中子活化在線分析儀CF-252放射源安全使用

劉永超

中子活化在線分析儀是辨識檢測物料元素種類及含量的設備，已廣泛應用于水泥行業礦山石灰石質量檢測、水泥生料配料檢測中。據不完全統計，目前國內水泥市場投入應用的中子活化在線分析儀已近千臺，成為水泥廠不可或缺的質量控制檢測設備。但中子活化在線分析儀是以中子源作為激發源，存在輻射照射危害，部分水泥廠工作人員在中子活化在線分析儀的使用和維護過程中，對設備周圍輻射照射劑量情況缺乏科學、全面的了解，對放射源的放射性缺少客觀的認識。輻射照射，特別是大劑量的輻射照射對人類的健康是有害的，我們在盡量增加核技術應用給生產生活帶來益處的同時，應通過科學合理的方式盡量地減小輻射照射對人體或環境造成的危害。

1 中子活化在線分析儀及CF-252中子源

中子活化在線分析儀采用瞬發伽瑪中子活化分析（PGNAA）技術，以CF-252中子源作為激發源，激發中子照射水泥物料，并與物料中各元素原子核發生熱中子俘獲反應，放射出與元素相應的不同能量強度的特征γ射線，并通過檢測特征γ射線的能量識別出物料中的元素種類，通過檢測特征γ射線的強度測得物料相應元素的含量。中子活化在線分析儀熱中子俘獲示意見圖1。

圖1 中子活化在線分析儀熱中子俘獲示意

中子活化在線分析儀CF-252中子源為人工合成的自發裂變中子源，目前只有美國和俄羅斯的兩座反應堆能夠商業化生產。CF-252中子源自發裂變概率為3.1%，α衰變概率為96.9%，中子源平均每次自發裂變可產生3.76個中子，產生的中子平均能量為2.35MeV。在中子自發裂變的過程中還伴隨著少量γ射線的產生，其半衰期為2.64年。中子為電中性的粒子，穿透能力很強，不會與原子發生電離而損失能量。中子主要與原子核發生作用，中子與原子核的相互作用分為散射和吸收兩個類別，對中子的防護主要利用此原理。通常采用含氫材料將快中子散射慢化為熱中子，再使用含硼或鎘的材料進行俘獲吸收。在屏蔽中子的同時，還應注意反應產生的γ射線輻射的屏蔽，由于α粒子穿透力極弱，無需特殊考慮。

我公司研發生產的中子活化在線分析儀的標準配置為2枚中子源，每枚19μg，總活度為0.75GBq，按放射源分類標準，其屬Ⅳ類源，為低危險源，不會對人類身體健康造成永久性損傷，但若長時間、近距離接觸，則可能會造成可恢復的暫時性損傷。

中子活化在線分析儀使用的中子源的封裝結構為雙層不銹鋼密封，具有很好的機械強度及環境適應性。密封的中子源位于中子活化在線分析儀測量通道底部源室內，源室主要由重金屬材料制成，用于屏蔽CF-252中子源自發裂變伴生的γ射線。中子活化在線分析儀四周的主要防護材料主要為含氫材料及一定比例的碳化硼，以降低對周圍環境的輻射影響。中子活化在線分析儀的整體防護配置經精密的屏蔽理論計算、蒙特卡羅模擬及實驗等多項工作后設計完成。中子活化在線分析儀結構見圖2。

圖2 中子活化在線分析儀結構

2 中子活化在線分析儀周圍輻射劑量的設計

中子活化在線分析儀周圍輻射劑量設計依據為GBZ 125-2009《含密封源儀表的放射衛生防護要求》，其中檢測儀表使用場所和相應的泄漏射線控制量要求見表1。根據表1，結合中子活化在線分析儀實際使用場所特點，在距源容器1m區域內很少有人停留，因此選取距離邊界外1m處的劑量當量率控制值2.5μSv/h為設計依據。中子活化在線分析儀正常運行時，操作人員無需在其附近停留，選取分析儀周圍人員可出入區域（距中子活化在線分析儀1m）的劑量水平＜2.5μSv/h為設計值，此區域主要為人員訪問通道，如圖3所示。

表1 檢測儀表的使用場所和相應的泄漏射線控制量要求

圖3 中子活化在線分析儀周圍可出入區域

中子活化在線分析儀的防護結構設計充分遵守輻射防護三原則，即：實踐的正當性、個人劑量限值及輻射防護最優化。實踐的正當性原則是指，在考慮了社會、經濟和其他有關因素之后，輻射照射對受照射個人或社會所帶來的利益足以彌補其可能引起的輻射危害。個人劑量限值原則是指，對于來自各項獲準實踐的綜合照射所致的個人總有效劑量和有關器官或組織的總當量劑量不超過GB 18871-2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》附錄B中規定的相應劑量限值，如工作人員劑量限值為每年20mSv（5年平均值，并且任何一年≯50mSv），公眾人員劑量限值為每年1mSv。輻射防護最優化原則是指，在考慮了經濟和社會因素之后，個人受照射劑量的大小、受照射的人數以及受照射的可能性均保持在可合理達到的盡量低水平（As Low As Reasonably Achievable，ALARA）。輻射防護最優化原則必須貫穿伴有輻射照射的實踐的全過程。在堅持輻射照射三原則的前提下，通過選擇最佳的防護水平和最優的防護方案，以最小的代價獲得最大利益。

3 中子活化在線分析儀正常工況輻射劑量水平測量與計算

我公司對裝載有2枚19μg中子源的中子活化在線分析儀周圍環境的輻射劑量當量率進行了全面的測量，分別對距中子活化在線分析儀30cm和100cm處的要求點位的γ射線和中子輻射劑量當量率進行了測量和記錄，并以此測量數據來判定防護屏蔽裝置的完整性，確認中子活化在線分析儀頂部、周邊和開放的傳送帶附近的最大輻射劑量水平。在測量中子活化在線分析儀周圍環境輻射劑量時，分別測量了空傳送帶和覆蓋有約15cm厚物料時傳送帶周圍4個測點輻射劑量當量率，測量數據見表2，輻射劑量測量位置如圖4所示。

圖4 輻射劑量測量位置

由表2中的測量數據可知，物料的加載降低了測點所有位置的輻射劑量當量率測量值；在中子活化在線分析儀側面1m處的人員可出入通道區域，測點位置2、位置3處，輻射劑量當量率＜2.5μSv/h，達到了設計要求；由于傳送帶通過中子活化在線分析儀的隧道口，導致隧道口位置（測點位置1處）的輻射劑量當量率測量值偏高。

表2 傳送帶周圍4個測量位置輻射劑量當量率，μSv/h

工作人員受到的總輻射劑量與其所處的在線分析儀周圍的工作環境有關。我們利用表2中的數據對在線分析儀周圍工作的4種不同場景進行了累計輻射劑量的估算。假設工作人員全身各器官受到均勻的外輻射照射，個人承受的有效劑量與劑量當量值相等，計算4種工作場景在空傳送帶條件下，工作人員一年內所承受的有效劑量如下：

（1）日常檢查在線分析儀隧道

直接查看在線分析儀隧道所承受的最大劑量當量率是：32.6μSv/h

單次檢查時間：10s=0.002 8h

一年有效劑量：32.6μSv/h×0.002 8h×365d=33.3μSv

（2）站在在線分析儀上面工作

站在在線分析儀上面工作所承受的最大劑量當量率是：4.9μSv/h

工作時間：單次1h，每年4次

一年有效劑量：4.9μSv/h×1h×4次=19.6μSv

（3）站在在線分析儀旁邊工作

站在在線分析儀旁邊工作所承受的最大劑量當量率是：3.3μSv/h

工作時間：單次最長15s=0.004 2h，每天路過在線分析儀10次

一年有效劑量：3.3μSv/h×0.004 2h×10次×365d=50.6μSv

（4）對在線分析儀附近膠帶輪進行維護

站在離在線分析儀最近的第一個膠帶輪旁工作所承受的最大輻射劑量當量率是：7.9μSv/h

工作時間：單次0.5h，每年12次

一年有效劑量：7.9μSv/h×0.5h×12次=47.4μSv

若一名工作人員負責上述所有工作，則其一年所承受到的最大有效劑量為33.3+19.6+50.6+47.4=150.9μSv（約0.15mSv）。

（5）GB 18871-2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》，對職業照射的輻射劑量限值進行了規定。根據標準規定，應對任何工作人員的職業輻射照射水平進行控制，使之不超過下述限值：

a由審管部門決定的連續5年的年平均有效劑量（但不可作任何追溯平均），20mSv；

b任何一年中的有效劑量，50mSv；c眼晶體的年當量劑量，150mSv；d四肢（手和足）或皮膚的年當量劑量，500mSv。

（6）對任何實踐使公眾中有關關鍵人群組的成員受到的平均劑量估計值不應超過下述限值：

a年有效劑量，1mSv；

b特殊情況下，如果5個連續年的年平均劑量≯1mSv，則某單一年份的有效劑量可提高到5mSv；

c眼晶體的年當量劑量，15mSv；d皮膚的年當量劑量，50mSv。

根據實際工作場景，工作人員無需每天檢查分析儀隧道，且工作人員也不會站在在線分析儀上面工作。通過計算可得，假設一名工作人員從事有關在線分析儀的所有工作，其一年所承受的累積有效照射劑量＜0.15mSv，遠低于上述國家標準中公眾人員每年有效劑量1mSv的限值，更低于職業照射每年20mSv（5年平均，并且任何一年≯50mSv）的限值要求。

4 正常使用中子活化在線分析儀時可能發生的事故及分析

4.1 可能發生的事故

（1）人員誤入在線分析儀測量通道，導致中子及γ射線對誤入人員產生外照射輻射。

（2）放射源丟失、被盜，致使放射源失控，對環境和公眾產生外照射輻射。

（3）補充放射源過程中存在誤操作，導致對環境和公眾產生外照射輻射。

4.2 采取的措施

（1）加強在線分析儀工作現場安全管理；相關操作人員必須參加由環保部門指定機構舉辦的輻射安全與防護培訓，考核合格后方能上崗；無關人員禁止進入在線分析儀工作場所；在在線分析儀傳送帶進口和出口設置明顯的警示標識，放射源的補充由專業人員操作。

（2）加強在線分析儀工作現場的人員進出管理，配置攝像頭等監控設備，配備個人安全防護設備及個人劑量測試儀。

5 結語

綜上所述，通過對中子活化在線分析儀周圍所產生的輻射劑量當量測試數據分析，中子活化在線分析儀CF-252中子源的防護實際測量結果滿足GBZ 125-2009《含密封源儀表的放射衛生防護要求》中檢測儀表的使用場所和相應的射線泄漏控制量要求，在距源容器1m區域內很少有人停留，距邊界外1m處的輻射劑量當量率<2.5μSv/h。

假定一名工作人員從事在線分析儀的所有工作，其一年所承受的累積有效劑量約為0.15mSv，遠低于GB 18871-2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》規定的公眾照射年有效劑量限值1mSv的規定，表明中子活化在線分析儀在正常工況下對操作人員的輻射影響是可以接受的，應提高安全意識，通過科學合理的方式避免非必要的照射，避免可能發生的事故，減小輻射照射對人體或環境的危害，更好地發揮中子活化在線分析儀在水泥生產質量控制中的作用。