電離輻射實(shí)驗(yàn)室源裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證

謝衛(wèi)平，趙喜寰，丁長(zhǎng)龍，陳皞，高云飛

（江蘇核電有限公司保健物理處，江蘇 連云港 222000）

在放射性場(chǎng)所作業(yè)時(shí)，需要使用輻射儀表測(cè)量作業(yè)場(chǎng)所的劑量率水平，以確保工作人員的安全。根據(jù)JJG 393［1］劑量率儀檢定規(guī)程要求，劑量率儀進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)的周期不超過1 a，以確保儀表的計(jì)量性能符合檢定規(guī)程和儀表使用說明書的技術(shù)要求［2-3］。因此，很多輻射儀表的使用單位都建立了電離輻射實(shí)驗(yàn)室［4］，實(shí)驗(yàn)室的核心設(shè)備是γ輻射裝置［5］。γ輻射裝置主要由源裝置、軌道和小車、激光準(zhǔn)直系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。

GB/T 12162.1規(guī)定［6］：在標(biāo)準(zhǔn)的γ輻射場(chǎng)中由散射射線產(chǎn)生的劑量率貢獻(xiàn)不應(yīng)超過總輻射劑量率的5%，即電離輻射實(shí)驗(yàn)室的γ射線輻照裝置的準(zhǔn)直器、刻度小車和四周墻壁引起的散射輻射都必須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

周旭［7］、曲延濤［8］、鄭文君等［9］分別對(duì)電離輻射實(shí)驗(yàn)室的防護(hù)問題、主工藝設(shè)計(jì)、源項(xiàng)分析等內(nèi)容進(jìn)行了研究和分享。本文對(duì)某核電廠電離輻射實(shí)驗(yàn)室對(duì)增加源裝置中裝載60Co放射源活度的優(yōu)化工作進(jìn)行研究，分析放射源活度增大后對(duì)輻射場(chǎng)相關(guān)技術(shù)參數(shù)［10-12］的影響。

1 項(xiàng)目實(shí)施的背景

核電廠使用的輻射防護(hù)劑量率儀的量程多數(shù)為1 μSv/h～1 Sv/h，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)的情況，一般使用的量程范圍為10 μSv/h～100 mSv/h。量程范圍為10 μSv/h～100 mSv/h的劑量率儀表在單位建立的電離輻射實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行檢定，量程超出100 mSv/h的劑量率儀表需要送到外部檢定機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定。

核電廠電離輻射實(shí)驗(yàn)室源裝置設(shè)計(jì)最大裝載60Co的放射源活度為10 Ci［13-14］。根據(jù)JJG 393的要求，模擬顯示儀器的檢定測(cè)試點(diǎn)應(yīng)選在每個(gè)量程的50%～75%范圍內(nèi)或附近。根據(jù)理論計(jì)算及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，γ輻照裝置一般運(yùn)行10.5 a（2個(gè)60Co半衰期）左右就需要更換一次放射源，以滿足檢定劑量率儀表的要求。而頻繁地更換放射源給核電廠帶來了輻射安全隱患，同時(shí)增加了生產(chǎn)費(fèi)用。因此，對(duì)源裝置裝載放射源60Co最大活度增加到20 Ci的方案進(jìn)行研究。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)原理

源裝置采用主輔雙快門進(jìn)行防護(hù)，裝置的原理如圖1所示。

圖1 源裝置原理Fig.1 Source device schematic

源裝置由散射腔、鉛屏蔽體、輔快門、主快門、內(nèi)光闌、放射源、前光闌和底座等幾部分構(gòu)成。裝置用鉛作為主要屏蔽材料，快門由鎢合金組成。整個(gè)裝置設(shè)計(jì)有主輔雙重快門，以保障安全。輔快門與內(nèi)光闌為一體，位于內(nèi)光闌與散射腔之間，由減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。工作時(shí)先打開電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)輔快門，再利用汽缸推動(dòng)主快門。主快門由空壓機(jī)內(nèi)的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，即使在斷電的情況下，空壓機(jī)內(nèi)的壓縮空氣仍然可以關(guān)閉主快門。

2.2 機(jī)械加工要求

2.2.1 公差

機(jī)械加工表面和非機(jī)械加工表面未標(biāo)注公差尺寸的極限偏差，分別按GB/T 1804—2000中的m級(jí)和c級(jí)公差等級(jí)的規(guī)定。

2.2.2 焊接

焊接表面的外觀應(yīng)符合以下要求：①焊接和熱影響區(qū)域表面不得有裂紋、氣孔、弧坑和夾渣等缺陷，焊接表面上的熔渣和兩側(cè)的飛濺物應(yīng)清除干凈；②焊縫咬邊深度不得大于母材厚度的10%，咬邊連續(xù)長(zhǎng)度不應(yīng)超過50 mm，焊縫兩邊咬邊的總長(zhǎng)度不應(yīng)超過該焊縫長(zhǎng)度的10%；③焊縫與母材應(yīng)圓滑過渡，且無明顯的不規(guī)則形狀；④對(duì)焊接縫修磨后的厚度不得小于母材厚度。

3 理論計(jì)算與模擬分析

3.1 輻射散射的影響

源裝置的散射腔為圓柱體，放射源置于散射腔中以減小屏蔽體自身的散射貢獻(xiàn)。散射腔的大小直接影響源裝置的大小和質(zhì)量，以及相應(yīng)裝置的生產(chǎn)成本。在選擇散射腔尺寸時(shí)，需要綜合考慮。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)圓柱高10 cm不同半徑、半徑4 cm不同高度的散射腔進(jìn)行模擬，結(jié)果見表1。

表1 圓柱散射腔尺寸模擬結(jié)果Tab.1 Simulation results of cylindrical scattering cavity dimensions

由表1可知，散射腔的半徑對(duì)散射劑量的貢獻(xiàn)影響不大，但散射腔的高度對(duì)散射劑量的影響較大。散射腔的高度會(huì)影響源裝置的尺寸和屏蔽層的厚度。結(jié)合設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及放射源的尺寸大小，散射腔選為半徑為8 cm、高為10 cm的圓柱體。結(jié)果顯示，采用該尺寸的散射腔，能夠?qū)⑵帘误w的散射貢獻(xiàn)降低至0.05%以下，對(duì)輻射場(chǎng)的影響可以忽略。

3.2 源裝置錐角增加至14°對(duì)輻射散射的影響

根據(jù)理論計(jì)算，源裝置錐角增加至14°時(shí)相應(yīng)的輻射場(chǎng)范圍為±1.33 m，張角增加并不會(huì)對(duì)兩側(cè)的墻壁產(chǎn)生輻照，也不會(huì)產(chǎn)生附加散射。另外，γ源裝置中放射源距離地面約為1.6 m，增加張角后仍然不會(huì)對(duì)地面引起輻照和產(chǎn)生附加散射。在有效校準(zhǔn)距離（6 m）以內(nèi)，輻射場(chǎng)范圍為±0.73 m，在該范圍內(nèi)會(huì)對(duì)刻度小車產(chǎn)生輻照，引入的附加散射輻射不足0.1%。綜上所述，單源γ照射裝置張角增加至14°以后幾乎不會(huì)對(duì)輻射場(chǎng)的散射輻射產(chǎn)生影響，帶來的附加散射不足0.1%，幾乎可以忽略不計(jì)。

3.3 不確定度的影響

參考輻射在檢定過程中的不確定度來自多方面［15］，主要包括：主標(biāo)準(zhǔn)器刻度因子、待檢儀表的重復(fù)性、時(shí)間、溫度、濕度、刻度小車定位重復(fù)性和輻射場(chǎng)均勻性等，與源裝置相關(guān)的不確定度因素有輻射場(chǎng)均勻性和機(jī)械重復(fù)性。通過模擬，在距離軸線±12 cm范圍內(nèi)，參考輻射場(chǎng)的均勻性約為1%［16］。因此，將參考輻射場(chǎng)均勻性對(duì)檢定結(jié)果產(chǎn)生的不確定估計(jì)為1%（屬于B類不確定度）。

源裝置的主快門采用氣缸驅(qū)動(dòng)，機(jī)械定位精度為0.3 mm；輔快門采用減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定位精度約0.5 mm。兩者的機(jī)械重復(fù)性對(duì)輻射場(chǎng)邊緣會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但是對(duì)輻射場(chǎng)有用束產(chǎn)生的影響較小。因此，源裝置的機(jī)械重復(fù)性對(duì)儀表檢定結(jié)果產(chǎn)生的不確定度估計(jì)為0.5%［16］（屬于B類不確定度）。

4 測(cè)量驗(yàn)證

使用PTW30cc的柱形電離室對(duì)源裝置的輻射場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)各環(huán)境參數(shù)為：溫度22℃，相對(duì)濕度20%，氣壓101.39 kPa。

4.1 劑量率分布測(cè)量

選取檢定常用距離進(jìn)行劑量率測(cè)量，結(jié)果見表2。

表2 劑量率分布測(cè)量結(jié)果Tab.2 Dose rate distribution measurement results

由表2可知，實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值存在一定的差距，約8%左右，這主要是因?yàn)樵囱b置裝載的放射源有包殼，且放射源存在自吸收導(dǎo)致的。

4.2 輻射場(chǎng)均勻性測(cè)量

選取距離放射源1.16 m處，輻射場(chǎng)均勻性測(cè)量結(jié)果見表3。

表3 輻射場(chǎng)均勻性測(cè)量結(jié)果Tab.3 Radiation field uniformity measurement results

由表3可知，在1.16 m處±128 mm內(nèi)的輻射場(chǎng)均勻性均要好于3.7%，在120 mm處的均勻性為1.6%，與模擬計(jì)算值1%基本相當(dāng)。

4.3 散射輻射場(chǎng)測(cè)量

對(duì)常用的檢定距離，根據(jù)GB/T 12162.1進(jìn)行散射輻射測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表4。

表4 散射輻射測(cè)量結(jié)果Tab.4 Scattered radiation measurement results

由表4可知，在檢定常用的參考距離內(nèi)，散射輻射最大為-1.62%，遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的5%。

4.4 不確定度分析

以4 m處劑量率測(cè)量結(jié)果為例，進(jìn)行不確定度分析，分析結(jié)果見表5。

表5 測(cè)量不確定度分析結(jié)果Tab.5 Measurement uncertainty analysis results

從表5可知，在4 m處測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為2.88（k=2），與原裝載10 Ci時(shí)的擴(kuò)展不確定度基本一致，說明裝載20 Ci的放射源并沒有引入較大的不確定度分量。

5 結(jié)語

本文將核電廠電離輻射實(shí)驗(yàn)室60Co放射源的最大裝載活度由10 Ci增加到20 Ci，其所帶來的散射輻射、不確定度的影響很小，幾乎可以忽略不計(jì)。在設(shè)計(jì)源裝置放射源的裝載活度，需要考慮源裝置表面的劑量率、源裝置尺寸、源裝置質(zhì)量和成本問題，并不是裝載活度越大越好，如果放射源裝載活度過大，相應(yīng)源裝置屏蔽厚度、輻射間尺寸也將進(jìn)行調(diào)整。源裝置的錐角大小，重點(diǎn)應(yīng)滿足待檢定儀器儀表的尺寸，如果錐角過大，則需要考慮光闌、源裝置尺寸、地面和四周墻面的散射等影響，相應(yīng)的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行充分的模擬分析計(jì)算。在進(jìn)行源裝置、放射源裝載活度等設(shè)計(jì)中，需要進(jìn)行充分的模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)需要符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并應(yīng)充分借鑒工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。