高頻高壓電子加速器技術改造及輻射防護評價

張玉寶，斯琴圖雅，梁宏斌，王 強，田汝超

(黑龍江省科學院技術物理研究所，哈爾濱 150086)

黑龍江省科學院技術物理研究所原有一臺JJ－1.5型靜電加速器，是基于絕緣傳輸帶傳送電荷的，又被稱為凡德格拉夫靜電加速器，其最高電子能量為1.5 MeV，最大束流強度為100μA。為了適應日益增長的科研和輻照加工要求，將JJ－1.5型靜電加速器換代成電子束流強度為1mA的DD－1.5型高頻高壓電子加速器。這臺高頻高壓電子加速器是1999年從天津市技術物理研究所買入的，在此之前，該加速器已經在天津市技術物理研究所運行了9年。由于其控制設備及一些輔助設備等可靠性較差，經常會出現各種各樣的毛病，常常因故障而修理，運行人員因此被培養成了維修技師。所以有必要對該設備進行必要的技術改造以適應不斷擴張的輻照加工要求。筆者將就這臺高頻高壓電子加速器的基本組成，技術改造情況及改造效果和改造后加速器的放射防護評價及其防護效果等分別進行闡述。

1 加速器基本組成及結構

加速器的主體結構如圖l所示，主要有高壓系統、束流系統、真空系統、電子束輸運系統、冷卻系統、排風系統、控制系統及安全防護設施等組成。具體器件如圖1所示:1.加速器鋼桶;2.電子槍供電調壓器;3.分壓電阻;4.射頻電極;5.加速管;6.高頻空心變壓器;7.高頻機;8.自整角機;9.聚焦線圈;10.聚焦電源;11.掃描線圈;12.掃描電源;13.掃描盒;14.分子泵;15.上整流發電機拖動電機;16.旋片機械泵;17.多節聚砜連桿;18.有機玻璃桿;19.整流倍加器(俗稱整流盒共計68組每組有256個硅二極管和分壓電容組成);20.發電機;21.高壓電極;22.電子槍。此外還有高頻機振蕩管冷卻裝置及分子泵冷卻裝置未在圖中示出。

圖1 加速器結構圖Fig.1 The accelerator structure

2 加速器技術改造

2.1 控制系統技術改造

對原有控制臺進行了重新設計制作，物理所負責原理設計，由哈爾濱理工大學電站控制設備研發中心負責具體制作安裝，使用至今未出現故障。

2.2 高壓系統技術改造

將原有10kW的高頻機更換為15kW的高頻機，由于該設備不是加速器專用設備，需要必要的改進:撤掉了輸出線圈，安裝改造內外控制線路，拆下舊高頻機陽極、柵極絕緣子，安裝在新機器上，調節水壓繼電器域值，完成新舊高頻發生器的更換，增加了高頻電源的可靠性和容量。

2.3 真空系統技術改造

更換分子泵和機械泵等附屬設備，并將原橡膠連接管更換為不銹鋼波紋管，在高低真空之間增加隔離板閥，更換放氣針閥，增加熱偶規測試口，增強了真空系統的氣密性和可靠性。

2.4 束流系統技術改造

重新設計制作掃描儀，并按照中國核工業總公司輻射加工用電子加速器通用規范［1］進行調試，具體改造效果如下表1所示，改進后的不均勻度達到行業標準。

表1 改進前后掃描不均勻度對照Tab.1 Control of scanning unevenness before and after improvement

加速器的技術改造，改善和提高加速器工作的穩定性及可靠性，保障了現有加速器能夠繼續穩定運行更長的時間。

3 加速器實驗室防護能力校核

由于更改了加速器的部件，提高了加速器的使用性能，因此有必要對加速器的防護能力做一下重新校核。高頻高壓電子加速器主要產生電子束以供輻射加工使用，由于電子束與物質相互作用還可產生X射線，因此必須得到有效的防護屏蔽，以免對工作人員產生傷害。

3.1 加速器實驗室防護設計原則是:

3.1.1 按國家GB18871－2002“電離輻射防護與輻射源安全基本標準”［2］，按每年工作50周，每周工作6d，每天工作6h，安全系數為2計算，工作人員導出當量限值P導為14μSv/h。

3.1.2 按1.5MeV，1.0mA 電子束打到銅靶上產生 X 射線點源計算，正向發射率為 100rads.m2.mA－1.min－1，修正因子取0.7，所以距靶1m處的劑量率為42Gy/h，由于正向為

地面不必考慮防護問題。90°方向發射率為80 rads.m2.mA－1.min－1，修正因子取 0.5，所以 90°方向劑量率 P0為24Gy/h［3－4］是考慮防護問題的主要影響因素，反向劑量率P'0大約為正向劑量率的1/8，取為3Gy/h。由于產生的X射線的能量譜為連續譜，根據有關文獻其等效能量為0.5MeV［5］。

3.2 防護能力校核

3.2.1 輻照大廳(如圖2所示)

(注釋:由于對于電子輻照的輻射權重因子為1，所以發射劑量率1Gy/h可直接轉化為當量劑量率1Sv/h，以下的計算不再重復說明。)

式中PA為A點劑量率，P0為距靶1m處90°方向劑量率，rA為A點距靶距離

式中K1為減弱倍數，PA當為A點當量劑量率，P導為導出當量限值，按X射線有效能量0.5MeV查萬能表［6］:

即防護墻混凝土厚度應為83.7cm，現有混凝土厚度100cm，所以防護墻厚度可以保證安全。

1 )防護墻

圖2 輻照大廳結構圖Fig.2 Irradiation hall structure

2 )迷宮出口處劑量率計算

經二道鉛門減弱，再經一次散射至迷宮出口處劑量率為:

式中Pc為C點劑量率，Pc當為C點當量劑量率，P0為距靶1m處90°方向劑量率，K2為二道鉛門減弱倍數，η1為一次散射射線強度減弱倍數，rB為靶到B點距離，rC為B點到C點距離。

由計算結果可知，迷宮出口處當量劑量為24.37μSv/h，超出導出當量限值大約1倍，對于照射原子序數與銅相近的物質，應加一道防護門，但對于照射原子序數較小的物質則可不必加一道防護門，為此應檢測迷宮出口處的實際情況，如需要可再加一道防護門，如實測劑量在導出當量限值以下，則不加此防護門，本所加速器在出口處加了一道防盜門以確保安全。

3.2.2 加速器大廳

1 )樓板的防護能力(如圖3所示)

圖3 加速器大廳結構圖Fig.3 Accelerator hall structure

把靶處產生的X射線在射向天棚方向，距靶1m處反向劑量率為3Gy/h，無樓板時F點劑量率為:

P'F=P'0/rF2=3Gy/h ×1/92=0.037Gy/h

式中P'F為無樓板時F點劑量率，P'0為距靶1m處反向劑量率，rF為靶到F點距離，有混凝土樓板時F點劑量率(不考慮角度的因素)。

式中PF為有樓板時F點劑量率，PF當為有樓板時F點的當量劑量率，P'0為距靶1m處的反向劑量率，rF為靶到F點距離，K3為70cm混凝土減弱倍數，70cm混凝土減弱倍數為1.2 ×104。

由計算可知，F點的當量劑量率為3.1μSv/h，因此樓板的存在使天棚處劑量率減弱到導出當量限值以下，考慮從樓板孔中射出的X射線經天棚反射后對防護的要求，因此洞孔應加強屏蔽，以盡量減少射線的泄漏，并在安裝后實測之。

2 )迷宮出口處劑量率(如圖4所示)

圖4 加速器大廳斷面俯視圖Fig.4 Sectional top view of accelerator hall

式中 PD為D點的劑量率，PD當為D點的當量劑量率，P'0為距靶1m處反向劑量率，η2為經過鋼筒散射減弱倍數，η3為E點到D點散射減弱倍數，rE為靶到E點距離，rD為E點到D點距離，K4一道鉛門減弱系數。

由計算結果可見，如果實際輻照加工時不照射原子序數高于銅的材料，該加速器的防護是安全的。

4 屏蔽效果及安全措施

4.1 屏蔽效果

改造后曾對加速器實驗室周圍劑量進行測定，發現加速器輻照大廳東墻屏蔽效果不好，因此進行了混凝土局部加厚處理，處理后進行了實測，環境劑量均為本底劑量。

4.2 安全技術措施

4.2.1 聯鎖保護系統

1 )開機預報有警鈴響起30s，以使大廳內的人員有充分時間離開大廳或采取應急措施。

2 )在加速器高壓控制線路中串入電子鎖開關，電子鎖鑰匙與輻照大廳外側迷宮入口處門鎖鑰匙連在一起，以免開機時有人誤入。

3 )加速器大廳入口處，輻照大廳入口處鉛門上方均裝有行程開關與加速器高壓控制回路聯鎖，以確保當有人在開機狀態闖入時高壓自動斷掉。

4 )加速器大廳與輻照大廳均設有緊急按鈕與加速器高壓控制回路聯鎖以確保當有人被誤關入輻照大廳或加速器大廳時，按下緊急按鈕可使高壓啟動不啟或斷掉，并增加閃爍警示燈。

5 )輻照大廳入口處增加一道防盜門，并安裝位動開關，并將位動開關與加速器高壓控制回路聯鎖以確保當有人在開機狀態闖入時高壓自動斷掉。

4.2.2 安全標識

1 )加速器大廳入口處與輻照大廳迷宮入口處門上方均設有警示燈，紅燈表示處在開機狀態并顯示“運行中”，綠燈表示處在關機狀態并顯示“可進入”。

2 )輻照大廳入口處放置俄羅斯生產的劑量報警儀，并有“注意劑量”標識。

3 )控制室內設有電視觀察系統，可以在控制室內觀察輻照大廳是否有人，快門是否關閉及束下裝置運行是否正常。并增設閉路監視系統，可看到加速器大廳和輻照大廳入口處的情況并將電子錄像存入計算機，以便隨時調閱。

4.2.3 通風系統

加速器大廳內設有4－72－11No4.5A型離心通風機一臺，排風量3 900m3/h，能有效排除電子輻照產生的臭氧及有毒的氮的氧化物。增加煙霧報警器，并將報警儀與排風控制聯鎖，以保證安全。

5 結語

加速器經過技術改造后，控制臺安全運行7年未出現一次故障，高頻機未出現故障，真空系統得到了很好的優化，使加速器運行更加平穩可靠，很好地滿足了熱縮制品生產和輻照試驗的需要。另外，電子加速器的建筑屏蔽防護符合國家標準，安全措施可靠、得當，并得到了環保部門的認可。

［1］中國核工業總公司.中國核工業總公司輻射加工用電子加速器通用規范 EJT97l一95［S］.1995.

［2］GB18871－2002.電離輻射防護與輻射源安全基本標準［S］.

［3］宋文杰，陳思富.一臺2.5 MeV電子輻照加速器系統的屏蔽［J］.原子能科學技術，2001，35(1):79 －82.

［4］NCRP.Radiation Protection Design Guidelities for 0.1 ～100 MeV Particle Accelerator Facilities:NCRP Report No.51［R］.Washington:Pergamon Press，1977.

［5］［美］H·W·帕特森，R·H·托馬斯.加速器物理［M］.北京:原子能出版社，1983:16－296.

［6］趙蘭才，張丹楓.放射防護實用手冊［K］.濟南:濟南出版社，2009.