K-600中子发生器, 建造的初衷是开展中子物理研究。使用T(d, n)反应, 产生14 MeV左右的中子, 设计中子产额为10⁹ s^-1。K-600中子发生器是一台立式高压倍加器, 分为上下两层。加速器主体、高压系统、真空系统安放在楼上主厅内, 楼下是中子实验厅, 为半地下结构。建筑物的结构墙全用普通混凝土, 即为主屏蔽体。楼上主厅四周墙厚0.5 m, 顶盖为一般建筑结构, 厚约0.1 m, 未考虑辐射屏蔽, 室内净高6.7 m。楼下中子厅室内净高4.7 m, 地面标高-2.0 m, 楼层隔板为普通混凝土, 厚度1.0 m。靶头距楼板地面1.3 m, 四周地上部分为混凝土墙, 东、北两侧厚度为1.3 m, 外面是辅助实验室, 西、南两侧厚度为1.0 m, 外侧是庭院。

从剂量防护观点看, 中子发生器的屏蔽已满足原设计要求。但是加速器运行以后, 逐渐转向应用研究, 用作中子活化分析、工、农、医业的辐照实验等等, 中子产额提高到1~3×10¹¹s^-1, 最大值为6.0 ×10¹¹ s^-1。加速器高压通常在300~400 kV, 加速的束流强度通常在2.5 mA, 最大为3.5 mA, 原屏蔽就显的不足了, 天空反射也不能忽视了。

为对其辐射防护做出评价, 提出改进措施, 我们对中子发生器的n、γ辐射场再次做了全面多次的测量^[1], 改造工程竣工后又做了检验对比测量, 并与计算结果做了比较。

1 测量仪器和方法

中子的测量主要选用高灵敏度中子探测器, 探头为直径50 mm、长350 mm的BF₃正比计数管, 外包6.5 cm厚的圆柱形聚乙烯慢化体, 灵敏度为15.9 ±0.3 cps(n/cm²·s)^-1。信号输入单板机, 可从打印机获得实时测量结果^[2]。配合使用FJ-342G₁雷姆剂量仪、苏制KNH-2快中子注量率仪, 英国NM₂型中子雷姆计等。探测器经过Am-Be中子源刻度。

γ测量选用球形高压电离室作为γ监测器, 其直径260 mm, 内充25个大气压高纯氩, 灵敏度为2.65 ×10^-14 A/μR/h。配合使用全国γ本底普查推荐使用的FD-71A γ剂量仪, 经国家计量院刻度。在大剂量率情况下, FJ-317C、FJ-347Aγ剂量仪为辅助测量仪表。刻度使用的所有标准源及刻度室均经过国家计量院标定。

实验测量时, 中子发生器的中子产额在1~2 ×10¹¹ s^-1左右, 用金硅面垒探测器测定(n, α)反应的α粒子数来确定中子强度, 其误差＜3%, 且随着加速器运行状态会有一定波动。运行时间的延长, 氚钛靶的中子产额也会逐渐降低。因此, 每一个测量数据在记录中子发生器工作状态的同时, 还采用另一套相同的高灵敏度中子、γ探测器, 固定在距中子发生器约70 m处, 作为固定参照点, 以便对测量数据进行归一修正。测量点距地面高度为1.2 m, 每一测量点测量10个数据, 每个数据计数1 min, 最后都归一为2×10¹¹ s^-1作为中子发生器的流强。

测量内容包括: ①中子发生器建筑物内每个房间的n, γ剂量率, 房间内与加速器隔墙墙面的全面扫查, 尤其注意管洞的泄漏。②中子发生器建筑物外立面全面扫查, 重点时靶头水平面上, 地面标高2 m以上。③中子发生器建筑物楼顶全面扫查, 重点对加速管高压头正上方区域。④中子发生器邻近建筑物的每个房间, 及其朝向辐射源的墙面。⑤以氚钛靶头为中心, 在室外院落内四周选择了五条经线, 测量剂量率随距离的变化, 测点间距5~10 m。直至确认三个连续测点计数均为天然本底, 更远的区域作抽查监测。

2 结果与分析

(1) 在中子发生器建筑物内, 除与主厅相邻且相通的控制室外, 其余各工艺房间、办公室、实验室、通道的n、γ当量剂量率均明显低于国家标准的相关限制, 控制室内γ剂量率偏高是由于与主厅相通的防护门厚度不够所致, 其γ射线来源于倍加器头部高压离子源。

(2) 孔洞泄漏明显, 例如中子厅西墙防空洞口、屏蔽墙的电缆孔、通风管道、吊车门洞以及贯穿楼板的加速管周围空隙等。

(3) 在中子厅西、南屏蔽墙外表面有贯穿辐射, 位于贴近靶头处, n、γ剂量率为几百nSv/h, 这显然是因为靶头位于中子厅的西南角, 而西、南屏蔽墙仅1 m厚所致。东、北两面原有屏蔽墙厚1.3m是可以的。

(4) 中子发生器建筑物顶部表面由于没有辐射屏蔽设计, 所以有明显贯穿辐射, 剂量分布大体呈同心圆, 高压头正上方处最强, γ剂量率为40 μSv/h, n剂量率为3μSv/h。随着水平距离的增加, γ剂量率迅速减弱, 而半径3 m范围内, 中子剂量率变化不大。3 m以外, n剂量率大于γ剂量率, 且随着距离增加而减弱。

(5) 在中子发生器建筑物西北角相邻有东西走向的六层新楼, 其第四层与中子发生器建筑物顶部等高。对新楼每个房间内的n、γ剂量进行了一一测量, 测点位置选于窗口处, 数据显示, 朝向辐射源的南侧房间略有影响, 且从西向东(从远到近), 从下到上(靠近楼顶)逐渐明显, 以东端最高层为甚, 房间内n当量剂量率为43 nSv/h, 约为兰州天然中子本底~10 nSv/h的4倍, γ当量剂量率为34 nSv/h, 约为兰州天然γ本底~120 nSv/h的1/3~1/4。显然来源于主厅顶部的泄漏。

(6) 测量了院落内不同方向上n、γ剂量率随水平距离的变化, 在西南、东南、东北方向上受到临近建筑物的限制, 在所测的范围内随距离的增加, 剂量率都呈单调减弱。在较开阔的西北方向, 从屏蔽墙外表面开始连续测量, 直到200 m外。随着测点与辐射源距离的增加, n、γ的当量剂量率逐渐增加, 至30~40 m处呈峰值, 然后近乎直线下降, 到180 m左右达到天然本底水平。近源处, 剂量较低, 是由于加速器侧墙阴影屏蔽的结果。稍远处(＞30~40 m), 阴影屏蔽消失, 显示出天空反照的效果, 并随距离的增加, 按平方反比规律, 空气吸收能力减弱, 这是典型的天空反射现象。天空反射波及到周围200 m范围, 最大剂量值为250 nSv/h, 约为兰州市外照射贯穿辐射130 nSv/h的两倍, 成了该中子发生器影响周围环境的首要因素。按照辐射防护三原则的精神, 应该予以重视。

3 辐射屏蔽的改善与效果

(1) 在中子实验厅西、南两面1/2墙外追加80 cm厚的普通混凝土, 根据计算应该够了, 但实验测量发现, 仅用混凝土块堆砌是不行的, 缝隙泄露还存在, 虽然很弱。在正式施工中, 要求确保没有任何缝隙。

(2) 用相应屏蔽材料填塞所有孔洞, 在主厅通往控制室的门洞前加50 cm厚混凝土屏蔽墙。

(3) 为减弱γ天空反射, 在楼顶上表面铺盖0.5 cm厚铅皮, 受楼顶承重限制, 铺盖范围的最大剂量点为中心, 半径5 m圈内。实验测量显示0.5 cm厚铅皮可减弱γ剂量93%以上, 而对中子作用不大。

(4) 借施工机会, 把中子发生器的排风烟口从该建筑物顶移到相邻但更高的新楼屋脊上, 排风口高于新楼屋脊5 m以上。

上述施工完成后, 实测证明不论侧面还是顶部, 贯穿辐射都很微弱了。不但达到预期目的, 还为将来的发展留有适当余地。

4 讨论

(1) 中子发生器工作时, X、γ射线来源有四个:一是高压装置和离子源出口产生的X射线; 二是加速管内反向加速的电子产生的韧致辐射; 三是被加速粒子的核反应; 四是中子活化反应产生的残余放射性。

在加速器主厅与中子实验厅分离的情况下, 主厅内的剂量成分通常主要来自高压装置和离子源出口处的X射线。因此, 即使没有加速束流, 也是有X射线存在。这些X射线能量很低, 虽然是连续谱, 但大部分在几十keV范围, 远低于加速器高压, 且随高压的增减变化不大。这对屏蔽是有利的, 但在剂量监测时, 就要注意仪器的能响了。这个X、γ辐射场往往是相当强的, 尤其是束流强度较大时。因此顶部屏蔽是不能忽视的, 否则天空反照可能成为其影响环境的主要途径。

活化残余的γ射线能量较高, 往往成为换靶、检修人员外照射剂量的主要来源, 但大多寿命很短, 停机后20 min衰变非常迅速。若能停机冷却30 min后再进入, 将会大大降低受照射量。

(2) 对中子发生器来讲, 屏蔽设计主要针对产生于氚钛靶上的14 MeV中子, 主体屏蔽材料通常首选对n、γ都有良好吸收性能且性能价格比甚优的混凝土。需要注意的是当屏蔽厚度适当, 在2~3个平均自由程后, 贯穿辐射能谱就达到平衡了, 其主要成分是慢中子, 14 MeV中子是极少的, 这对控制屏蔽厚度是有利的。

一般来说, 当中子源活度大于10⁹ s^-1时, 天空反射就不能忽视了, 顶部屏蔽必须予以考虑。该装置中子活度为10⁹ s^-1~10¹² s^-1, 幸好有1 m厚的混凝土楼板当作屏蔽, 否则事后追加中子屏蔽往往带来很大麻烦。