用于γ輻射成像系統(tǒng)的60Co源容器的設(shè)計(jì)

劉錫明，吳志芳，談春明，張顏民

（清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084）

X 光機(jī)、加速器和放射性同位素是輻射成像中三種常用的射線源，被廣泛應(yīng)用于CT、無(wú)損檢測(cè)、車輛和行李安全檢查等輻射成像系統(tǒng)［1－3］中。在三種射線源中，放射性同位素源具有輸出射線強(qiáng)度穩(wěn)定、空間分布均勻恒定、操作維護(hù)簡(jiǎn)便、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，此外成像用放射性同位素發(fā)射的γ射線能量較為單一，射線束硬化效應(yīng)不明顯，特別適用于CT 成像系統(tǒng)。但在放射性同位素的使用中，由于源在4π空間內(nèi)持續(xù)發(fā)射γ射線，也存在操作場(chǎng)所輻射防護(hù)復(fù)雜和射線源安全保衛(wèi)等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)功能完善、防護(hù)適當(dāng)、安全可靠的放射源工作及儲(chǔ)存容器就顯得十分必要。清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院研制了一種60Co高精度工業(yè)CT系統(tǒng)，系統(tǒng)中使用了60Co射線源。本工作擬為該60Co射線源設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)專用工作和儲(chǔ)存容器，以滿足系統(tǒng)的功能、輻射防護(hù)及安全使用要求。

1 源容器的功能要求和設(shè)計(jì)依據(jù)

60Co 高精度工業(yè)CT 系統(tǒng)采用1.11～11.1TBq高比活度60Co探傷源，與平板探測(cè)器和小像素固體或氣體線陣探測(cè)器組合，實(shí)現(xiàn)幾十到幾百微米缺陷的檢測(cè)。該系統(tǒng)的工作方式是：工件檢測(cè)時(shí)，源容器快門打開(kāi)，利用檢測(cè)射線束對(duì)被檢物體進(jìn)行掃描成像，此時(shí)檢測(cè)室為控制區(qū)，任何人不得進(jìn)入；檢測(cè)結(jié)束后，源容器快門關(guān)閉，此時(shí)檢測(cè)室為監(jiān)督區(qū)，人員可以進(jìn)入，進(jìn)行設(shè)備維護(hù)、更換工件等操作。

系統(tǒng)使用的60Co源為有雙層不銹鋼包殼的密封源，形狀為圓柱體，由源芯和內(nèi)外兩層包殼等構(gòu)成，包殼對(duì)源芯起密封、保護(hù)作用，防止源活性材料的泄漏。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖示于圖1。

圖1 放射源的結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)對(duì)鈷源容器的功能要求是：既能輸出二維錐形射線束用于平板探測(cè)器成像，也能輸出一維扇形射線束用于線陣探測(cè)器成像，同時(shí)體積小，便于安裝在設(shè)備支架上，并能在支架上升降。

在滿足上述功能要求的同時(shí)，該容器還必須滿足有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并以這些標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。需要遵從的標(biāo)準(zhǔn)包括：EJ 1024—2008無(wú)損檢測(cè)用γ放射源［4］、GBZ 132—2008 工業(yè)γ射線探傷衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)［5］；GB 18871—2002 電離輻射防護(hù)與放射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)［6］、GBZ 114—2006 密封放射源及密封γ放射源容器的放射衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)［7］。此外，為了保證用源安全，防止意外事故的發(fā)生，還需要考慮到各種意外情況，采取必要的失效保護(hù)和安全防范措施。

2 源容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)源容器的功能和防護(hù)要求，進(jìn)行了源容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的源容器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖示于圖2。由圖2可以看出，源容器由屏蔽體、源托、旋轉(zhuǎn)快門、快門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、外殼和填充材料組成。源托為圓柱體結(jié)構(gòu)，其頂端固定鈷源，并將鈷源定位在源容器的中心位置。屏蔽體由高原子序數(shù)的重金屬組成，用于衰減鈷源發(fā)射的射線，為了減輕重量，屏蔽體的后半部分設(shè)計(jì)為半球形。旋轉(zhuǎn)快門是一個(gè)圓柱體，其材料與屏蔽體材料相同，可以在快門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的牽引下繞其中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)快門內(nèi)與軸線垂直的方向上開(kāi)有錐形孔，當(dāng)旋轉(zhuǎn)快門轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)，射線能夠通過(guò)錐形孔照射出來(lái)，此時(shí)稱為快門打開(kāi)；旋轉(zhuǎn)快門轉(zhuǎn)動(dòng)90度，快門將關(guān)閉。快門打開(kāi)時(shí)，通過(guò)切換源容器外的前準(zhǔn)直器，可以將射線準(zhǔn)直成二維錐形束或一維扇形束，滿足不同的成像需要。整個(gè)源容器用鐵板制成的外殼包裹，外殼和屏蔽體之間用發(fā)泡材料填充，起到支撐和固定作用。

圖2 放射源容器結(jié)構(gòu)示意圖

3 源容器的屏蔽設(shè)計(jì)

GBZ 132—2008 工業(yè)γ射線探傷衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)源容器周圍空氣比釋動(dòng)能率的要求列于表1。按照60Co高精度工業(yè)CT 系統(tǒng)的工作場(chǎng)所和工作方式，該系統(tǒng)的源容器適用固定式探傷機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，為了盡可能減小工作人員的輻照劑量，按照移動(dòng)式探傷機(jī)的控制值進(jìn)行源容器的屏蔽設(shè)計(jì)：空氣比釋動(dòng)能率在源容器外表面為2mGy／h，距容器表面5cm 處為1mGy／h，1m處為0.05mGy／h。

表1 照射容器周圍空氣比釋動(dòng)能率控制值

按GB18871—2002 的規(guī)定，輻射防護(hù)應(yīng)該滿足實(shí)踐正當(dāng)化、劑量限值、防護(hù)與安全最優(yōu)化等要求。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工作人員的年平均有效劑量限值為20mSv。系統(tǒng)對(duì)放射性工作人員的年有效劑量控制值取5 mSv。大多數(shù)時(shí)間工作人員在距離源容器1m 以外的區(qū)域。如果工作人員在源容器1m 附近接受的年照射劑量為2mSv，按停留時(shí)間40h估計(jì)，距源1m 處的控制值取0.05mGy／h是合理的。

在60Co高精度工業(yè)CT 系統(tǒng)中，源容器要求有足夠的屏蔽性能、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠、安全性能高、總質(zhì)量小，還要考慮高溫、濕度、腐蝕等影響因素。考慮到以上要求，選擇密度大于18g／cm3的鎢合金作為屏蔽材料。鎢是所有金屬中最難熔的元素，鎢合金堅(jiān)硬致密、耐腐蝕。與鉛、鐵等相比，鎢原子序數(shù)高、密度大、射線吸收能力強(qiáng)，同樣的屏蔽性能下鎢合金材料源容器的體積更小，質(zhì)量也更輕。

對(duì)系統(tǒng)使用的3.7TBq鈷源，按照上述劑量控制值，用查表和蒙特卡羅模擬方法分別計(jì)算了鎢屏蔽層厚度。結(jié)果顯示，當(dāng)鎢屏蔽層厚度為129.7 mm 時(shí)，源容器表面劑量最大為0.957mGy／h，距表面5cm處最大為0.547mGy／h，距表面1 m 處最大為0.017 2 mGy／h，均低于劑量控制值，并留有2倍左右的余量，可以滿足移動(dòng)式探傷機(jī)的控制要求。因此，源容器對(duì)鎢合金屏蔽厚度的設(shè)計(jì)要求為：快門關(guān)閉時(shí)，在4π任意方向上鎢合金的屏蔽厚度不低于13cm。

4 源容器設(shè)計(jì)的安全性考慮

為了保證用源安全，防止意外事故發(fā)生，在源容器設(shè)計(jì)時(shí)除了保證滿足使用要求和防護(hù)要求，還設(shè)計(jì)了一些失效保護(hù)和安全防范措施，主要有：斷電自動(dòng)關(guān)閉快門、源托及快門鎖定機(jī)構(gòu)、源位置指示。

1）斷電自動(dòng)關(guān)閉快門。快門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)快門之間由電磁離合器連接，在意外斷電時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)快門之間斷開(kāi)，旋轉(zhuǎn)快門在自身偏心矩和回復(fù)彈簧共同作用下自行關(guān)閉。

2）源托及快門鎖定機(jī)構(gòu)。為防止誤操作，源托設(shè)計(jì)了鎖定機(jī)構(gòu)，取出源托需使用專用工具。為保證放射源安全，源托外部裝有防盜鎖。快門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)快門的轉(zhuǎn)動(dòng)軸設(shè)計(jì)了銷釘孔，插上固定銷釘后，旋轉(zhuǎn)快門在關(guān)閉位置且不能移動(dòng)。

3）源位置指示。快門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了快門位置指示，具有文字和聲光標(biāo)識(shí)，可明確顯示旋轉(zhuǎn)快門的位置和開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

5 實(shí)際測(cè)量

按以上設(shè)計(jì)，采用140mm 厚的鎢合金屏蔽體，制作了60Co高精度工業(yè)CT 系統(tǒng)的源容器。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，距容器表面5cm 和1m 處空氣吸收劑量率分別為170μGy／h和5μGy／h，遠(yuǎn)低于移動(dòng)式探傷機(jī)的控制值。該容器功能完善，操作便利，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，耐高溫、耐磨、耐腐蝕，具有多重安全設(shè)計(jì)，可以經(jīng)受正常工作條件或可能發(fā)生的意外。

該源容器作為60Co高精度工業(yè)CT 系統(tǒng)的源工作及儲(chǔ)存容器，很好地滿足了系統(tǒng)的檢測(cè)要求，保障了人員的輻照安全。

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