高頻高壓型電子加速器輻射環(huán)境影響分析

倫亞楠 趙鳴謙 東 雙

（1 天津市生態(tài)環(huán)境局 天津 300074 2 生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心 北京 100082）

引言

高頻高壓型電子加速器亦稱“地那米加速器”，是一種中能直流高壓型加速器，具有束流能量高、輸出功率大、高壓紋波小、靜電儲(chǔ)能小、內(nèi)阻低、結(jié)構(gòu)緊湊、工作穩(wěn)定、檢修方便等優(yōu)點(diǎn)。高頻高壓型電子加速器運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生電子束和X 射線，對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生輻射影響。若屏蔽不當(dāng)，劑量超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致周圍人員受到超劑量照射。采用適當(dāng)?shù)钠帘畏雷o(hù)可以有效降低其輻射環(huán)境影響。

1 加速器分類及特點(diǎn)

高頻高壓型電子加速器按主體結(jié)構(gòu)形式分為直立式、全臥式和角尺型。直立式具有結(jié)構(gòu)緊湊、主體機(jī)械設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、與束下傳輸系統(tǒng)的匹配性好的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是其主體結(jié)構(gòu)需安裝在加速器廳內(nèi)，檢修時(shí)須用行車將壓力鋼筒吊起，對(duì)廠房高度要求較嚴(yán)格，廠房基建投資比較大。全臥式對(duì)建筑物高度要求較低、檢修方便、廠房基建投資小的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是電子束水平方向輸出，輻照物必須上下移動(dòng)，束下傳輸系統(tǒng)匹配性比較差。角尺型采用高壓電源和電子加速器系統(tǒng)相分離的結(jié)構(gòu)，前者為臥式，后者垂直安放。只需對(duì)加速器部分及束流引出部分進(jìn)行屏蔽，設(shè)備高度降低，廠房建造成本約節(jié)省30%以上，加速管置于獨(dú)立的鋼筒內(nèi)，減弱了與倍壓柱之間的相互干擾，便于檢修[1]。以角尺型自屏蔽加速器為例，其結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 角尺型自屏蔽加速器結(jié)構(gòu)形式

2 加速器工作原理、組成

2.1 工作原理

高頻高壓型電子加速器的高頻變壓器、高頻電極及倍壓芯柱之間形成的分布電容組成一個(gè)高頻振蕩器，在兩個(gè)高頻電極之間產(chǎn)生高頻電壓，高頻電壓通過高頻并激倍加電路在高壓電極上產(chǎn)生負(fù)極性直流高壓，負(fù)極性電壓作用下電子通過加速管時(shí)得到加速，然后穿出鈦窗對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行輻照，高氣壓鋼筒內(nèi)充絕緣氣體以保證加速器的高電位梯度。

2.2 設(shè)備組成

高頻高壓型電子加速器主要有高壓系統(tǒng)、高頻震蕩器、束流加速系統(tǒng)、引出掃描系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、絕緣氣體處理系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、束下傳輸系統(tǒng)等組成，其組成形式見圖2。

圖2 高頻高壓型電子加速器組成形式圖

3 加速器的屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)和計(jì)算要求

電子加速器輻照裝置的屏蔽設(shè)計(jì)必須以加速器的最高能量和最大束流強(qiáng)度為依據(jù)[3]。電子加速器輻照裝置外人員可達(dá)區(qū)域屏蔽體外表面30cm 處及以外區(qū)域周圍劑量當(dāng)量率不能超過2.5μSv/h。如屏蔽體外為社會(huì)公眾區(qū)域，屏蔽設(shè)計(jì)必須符合公眾成員個(gè)人劑量約束值規(guī)定（一般不超過0.1mSv）[2][3]。屏蔽防護(hù)計(jì)算應(yīng)考慮輻照室和主機(jī)室及各自迷道、屋頂、孔洞等。對(duì)于專用X 射線輻照裝置，應(yīng)根據(jù)加速器廠商提供的轉(zhuǎn)換靶參數(shù)或X 射線發(fā)射率計(jì)算。對(duì)于既可用于電子束輻照也可用于X 射線輻照的輻照裝置，應(yīng)按照電子加速器輻照裝置的屏蔽計(jì)算方法計(jì)算。

4 輻射環(huán)境影響預(yù)測(cè)與分析

本文以DDLH2.0/50-1000 型高頻高壓型電子加速器輻照線纜為例，預(yù)測(cè)其運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的輻射劑量，并分析說明其屏蔽防護(hù)措施的有效性。

4.1 加速器基本參數(shù)

DDLH2.0/50-1000 型高頻高壓型電子加速器電子束最大功率為100kW，電子束能量可調(diào)范圍1.5～2.0MeV，電子束流強(qiáng)可調(diào)范圍為0.5～50mA，束流掃描寬度1000mm，鈦窗距輻照物體距離80cm。

4.2 輻照室及加速器鋼筒屏蔽參數(shù)

DDLH2.0/50-1000 型高頻高壓型電子加速器為角尺型半自屏蔽結(jié)構(gòu)，按最大能量和最大束流進(jìn)行屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)。加速器鋼筒自帶輻射屏蔽系統(tǒng)，加速器下方設(shè)有輻照室，屏蔽參數(shù)見表1。

表1 屏蔽防護(hù)措施一覽表

4.3 預(yù)測(cè)與分析

DDLH2.0/50-1000 型高頻高壓型電子加速器為專用X 射線輻照裝置，根據(jù)X 射線發(fā)射率進(jìn)行計(jì)算。本次預(yù)測(cè)分析選取輻照室四周屏蔽墻外0.3m 處、迷道口、控制室、二層平臺(tái)鋼筒外作為劑量關(guān)注點(diǎn)，具體見圖3、圖4。

圖3 輻照室周圍劑量關(guān)注點(diǎn)示意圖

圖4 二層平臺(tái)劑量關(guān)注點(diǎn)示意圖

（1）預(yù)測(cè)模式

DDLH2.0/50-1000 型高頻高壓型電子加速器運(yùn)行時(shí)，電子束向下出束，不直接向輻照室頂部和四周屏蔽墻照射，因此輻照室考慮軔致輻射影響，迷道口考慮初級(jí)X 射線貫穿屏蔽墻體后的透射以及經(jīng)迷道多次散射后的散射疊加影響，二層平臺(tái)區(qū)域考慮來自于輻照室的X 射線貫穿輻射影響。

①透射劑量當(dāng)量率

式中：H—關(guān)注點(diǎn)透射劑量當(dāng)量率，μSv/h；d—關(guān)注點(diǎn)到X 射線輻射源的距離，m；D10—距離X 射線輻射源（即靶）1m 處的吸收劑量率，取2400Gy·m2/h；Bx—X 射線的屏蔽透射比，可用十分之一值層法[3][4]計(jì)算。

②散射劑量當(dāng)量率

式中：H1,rj—關(guān)注點(diǎn)散射劑量當(dāng)量率，μSv/h；α1—入射到第一個(gè)散射體的X 射線的散射系數(shù)，取0.0005；α2—從第一個(gè)散射體以后的物質(zhì)散射出來的X 射線的散射系數(shù)，取0.02；A1—X 射線入射到第一散射物質(zhì)的散射面積；A2—迷道的截面積；d1—X 射線源與第一散射物質(zhì)的距離；dr1，dr2…drj—沿著迷道長(zhǎng)軸的中心線距離；j—指第j 個(gè)散射過程。

（2）預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)式1、式2 預(yù)測(cè)各關(guān)注點(diǎn)處的劑量當(dāng)量率，結(jié)果見表2。

表2 劑量關(guān)注點(diǎn)劑量當(dāng)量率計(jì)算結(jié)果

由表2 可知，DDLH2.0/50-1000 型高頻高壓型電子加速器運(yùn)行時(shí)，在現(xiàn)有輻射屏蔽防護(hù)措施下，各關(guān)注點(diǎn)處的劑量當(dāng)量率最大為8.07×10-1μSv/h，滿足《電子加速器輻照裝置輻射安全和防護(hù)》（HJ979-2018）中“電子加速器輻照裝置外人員可達(dá)區(qū)域屏蔽體外表面30cm 處及以外區(qū)域周圍劑量當(dāng)量率不能超過2.5μSv/h”的要求。

結(jié)語

高頻高壓型電子加速器在采取有效屏蔽措施的條件下，屏蔽體外表面劑量當(dāng)量率可滿足 《電子加速器輻照裝置輻射安全和防護(hù)》（HJ979-2018）相應(yīng)限值要求。加速器在屏蔽防護(hù)施工過程中還應(yīng)確保施工質(zhì)量，設(shè)置必要的安全聯(lián)鎖裝置和監(jiān)控設(shè)施。輻照企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)輻射安全管理，規(guī)范人員操作，嚴(yán)格控制輻照區(qū)域人員的進(jìn)出，定期開展巡測(cè)及應(yīng)急演練工作。