工业射线探伤室作为工业项目的重要组成部分, 在其实施过程需要经过环境影响评价、职业卫生评价等评审程序, 建成后需要进行验收审查, 在此过程中常常会对一些设计细节产生不同意见, 尤其是迷宫小门铅板厚度、γ射线探伤机防护等。对这些细节问题的解释、争论或修改往往会对项目的实施进度产生很大影响。因此有必要对这些设计细节进行分析和探讨, 以期求得一些共性认识或形成进一步探讨的基础。
1 迷宫小门迷宫的防护计算是相对繁琐的, 而工业探伤室迷宫防护设计则更加复杂一些。很多资料对医用加速器机房的迷宫防护设计介绍得比较详细, 有些资料还给出了经验计算公式[1], 但是对于工业探伤室迷宫的防护计算参考资料比较少。因此, 迷宫小门的设计比较容易出现争议。例如, 有些评审意见要求将加速器探伤室的迷宫小门铅板厚度取值为10、12 mm, 甚至更高, 其原因可能是计算有误或仅凭直观判断。
对于医用加速器机房的迷宫计算, NCRP第151号报告和IAEA第47号报告等文献都给出了比较详细的迷宫计算方法。其基本内容是迷宫入口处的辐射剂量率来源于四个方面, 即初级射线照射到墙体后的散射、初级射线照射到人体后的散射、机头漏射线照射到墙体的散射、漏射线穿过迷宫内墙到达迷宫入口处的漏射[2]。这些计算方法可以作为工业探伤室迷宫计算的基础, 但是还需要结合工业探伤室的特点进行具体分析。
与医用放射治疗室相比, 工业探伤室在防护对象、工作方式等方面存在一些差异:工业探伤室的工作对象是压力容器等机械产品, 不存在人体的散射; 工业探伤室通常设置一道主屏蔽墙, 照射方向只允许面向工件和主屏蔽墙, 因此迷宫通常处于初级射线的侧后方向(即使设置第二道主屏蔽墙, 通常也远离迷宫位置); 工业探伤室的迷宫只与职业探伤人员相关联等。图 1为某6 MeV加速器探伤室平面图, 阴影区为加速器机头的移动工作范围, 射线方向面向主屏蔽墙。
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图 1 某6 MeV直线加速器探伤室平面图 |
由于工业探伤室不存在人体的散射, 因此对迷宫的计算不能直接使用人体的散射计算公式和数据。加速器初级射线大部分通过钢铁工件进行散射, 少量射线透过工件到达主照射墙后再散射到迷宫。考虑到在同样的入射条件下, 铁的射线反照率比混凝土墙体的反照率略高, 为了计算方便, 可以假设为加速器初级射线全部由钢铁工件进行散射。
由于工业探伤室的迷宫多为“Z”型等多折迷宫, 比医用照射室的“L”迷宫的散射次数要多, 因此可在NCRP第151号报告提供的散射计算公式基础上进行修改, 见公式(1)。
| $ {{\rm{H}}_{\rm{S}}} = \frac{{{\rm{W \times }}{{\rm{U}}_{\rm{G}}}{\rm{ \times (}}{{\rm{ \mathsf{ α} }}_{\rm{0}}}{{\rm{A}}_{\rm{0}}}{\rm{) \times (}}{{\rm{ \mathsf{ α} }}_{\rm{1}}}{{\rm{A}}_{\rm{1}}}{\rm{) \times \ldots \times (}}{{\rm{ \mathsf{ α} }}_{{\rm{i-1}}}}{{\rm{A}}_{{\rm{i-1}}}}{\rm{)}}}}{{{{\rm{d}}_{\rm{0}}}^{\rm{2}}{\rm{ \times }}{{\rm{d}}_{\rm{2}}}^{\rm{2}}{\rm{ \times \ldots \times }}{{\rm{d}}_{{\rm{i-1}}}}^{\rm{2}}{\rm{\cdot}}{{\rm{d}}_{\rm{i}}}^{\rm{2}}}} $ | 1) |
式(1)中, W为加速器工作负荷, 单位为Gy/周(或某个时间段); UG为使用因子, 考虑到探伤室通常只有一个主照射方向, UG值取1;α0为工件(铁)的反照率, α1~αi-1为各次散射墙体(混凝土)的反照率; d0为加速器等中心点到工件表面的距离, d1~di为各次散射的距离, 单位为m。A0为工件的散射面积, A1~Ai-1为迷宫内各次散射的墙体面积, 单位为m2。此计算过程中后续各次散射线的能量均假设为0.5MeV[3]。图 2为图 1中加速器接近最不利位置时的初级射线散射图。
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图 2 初级射线散射图 |
机头漏射线的散射参见图 3。同样由于存在多次散射, 可将NCRP第151号报告提供的计算公式修改为公式(2):
| $ {{\rm{H}}_{{\rm{LS}}}} = \frac{{{{\rm{L}}_{\rm{f}}}{\rm{ \times }}{{\rm{W}}_{\rm{L}}}{\rm{ \times }}{{\rm{U}}_{\rm{G}}}{\rm{ \times (}}{{\rm{ \mathsf{ α} }}_{\rm{1}}}{{\rm{A}}_{\rm{1}}}{\rm{) \times \ldots \times (}}{{\rm{ \mathsf{ α} }}_{{\rm{i-1}}}}{{\rm{A}}_{{\rm{i-1}}}}{\rm{)}}}}{{{{\rm{d}}_{\rm{1}}}{\rm{ \times \ldots \times }}{{\rm{d}}_{{\rm{i-1}}}}^{\rm{2}}{\rm{\cdot}}{{\rm{d}}_{\rm{i}}}^{\rm{2}}}} $ | 2) |
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图 3 漏射线散射和漏射线透射图 |
公式(2)中Lf为漏射线的比例, 通常取0.1%, 其它各参数含义与公式(1)相同。除了进入迷宫的漏射线外, 各次散射的光子能量也按0.5 MeV考虑。
1.1.3 机头漏射线的透射机头漏射线的透射如图 3所示。一般来说, 由于工业探伤室迷宫所在的次屏蔽墙在防护计算时已经考虑了漏射线的影响, 因此如图 3所示的机头漏射线不需重复计算。
1.2 计算结果分析对图 1示的6 MeV直线加速器探伤室迷宫计算和分析。
1.2.1 初级射线散射主要输入条件和数据为:6MeV加速器剂量率为1000 cGy/min.m; 迷宫宽度1m, 高度2 m, 迷宫直段长度3 m; UG=1;d0=1m, α0=5.3×10-3(取0°散射和30°散射的平均值), A0≈0.25 m2(按照30°初级射线圆锥角估算, 忽略工件表面的弧度); d1=7 m, α1=1.8×10-2(参照75°散射值), A1为通过迷宫内入口散射到迷宫内墙的投影面积(两部分墙面), 面积≈4 m2; d2=4.3 m, α2=1.8×10-2, A2为通过迷宫横截面散射到迷宫内墙的投影面积(两部分墙面), 面积≈4.5 m2; d3=2.2 m。
| $ {计算}{{\rm{H}}_{\rm{S}}} = {\rm{ W}} \times 1.76 \times {\rm{ }}{10^{ - 9}} = 1.06{\rm{ \mathsf{ μ} Gy}}/{\rm{h}} 。$ |
由于迷宫内散射几何条件相近, 散射计算的主要参数αi、Ai、di也比较接近, 因此可以适当进行简化计算。这里Lf=1*10-3, d1=6 m, 其它参数同上, 计算HLS= W×1.8× 10-9=1.08 μGy/h。
1.2.3 分析和探讨由上述计算结果可见, 经过三次散射, 迷宫入口处无屏蔽时的辐射剂量率已经很低。
对于更高能量的加速器, 例如射线剂量率为3000 cGy/min.m的9 MeV直线加速器, 设计输入条件与上述计算过程相近(α0取4.8×10-3), 可初略计算为HS= 2.88 μGy/h, HLS = 3.24 μGy/h。由于迷宫入口处的防护对象是职业照射人员, 这一数值显然已满足要求, 其铅屏蔽计算值近乎为零。屏蔽取值遵照漏射线和散射线的混合屏蔽原则, 当按照散射线和按照漏射线计算的结果相差不到一个十分之一厚度值时, 在较大的结果基础上再增加一个半值作为最终的屏蔽层厚度[2]。500 kV的X射线铅半值层厚度为3.6 mm, 因此, 最终屏蔽门的铅板厚度取4 mm即可。
需要说明的是, 以上分析和计算不适用于需要考虑中子屏蔽的10 MeV以上加速器。另外, 上述分析和计算是偏保守的, 主要是方便对迷宫铅门屏蔽的评估。
2 储源间小门有些工业射线探伤室配备了γ射线探伤机, 主要有钴-60、铱-192等。由于γ射线探伤机表面存在一定量的辐射, 因此很多探伤室都建造了储源间进行存放, 通常设置在照射室内对探伤操作影响较小的墙角处。另从安全管理角度, 储源间要设置带锁的防护小门。但是防护小门需要达到什么样的屏蔽效果, 并没有明确的规定。因此在设计评审环节容易产生意见分歧。例如, 有些意见要求小门的屏蔽要满足墙外2.5 μGy/h的考核指标, 有些意见要求小门要达到与储源间墙体等效的厚度水平, 也有些意见直接给出12 mm的铅板厚度。这些意见本身都有其合理性, 主要是认识上不统一。
对于墙外2.5 μGy/h的限值标准, 在《工业γ射线探伤放射防护标准》(GBZ 132-2008)有“如其外表面能接触到公众”这样的前提条件, 而储源间只对进入照射室工作时的探伤人员产生辐射影响, 所以墙外2.5 μGy/h的限值指标不宜作为直接依据。而如果要小门达到与储源间墙体等效的厚度水平, 很可能过于保守。显然, 比较合理的设计应是根据对探伤人员的辐射贡献量来考虑。
2.1 辐射剂量的估算探伤人员受到的辐射影响可根据储源间内γ射线探伤机的数量, 按照辐射剂量率与距离的平方呈反比进行简化计算。
探伤人员在照射室内工作的位置是变化的, 但是在大多数情况下, 探伤工件一般是停留在照射室的中部或者更靠近照射室进出大门的一侧, 因此可假定人员距离储源间的平均距离为照射室长度的一半。一般大型探伤室长度大于20m, 因此可按平均距离10 m计算。根据《工业γ射线探伤放射防护标准》(GBZ 132-2008), 固定式γ射线探伤机源容器表面1 m处的空气比释动能率限值为0.1 mGy/h。则在距离储源间10 m位置处的无屏蔽剂量为H=0.1/102 mGy/h=1 μGy/h。显然, 这个剂量率很低。
从总量考虑, 探伤人员每年工作日250 d, 每天要进入照射室进行调整设备、贴底片等操作, 保守计算按每天1 h考虑, 则每年受到的γ射线探伤机表面辐照剂量为0.25 mSv/a。根据《γ辐照装置设计建造和使用规范》(GB 17568-2008)的规定, 探伤室防护设计时探伤人员年总剂量限制值为5 mSv/a。由此可见, γ射线探伤机表面辐照对总剂量限值的比例只占5%。当然, 如果有多个γ射线探伤机, 其比例会高一些。
2.2 防护小铅门的厚度探伤人员的防护设计辐射限值指标是固定的。但由于γ射线探伤机的表面辐照剂量相比总限值指标来说比例很低, 因此对其过度控制意义不大。
从探伤室屏蔽墙的计算看, 如果在设计时γ射线探伤机表面辐照剂量限值取0.25 mSv/a, 则探伤室屏蔽墙的设计限值指标变为4.75 mSv/a。当屏蔽墙防护限值指标由5 mSv/a调整为4.75 mSv/a时, 屏蔽墙体的厚度只需要增加4.5 mm; 而由5 mSv/a调整为4.875 mSv/a时, 屏蔽墙体的厚度只需要增加2.2 mm。显然, 这个墙体厚度的变化近似可以忽略。相比而言, 若要γ射线探伤机(按钴-60)表面辐照剂量由0.25 mSv/a降低到0.125 mSv/a, 则防护小门要增加到12 mm铅板的厚度。
因此, 储源间防护小门的铅板厚度无需太大。但是为了后续评审的需要, 要对其设计限值指标有所交代。
3 结论通常情况下, 当采用结构合理的多折“Z”型迷宫时, 对于9MeV以下的加速器探伤室迷宫小门采用4 mm铅板可以满足防护要求, 没有必要进一步增加厚度, 小门厚度取值应经过计算确定; 而γ射线探伤机表面辐照剂量对探伤人员的辐射贡献较小, 不需过度防护。为了减少评审环节的误解, 要在防护计算书中对储源间的设计限值给予说明。
| [1] |
张丹枫, 赵兰才. 辐射防护技术与管理[M]. 广西民族出版社, 2003: 391.
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| [2] |
NCRP.Structural Shielding Design and Evaluation for Megavoltage X-and Gamma-Ray Radiotherapy Facilities[R]. NCRP report No.151. 2005, 12: 34-35.
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| [3] |
IAEA.Radiation Protection in the Design of Radiotherapy Facilities[R]. Safety Report Series No.47. 2006, 28.
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