钴-60操作热室窥视窗设计及性能分析

郭英蕾，张 建，葛良全

(1.成都理工大学，四川 成都 610059；2.成都中核高通同位素股份有限公司，四川 成都 610041)

近年来，我国的核技术利用产业发展迅速，年产值已突破3 000亿元人民币，年增长率保持在20%左右[1]。尤其是60Co密封放射源产品，由于制取方法简单、半衰期适中、γ射线能量较高等优点，已被广泛应用于医疗器械灭菌、材料改性和放射治疗等领域。目前，60Co密封放射源产品国内外需求量很大，为打破加拿大等国对60Co原材料和产品的垄断，我国已启动工业用和医用60Co的国产化工作，未来将进行大量60Co放射源产品的生产操作。

为防止电离辐射的外照射，操作放射性物质时需要在放射性物质与操作人员之间设置带有窥视窗的屏蔽[2]。与一般工业窥视窗相比，屏蔽电离辐射的热室窥视窗除了让操作人员清晰地观察到热室内更大的区域，还要使人员操作位的辐射剂量率水平低于控制值。一般而言，以γ防护为主的热室多由不同密度的玻璃块组装而成[3]。根据国产耐辐射、防辐射玻璃的技术性能和参数，本文设计一套60Co操作热室窥视窗，并对其屏蔽和光学性能进行分析。

1 材料与方法

1.1 设计目标及选材

搭建窥视窗使用国产耐辐射、防辐射玻璃，其型号分别为K509、ZF501和ZF6，性能参数列于表1[4]。

1.2 累积因子

由于窥视窗的厚度很大，γ射线穿过窥视窗时会发生散射，因此，分析窥视窗的屏蔽性能时，必须考虑屏蔽累积因子。本文利用以下公式拟合得到计算ZF6、ZF501和K509累积因子所需的等比级数(G-P)逼近法参数[5]：

(1)

式中：Z1、Z2分别为2种元素的原子序数；Zeq为屏蔽材料的等效原子序数(Zeq介于Z1、Z2之间，可由WinXCOM[6]的数据计算得到)；a1、a2分别为原子序数为Z1、Z2的2种元素的G-P逼近法参数，可从美国标准协会的《Gamma-ray attenuation coefficient and buildup factors for engineering materials》(ANSI/ANS-6.4.3-1991)中取得[7]。

表1 ZF6、ZF501和K509的性能参数[4]Table 1 Performance parameters of ZF6, ZF501 and K509[4]

对于单层ZF6、ZF501或K509，本文使用式(1)的计算结果及以下公式计算其在1～40 mfp厚度范围内的照射量累积因子[8]：

B(E,x)=1+(b-1)(Kx-1)/(K-1)

当K≠1时

(2)

B(E，x)=1+(b-1)x当K=1时

(3)

K(E，x)=cxa+d[tanh(x/Xk-2)-

tanh(-2)]/[1-tanh(-2)]

4）在教师素养方面。在教师培养阶段缺乏科学以及工程素质的培训，因此，很多教师在执教期间缺少有关技术工程课程设计的思维。相关调查显示，部分教师自身已经意识到此类问题的存在，27%的教师认为教师专业能力不足是制约STEM课程教学的最大瓶颈，还有27%的教师对课程结构的设置不甚了解。因此，加强对教师的培训就成为开展新型中国科技教育面临的首要任务。这就需要建构系统性的、分级的、具有针对性的培训体制，而不是盲目从国外引进相关的培训课程及系统。

(4)

式中：x为玻璃的厚度，单位为平均自由程(mfp)；E为入射光子的能量， MeV；a、b、c、d、Xk为照射量累积因子(G-P)拟合参数。K(E,x)反映了光子剂量倍增因子和能谱变化程度。

以上计算流程仅适用于计算单层屏蔽的累积因子，对于多层屏蔽，不仅要考虑当前正在分析的屏蔽层，还要考虑其与放射源之间的其他各层的影响[9]。本文使用Lin等[10]提出的经验公式计算多层屏蔽的照射量累积因子：

(5)

(6)

C(xn)=0.8l(xn)+(γ/K)×exp(-xn)

(7)

(8)

(9)

式中：(μc/ρ)n为第n层的康普顿质量衰减系数。

1.2 尺寸及透光率

窥视窗的尺寸主要由窥视窗的视角、玻璃光学的性能以及安装方式决定。利用折射定律可得窥视窗水平或垂直方向的尺寸[11]：

(10)

式中：B为窥视窗的水平或垂直宽度，mm；T0为各层玻璃间的空气间隙厚度，mm；Ti为各层玻璃的厚度，mm；φ为最大入射角，即窥视角的一半，单位为度；nair为空气的折射率；ni为第i层玻璃的折射率。

对于窥视窗的透光率，本文使用如下计算方法[11]：

T=T′×T″=1/2×

(11)

式中：T′为仅计算玻璃表面反射损失的透光率；T″为仅计算玻璃内部吸收损失的透光率；T′is为光的S分量(垂直于入射面的分矢量)通过第i层玻璃时的透光率；T′ip为光的P分量(平行于入射面的分矢量)通过第i层玻璃时的透光率；Pi第i种玻璃的透光率；li为光束在第i层玻璃中的光程， cm。T′is、T′ip计算方法如下[11]：

(12)

(13)

式中：φ为入射角；χk为折射角。

2 结果与讨论

本文计算得到的ZF6、ZF501和K509玻璃对应1.17、1.33 MeV γ射线的照射量积累因子列于表2。

表2 ZF6、ZF501和K509照射量累积因子G-P拟合参数Table 2 Exposure buildup factor coefficients G-P fitting parameters of ZF6, ZF501 and K509

利用表2及式(2)～(4)，得到的ZF6、ZF501和K509玻璃在1～40 mfp厚度范围内对应1.17、1.33 MeV γ射线的照射量累积因子，如图1所示。由图中可以看出，3种玻璃的照射量累积因子随着厚度的增加而增加；当厚度相同时，对含铅的ZF6、ZF501玻璃而言，其对应1.17 MeV γ射线照射量累积因子要小与1.33 MeV，不含铅的K509玻璃则截然相反。

为达到屏蔽的性能要求，本文选用的K509、ZF501、ZF6厚度分别为90、170、390 mm。计算时认为60Co每次衰变发射1.17 MeV和1.33 MeV的γ射线的概率均为100%，两种射线在空气中的质量能量吸收系数(μen/ρ)分别为2.623×10-3m2/kg和2.701×10-3m2/kg，忽略伽马射线在空气中的衰减，可得人员操作位的空气吸收剂量率约为2.0 μGy/h。

图1 照射累积因子随玻璃厚度的变化Fig.1 Variation of exposure buildup factor with the penetration depth

为便于安装，将此窥视窗设计为6层，其中，第一层为K509，厚90 mm；第二、三层为ZF501两层，分别厚80、90 mm；第四至六层为ZF6，每层厚130 mm。计算时，假设各层玻璃间的空气厚度为1 mm，空气的折射率与真空相同。由公式(10)可得，窥视窗最大水平方向尺寸为405 mm，垂直方向尺寸为378 mm。

图2 透光率随入射角的变化Fig.2 Variation of light transmittance with the incident angle

以白光为例，使用式(11)～(13)计算透光率随光线入射角的变化，如图2所示。从图2中可以看出，入射角的大小对透射率的影响很大，当入射角超过60°后透光率迅速下降；本文设计的窥视窗最大透光率约为32.1%；当水平方向入射角达到最大值60°(即水平方向窥视角的一半)时，透光率下降至约24.9%。垂直方向入射角达到最大值55°(即垂直方向窥视角的一半)时，透光率下降，约为28.1%。

3 结论

本文根据国产铅玻璃的技术性能，首次利用(G-P)逼近法计算了ZF6、ZF501和K509玻璃在1～40 mfp厚度范围内对应1.17 MeV、1.33 MeV γ射线的照射量累积因子。利用这些数据及ZF6、ZF501和K509玻璃的光学参数，分别分析了本文设计的窥视窗的屏蔽和光学性能，即：当热室内装载有15 000 Ci的60Co时，人员操作位处的空气吸收剂量率约为2.0 μGy/h；窥视窗最大透光率约为32%，最大水平方向尺寸为405 mm，最大垂直方向尺寸为378 mm。