时采用类似CT的探测器, 并使之作旋转、步进, 则可利用CT的原理, 对被测物件的内部结构进行更细致的检查, 这类检测系统有称为工业CT。现对一例这类加速器工业CT机房建设项目进行放射防护评价。

1 基本情况 1.1 工程项目概况

该工程项目位于厂区内角落, 为单层建筑, 四周空旷, 20m范围内无其他建筑及无关人员停留。项目包括有检测大厅、控制室, 以及设备机房、办公室、值班室等辅助间。检测大厅通过迷道和辅助间相连, 被检测物品由车辆经过大门送入检测大厅。

检测大厅采用混凝土作为屏蔽体, 其防护门也采用与同侧防护墙相同厚度的混凝土制作。

1.2 工作流程与工作量

检测时, 被检测产品由汽车运进检测大厅, 置于专用的检测台上, 加速器X线头首先对产品作线性移动, 进行初步检测, 类似于医用CT的平片。

当有必要对产品内部结构、瑕疵进行详细检测时, 加速器X射线头对产品作线性移动, 同时产品在检测台的控制下, 进行转动, 效果上, 相当于医用CT检测中, 受检人员线性运动, 而CT机的球管及探测器沿病床作旋转, 相对运动是结果一致的, 只不过转动的变成了直线运动, 直线运动的变与了转动。探测器记录结果后, 再利用CT的原理计算, 得出与CT片类似的结果, 从而对产品内部情况进行全面的分析。

按照工作计划并考虑今后工作的发展, 从防护安全考虑, 该加速器射线探伤工作出束时间按1000h/a计算。

1.3 主要辐射源项

该工业CT检测系统采用的辐射源是一台电子直线加速器, 该加速器能产生最高能量为9MV的X射线, 射线束中心轴上距靶1 m处空气比释动能率为30 Gy/min, 其主束外射线(泄漏辐射)强度小于主束强度的1/1000。9 MV的X射线对密度为2.35 g· cm^-3的混凝土的TVT值为374mm^[1]。

加速器的辐射危害因素是贯穿辐射, 包括加速器的准直束、加速器的泄漏辐射、受准直束照射的发动机或其他物品, 以及受照射的准直部件、探测器等的散射辐射。对大多数元素而言, 产生中子的激发作用出现在10~20MeV范围内, 本项目中的9MeV电子直线加速器未处于此范围内。另外, 以混凝土作为屏蔽体的情况下, 当对X射线达到屏蔽效果时, 混凝土足以屏蔽对应状态下产生的中子, 同时, 在照射期间, 检测大厅内并无人员停留。本文中不单独对中子进行评价。

电子直线加速器在未通电工作时, 不产生任何放射性污染, 也不产生固、液、气态的放射性废物。但加速器产生的电离辐射与空气作用时, 可以产生臭氧(O₃)和氮氧化物(N_xO_y)等有害气体, 项目设计的通风系统可以消除该加速器产生的臭氧及氮氧化物对工作人员的影响, 文中不再对此另行说明。

从工作流程中可以看出, 出于工作方式本身的需要, 加速器X射线源工作位置会大检测大厅一定范围内移动变化, 其但主射线束的方向是固定的, 均朝向一个方向(设计为东侧), 任何时候主射线束均不会照射到检测大厅的次防护墙、防护大门及屋顶方向上。

在正常进行检测工作过程中, 检测大厅内无人员停留。当检测大厅的大门或迷道口的管理与控制失误时, 可能发生人员误入受意外照射事件。

2 辐射屏蔽计算 2.1 辐射屏蔽计算方法 2.1.1

直射线加速器的1 m处辐射输出, 在距靶d (m)处的参考点的辐射剂量率按下式计算:

式中:f值对有用束为1, 对泄漏辐射为0.001; K^-1为屏蔽的辐射衰减因子的乘积。

式中:L为屏蔽物的厚度; TVT为辐射束在屏蔽物中的十分之一衰减层厚度。

2.1.2

散射线由下式计算

式中:d₀:散射体与射线源的距离, m; ds:散射体与参考点之间的距离, m; S:散射体面积, m; a:散射体散射系数。

2.1.3

天空散射由下式计算

式中: 位于观察位置人员的受照剂量率, μGy · h^-1; di:靶至室顶外表面上方2 m处的距离, m; ds:靶至观察位置的距离, m; Ω:靶至室顶所张的立体角。

2.2 屏蔽计算结果

经计算可知, 相对而言, 散射线所致剂量与直射线相比, 是可以忽略的, 以下的计算结果除天空散射外, 实际是直射线(包括有用线束和漏射线)所产生的剂量。

2.2.1 东侧防护墙外

东侧防护墙为主防护墙, 设计混凝土防护墙厚度为2 500 mm, 加速器X射线头工作时可能距东墙最近的距离为6 m, 即X辐射源与参考点距离为9.5 m, 考虑加速器在此位置出束, 不计入被检测的产品对辐射的衰减, 理论计算在最高工作状态下, 正对应辐射源的参考点的剂量率为4.12 μGy · h^-1(此值未计入天然本底的辐射, 当地一般约为0.08~ 0.12μGy · h^-1, 下同。)。

2.2.2 南侧防护墙外

南侧防护墙为次防护防护墙, 加速器X射线头不可能直接照射此墙, 墙外为通风机房、设备维修间、卫生、淋浴间, 以及档案室等, 设计混凝土防护墙厚度为1 400 mm。考虑射线头与南侧墙处于最近的工作位置时, 墙外与辐射源相对应的参考点的剂量率为5.93μGy · h^-1。

2.2.3 西侧防护墙外

西侧防护墙为次防护墙, 设计厚度为1 400 mm, 加速器X射线头不可能直接照射此墙.墙外的调制柜室、控制室、观片室以及配电水冷机组等, 与防护墙之间有一内走廊相隔。同样考虑射线头与西侧墙处于最近的工作位置时, 对应参考点的剂量率6.40 μGy · h^-1。

检测大厅迷宫口的入口在此方向上, 但辐射经复杂的迷宫到入口处时, 经反复散射, X射线能量和剂量均已很小^[2], 相对于漏射线经次防护墙对此处的影响而言, 是可忽略的, 故迷宫入口处的剂量的来源为经次防护墙的漏射线, 而入口处与辐射源的位置较远, 其剂量比同方向的参考点的更低。

2.2.4 北侧防护墙外

北侧防护墙为次防护墙, 设计厚度为1 400 mm, 此方向设计有大门, 防护门为1 400 mm的混凝土门, 其防护效果与防护墙相同, 防护门同时设置了一个门斗, 作为一种屏蔽防护的冗余设计, 以对可能出现的防护门缝屏蔽效果不足时的补充, 此外也作为对防护门本身的安全保护措施。

考虑射线头与北侧墙处于最近的工作位置时, 墙外对应参考点的剂量率3.68μGy · h^-1。

2.2.5 屋顶(天空散射)

屋顶禁止人员进入, 同时该项目作为一个独立建筑, 且高度超过6 m, 故不考虑对屋顶上停留人员的辐射影响, 仅考虑辐射经屋顶散射对地面的人员的影响。屋顶设计厚度为300 mm。

当X射线头位于可能的最高位置时, 辐射源对检测大厅屋顶所张的立体角最大, 对应的立体角为2.49。在此情况下估算泄漏辐射通过屋顶的天空散射, 位于检查大厅外距辐射源15 m剂量率 < 0.006μGy · h^-1, 相对于天然本底辐射而言, 是可以忽略的。

2.2.6 屏蔽计算说明

从以上计算分析可知, 表面上看, 理论估计的剂量最大的参考点位于西侧内走廊上观片室与装片室之间, 此处的剂量率为6.40μGy · h^-1, 对应可得出, 此处的年剂量当量6.4 mSv (以1 000 h出束计), 接近放射工作人员年剂量限值^[3] (20 mSv)的1/3^[3], 考虑到此处的居留因子小于1/4, 则年剂量当量为1.6 mSv。同时, 该项目工作人员以及周围停留人员很少, 所以实际的年剂量当量会更小。

事实上, 此工程项目在实际情况下, 作为一个独立的工作区域, 除了少量与引相关的工作人员外, 很少有其他人员靠近, 同时, 由于一次完整检测的时间较长, 更换被检测产品的周期在几个小时以上, 也使得工作场所附近的停留人员很少。

由于以上所采用现行的的理论计算模式和所用的系数均是偏安全的, 且未考虑被测产品对射线的衰减, 而且, 用该加速器探伤的产品都是厚度较大的, 所以实际监测时的空气比释动能率将会小一些, 大部分所测的值会接近天然本底水平。本项目对检测大厅外10m处的影响已可忽略。

需要特别提出的是防护门与防护墙体的搭接处, 可能因搭接得不理想, 而使监测值稍高。

3 辐射安全 3.1 辐射安全系统 3.1.1 辐射安全与联锁系统

由警灯、警铃、钥匙开关、紧急停止开关、门连锁等组成。大门和迷道门分别与加速器联锁, 两道门及控制台安全钥匙开关未闭合以前, 直线加速器不能工作。检测大厅内墙壁上分设有标志醒目的应急开关, 在直线加速器工作30 s前, 大厅内的警灯、警铃开始发出声光报警信号。工程外四周设置有放射性工作场所的醒目标志及红色警灯, 可以警告闲杂人员远离。

3.1.2 环境剂量监测报警系统

由射线剂量探测器、剂量报警器组成。当直线加速器工作时, 剂量报警器发出声光报警信号, 工作人员在控制室就可测得检测大厅内的射线剂量情况。

3.1.3 电视监视系统

由电视摄像机和监视器组成, 可远距离监视探伤检查过程和检测大厅内的情况。

3.2 潜在照射及预防 3.2.1 人员留在检查厅时加速器误出束

工作程序中要求, 限制人员进入检测大厅, 检测准备工作完成后, 由工作人员清场。关闭检测大厅防护门及迷道门后, 由操作员通过摄像机检查场地。出束前, 检测大厅内自动发出30s警灯、警铃, 意外停留在检测大厅内的人员仍有充足的时间按动紧急停止开关切断系统电源, 避免意外照射。

3.2.2 加速器出束时人员误入检查大厅

设置钥匙开关及出入门联锁, 可确保迷宫门、防护大门及钥匙开关未闭合前, 射线源不产生X射线。出束时, 有人误入检测大厅, 检测大厅门被打开, 则联锁系统自动功断系统电源。出束检测过程中, 操作员通过摄像机随时检查场所。

3.2.3

紧急停机在发生人员受误照或可能受误照射的紧急情况下, 可通过按动紧急停止开关切断系统电源, 中断射线束或防止出束。

4 结果与讨论 4.1 辐射监测结果

在正常工作条件下, 采用451P-DE-SI巡测仪进行监测, 结果见表 1。

实际监测结果表明, 屏蔽防护墙和防护门的防护屏蔽效果符合《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》的要求。可以使之对周围环境的影响减少到较低的程度, 不致对放射工作人员、公众和周围环境产生放射性有害影响。

实际监测结果比计算结果要小得多, 其原因与计算时选择的偏安全的假定与实际情况之间的差异有关, 主要包括几个方面:实际工作中射线的能量与输出量、漏射线的量、被测物品或其他附属物品对射线的吸收、作为屏蔽体的混凝土密度实际偏高, 等等。

4.2 安全系统

安全系统设计符合多重性和纵深防御原则, 经对各项安全系统进行分别测试, 均能正常工作, 达到设计要求。对防止发生意外照射事件提供了有效的预防措施。

在认真落实计划的各项防护措施的情况下, 是可以有效避免发生人员受照事件的。但要注意的是, 在实际工作的情况下, 任何情况都有可能发生, 不仅管理方面的安全措施有可能违规操作、被跳过, 就连各种联锁、安全装置也可能发生故障或损坏, 或者被旁路而失效。工作人员辐射防护培训及辐射安全教育、辐射安全责任制度、定期的辐射安全检查仍十分重要。