X射線源安全防護罩設(shè)計

西北農(nóng)林科技大學 鄭博文

■引言

隨著國防科學、放射性醫(yī)學和核技術(shù)應用的不斷發(fā)展，各種放射性射線被廣泛應用，其中比較常見的一種輻射是X射線輻射。X射線輻射是一種短波長輻射，由于其穿透能力強被用于工業(yè)產(chǎn)品的無損探傷和醫(yī)學上的人體檢測和CT成像。X射線輻射作用于生物體時能造成電離輻射，這種電離作用能造成生物體的細胞、組織、器官等損傷引起病理反應，稱為輻射生物效應。輻射對生物體的作用是一個非常復雜的過程，生物體從吸收輻射能量開始到產(chǎn)生輻射生物效應，要經(jīng)歷許多不同性質(zhì)的變化，一般認為將經(jīng)歷四個階段的變化：首先是物理變化階段，持續(xù)約10-16秒，細胞被電離；然后經(jīng)歷物理-化學變化階段，持續(xù)約10-6秒，離子與水分子作用形成新產(chǎn)物；接著進行化學變化階段，持續(xù)約幾秒，反應產(chǎn)物與細胞分子作用，可能破壞復雜分子；最后是生物變化階段，持續(xù)時間可以是幾十分鐘至幾十年，上述的化學變化可能破壞細胞或其功能。輻射生物效應可以表現(xiàn)在受照者本身，也可以出現(xiàn)在受照者的后代。表現(xiàn)在受照者本身的稱為軀體效應（按照顯現(xiàn)的時間早晚又分為近期效應和遠期效應），出現(xiàn)在受照者后代稱為遺傳效應。根據(jù)相關(guān)國家標準，如直接受到X射線的照射，其輻射劑量（≥7.5μSv/h）遠大于國家安全標準2.5μSv/h，使人體遭受輻射損傷。

對于X射線源需要采取適當、合適的安全防護措施將輻射對人體的危害消除，確保人員使用的安全。X射線防護服是在放射源和人員之間使用的一種能有效吸收X射線的屏蔽物， 以消除或減弱X射線對人體的危害。屏蔽材料對電離輻射的屏蔽機理是通過材料中所含吸收物質(zhì)對電離輻射的吸收完成的。

本文針對一款進口的X射線源L9181進行安全防護罩設(shè)計，其型號為封閉式微焦點X射線源L9181，聚焦焦點尺寸最小為5μm，靶 材 為W（鎢），最 高 功 率 為39W，X射線管高壓范圍為40～130kV，總體尺寸約為319mm×171mm×147mm，總質(zhì)量10kg。濱松公司微焦點源如圖1所示。

圖1 濱松公司微焦點源

■防護罩厚度設(shè)計

技術(shù)安全防護措施首先考慮輻射防護，通過防護控制外照射的劑量，使其保持在合理的最低水平，不超過國家輻射防護標準規(guī)定的劑量當量限值。在保證輻射安全的情況下安全設(shè)計方案應該最大程度地方便實驗使用。防護罩的鉛材料厚度需要根據(jù)X射線輻射源的強度和能量計算確定，必須達到的安全輻射值以國家標準GB18871-2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》為依據(jù)。根據(jù)國家標準，任何工作人員的職業(yè)放射水平必須保證一年劑量總值不得超過50mSv，每年按照50周考慮工作時間，每周的劑量當量限值為1mSv（即0.1rem/周）。

采用兩種方法計算需要的鉛壁厚度，兩種方法相互驗證結(jié)果。第一種方法首先計算出需要的屏蔽透射量，然后由實驗測量得到的射線減弱曲線求出所需要的屏蔽層厚度。

式中：B為X射線的屏蔽透射量R/（mA·min）（在1m處）數(shù)值，1R≈1rem；P為每周最大容許劑量當量：職業(yè)性照射為P=0.1rem/周；R為X射線源到操作者的距離；T為居留因子，全居留T=1；U為使用因子，充分使用U=1；W為工作負荷，mA·min/周（即每周的工作負擔，等于每周工作時間與管電流的乘積）。

濱松微焦點源的最高電壓130kV，最大管電流0.3mA，其工作負荷為：

W=0.3mA×60min×8h×5day=720mA·min/周

計算得到屏蔽透射量為：

8.2m～8.5m標高部分堤段越浪跌落區(qū)為景觀硬地，鋪設(shè)有花崗巖石板等硬質(zhì)材料，可不做防護處理；部分堤段越浪跌落區(qū)為綠地，則采用抗沖刷能力強的抗沖加筋生態(tài)植生網(wǎng)墊，表面覆土用于景觀綠化。

B=（0.1×1）/（720×1×1）=1.39×10-4rem/（mA·min）

查表對應150kV曲線（最接近130kV）得到鉛層的厚度約為2.8mm，保險取3mm。

第二種方法則是根據(jù)半值層計算需要的鉛墻厚度，半值層表示X射線劑量衰減一半時需要的鉛層厚度。計算步驟如下：

（1）計算屏蔽前的射線劑量I0。

（2）確定屏蔽后的安全劑量I（國家標準值）。

（3）根據(jù)屏蔽要求，求出n值，n=Lg/Lg2。

（4）根據(jù)射線能量和屏蔽物質(zhì)的種類表查出半值層厚度T0。

每周工作負荷W=5day×8hour×60min×0.3mA=720mA·min。對于輻射劑量我們根據(jù)X光機的輻射劑量值進行比對。根據(jù)資料對于最大管電壓250kV，最大管電流1mA的X光機在距離射線源1m處1mA·min時產(chǎn)生的劑量是X=0.02Sv。我們使用的微點源最高管電壓130kV，最大管電流0.3mA。按比例換算劑量X=0.00312Sv，因此沒有防護時工作人員所處位置（1m）一周總劑量I0=X·W/R2=2.24Sv。根據(jù)國家標準計算的每周允許最大輻射劑量I=0.1rem=0.001Sv。根據(jù)n=Lg/Lg2得 到n=11.13。鉛 對125kV的X射線的半值層厚度為T0=0.28mm，鉛對150kV的X射線的半值層厚度為T0=0.3mm。計算出來的厚度分別為T=13.8×0.28mm=3.11mm和T=13.8×0.3mm=3.34mm。對于130kV比較合適的值為3.2mm左右。

可以看到兩種計算方法的結(jié)果比較一致，其中方法2的計算值略大于方法1計算的數(shù)值，主要誤差可能來源于對濱松X射線源輻射劑量的估值偏高。我們根據(jù)X光機的輻射劑量值來對微焦點源的輻射劑量值進行估算，由于X光機輻射功率大，射線能量高在空氣中衰減也小，而微焦點源輻射的射線能量低，在空氣中衰減要大，因此實際微焦點源輻射的計量值要偏低些，并不完全正比例與功率之比。因此比較安全的鉛厚度值可以選擇為3～3.5mm。整體鉛屏蔽墻采用雙層結(jié)構(gòu)，采用3～3.5mm鉛作為內(nèi)層，1mm鐵作為外層。

■結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)X射線源產(chǎn)品的自身安全機制并結(jié)合實際實驗的需求，我們將屏蔽光路系統(tǒng)設(shè)計為兩級防護罩的形式，分為外層屏蔽墻和內(nèi)層屏蔽盒。使用鉛墻將整個光路進行封閉，不設(shè)觀察窗，如圖3所示。內(nèi)層屏蔽盒設(shè)有出光口，出光口安置有機械快門，由快門控制出光狀態(tài)。X射線微點源由計算機遠程控制，因此內(nèi)層屏蔽盒開蓋頻率非常低，實驗人員的主要操作在外層屏蔽墻內(nèi)進行。在外層屏蔽墻內(nèi)操作時，內(nèi)層屏蔽盒的快門必須處于關(guān)閉狀態(tài)，X射線被阻擋不允許入射到屏蔽光路內(nèi)。屏蔽光路示意圖如圖2所示。

圖2 屏蔽光路示意圖

濱松X射線源產(chǎn)品自身設(shè)計了Interlock結(jié)構(gòu)用于安全防護，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 X射線源Interlock結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)濱松產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，將Interlock1和Interlock2與屏蔽系統(tǒng)的倉門（DOOR）和供電電源（DC 24V）連成安全控制電路，倉門處于“開”狀態(tài)時供電電源被斷開，X射線源無法啟動。當在工作狀態(tài)下打開倉門時，由于電路被切斷X射線源停止工作。

X射線元件有反射式和透射式兩種，相應的光路設(shè)計成直線式和折線式如圖4所示。因此外層屏蔽墻設(shè)計為主腔體（直線式）和副腔體（正方形），便于進行光路組合。

圖4 屏蔽光路結(jié)構(gòu)示意圖

為了防止誤操作，我們將Interlock與內(nèi)層屏蔽盒的倉門相連接，而外層屏蔽墻的門與內(nèi)層屏蔽盒出光口處的快門控制電路相互連接。當操作人員未將快門關(guān)閉而打開外層屏蔽墻的門進行操作時，快門控制電路被強行斷開，出光口被阻斷。快門的控制電路和外墻壁門的相連通形成安全電路。除了設(shè)置安全回路以外，還需要在外部增加安全警示燈，當快門打開時警示燈亮，起到警示作用。錯誤操作示意圖如圖5所示。

圖5 錯誤操作示意圖

對光路的監(jiān)控將通過監(jiān)控攝像頭（普通電腦攝像頭即可500萬像素）進行，光路內(nèi)設(shè)置照明燈具，監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖6所示。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

監(jiān)控系統(tǒng)的作用主要有:①避免了使用觀察窗，減少了輻射泄漏的可能性；②減少了操作者直接檢查光路的頻率，從而降低了暴露在輻射中危險幾率；③通過專門一個攝像頭監(jiān)控快門的運行狀態(tài)，防止快門系統(tǒng)出現(xiàn)故障引起意外，進一步提高安全系數(shù)。

由于X射線源、記錄設(shè)備以及監(jiān)控設(shè)備等需要接入電源線和數(shù)據(jù)控制線，這不可避免需要在屏蔽墻上開孔，為了減少輻射泄漏，開孔處必須采用“迷宮”結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖7所示。具體做法將內(nèi)屏蔽盒的電線的出口和外墻的引出口錯開，避免了X射線直接從出口處直射出來。

圖7 開孔處“迷宮”設(shè)計

內(nèi)屏蔽盒的散熱孔同樣采用“迷宮”設(shè)計，出氣孔放置電腦風扇，保證盒內(nèi)氣流流動及時將熱量散發(fā)出去。內(nèi)屏蔽盒的散熱孔設(shè)計如圖8所示。

圖8 內(nèi)屏蔽盒的散熱孔設(shè)計

由于在屏蔽好后，使用X射線劑量儀距離屏蔽體外40cm處，對不同方位的點位進行劑量測量，選取點位數(shù)為14個，采用輻射劑量計測得的劑量結(jié)果如表1所示，均遠小于國家安全標準2.5μSv/h（1μSv/h=1000nSv/h）。

表1 安全防護罩外各點的輻射劑量表

■承重設(shè)計

鉛屏蔽裝置的質(zhì)量很大，可能超過承載壓強要求，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，建筑單位面積承載壓強不超過200kg/m2。鉛密度為11350kg/m3，鐵密度為7800kg/m3。初步設(shè)計屏蔽墻尺寸2500mm×300mm×300mm，其底部安裝面積0.75m2。以屏蔽墻鉛厚度3mm計算得到鉛墻中鉛重57.2kg，屏蔽盒尺寸500mm×200mm×200mm，鉛重量9.5kg，屏蔽使用的鉛總重67.9kg，而鐵的重量，粗估按比例計算31.3kg（鐵層內(nèi)外層總厚度2mm），因此總重約99kg（壓強132kg/m2）。考慮安放在光學平臺上使用，平臺重量估計值800kg，平臺底面積3m2（2.5m×1.2m×0.8m）。在平臺底部鋪設(shè)具有較大面積的鐵板增加接觸面積以減少壓強，鋪設(shè)鐵板面積3m×2m=6m2，則壓強值減少到（800+99）/6即約為150kg/m2。

■結(jié)束語

本文介紹了X射線源的安全防護罩設(shè)計方法，采用屏蔽透射量計算法和半值層計算法兩種方法對安全防護罩的鉛層厚度進行計算，并對厚度值進行了核對，確保計算的準確性。通過對光路結(jié)構(gòu)、聯(lián)鎖以及承重等方面的優(yōu)化設(shè)計，提升了安全防護罩對X射線的防護能力，降低了試驗過程中輻射泄露對人員可能造成傷害的概率。輻射劑量測試顯示安全防護罩外部輻射劑量遠低于國家標準值，能夠為X射線源的安全運行提供保障。