本文研究的工业辐照电子加速器电子最大能量为10 MeV, 流强最大为5 mA, 功率最大为50 kW, 主要用于对医疗机械、食品辐照灭菌和电子元器件、电缆连接件等辐照产品^[1]。辐照产品通过不锈钢传输带自动传送进出辐照室, 电子束固定朝下进行辐照加工。电子在运动中受到产品、传输钢带或其他物质阻挡时会产生韧致辐射, 不同的阻挡材料和不同的方向, 韧致辐射的强度不同。由于加速器由上向下辐照, 辐照室底部为地基, 因此辐照室屏蔽主要考虑四周墙体对90°方向产生的韧致辐射和顶部对180°方向产生的韧致辐射防护。

1 辐射剂量率理论计算

加速器辐照时, 电子束固定朝下照射, 电子束可能轰击的物质有3种:①辐照产品, 主要为医疗机械、食品辐照灭菌、电子元器件和电缆连接件等; ②辐照产品传输带(不锈钢材料); ③混凝土地面。在这3种轰击物质中不锈钢Z值(原子序数)最大, X射线发射率最高, 偏安全考虑选取电子束轰击不锈钢来进行辐射防护计算。查《辐射防护导论》(方杰主编)^[2]图 3.3和考虑修正因子后:90°方向上的X射线发射率δ_α (90°)取6 Gy · m²/mA·min; 180°方向上的X射线发射率δ_α(180°)取1.5 Gy · m²/mA·min (90°和180°方向上的X射线的发射率修正因子取0.5, 180°方向上的X射线的发射率可以按等效为3 MeV电子在0°方向上的X射线的发射率选取)。

根据《辐射防护导论》101页3.51~3.53公式可导出公式(1)对辐照室的四周混凝土墙体不同厚度处的辐射剂量率进行计算。

1)

式中δ_α是距离辐射源(即靶)1 m处的吸收剂量指数率, Gy · m²·mA^-1 · min^-1; I是电子束流强度, mA; q为居留因子, 辐射剂量率计算时取1;r为参考点至辐射源的距离, m; η_X为透射比。由于90°的初级X射线的能谱比0°方向的初级X射线的能谱软, 180°的初级X射线的能谱比90 °方向的初级X射线的能谱软, 因此透射比η_x应按射线能量选取(查《辐射防护导论》图 3.25 10 MeV电子90°和180°方向等效入射电子能量分别取6 MeV和3 MeV)。查《辐射防护导论》图 3.22, 入射电子能量为6 MeV和3 MeV时, 不同厚度混凝土墙体的透射比计算结果见表 1和表 2。根据公式(1)带入相关参数计算90°方向辐照室四周墙体屏蔽体不同厚度处的辐射剂量率结果见表 1取δ_α为6 Gy·m²·mA^-1·min^-1, I为5 mA。

根据公式(1)带入相关参数计算180°方向的辐照室顶部屏蔽体不同厚度处的辐射剂量率结果见表 2取δ_α为1.5 Gy · m² · mA^-1 · min^-1, I为6 mA。

2 辐射剂量率的MCNP5模拟计算

首先使用MCNP5软件模拟计算电子束轰击铁靶时90°方向和180°方向X射线的发射率。源项为一束10 MeV电子束沿Z轴方向垂直入射铁靶, 束流截面为半径为0.5 mm的圆平面, 距靶3.6 cm。MCNP5模拟计算90°方向X射线发射率时, 靶为半径为1.4 cm, 高度为4.0 cm的圆柱体; 计算180°方向X射线发射率时, 靶为半径为1.4 cm, 高度为0.3 cm的圆柱体。分别使用MCNP5中的F5卡(半径为1 cm的点探测器, 通过DE/DF卡修改F5卡计数实现粒子注量率与剂量率的转换, 通量剂量转换因子选择MCNP5附表H.2^[3]中数据, 电子和光子截断能量为0.05 MeV, 混凝土密度为2.36 g/cm³, 跟踪样本总数为2 × 10⁶)计算90°方向和180°方向X射线发射率和不同屏蔽体厚度处的辐射剂量率。使用MCNP5中F5卡计算得到归一化的90°方向1m处的X射线发射率为6.86 ×10^-12rem/h, 相当于6.3 Gy · m²/mA · min; F5卡计算得到归一化的180°方向1 m处的X射线发射率为9.86 ×10^-13rem/h, 转换后相当于1.0 Gy · m²/mA · min。当I为5 mA时F5卡计算得到90°方向墙体不同厚度处辐射剂量率模拟计算结果及转换结果见表 3。

使用MCNP5中F5卡计算得到180°方向屋顶不同厚度处辐射剂量率模拟结果及转换结果见表 4。

3 结果及比较分析

对比MCNP5计算结果与查图法得到的0°方向和90°方向X射线发射率吻合较好。比较表 1与表 3和表 2与表 4结果, MCNP5与理论计算得到的90°和180°方向上不同混凝土厚度处的辐射剂量率结果相差(0~1)个数量级。结果表明理论模式在10 MeV工业辐照电子加速器辐射防护计算中与MCNP5相比是偏安全的。