高频高压电子加速器技术改造及辐射防护评价

张玉宝，斯琴图雅，梁宏斌，王 强，田汝超

(黑龙江省科学院技术物理研究所，哈尔滨 150086)

黑龙江省科学院技术物理研究所原有一台JJ－1.5型静电加速器，是基于绝缘传输带传送电荷的，又被称为凡德格拉夫静电加速器，其最高电子能量为1.5 MeV，最大束流强度为100μA。为了适应日益增长的科研和辐照加工要求，将JJ－1.5型静电加速器换代成电子束流强度为1mA的DD－1.5型高频高压电子加速器。这台高频高压电子加速器是1999年从天津市技术物理研究所买入的，在此之前，该加速器已经在天津市技术物理研究所运行了9年。由于其控制设备及一些辅助设备等可靠性较差，经常会出现各种各样的毛病，常常因故障而修理，运行人员因此被培养成了维修技师。所以有必要对该设备进行必要的技术改造以适应不断扩张的辐照加工要求。笔者将就这台高频高压电子加速器的基本组成，技术改造情况及改造效果和改造后加速器的放射防护评价及其防护效果等分别进行阐述。

1 加速器基本组成及结构

加速器的主体结构如图l所示，主要有高压系统、束流系统、真空系统、电子束输运系统、冷却系统、排风系统、控制系统及安全防护设施等组成。具体器件如图1所示:1.加速器钢桶;2.电子枪供电调压器;3.分压电阻;4.射频电极;5.加速管;6.高频空心变压器;7.高频机;8.自整角机;9.聚焦线圈;10.聚焦电源;11.扫描线圈;12.扫描电源;13.扫描盒;14.分子泵;15.上整流发电机拖动电机;16.旋片机械泵;17.多节聚砜连杆;18.有机玻璃杆;19.整流倍加器(俗称整流盒共计68组每组有256个硅二极管和分压电容组成);20.发电机;21.高压电极;22.电子枪。此外还有高频机振荡管冷却装置及分子泵冷却装置未在图中示出。

图1 加速器结构图Fig.1 The accelerator structure

2 加速器技术改造

2.1 控制系统技术改造

对原有控制台进行了重新设计制作，物理所负责原理设计，由哈尔滨理工大学电站控制设备研发中心负责具体制作安装，使用至今未出现故障。

2.2 高压系统技术改造

将原有10kW的高频机更换为15kW的高频机，由于该设备不是加速器专用设备，需要必要的改进:撤掉了输出线圈，安装改造内外控制线路，拆下旧高频机阳极、栅极绝缘子，安装在新机器上，调节水压继电器域值，完成新旧高频发生器的更换，增加了高频电源的可靠性和容量。

2.3 真空系统技术改造

更换分子泵和机械泵等附属设备，并将原橡胶连接管更换为不锈钢波纹管，在高低真空之间增加隔离板阀，更换放气针阀，增加热偶规测试口，增强了真空系统的气密性和可靠性。

2.4 束流系统技术改造

重新设计制作扫描仪，并按照中国核工业总公司辐射加工用电子加速器通用规范［1］进行调试，具体改造效果如下表1所示，改进后的不均匀度达到行业标准。

表1 改进前后扫描不均匀度对照Tab.1 Control of scanning unevenness before and after improvement

加速器的技术改造，改善和提高加速器工作的稳定性及可靠性，保障了现有加速器能够继续稳定运行更长的时间。

3 加速器实验室防护能力校核

由于更改了加速器的部件，提高了加速器的使用性能，因此有必要对加速器的防护能力做一下重新校核。高频高压电子加速器主要产生电子束以供辐射加工使用，由于电子束与物质相互作用还可产生X射线，因此必须得到有效的防护屏蔽，以免对工作人员产生伤害。

3.1 加速器实验室防护设计原则是:

3.1.1 按国家GB18871－2002“电离辐射防护与辐射源安全基本标准”［2］，按每年工作50周，每周工作6d，每天工作6h，安全系数为2计算，工作人员导出当量限值P导为14μSv/h。

3.1.2 按1.5MeV，1.0mA 电子束打到铜靶上产生 X 射线点源计算，正向发射率为 100rads.m2.mA－1.min－1，修正因子取0.7，所以距靶1m处的剂量率为42Gy/h，由于正向为

地面不必考虑防护问题。90°方向发射率为80 rads.m2.mA－1.min－1，修正因子取 0.5，所以 90°方向剂量率 P0为24Gy/h［3－4］是考虑防护问题的主要影响因素，反向剂量率P'0大约为正向剂量率的1/8，取为3Gy/h。由于产生的X射线的能量谱为连续谱，根据有关文献其等效能量为0.5MeV［5］。

3.2 防护能力校核

3.2.1 辐照大厅(如图2所示)

(注释:由于对于电子辐照的辐射权重因子为1，所以发射剂量率1Gy/h可直接转化为当量剂量率1Sv/h，以下的计算不再重复说明。)

式中PA为A点剂量率，P0为距靶1m处90°方向剂量率，rA为A点距靶距离

式中K1为减弱倍数，PA当为A点当量剂量率，P导为导出当量限值，按X射线有效能量0.5MeV查万能表［6］:

即防护墙混凝土厚度应为83.7cm，现有混凝土厚度100cm，所以防护墙厚度可以保证安全。

1 )防护墙

图2 辐照大厅结构图Fig.2 Irradiation hall structure

2 )迷宫出口处剂量率计算

经二道铅门减弱，再经一次散射至迷宫出口处剂量率为:

式中Pc为C点剂量率，Pc当为C点当量剂量率，P0为距靶1m处90°方向剂量率，K2为二道铅门减弱倍数，η1为一次散射射线强度减弱倍数，rB为靶到B点距离，rC为B点到C点距离。

由计算结果可知，迷宫出口处当量剂量为24.37μSv/h，超出导出当量限值大约1倍，对于照射原子序数与铜相近的物质，应加一道防护门，但对于照射原子序数较小的物质则可不必加一道防护门，为此应检测迷宫出口处的实际情况，如需要可再加一道防护门，如实测剂量在导出当量限值以下，则不加此防护门，本所加速器在出口处加了一道防盗门以确保安全。

3.2.2 加速器大厅

1 )楼板的防护能力(如图3所示)

图3 加速器大厅结构图Fig.3 Accelerator hall structure

把靶处产生的X射线在射向天棚方向，距靶1m处反向剂量率为3Gy/h，无楼板时F点剂量率为:

P'F=P'0/rF2=3Gy/h ×1/92=0.037Gy/h

式中P'F为无楼板时F点剂量率，P'0为距靶1m处反向剂量率，rF为靶到F点距离，有混凝土楼板时F点剂量率(不考虑角度的因素)。

式中PF为有楼板时F点剂量率，PF当为有楼板时F点的当量剂量率，P'0为距靶1m处的反向剂量率，rF为靶到F点距离，K3为70cm混凝土减弱倍数，70cm混凝土减弱倍数为1.2 ×104。

由计算可知，F点的当量剂量率为3.1μSv/h，因此楼板的存在使天棚处剂量率减弱到导出当量限值以下，考虑从楼板孔中射出的X射线经天棚反射后对防护的要求，因此洞孔应加强屏蔽，以尽量减少射线的泄漏，并在安装后实测之。

2 )迷宫出口处剂量率(如图4所示)

图4 加速器大厅断面俯视图Fig.4 Sectional top view of accelerator hall

式中 PD为D点的剂量率，PD当为D点的当量剂量率，P'0为距靶1m处反向剂量率，η2为经过钢筒散射减弱倍数，η3为E点到D点散射减弱倍数，rE为靶到E点距离，rD为E点到D点距离，K4一道铅门减弱系数。

由计算结果可见，如果实际辐照加工时不照射原子序数高于铜的材料，该加速器的防护是安全的。

4 屏蔽效果及安全措施

4.1 屏蔽效果

改造后曾对加速器实验室周围剂量进行测定，发现加速器辐照大厅东墙屏蔽效果不好，因此进行了混凝土局部加厚处理，处理后进行了实测，环境剂量均为本底剂量。

4.2 安全技术措施

4.2.1 联锁保护系统

1 )开机预报有警铃响起30s，以使大厅内的人员有充分时间离开大厅或采取应急措施。

2 )在加速器高压控制线路中串入电子锁开关，电子锁钥匙与辐照大厅外侧迷宫入口处门锁钥匙连在一起，以免开机时有人误入。

3 )加速器大厅入口处，辐照大厅入口处铅门上方均装有行程开关与加速器高压控制回路联锁，以确保当有人在开机状态闯入时高压自动断掉。

4 )加速器大厅与辐照大厅均设有紧急按钮与加速器高压控制回路联锁以确保当有人被误关入辐照大厅或加速器大厅时，按下紧急按钮可使高压启动不启或断掉，并增加闪烁警示灯。

5 )辐照大厅入口处增加一道防盗门，并安装位动开关，并将位动开关与加速器高压控制回路联锁以确保当有人在开机状态闯入时高压自动断掉。

4.2.2 安全标识

1 )加速器大厅入口处与辐照大厅迷宫入口处门上方均设有警示灯，红灯表示处在开机状态并显示“运行中”，绿灯表示处在关机状态并显示“可进入”。

2 )辐照大厅入口处放置俄罗斯生产的剂量报警仪，并有“注意剂量”标识。

3 )控制室内设有电视观察系统，可以在控制室内观察辐照大厅是否有人，快门是否关闭及束下装置运行是否正常。并增设闭路监视系统，可看到加速器大厅和辐照大厅入口处的情况并将电子录像存入计算机，以便随时调阅。

4.2.3 通风系统

加速器大厅内设有4－72－11No4.5A型离心通风机一台，排风量3 900m3/h，能有效排除电子辐照产生的臭氧及有毒的氮的氧化物。增加烟雾报警器，并将报警仪与排风控制联锁，以保证安全。

5 结语

加速器经过技术改造后，控制台安全运行7年未出现一次故障，高频机未出现故障，真空系统得到了很好的优化，使加速器运行更加平稳可靠，很好地满足了热缩制品生产和辐照试验的需要。另外，电子加速器的建筑屏蔽防护符合国家标准，安全措施可靠、得当，并得到了环保部门的认可。

［1］中国核工业总公司.中国核工业总公司辐射加工用电子加速器通用规范 EJT97l一95［S］.1995.

［2］GB18871－2002.电离辐射防护与辐射源安全基本标准［S］.

［3］宋文杰，陈思富.一台2.5 MeV电子辐照加速器系统的屏蔽［J］.原子能科学技术，2001，35(1):79 －82.

［4］NCRP.Radiation Protection Design Guidelities for 0.1 ～100 MeV Particle Accelerator Facilities:NCRP Report No.51［R］.Washington:Pergamon Press，1977.

［5］［美］H·W·帕特森，R·H·托马斯.加速器物理［M］.北京:原子能出版社，1983:16－296.

［6］赵兰才，张丹枫.放射防护实用手册［K］.济南:济南出版社，2009.