第35卷第1期原子能科学技术Vol.35,No.1 2001年1月Atomic Energy Science and Technology Jan.2001文章编号:100026931(2001)0120079204一台215Me V电子辐照加速器系统的屏蔽宋文杰,陈思富(中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州 730000)摘要:介绍了一台能量215MeV、流强40mA、功率100kW的电子辐照加速器系统的屏蔽设计。
实际测量结果表明:屏蔽外的辐射水平低于国家标准规定的限值,设计是合理的。
关键词:电子辐照;加速器;屏蔽中图分类号:TL75+2 文献标识码:A电子加速器大部分是低能的(小于100MeV),它们的突出优点是束流功率强,束流和能量在较宽范围内可调,在工农业生产、医疗卫生和科学研究等领域得到广泛应用。
电子束辐照交联已广泛应用到电线电缆工业,它具有低成本、低能耗、无污染、省场地、性能好等优点,现已有几十个国家的一百多台电子辐照加速器投入使用。
215MeV电子在物质中的最大射程为1220mg・cm-2,且呈束状,范围小,易屏蔽,但在运动中受到加速器部件、作为辐照对象的电缆及阻档板和地板等材料的阻挡后,产生很强的韧致辐射。
韧致辐射的最大能量为215MeV,不会产生光致中子[1,2];韧致辐射发散的范围大,成为该加速器的主要辐射防护对象。
1 设计依据中国科学院近代物理研究所与一家电缆厂合作建造的辐照交联电线电缆生产线采用电子加速器作为辐射源,对聚氯乙烯或聚乙烯护套电缆进行辐照,生产性能优越的交联电缆并降低原材料的用量,同时也考虑用以生产热收缩材料和其它辐照工艺产品。
采用引进的ELV型电子辐照加速器,能量为215MeV、流强为40mA、最大功率为100kW。
该生产线布置在一座三层建筑物的一、二层中。
一层为辐照和传输设备等工艺间。
二层布置辐照电子加速器、控制室和其它工艺设备。
加速器室和辐照室的墙和楼板为钢筋混凝土结构,同时也是屏蔽体。
电子束自上而下照射到移动中的电缆上。
辐照室和加速器室屏蔽结构示于图1。
收稿日期:1999209218;修回日期:1999210220作者简介:宋文杰(1939—),男,河北行唐人,副研究员,辐射防护与剂量学专业图1 辐照室平面(a )和剖面(b )图Fig.1 Plane (a )and elevation (b )of the irradiation room2 屏蔽设计该生产线的结构形式、位置等由现场环境和生产工艺等因素限定。
根据设计要求,计算了a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 和i 共9点(图1)处的屏蔽厚度。
其中:a 、b 、c 和e 点分别位于相应立墙外1m 处;d 、f 点在传送带大门外1m 处;g 点在控制室地面高1m 处;h 点在电缆进出口外1m 处;i 点在顶盖上1m 处。
211 剂量限值根据国家标准[3],放射工作人员年剂量当量限值为50mSv 。
按年工作2000h 计,工作人员所在工作现场的辐射水平应低于1215μSv/h ,个人年最大剂量小于20mSv 。
212 屏蔽计算由参考文献[1]得到215MeV 电子束轰击高Z 靶时产生的X 射线发射率:在0°方向(电子束前进方向),D ・I /I =7k Gy ・m 2・A -1・min -1;在90°方向(电子束横断面方向),D ・I /I =215k Gy ・m 2・A -1・min -1。
加速器运行时,电子束在辐照室可能轰击3个目标:1)垂直向下,轰击辐照室的混凝土地面,此时,作为靶材料的是混凝土,其原子序数Z =13,这时的X 射线发射率是由高Z 靶查得的发射率乘以修正因子013;2)轰击阻挡板(不锈钢),Z =26～29,修正因子取015;3)辐照电线电缆(橡皮、塑料、铜、铝等),13<Z <29,修正因子取014。
可以看出:电子束在阻挡板上的X 射线发射率是最高的。
0°方向X 射线发射率虽大,但屏蔽墙的厚度并不由它决定,辐照室四周的屏蔽墙厚度取决于90°方向X 射线的发射率,当I max =40mA 时,D ・I =215k Gy ・m 2・A -1・min -1×015×40mA =50Gy ・m 2・min -1。
215MeV 电子束在90°方向产生的X 射线是一连续谱,它的贯穿特性与等效能量为08原子能科学技术 第35卷117MeV 的电子在0°方向产生的X 射线相近[1]。
因此,在计算屏蔽厚度时,采用117MeV 电子的1/10值层厚度。
由文献[1]得到第1个1/10值层厚度为21cm 混凝土,第2个以后的1/10值层厚度为19cm 。
当电子束自上而下照射时,屏蔽墙厚度取决于90°方向X 射线的透射系数B X (90°),它可用如下关系式描述:B X (90°)=(1.67×10-6H ・m ・s 2)/(D ・Ⅰ・T )其中:H ・m 为屏蔽体外的剂量当量率限值;s 为X 射线源与计算点之间的距离;D ・I 为90°方向X 射线的发射率;T 为居留因子,在工作人员经常活动的地方,T =1,走廊等地,T =1/4,偶有人员活动的地方,T =1/16。
本设计中取T =1,这样,可更具安全性。
1/10n 由下式计算:n =lg (1/B X (90°)) 屏蔽厚度用下式计算:d =d 1+(n -1)d 2其中:d 1为第1个1/10值层厚度;d 2为第2个以后的1/10值层厚度。
图1所示各位置点的屏蔽体厚度计算结果列于表1。
表1 混凝土屏蔽体厚度的计算结果T able 1 C alculation results of shielding thickness(concrete)位置点计算厚度/cm 采用厚度/cm a 124150b126150c124150d115160e11780+50f11680+80+50g7780h122150i 12170+603 实验结果311 屏蔽状况实际测量该生产线已于1997年建成。
在满功率(215MeV ,40mA ,100kW )运行工况下,对建筑物的屏蔽状况进行了实际测量(测量结果包括天然本底)。
测量仪器为ERMB 型高压电离室,测量误差为115%。
有些不易标出的测点分别是:1号点位于地坑前方约30m 右侧的大线放线架处;2号点位于地坑前方约10m 左侧的小线收线架处;3号点位于地坑前方约10m 右侧的小线放线架处;4号点位于地坑外侧5m 处的楼梯口;而其正上方3m 处即为二层平台;办公室1、2等点均在二楼。
测量结果表明:5号点的γ空气吸收剂量率最大,约为13μGy/h ,其他测点的γ空气吸收剂量率为56～2000n G y/h 。
312 本底调查辐照交联电线电缆生产线建在两排车间之间的空地上。
在该生产线建设之前,有关方面曾对建设现场进行了本底调查,在2排车间之间的空地上12个测量点的γ空气吸收剂量率为56～88n Gy/h 。
这一结果对于加速器运行后的环境辐射水平的评价是一重要参照值。
4 讨论1)实际测量结果表明:所有测点的γ空气吸收剂量率均满足国家标准规定要求。
因此,工作人员在这些场合长期工作时,年剂量当量均不超过20mSv 的管理限值,说明屏蔽厚度是足够的,设计是合理的。
18第1期 宋文杰等:一台215MeV 电子辐照加速器系统的屏蔽28原子能科学技术 第35卷2)吸收剂量率较高的地方是地坑处的5号点(电缆进出辐照室的通道),最大处约为国家。
一般情况下,屏蔽墙上留有适当口径和数量的管道引起的辐射泄漏是很标准规定限值的12小的,但考虑到今后的发展(如辐照薄膜等),留下了一条缝,则泄漏较大。
经采取附加屏蔽措施(地坑上用10mm钢板覆盖)后,吸收剂量率已低于1μGy/h。
3)该加速器设在远离居民的地方,周围无农田,环境状况简单。
上述辐射水平不会对居民产生影响。
参考文献:[1] NCRP.Radiation Protection Design Guidelities for0.1～100MeV Particle Accelerator Facilities:NCRP Re2port No.51[R].Washington:Pergamon Press,1977.[2] Petterson HW,Thomas RH.Accelerator Health Physics[M].New Y ork and London:Academic Press,1973.14～114.[3] G B4792284,放射卫生防护基本标准[S]1Shield of an Electron Irradiation AcceleratorWith Energy of2.5Me VSON G Wen2jie,CHEN Si2fu(Institute of Modern Physics,Chinese Academy of Sciences,L anz hou730000,China)Abstract:The principles and calculation methods of shielding layer thickness for an electron irradi2 ation accelerator with maximum energy of2.5MeV and maximum beam intensity of40mA are presented.Practical measurment data show that the radiation level outside the shielding is lower than the national standard,and so the design is reasonable.K ey w ords:electron irradiation;accelerator;shield。