核電站γ輻射劑量儀校準實驗室設備設計與研究

高 飛，徐 陽，倪 寧，張 曦，劉蘊韜，侯金兵，王菲菲，韋凱迪

(中國原子能科學研究院 計量測試部，北京 102413)

核電站在運行過程中需大量的輻射劑量儀，以確保人員和環(huán)境的安全[1-2]。輻射劑量儀校準實驗室設備通常由γ射線照射裝置、個人劑量計照射裝置、校準臺、控制臺和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)等構成。為了避免放射源之間的影響，γ射線照射裝置通常又分為60Co單源和多源照射裝置。60Co單源照射裝置通常裝載活度為3.7×1010～1.85×1014Bq的60Co放射源，用于輻射劑量儀高量程段的檢定和校準工作。多源照射裝置通常裝載活度小于3.7×1011Bq的60Co和137Cs放射源，用于輻射劑量儀中、低量程段的檢定和校準工作。為了提高個人劑量計的檢定效率，核電站校準實驗室通常還會配備個人劑量計照射裝置。散射比例是γ射線參考輻射場的重要技術指標，散射貢獻是無法避免的，只能通過優(yōu)化設計將其控制在合理的范圍內(nèi)。如何降低參考輻射場中散射光子的輻射貢獻是非常重要的課題[3-14]，為降低γ射線參考輻射場的散射貢獻，本文結合蒙特卡羅模擬的方法完成單源和多源照射裝置的優(yōu)化設計，為某核電站研建一套校準實驗室設備，并開展核電站內(nèi)部輻射劑量儀的檢定校準工作。

1 原理

單源和多源照射裝置通常為準直設計。準直照射裝置的屏蔽體由足夠厚的鉛制成，將透過容器輻射的注量減小到有用射線束的千分之一，并在源關閉時，其表面劑量率限制到可接受的水平(通常為2.5 μSv/h)，圖1為準直照射裝置原理圖。

圖1 準直照射裝置原理圖Fig.1 Principle diagram of collimated irradiation facility

2 γ射線照射裝置優(yōu)化設計

γ射線照射裝置分為準直照射裝置和全景照射裝置，準直照射裝置根據(jù)裝源數(shù)量不同通常分為多源和單源準直照射裝置。準直照射裝置由鉛屏蔽體、散射腔、準直器、快門、附加屏蔽體、放射源和底座等組成，多源照射裝置設計有載源盤。γ射線照射裝置的快門由空壓機內(nèi)的壓縮空氣驅(qū)動，因此在斷電情況下，空壓機內(nèi)的壓縮空氣仍可關閉主快門。多源照射裝置的4枚放射源位于多源照射裝置內(nèi)部的載源盤上，載源盤連接放射源定位系統(tǒng)。放射源定位系統(tǒng)通過減速電機驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并通過光耦定位選擇需要的放射源進行照射，單源和多源照射裝置結構如圖2所示。全景照射裝置由鉛屏蔽體、放射源、放射源支架、照射裝置支架、氣缸和底座等組成，通過遠程控制電磁閥利用壓縮空氣推動氣缸實現(xiàn)放射源的升降功能(圖3)。γ射線照射裝置表面采用防腐蝕、易去污的材料和工藝。螺栓、螺母和墊圈進行防腐蝕、鍍鋅，金屬部件進行氧化處理，噴涂均勻光滑。

2.1 蒙特卡羅計算模型

準直照射裝置內(nèi)部設計有散射腔用以降低裝置內(nèi)部的散射輻射，散射腔尺寸越大其作用越明顯，但裝置的重量和加工成本會迅速上升。此外，散射輻射還與準直器及實驗室布局有關，為進一步降低散射輻射，采用蒙特卡羅模擬的方法對γ射線照射裝置和實驗室布局進行優(yōu)化設計。應用蒙特卡羅程序MCNP計算輻射場中散射光子的問題時，用到的命令卡包括標題卡、柵元卡、曲面卡和數(shù)據(jù)卡。其中，數(shù)據(jù)卡包括模擬類型卡、柵元參數(shù)及曲面參數(shù)卡、源卡、計數(shù)卡等。計算模型主要包括水泥臺、墻壁、地面、校準臺和空氣等。準直輻照裝置包括鉛屏蔽體、散射腔、準直器、附加屏蔽體、快門、放射源和底座等。準直器由鎢合金(W，89%；Ni，7%；Cu，4%)制成，密度約18 g/cm3。實驗室中水泥墻壁的密度為2.35 g/cm3，由氧(52.9%)、硅(33.7%)、鐵(1.3%)和其他元素(12.1%)所組成?？諝饷芏葹?.001 293 g/cm3，由氧(23.2%)、氮(76%)及碳和氬(0.8%)等組成。為簡化計算，節(jié)省計算時間，對上述幾何結構均作適當?shù)母呕幚?，輻射場計算模型如圖4所示。利用MCNP程序中F4命令計算參考點處的光子注量率φ，利用DE/DF命令將計算得到的光子注量率乘以Kα/φ(Kα/φ為光子注量率-空氣比釋動能率換算因子，表示輻射場中某一能量光子的注量率產(chǎn)生的劑量率[16]，pGy·cm2)換算為空氣比釋動能率[15]。使用CF計數(shù)命令計算參考輻射場中來自不同物體(校準臺、準直器、鉛容器、地面和墻壁等)的散射貢獻[15]。

圖2 單源(a)和多源(b)照射裝置結構Fig.2 Single source (a) and multi-source (b) irradiation facility structures

圖3 全景照射裝置結構Fig.3 Irradiation facility structure without collimator

圖4 輻射場計算模型Fig.4 Radiation field simulation model

2.2 散射腔設計

準直照射裝置的散射腔用于降低照射裝置自身的散射輻射，散射腔越大其作用越明顯，但會增加裝置的重量。利用MCNP程序?qū)Σ煌叽绲纳⑸淝贿M行模擬計算，計算模型如圖5所示，計算結果示于圖6。由圖6可看出，散射腔直徑對散射輻射影響較小，散射腔高度對散射輻射的影響較大，即散射腔高度越大，由照射裝置屏蔽主體帶來的散射輻射越小。最終將散射腔尺寸設計為φ4 cm×18 cm(體積為226 cm3)時照射裝置屏蔽主體帶來的散射比例最低(0.015%)。

a——φ12 cm×10 cm；b——φ4 cm×6 cm圖5 不同尺寸散射腔的計算模型Fig.5 Scattering chamber simulation model with different sizes

2.3 準直器設計

利用MCNP程序建立模型，將準直器分為內(nèi)準直器、快門準直器和外準直器3組，圖7為不同準直器的照射裝置結構，計算每組準直器對輻射場均勻性的影響。為計算輻射場中空氣比釋動能率的橫向分布，在距放射源1 m位置處設置一系列橫向排列的立方體計數(shù)柵元，每隔1 cm設置1個計數(shù)柵元。計數(shù)柵元為立方體而不是球體，這是因為在射束外的半影區(qū)內(nèi)光子劑量非常小，在同樣間距下，立方體相對于球體來講計數(shù)有效體積更大，計數(shù)效率更高，圖8為輻射場均勻性計算模型。輻射場均勻性計算結果示于圖9。由圖9可知，準直器由內(nèi)準直器、快門準直器和外準直器3部分構成時均勻性最好。在±12 cm范圍內(nèi)均勻性好于5%，滿足使用要求，因此將準直照射裝置的準直器設計為3部分，共9片鎢合金準直器，準直器的張角為14°。

圖6 不同圓柱形散射腔的散射比例Fig.6 Scattering ratio by different scattering chambers

a——內(nèi)準直器；b——內(nèi)準直器和快門準直器；c——快門準直器；d——外準直器和快門準直器；e——外準直器；f——外準直器、快門準直器和內(nèi)準直器圖7 不同準直器的照射裝置結構Fig.7 Irradiation facility structure with different collimators

圖8 輻射場均勻性計算模型Fig.8 Uniformity simulation model for radiation field

圖9 輻射場均勻性計算結果Fig.9 Uniformity simulation result for radiation field

3 校準臺設計

校準臺為全自動控制，在沿射束方向鋪設的軌道上由電機驅(qū)動。校準臺上的載物平臺可上下、橫向(垂直于軌道的平面方向)及正反(±180°)轉(zhuǎn)動，均由電機驅(qū)動并有限位信號。校準臺控制系統(tǒng)分為本地控制和遠程控制，均為有線控制。本地控制能實現(xiàn)校準臺沿軌道的前進(定位精度1 mm)、后退(定位精度1 mm)及載物平臺的上升、下降、橫移、順時針轉(zhuǎn)動和逆時針轉(zhuǎn)動等功能。遠程控制端位于控制間，由計算機軟件控制，除包括本地控制的所有功能外，還具有自動定位的功能。校準臺設計結構如圖10所示，主要包括：1) 載物臺，可使其上放置的儀表上下移動到射束中心，有移動距離顯示；2) 旋轉(zhuǎn)底座，具備旋轉(zhuǎn)定位功能，步進電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)底座橫向移動使載物平臺上放置的儀表移動到射束中心；3) 車體，置于軌道之上，步進電機驅(qū)動地車在軌道上移動，定位精度為1 mm；4) 驅(qū)動及定位系統(tǒng)，用于限位和齒輪傳動定，使校準臺在射束方向移動；5) 軌道，支撐校準臺；6) 軌道預埋件，即底軌用于將軌道固定在實驗室地板上；7) 攝像頭支架，用于架設攝像頭，該攝像頭在實驗過程中可讀取被校儀表的讀數(shù)。

圖10 校準臺設計結構Fig.10 Calibration platform structure

4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由控制臺、專用控制器、計算機控制程序、PLC工業(yè)控制器和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)等組成。專用控制器和計算機控制程序功能相同，互為冗余設計，能實現(xiàn)對設備的基本控制，包括更換放射源、快門到位診斷、與安全系統(tǒng)聯(lián)鎖、校準臺控制(距離，升降和角度等)。專用控制器和計算機控制程序能直觀顯示照射裝置、校準臺和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的工作狀態(tài)。監(jiān)控設備由兩臺彩色監(jiān)視器、3臺攝像機和切換器相連，實現(xiàn)全景監(jiān)視、儀表讀數(shù)、標尺讀數(shù)(距離)?？刂朴嬎銠C屬通用計算機，可與專用控制器連接，實現(xiàn)集中管理、數(shù)據(jù)處理和證書打印等功能。控制臺具備UPS不間斷供電系統(tǒng)，斷電可工作30 min以上。安全聯(lián)鎖系統(tǒng)包括急停開關、安全門禁系統(tǒng)、燈光報警系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)和輻射劑量儀等，安全聯(lián)鎖響應時間≤1 s。輻射劑量儀用于人員的劑量監(jiān)測與防護，量程為0.1 μSv/h～100 mSv/h，能量范圍為60 keV～1.25 MeV。

5 實驗結果

完成單源照射裝置、多源照射裝置、全景照射裝置、校準臺、控制臺、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的安裝調(diào)試后，需對源裝置產(chǎn)生的參考輻射場的均勻性和散射比例進行實驗，為建立計量標準提供依據(jù)。利用PTW Unidos劑量計配30 cc柱形電離室對所研制的單源和多源照射裝置產(chǎn)生的輻射場劑量率分布和均勻性進行實驗測量，測量結果列于表1，表1中數(shù)據(jù)已扣除天然本底(0.50 μSv/h)，1#、2#、3#、4#源為137Cs，置于多源照射裝置中，5#源為60Co，置于單源照射裝置中。

文獻[17]規(guī)定經(jīng)空氣減弱修正后，空氣比釋動能率應在5%以內(nèi)，與參考點距放射源距離平方的倒數(shù)呈正比。計算不同距離處劑量率測量結果與理論結果的偏差，表2所列為輻射場中散射比例分布情況。由表2可知，輻射場中空氣比釋動能率實測值在5%以內(nèi)，與參考點距放射源距離平方的倒數(shù)呈正比，滿足相關標準的要求[18]。

距1#源和5#源1 m處，利用電離室進行掃描測量以確定輻射場的均勻性，測量間隔為2 cm，測量結果如圖11所示。由圖11a可知，輻射場分布的實驗測量值和計算結果符合較好，相對誤差在1%以內(nèi)，在距放射源1 m處137Cs放射源輻射場的寬度分別為17.6 cm和17.3 cm。由圖11b可知，中間平坦區(qū)域?qū)嶒灪陀嬎憬Y果符合較好，相對誤差在0.3%以內(nèi)，在距放射源1 m處60Co放射源輻射場的測量寬度分別為17.8 cm和17.6 cm，測量結果和計算結果相差在0.5%左右。

表1 輻射場劑量率分布Table 1 Dose rate distribution in radiation field

表2 輻射場中散射比例分布Table 2 Scattering ratio in radiation field

a——1#源；b——5#源圖11 輻射場均勻性Fig.11 Uniformity of radiation field

6 結論

結合蒙特卡羅方法完成了60Co單源照射裝置和137Cs多源照射裝置的優(yōu)化設計，并利用PTW空腔電離室對輻射場的散射比例和均勻性進行測量。結果表明，γ校準實驗室的輻射劑量技術指標滿足ISO4037標準的要求，目前該校準實驗室已通過相關資質(zhì)認可，具備開展校準檢定的技術能力和資格。