某工業(yè)電子直線加速器的輻射危害及防護

楊芝歌，張保增，王 瑋

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某工業(yè)電子直線加速器的輻射危害及防護

楊芝歌，張保增，王 瑋

文章以能量為10 MeV的某工業(yè)電子直線加速器為例，介紹了加速器的工作原理及主要輻射危害因子。依據相關的國家輻射防護標準，對其輻照室屏蔽防護及輻射劑量進行定量估算，為該輻照室的輻射防護設計提供合理依據。根據計算結果，提出了相應的輻射防護措施，以保障輻射工作人員和公眾的安全。

工業(yè)電子加速器；輻射危害；屏蔽設計；防護措施

隨著社會的發(fā)展，電子直線加速器廣泛應用于藥品消毒滅菌，化妝品、日用品輻照滅菌，醫(yī)療用品消毒，高分子材料、半導體材料改性等工業(yè)領域，其中以10 MeV以下的低能加速器運用更為普遍[1-2]。然而，工業(yè)直線加速器與醫(yī)用直線加速器的照射對象、劑量率等不盡相同，目前針對工業(yè)電子直線加速器的輻射防護研究較少，難以確保輻射工作人員的安全。本文以能量為10 MeV的某工業(yè)電子直線加速器為例，對工業(yè)電子直線加速器的輻射防護進行探討。

1 工業(yè)電子直線加速器的原理

本文探討的工業(yè)電子直線加速器型號為DZ-10/20-800，能量10 MeV，功率0.08～20 kW連續(xù)可調，掃描寬度為800 mm。電子直線加速器機房的北側是上貨區(qū)，東側為傳輸裝置，南側為下貨區(qū)，西側無建筑。電子直線加速器主體由電子槍、駐波加速管、聚束器、鈦泵真空系統、水冷系統、自動控制和供電系統組成。電子槍的熱陰極產生脈沖重復頻率為100～500 Hz的電子束流。從電子槍輸出的電子經過聚束器的群聚，能量約1.2 MeV，其相對論速度β≈1。之后電子進入加速管內加速，最終射出加速管的電子束能量約為10 MeV。

電子加速器機房為地上兩層建筑，一層為輻照室，電子束固定朝下，輻照產品通過傳送帶與電子束掃描相垂直的方向勻速移動，通過輻照區(qū)，接受額定劑量的輻照；二層主要為加速器的電子槍、加速管等設備機房(圖1)。

圖1 工業(yè)電子直線加速器應用工作流程Fig.1 The workflow of industrial electronic irradiation accelerators

2 工業(yè)電子直線加速器的輻射危害類別

工業(yè)電子直線加速器運行時產生的輻射危害因加速器能量的不同而有所不同，其危害主要有以下幾類[3-4]。

2.1 被加速的電子

電子直線加速器加速的電子本身在物質中的射程很短，很容易被加速器的靶件或其他構件阻止，正常工況下不會直接造成危害。事故工況中，被加速器加速的電子束穿過薄膜窗(從加速器中引出)后，成為能量較高的外電子束，在空氣中的射程較長，這時要絕對禁止無關人員進入機房，以防受到電子束或散射電子照射而造成傷害。

2.2 X射線

電子直線加速器運行時，被加速的帶電粒子從加速器的真空區(qū)引出后，與被撞擊的物質相互作用產生X射線，這種射線隨機器的開、關而產生和消失。

2.3 中子輻射

10 MeV工業(yè)電子直線加速器產生的直接中子的平均能量不超過1 MeV，混凝土對0.34 MeV中子的什值層衰減厚度為21 cm，而混凝土對10～20 MV X射線裝置90°泄露輻射的什值層衰減厚度為31～36 cm。當混凝土厚110 cm時，對中子的衰減為對10 MV X射線裝置產生的泄露輻射(TVL=31 cm)衰減的50倍。110 cm厚混凝土墻外的中子劑量小于X射線劑量的1/10。因此，輻照室采用混凝土屏蔽墻，墻的屏蔽只需考慮對X射線的屏蔽。

2.4 臭氧及感生放射性

加速器開機運行時，X射線與空氣相互作用可產生少量臭氧和氮氧化物，臭氧的產額比氮氧化物高一個量級，只要臭氧能夠達到標準，氮氧化物(限值高)也能達標，因此本文只考慮臭氧的防護。加速器開機期間，還會產生少量的感生放射性物質，如感生放射性核素13N、16N和41Ar等，主要產生方式分別是：14N(γ，n)13N，16O(n，p)16N和40Ar(n，γ)43Ar；空氣中40Ar含量極少，產生的41Ar的量也就非常少。由于感生放射性物質產量很少，半衰期也很短，停機后很快就衰變完，工作人員不立即進入機房即可。

3 輻射防護分析評價

3.1 輻射防護評價標準

根據《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》(GB18871—2002)，任何工作人員連續(xù)5年的平均有效劑量(但不可作任何追溯平均)不得超過限值20 mSv，實際運用中偏安全考慮，一般取其四分之一，即5 mSv作為職業(yè)工作人員的劑量約束值。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1 mSv，實際運用中取其四分之一即0.25 mSv作為公眾人員的劑量約束值。

根據《室內空氣質量標準》(GB/T18883—2002)，室內臭氧濃度1小時均值不允許超過0.16 mg·m-3。

3.2 輻射防護估算方法

3.2.1 輻照室輻射屏蔽估算方法

該直線加速器可能對工作人員及公眾產生的輻射危害因子為X射線和臭氧。加速器進行輻照時，電子束固定向下照射，輻照室底部為地基，因此對輻照室輻射防護評價主要考慮周圍墻體對90°方向和頂部對180°方向產生的軔致輻射。根據《輻射防護手冊——第三分冊》的相關規(guī)定，90°和180°方向發(fā)射X射線的能量低于0°方向發(fā)射的X射線的能量，在計算90°和180°方向的屏蔽時應加以修正。經查圖，側向線束單位束流90°方向，距靶1 m處產生的X線側向劑量率為：6Gy·m2/mA·min。垂直線束單位束流180°方向，距靶1m處產生的X線側向劑量率為：1.5Gy·m2/mA·min[5]。

屏蔽層厚度可按公式(1)計算：

S=T1+(n-1)Te

(1)

式中：T1——第1個1/10值層，取41 cm；Te——平衡1/10值層，取37 cm；n——1/10值層數目。

n可由公式(2)計算：

(2)

式中：Rx——X射線的屏蔽透射比。

屏蔽透射比Rx可按公式(3)進行計算：

(3)

式中：D10——距源1 m處的吸收劑量指數率(Gy·m2/mA·min)；Hm——劑量當量率限值(mSv/h)；d——X射線源與參考點之間的距離(m)；T——區(qū)域居留因子；μ——對有用線束取1，對泄漏輻射為有用線束輻射比率的0.1%。

3.2.2 輻照室輻射劑量估算方法

輻照室四周防護墻及頂棚均為次級屏蔽墻，次級屏蔽墻厚度取決于泄露輻射和散射輻射。次級屏蔽墻外的輻射劑量率可按公式(4)進行計算：

(4)式中：X10——每mA管電流產生的X射線在1 m處的照射量率(Gy·m2/mA·min)；W——每周工作負荷(mA·min/周)，W=I·t，其中I——管電流(2mA)，t——每周工作時間(min/周)；μ同公式(3)；η——居留因子，表示人員在防護區(qū)停留或居住的時間；a——散射照射量與入射照射量之比，0.025/100；s——散射面積(cm2)；f——屏蔽墻對初級X射線束的減弱因子(或叫透射率)，取10-6；d0——源與受照體的距離，0.3 m；dt——受照體與墻外0.3 m處的距離(m)。

3.2.3 輻照室臭氧防護估算方法

在考慮通風情況下，空氣中O3的平衡濃度可由公式(5)估算：

(5)

式中：Q——加速器輻照大廳內O3平衡濃度(mg/m3)；Q0——O3的輻射化學產額(mg/h)；T——有效清洗時間(h)；V——輻照大廳容積(m3)；

加速器輻照大廳內的O3產額可由公式(6)估算：

Q0=0.39D0SRG

(6)

式中：D0——照射距靶1m每mA束流X射線向前方向產生的劑量率；S——照射野面積，80cm×40cm(最大照射野面積)；R——靶與屏蔽室壁的距離(m)；G——每吸收100eV輻射能量產生的臭氧分子數，一般為6～10，為留有安全系數，取10。

有效清洗時間T可由公式(7)計算：

(7)

式中：Tv——1次換氣所需時間(h)；Td——O3有效分解時間，取0.83 h。

3.3 輻射防護評價

3.3.1 輻射屏蔽墻厚度估算

該電子加速器出束口距東墻15 m，距西墻4.2 m，距北墻12.3 m，距南墻7.3 m，距頂棚2.8 m。在各墻外0.3 m處作為參考點，通過公式(1)、(2)、(3)計算得出四周及頂棚混凝土屏蔽墻厚度(表1)。

輻照室屏蔽設計時，北墻厚度不應少于2.19 m，南墻厚度不應少于2.35 m，西墻厚度不應少于2.52 m，東墻厚度不應少于2.23 m，頂棚厚度不應少于1.73 m。

3.3.2 輻射劑量分析

控制室位于二層，與機房正上方房間相鄰，出于安全考慮，取頂棚處的居留因子為1，通過公式(4)計算可以得出四周墻體及頂棚外0.3 m處的輻射劑量(表2)。

表1 輻照室屏蔽參數設定和計算結果

表2 輻照室四周墻體及頂棚外的輻射劑量

直線加速器控制室的工作人員年最大附加劑量按照輻照機房一層頂棚處考慮，則：

6.66×10-7Gy/周×50×103=3.33×10-2mSv/a

符合工作人員5 mSv/a的劑量限值要求。

公眾人員年附加劑量按直線加速器機房外最高點位考慮：

3.16×10-7Gy/周×50×103=1.58×10-2mSv/a

符合公眾人員0.25 mSv/a的劑量限值要求。

3.3.3 臭氧產生量分析

出于安全考慮，假設出束率1，則臭氧產額為：

Q0=0.39×6×0.32×15.3×10×1

=114.57 mg/h

加速器輻照大廳體積約為150 m3，根據公式(5)(7)得出不同換氣次數時的O3平衡濃度(表3)。每小時換氣4次以上時，輻照室內空氣O3濃度低于0.16 mg·m-3的標準限值要求。

表3 加速器機房臭氧產額計算結果

4 輻射防護措施

4.1 安全設計

4.1.1 聯鎖裝置

(1)門機聯鎖：為防止有人在加速器工作狀態(tài)下誤入，加速器二層防護門必須和加速器束流控制系統聯鎖，如果照射過程中有人員誤入，系統將自動停止出束。二層防護門安裝電子鎖，當加速器出束或者劑量監(jiān)測系統監(jiān)測到超過閾值的輻射水平時，電子鎖鎖定，防護門無法從外面開啟。

(2)急停連鎖：在輻照廳內設急停拉線開關，在控制室內設一處急停鈕。當出束警鈴響后，人員無法及時出去或操作人員發(fā)現緊急情況時，可以按動任何一個緊急停止按鈕停止出束，防止被誤照。緊急停束按鈕按下后，需人工復位方可解除。

4.1.2 警示裝置

(1)在控制區(qū)、監(jiān)督區(qū)等醒目位置張貼電離輻射警告標志和中文警示說明。

(2)輻照室入口上方設置工作狀態(tài)指示燈。出束時紅燈亮，停止時綠燈亮。也可設置燈箱，并附有中文警示說明，如“紅燈亮禁止入內”等。此外，出束過程中應該有聲音提示。在控制臺上安裝加速器出束狀態(tài)指示燈。

(3)在控制室及輻照室內放置應急照明燈和安全出口指示燈，箭頭指向出口處。

4.1.3 監(jiān)視裝置

應在輻照室設多處攝像監(jiān)控器，顯示器安裝于控制室，在控制室可以全方位觀察輻照室內有無人員停留或者其他異常情況。

4.1.4 通風換氣系統

工業(yè)電子直線加速器輻照室應設置通風換氣系統，使室內的臭氧及氮氧化物濃度達到國家要求。

4.2 輻射防護管理

4.2.1 組織管理機構與規(guī)章制度

工業(yè)電子直線加速器應用單位應建立專門的輻射管理機構，全面負責輻射工作的安全管理，并進行明確的責任劃分，將單位的主要負責人作為輻射管理機構的第一負責人。此外，單位還應建立相關操作規(guī)程、崗位職責、輻射防護和安全保衛(wèi)制度、設備檢修維護制度、人員培訓計劃、監(jiān)測方案等，并嚴格遵守相關規(guī)章制度，杜絕輻射危害事故發(fā)生。

4.2.2 輻射工作人員培訓制度

從事工業(yè)電子直線加速器工作的人員須在上崗前參加有關部門組織的輻射工作人員上崗培訓，主要內容有輻射安全監(jiān)督管理知識、輻射基礎知識、輻射防護知識等，并應通過考核取得培訓合格證。此外，操作直線加速器的工作人員必須經過實際操作培訓。

4.2.3 輻射工作人員個人劑量監(jiān)測及健康管理

為保護輻射工作人員的健康與安全，輻射工作人員必須佩戴省(市)、自治區(qū)輻射衛(wèi)生防護部門規(guī)定的個人劑量計，或接受內照射劑量監(jiān)測，個人劑量計應定期送檢(不少于1季度/次)，個人劑量監(jiān)測結果必須按照相關要求進行公告。為加強個人劑量監(jiān)測和管理，輻射工作單位應建立一套完整的個人劑量監(jiān)測檔案，并妥善完整保存。

輻射工作人員上崗前還應進行職業(yè)健康檢查，符合輻射工作人員健康標準方可參加相應的輻射工作。輻射工作單位應組織上崗后的輻射工作人員定期進行職業(yè)健康檢查，兩次檢查的時間間隔不應超過2年，必要時可增加臨時性檢查。輻射工作人員脫離輻射工作崗位時，輻射工作單位應對其進行離崗前的職業(yè)健康檢查。輻射工作單位應為輻射工作人員建立并終生保存職業(yè)健康監(jiān)護檔案。

4.2.4 輻射事故應急預案

為保護輻射工作人員和公眾的身體健康和生命安全，確保在發(fā)生輻射事故時能有序、迅速的采取正確的處理措施，減輕事故后果，控制緊急事故的發(fā)展，將事故對人員、財產和環(huán)境的損失減少到最低限度，輻射工作單位應制定輻射事故應急預案。

5 結論

通過對該工業(yè)電子直線加速器輻照室輻射防護的定量研究，可以得出如下結論：

(1)屏蔽墻厚度：北墻厚度不應少于2.19 m，南墻厚度不應少于2.35 m，西墻厚度不應少于2.52 m，東墻厚度不應少于2.23 m；頂棚厚度不應少于1.73 m。

(2)工作人員年累積受照劑量不超過3.33×10-2mSv/a，公眾人員年累積受照劑量不超過1.58×10-2mSv/a，符合國家規(guī)定的年劑量限制要求；通風機每小時換氣4次以上時，室內空氣中O3濃度低于國家標準限值要求。

(3)輻射工作人員必須進行輻射培訓，佩戴個人劑量計，定期體檢。工業(yè)電子直線加速器使用單位應設置專門的輻射管理機構，制定輻射防護管理相關制度，采取相應的輻射防護措施，并制定輻射事故應急預案，以保障輻射工作人員及公眾的安全。

[1] 洪天祺，周曉劍，戴 瑜.10 MeV工業(yè)輻照電子加速器輻射防護計算方法研究[J].中國輻射衛(wèi)生，2014，23(5) ：414-415.

[2] 李新林，張聚敬.某醫(yī)院醫(yī)用電子直線加速器輻射防護設計評價[J].中國輻射衛(wèi)生，2008，17(3) ：294-295.

[3] 焦鵬飛.醫(yī)用電子直線加速器的原理探討與防護分析[J].科技向導，2013，(2)：191.

[4] 從慧玲.實用輻射安全手冊[M].北京：原子能出版社，1994：12.

[5] 方 杰.輻射防護導論[M].北京：原子能出版社，1988.

(核工業(yè)北京地質研究院，北京 100029)

Radiation Hazard and Protection of an Industrial Electronic Irradiation Accelerator

YANG Zhi-ge，ZHANG Bao-zeng，WANG Wei

(BeijingResearchInstituteofUraniumGeology，Beijing100029，China)

The 10 MeV electronic irradiation accelerators under are widely used in industrial fields.This article taking a 10 MeV industrial electronic irradiation accelerator as an example to introduce the principle and the major radiation hazards of industrial electronic irradiation accelerator.To provide a reasonable ground for the radiation protection design of the irradiation chamber，we quantitatively estimated the shielding protection and the radiation dose based on relevant radio logical standards.According to the calculation results，radiation protection measures has been proposed to guarantee the safety of workers and the public under radioactive irradiation.

industrial electronic irradiation accelerators; radiation hazard; shielding design; protection measurement

10.3969/j.issn.1000-0658.2015.05.010

2015-05-22 [改回日期]2015-06-25

楊芝歌(1989—)，女，助理工程師，主要從事環(huán)境影響評價工作。E-mail：yangzhige1101@163.com

1000-0658(2015)05-0541-06

TL5+TL7

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