某工业电子直线加速器的辐射危害及防护

杨芝歌，张保增，王 玮



某工业电子直线加速器的辐射危害及防护

杨芝歌，张保增，王 玮

文章以能量为10 MeV的某工业电子直线加速器为例，介绍了加速器的工作原理及主要辐射危害因子。依据相关的国家辐射防护标准，对其辐照室屏蔽防护及辐射剂量进行定量估算，为该辐照室的辐射防护设计提供合理依据。根据计算结果，提出了相应的辐射防护措施，以保障辐射工作人员和公众的安全。

工业电子加速器；辐射危害；屏蔽设计；防护措施

随着社会的发展，电子直线加速器广泛应用于药品消毒灭菌，化妆品、日用品辐照灭菌，医疗用品消毒，高分子材料、半导体材料改性等工业领域，其中以10 MeV以下的低能加速器运用更为普遍[1-2]。然而，工业直线加速器与医用直线加速器的照射对象、剂量率等不尽相同，目前针对工业电子直线加速器的辐射防护研究较少，难以确保辐射工作人员的安全。本文以能量为10 MeV的某工业电子直线加速器为例，对工业电子直线加速器的辐射防护进行探讨。

1 工业电子直线加速器的原理

本文探讨的工业电子直线加速器型号为DZ-10/20-800，能量10 MeV，功率0.08～20 kW连续可调，扫描宽度为800 mm。电子直线加速器机房的北侧是上货区，东侧为传输装置，南侧为下货区，西侧无建筑。电子直线加速器主体由电子枪、驻波加速管、聚束器、钛泵真空系统、水冷系统、自动控制和供电系统组成。电子枪的热阴极产生脉冲重复频率为100～500 Hz的电子束流。从电子枪输出的电子经过聚束器的群聚，能量约1.2 MeV，其相对论速度β≈1。之后电子进入加速管内加速，最终射出加速管的电子束能量约为10 MeV。

电子加速器机房为地上两层建筑，一层为辐照室，电子束固定朝下，辐照产品通过传送带与电子束扫描相垂直的方向匀速移动，通过辐照区，接受额定剂量的辐照；二层主要为加速器的电子枪、加速管等设备机房(图1)。

图1 工业电子直线加速器应用工作流程Fig.1 The workflow of industrial electronic irradiation accelerators

2 工业电子直线加速器的辐射危害类别

工业电子直线加速器运行时产生的辐射危害因加速器能量的不同而有所不同，其危害主要有以下几类[3-4]。

2.1 被加速的电子

电子直线加速器加速的电子本身在物质中的射程很短，很容易被加速器的靶件或其他构件阻止，正常工况下不会直接造成危害。事故工况中，被加速器加速的电子束穿过薄膜窗(从加速器中引出)后，成为能量较高的外电子束，在空气中的射程较长，这时要绝对禁止无关人员进入机房，以防受到电子束或散射电子照射而造成伤害。

2.2 X射线

电子直线加速器运行时，被加速的带电粒子从加速器的真空区引出后，与被撞击的物质相互作用产生X射线，这种射线随机器的开、关而产生和消失。

2.3 中子辐射

10 MeV工业电子直线加速器产生的直接中子的平均能量不超过1 MeV，混凝土对0.34 MeV中子的什值层衰减厚度为21 cm，而混凝土对10～20 MV X射线装置90°泄露辐射的什值层衰减厚度为31～36 cm。当混凝土厚110 cm时，对中子的衰减为对10 MV X射线装置产生的泄露辐射(TVL=31 cm)衰减的50倍。110 cm厚混凝土墙外的中子剂量小于X射线剂量的1/10。因此，辐照室采用混凝土屏蔽墙，墙的屏蔽只需考虑对X射线的屏蔽。

2.4 臭氧及感生放射性

加速器开机运行时，X射线与空气相互作用可产生少量臭氧和氮氧化物，臭氧的产额比氮氧化物高一个量级，只要臭氧能够达到标准，氮氧化物(限值高)也能达标，因此本文只考虑臭氧的防护。加速器开机期间，还会产生少量的感生放射性物质，如感生放射性核素13N、16N和41Ar等，主要产生方式分别是：14N(γ，n)13N，16O(n，p)16N和40Ar(n，γ)43Ar；空气中40Ar含量极少，产生的41Ar的量也就非常少。由于感生放射性物质产量很少，半衰期也很短，停机后很快就衰变完，工作人员不立即进入机房即可。

3 辐射防护分析评价

3.1 辐射防护评价标准

根据《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB18871—2002)，任何工作人员连续5年的平均有效剂量(但不可作任何追溯平均)不得超过限值20 mSv，实际运用中偏安全考虑，一般取其四分之一，即5 mSv作为职业工作人员的剂量约束值。公众中有关关键人群组的成员受到的平均剂量估计值不应超过1 mSv，实际运用中取其四分之一即0.25 mSv作为公众人员的剂量约束值。

根据《室内空气质量标准》(GB/T18883—2002)，室内臭氧浓度1小时均值不允许超过0.16 mg·m-3。

3.2 辐射防护估算方法

3.2.1 辐照室辐射屏蔽估算方法

该直线加速器可能对工作人员及公众产生的辐射危害因子为X射线和臭氧。加速器进行辐照时，电子束固定向下照射，辐照室底部为地基，因此对辐照室辐射防护评价主要考虑周围墙体对90°方向和顶部对180°方向产生的轫致辐射。根据《辐射防护手册——第三分册》的相关规定，90°和180°方向发射X射线的能量低于0°方向发射的X射线的能量，在计算90°和180°方向的屏蔽时应加以修正。经查图，侧向线束单位束流90°方向，距靶1 m处产生的X线侧向剂量率为：6Gy·m2/mA·min。垂直线束单位束流180°方向，距靶1m处产生的X线侧向剂量率为：1.5Gy·m2/mA·min[5]。

屏蔽层厚度可按公式(1)计算：

S=T1+(n-1)Te

(1)

式中：T1——第1个1/10值层，取41 cm；Te——平衡1/10值层，取37 cm；n——1/10值层数目。

n可由公式(2)计算：

(2)

式中：Rx——X射线的屏蔽透射比。

屏蔽透射比Rx可按公式(3)进行计算：

(3)

式中：D10——距源1 m处的吸收剂量指数率(Gy·m2/mA·min)；Hm——剂量当量率限值(mSv/h)；d——X射线源与参考点之间的距离(m)；T——区域居留因子；μ——对有用线束取1，对泄漏辐射为有用线束辐射比率的0.1%。

3.2.2 辐照室辐射剂量估算方法

辐照室四周防护墙及顶棚均为次级屏蔽墙，次级屏蔽墙厚度取决于泄露辐射和散射辐射。次级屏蔽墙外的辐射剂量率可按公式(4)进行计算：

(4)式中：X10——每mA管电流产生的X射线在1 m处的照射量率(Gy·m2/mA·min)；W——每周工作负荷(mA·min/周)，W=I·t，其中I——管电流(2mA)，t——每周工作时间(min/周)；μ同公式(3)；η——居留因子，表示人员在防护区停留或居住的时间；a——散射照射量与入射照射量之比，0.025/100；s——散射面积(cm2)；f——屏蔽墙对初级X射线束的减弱因子(或叫透射率)，取10-6；d0——源与受照体的距离，0.3 m；dt——受照体与墙外0.3 m处的距离(m)。

3.2.3 辐照室臭氧防护估算方法

在考虑通风情况下，空气中O3的平衡浓度可由公式(5)估算：

(5)

式中：Q——加速器辐照大厅内O3平衡浓度(mg/m3)；Q0——O3的辐射化学产额(mg/h)；T——有效清洗时间(h)；V——辐照大厅容积(m3)；

加速器辐照大厅内的O3产额可由公式(6)估算：

Q0=0.39D0SRG

(6)

式中：D0——照射距靶1m每mA束流X射线向前方向产生的剂量率；S——照射野面积，80cm×40cm(最大照射野面积)；R——靶与屏蔽室壁的距离(m)；G——每吸收100eV辐射能量产生的臭氧分子数，一般为6～10，为留有安全系数，取10。

有效清洗时间T可由公式(7)计算：

(7)

式中：Tv——1次换气所需时间(h)；Td——O3有效分解时间，取0.83 h。

3.3 辐射防护评价

3.3.1 辐射屏蔽墙厚度估算

该电子加速器出束口距东墙15 m，距西墙4.2 m，距北墙12.3 m，距南墙7.3 m，距顶棚2.8 m。在各墙外0.3 m处作为参考点，通过公式(1)、(2)、(3)计算得出四周及顶棚混凝土屏蔽墙厚度(表1)。

辐照室屏蔽设计时，北墙厚度不应少于2.19 m，南墙厚度不应少于2.35 m，西墙厚度不应少于2.52 m，东墙厚度不应少于2.23 m，顶棚厚度不应少于1.73 m。

3.3.2 辐射剂量分析

控制室位于二层，与机房正上方房间相邻，出于安全考虑，取顶棚处的居留因子为1，通过公式(4)计算可以得出四周墙体及顶棚外0.3 m处的辐射剂量(表2)。

表1 辐照室屏蔽参数设定和计算结果

表2 辐照室四周墙体及顶棚外的辐射剂量

直线加速器控制室的工作人员年最大附加剂量按照辐照机房一层顶棚处考虑，则：

6.66×10-7Gy/周×50×103=3.33×10-2mSv/a

符合工作人员5 mSv/a的剂量限值要求。

公众人员年附加剂量按直线加速器机房外最高点位考虑：

3.16×10-7Gy/周×50×103=1.58×10-2mSv/a

符合公众人员0.25 mSv/a的剂量限值要求。

3.3.3 臭氧产生量分析

出于安全考虑，假设出束率1，则臭氧产额为：

Q0=0.39×6×0.32×15.3×10×1

=114.57 mg/h

加速器辐照大厅体积约为150 m3，根据公式(5)(7)得出不同换气次数时的O3平衡浓度(表3)。每小时换气4次以上时，辐照室内空气O3浓度低于0.16 mg·m-3的标准限值要求。

表3 加速器机房臭氧产额计算结果

4 辐射防护措施

4.1 安全设计

4.1.1 联锁装置

(1)门机联锁：为防止有人在加速器工作状态下误入，加速器二层防护门必须和加速器束流控制系统联锁，如果照射过程中有人员误入，系统将自动停止出束。二层防护门安装电子锁，当加速器出束或者剂量监测系统监测到超过阈值的辐射水平时，电子锁锁定，防护门无法从外面开启。

(2)急停连锁：在辐照厅内设急停拉线开关，在控制室内设一处急停钮。当出束警铃响后，人员无法及时出去或操作人员发现紧急情况时，可以按动任何一个紧急停止按钮停止出束，防止被误照。紧急停束按钮按下后，需人工复位方可解除。

4.1.2 警示装置

(1)在控制区、监督区等醒目位置张贴电离辐射警告标志和中文警示说明。

(2)辐照室入口上方设置工作状态指示灯。出束时红灯亮，停止时绿灯亮。也可设置灯箱，并附有中文警示说明，如“红灯亮禁止入内”等。此外，出束过程中应该有声音提示。在控制台上安装加速器出束状态指示灯。

(3)在控制室及辐照室内放置应急照明灯和安全出口指示灯，箭头指向出口处。

4.1.3 监视装置

应在辐照室设多处摄像监控器，显示器安装于控制室，在控制室可以全方位观察辐照室内有无人员停留或者其他异常情况。

4.1.4 通风换气系统

工业电子直线加速器辐照室应设置通风换气系统，使室内的臭氧及氮氧化物浓度达到国家要求。

4.2 辐射防护管理

4.2.1 组织管理机构与规章制度

工业电子直线加速器应用单位应建立专门的辐射管理机构，全面负责辐射工作的安全管理，并进行明确的责任划分，将单位的主要负责人作为辐射管理机构的第一负责人。此外，单位还应建立相关操作规程、岗位职责、辐射防护和安全保卫制度、设备检修维护制度、人员培训计划、监测方案等，并严格遵守相关规章制度，杜绝辐射危害事故发生。

4.2.2 辐射工作人员培训制度

从事工业电子直线加速器工作的人员须在上岗前参加有关部门组织的辐射工作人员上岗培训，主要内容有辐射安全监督管理知识、辐射基础知识、辐射防护知识等，并应通过考核取得培训合格证。此外，操作直线加速器的工作人员必须经过实际操作培训。

4.2.3 辐射工作人员个人剂量监测及健康管理

为保护辐射工作人员的健康与安全，辐射工作人员必须佩戴省(市)、自治区辐射卫生防护部门规定的个人剂量计，或接受内照射剂量监测，个人剂量计应定期送检(不少于1季度/次)，个人剂量监测结果必须按照相关要求进行公告。为加强个人剂量监测和管理，辐射工作单位应建立一套完整的个人剂量监测档案，并妥善完整保存。

辐射工作人员上岗前还应进行职业健康检查，符合辐射工作人员健康标准方可参加相应的辐射工作。辐射工作单位应组织上岗后的辐射工作人员定期进行职业健康检查，两次检查的时间间隔不应超过2年，必要时可增加临时性检查。辐射工作人员脱离辐射工作岗位时，辐射工作单位应对其进行离岗前的职业健康检查。辐射工作单位应为辐射工作人员建立并终生保存职业健康监护档案。

4.2.4 辐射事故应急预案

为保护辐射工作人员和公众的身体健康和生命安全，确保在发生辐射事故时能有序、迅速的采取正确的处理措施，减轻事故后果，控制紧急事故的发展，将事故对人员、财产和环境的损失减少到最低限度，辐射工作单位应制定辐射事故应急预案。

5 结论

通过对该工业电子直线加速器辐照室辐射防护的定量研究，可以得出如下结论：

(1)屏蔽墙厚度：北墙厚度不应少于2.19 m，南墙厚度不应少于2.35 m，西墙厚度不应少于2.52 m，东墙厚度不应少于2.23 m；顶棚厚度不应少于1.73 m。

(2)工作人员年累积受照剂量不超过3.33×10-2mSv/a，公众人员年累积受照剂量不超过1.58×10-2mSv/a，符合国家规定的年剂量限制要求；通风机每小时换气4次以上时，室内空气中O3浓度低于国家标准限值要求。

(3)辐射工作人员必须进行辐射培训，佩戴个人剂量计，定期体检。工业电子直线加速器使用单位应设置专门的辐射管理机构，制定辐射防护管理相关制度，采取相应的辐射防护措施，并制定辐射事故应急预案，以保障辐射工作人员及公众的安全。

[1] 洪天祺，周晓剑，戴 瑜.10 MeV工业辐照电子加速器辐射防护计算方法研究[J].中国辐射卫生，2014，23(5) ：414-415.

[2] 李新林，张聚敬.某医院医用电子直线加速器辐射防护设计评价[J].中国辐射卫生，2008，17(3) ：294-295.

[3] 焦鹏飞.医用电子直线加速器的原理探讨与防护分析[J].科技向导，2013，(2)：191.

[4] 从慧玲.实用辐射安全手册[M].北京：原子能出版社，1994：12.

[5] 方 杰.辐射防护导论[M].北京：原子能出版社，1988.

(核工业北京地质研究院，北京 100029)

Radiation Hazard and Protection of an Industrial Electronic Irradiation Accelerator

YANG Zhi-ge，ZHANG Bao-zeng，WANG Wei

(BeijingResearchInstituteofUraniumGeology，Beijing100029，China)

The 10 MeV electronic irradiation accelerators under are widely used in industrial fields.This article taking a 10 MeV industrial electronic irradiation accelerator as an example to introduce the principle and the major radiation hazards of industrial electronic irradiation accelerator.To provide a reasonable ground for the radiation protection design of the irradiation chamber，we quantitatively estimated the shielding protection and the radiation dose based on relevant radio logical standards.According to the calculation results，radiation protection measures has been proposed to guarantee the safety of workers and the public under radioactive irradiation.

industrial electronic irradiation accelerators; radiation hazard; shielding design; protection measurement

10.3969/j.issn.1000-0658.2015.05.010

2015-05-22 [改回日期]2015-06-25

杨芝歌(1989—)，女，助理工程师，主要从事环境影响评价工作。E-mail：yangzhige1101@163.com

1000-0658(2015)05-0541-06

TL5+TL7

A