臥位式工業電子輻照加速器主機的屏蔽設計分析及防護效果驗證

王路杰, 王飛, 伍虎

(浙江杭康檢測技術有限公司，杭州，310015)

工業電子輻照加速器在電纜企業應用廣泛，主要用于電纜交聯。設備產生電子束照射電纜線，使電纜線材料中的聚乙烯、聚烯烴、聚氯乙烯由線型結構轉變為三維網狀體型結構，從而改變電纜結構，提高電纜的耐熱、耐裂和耐老化等性能，使電纜的用途更加廣泛。工業電子輻照加速器一般分為立式和臥式，立式具有結構簡單且束流損失小的優點，臥式具有節省空間的優點，目前，立式工業電子輻照加速器的應用更為廣泛。

某公司因電纜生產需要，配備了1臺由無錫愛邦輻射技術有限公司生產，型號為AB 1.5 MeV-60 mA的高頻高壓型工業電子輻照加速器，設備產生的電子束流能量最高為1.5 MeV，電子束流強度最大為60 mA。因預留的輻照樓無主機室且位于車間中部，受到車間內部高度限制，該公司最終確定采用極少見的臥位式結構，且對裸露的主機的束流偏轉系統采用“鉛板+鋼板”結構的屏蔽箱進行防護。本文從理論計算結果和現場驗證檢測結果這兩方面分析這種防護方式的有效性和經濟性。

1 機房布局及防護設計

某公司輻照樓為單層鋼筋混凝土結構，其一層為輻照室(含迷道)和控制室，頂部為設備平臺，設備的主機(含鋼筒、束流偏轉系統等)、冷卻水系統、氣體系統、配電系統等輔助設備均安裝于此。設備主機的束流偏轉系統的四周和頂部均采用“鉛板+鋼板”進行屏蔽。具體布局詳見圖1～圖3。

圖1 輻照室平面布局圖

圖2 輻照室樓頂設備平臺平面布局圖

圖3 輻照室A-A剖面平面布局圖

2 防護設計分析

工業電子輻照加速器主機的屏蔽防護主要考慮電子在加速和偏轉過程中，損失的束流轟擊靶、各結構材料產生的軔致輻射(X射線)。相關的計算公式及參數詳見公式(1)～(3)及表1和表2[1]。

表1 X射線發射率[1](單位：Gy·m2·mA-1·min-1)

表2 寬束X射線在不同材料中的TVL1(TVLe)值[1](單位：cm)

(1)計算公式

(1)

式中，H為參考點(屏蔽體外30 cm處)周圍劑量當量率，μSv/h；B為X射線的屏蔽透射比；d為X射線輻射源與參考點之間的距離，取1 m；D為距離X射線輻射源1 m處的標準參考點的吸收劑量率，Gy/h；1×10-6為單位轉換系數；T為居留因子，保守取1。

(2)

式中，S為屏蔽體厚度，cm；T1為在屏蔽厚度中，朝向輻射源的第一個十分之一值層，cm；Te為平衡十分之一值層，cm，該值近似于常數；n為十分之一值層的個數。

D=60·Q·I·fe

(3)

式中，D為距離X射線輻射源1 m處的標準參考點的吸收劑量率，Gy/h；Q為X射線發射率，Gy·m2·mA-1·min-1；I為電子束流強度，mA；fe為X射線發射率修正系數。

(2)參數選擇

根據廠家提供的資料，該電子輻照加速器束流損失率約為0.2%(即電子束流強度為0.12 mA)，束流損失點的能量為0.45 MeV。主機屏蔽箱壁保守考慮側向(相對電子束90°方向)X射線的屏蔽，因此，將90°方向等效入射電子能量(即0.4 MeV)作為側向入射電子的能量。主機束流損失點主要材料為“鐵、銅”等低Z材料(Z≤73)，因此，X射線發射率修正系數取0.5。

(3)理論計算結果

由公式(1)、(2)、(3)及表1、表2中相關參數，參考相關文獻(見圖4～6)[2]，計算得出主機屏蔽箱壁外30 cm處的周圍劑量當量率列于表3。

圖4 X射線發射率圖[2]

圖5 等效入射電子能量與入射電子能量的關系[2]

3 結果驗證和分析

評價單位使用FLUKE生產的451P型X、γ射線巡測儀(在檢定有效期內，儀器性能滿足檢測要求)對加速器主機進行了巡檢和定點檢測，檢測點距離屏蔽體外表面30 cm，離地高1.5 m，檢測條件為1.5 MeV，60 mA，輻照室內設置有測試電纜。檢測結果列于表4。

綜合考慮防護材料密度和實際厚度可能存在的偏差，結合表3和表4分析可知：理論計算結果和驗證檢測結果較接近，表明采用“鉛板+鋼板”的形式對工業輻照電子加速器的主機進行防護，屏蔽效果良好，可滿足使用需求。

圖6 寬束X射線在鋼鐵和鉛中的TVL1(TVLe)值[2](單位：cm)

表3 工作場所屏蔽防護理論計算結果

表4 工作場所屏蔽防護驗證檢測結果

4 建議

綜合考慮本項目的屏蔽設計分析、防護效果驗證，以及該類型設備的實際使用，提出以下建議：

①在場地條件滿足的情況下，優先考慮經濟性和設備性能，建議輻照廳和主機廳均采用現澆混凝土結構，主機廳頂板采用模塊式結構，方便吊裝主機，且不破壞原有結構。

②在建設高度受限情況下(例如在現有車間內部建設輻照機房，空間受限)，宜采用臥位式加速器。

③如預期近期場所搬遷概率較高時，宜采用“鉛板+鋼板”對主機進行防護，方便后期拆除以及防護材料的重復利用。

④如采用現澆混凝土結構，無法完成設備吊裝時，宜采用“鉛板+鋼板”對主機進行防護，便于先吊裝設備再進行防護。