臥位式工業(yè)電子輻照加速器主機(jī)的屏蔽設(shè)計分析及防護(hù)效果驗證

王路杰, 王飛, 伍虎

(浙江杭康檢測技術(shù)有限公司，杭州，310015)

工業(yè)電子輻照加速器在電纜企業(yè)應(yīng)用廣泛，主要用于電纜交聯(lián)。設(shè)備產(chǎn)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S網(wǎng)狀體型結(jié)構(gòu)，從而改變電纜結(jié)構(gòu)，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(yè)電子輻照加速器一般分為立式和臥式，立式具有結(jié)構(gòu)簡單且束流損失小的優(yōu)點，臥式具有節(jié)省空間的優(yōu)點，目前，立式工業(yè)電子輻照加速器的應(yīng)用更為廣泛。

某公司因電纜生產(chǎn)需要，配備了1臺由無錫愛邦輻射技術(shù)有限公司生產(chǎn)，型號為AB 1.5 MeV-60 mA的高頻高壓型工業(yè)電子輻照加速器，設(shè)備產(chǎn)生的電子束流能量最高為1.5 MeV，電子束流強(qiáng)度最大為60 mA。因預(yù)留的輻照樓無主機(jī)室且位于車間中部，受到車間內(nèi)部高度限制，該公司最終確定采用極少見的臥位式結(jié)構(gòu)，且對裸露的主機(jī)的束流偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用“鉛板+鋼板”結(jié)構(gòu)的屏蔽箱進(jìn)行防護(hù)。本文從理論計算結(jié)果和現(xiàn)場驗證檢測結(jié)果這兩方面分析這種防護(hù)方式的有效性和經(jīng)濟(jì)性。

1 機(jī)房布局及防護(hù)設(shè)計

某公司輻照樓為單層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其一層為輻照室(含迷道)和控制室，頂部為設(shè)備平臺，設(shè)備的主機(jī)(含鋼筒、束流偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)等)、冷卻水系統(tǒng)、氣體系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等輔助設(shè)備均安裝于此。設(shè)備主機(jī)的束流偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的四周和頂部均采用“鉛板+鋼板”進(jìn)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(shè)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(hù)設(shè)計分析

工業(yè)電子輻照加速器主機(jī)的屏蔽防護(hù)主要考慮電子在加速和偏轉(zhuǎn)過程中，損失的束流轟擊靶、各結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生的軔致輻射(X射線)。相關(guān)的計算公式及參數(shù)詳見公式(1)～(3)及表1和表2[1]。

表1 X射線發(fā)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)參考點的吸收劑量率，Gy/h；1×10-6為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)；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(shù)；n為十分之一值層的個數(shù)。

D=60·Q·I·fe

(3)

式中，D為距離X射線輻射源1 m處的標(biāo)準(zhǔn)參考點的吸收劑量率，Gy/h；Q為X射線發(fā)射率，Gy·m2·mA-1·min-1；I為電子束流強(qiáng)度，mA；fe為X射線發(fā)射率修正系數(shù)。

(2)參數(shù)選擇

根據(jù)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(qiáng)度為0.12 mA)，束流損失點的能量為0.45 MeV。主機(jī)屏蔽箱壁保守考慮側(cè)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(cè)向入射電子的能量。主機(jī)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(fā)射率修正系數(shù)取0.5。

(3)理論計算結(jié)果

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

圖4 X射線發(fā)射率圖[2]

圖5 等效入射電子能量與入射電子能量的關(guān)系[2]

3 結(jié)果驗證和分析

評價單位使用FLUKE生產(chǎn)的451P型X、γ射線巡測儀(在檢定有效期內(nèi)，儀器性能滿足檢測要求)對加速器主機(jī)進(jìn)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(nèi)設(shè)置有測試電纜。檢測結(jié)果列于表4。

綜合考慮防護(hù)材料密度和實際厚度可能存在的偏差，結(jié)合表3和表4分析可知：理論計算結(jié)果和驗證檢測結(jié)果較接近，表明采用“鉛板+鋼板”的形式對工業(yè)輻照電子加速器的主機(jī)進(jìn)行防護(hù)，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(hù)理論計算結(jié)果

表4 工作場所屏蔽防護(hù)驗證檢測結(jié)果

4 建議

綜合考慮本項目的屏蔽設(shè)計分析、防護(hù)效果驗證，以及該類型設(shè)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(yōu)先考慮經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備性能，建議輻照廳和主機(jī)廳均采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，主機(jī)廳頂板采用模塊式結(jié)構(gòu)，方便吊裝主機(jī)，且不破壞原有結(jié)構(gòu)。

②在建設(shè)高度受限情況下(例如在現(xiàn)有車間內(nèi)部建設(shè)輻照機(jī)房，空間受限)，宜采用臥位式加速器。

③如預(yù)期近期場所搬遷概率較高時，宜采用“鉛板+鋼板”對主機(jī)進(jìn)行防護(hù)，方便后期拆除以及防護(hù)材料的重復(fù)利用。

④如采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，無法完成設(shè)備吊裝時，宜采用“鉛板+鋼板”對主機(jī)進(jìn)行防護(hù)，便于先吊裝設(shè)備再進(jìn)行防護(hù)。