高频高压型电子加速器辐射环境影响分析

伦亚楠 赵鸣谦 东 双

（1 天津市生态环境局 天津 300074 2 生态环境部核与辐射安全中心 北京 100082）

引言

高频高压型电子加速器亦称“地那米加速器”，是一种中能直流高压型加速器，具有束流能量高、输出功率大、高压纹波小、静电储能小、内阻低、结构紧凑、工作稳定、检修方便等优点。高频高压型电子加速器运行中会产生电子束和X 射线，对周围环境产生辐射影响。若屏蔽不当，剂量超标会导致周围人员受到超剂量照射。采用适当的屏蔽防护可以有效降低其辐射环境影响。

1 加速器分类及特点

高频高压型电子加速器按主体结构形式分为直立式、全卧式和角尺型。直立式具有结构紧凑、主体机械设计简单、与束下传输系统的匹配性好的优点。缺点是其主体结构需安装在加速器厅内，检修时须用行车将压力钢筒吊起，对厂房高度要求较严格，厂房基建投资比较大。全卧式对建筑物高度要求较低、检修方便、厂房基建投资小的优点。缺点是电子束水平方向输出，辐照物必须上下移动，束下传输系统匹配性比较差。角尺型采用高压电源和电子加速器系统相分离的结构，前者为卧式，后者垂直安放。只需对加速器部分及束流引出部分进行屏蔽，设备高度降低，厂房建造成本约节省30%以上，加速管置于独立的钢筒内，减弱了与倍压柱之间的相互干扰，便于检修[1]。以角尺型自屏蔽加速器为例，其结构形式见图1。

图1 角尺型自屏蔽加速器结构形式

2 加速器工作原理、组成

2.1 工作原理

高频高压型电子加速器的高频变压器、高频电极及倍压芯柱之间形成的分布电容组成一个高频振荡器，在两个高频电极之间产生高频电压，高频电压通过高频并激倍加电路在高压电极上产生负极性直流高压，负极性电压作用下电子通过加速管时得到加速，然后穿出钛窗对产品进行辐照，高气压钢筒内充绝缘气体以保证加速器的高电位梯度。

2.2 设备组成

高频高压型电子加速器主要有高压系统、高频震荡器、束流加速系统、引出扫描系统、真空系统、绝缘气体处理系统、冷却水循环系统、控制系统、束下传输系统等组成，其组成形式见图2。

图2 高频高压型电子加速器组成形式图

3 加速器的屏蔽防护设计依据和计算要求

电子加速器辐照装置的屏蔽设计必须以加速器的最高能量和最大束流强度为依据[3]。电子加速器辐照装置外人员可达区域屏蔽体外表面30cm 处及以外区域周围剂量当量率不能超过2.5μSv/h。如屏蔽体外为社会公众区域，屏蔽设计必须符合公众成员个人剂量约束值规定（一般不超过0.1mSv）[2][3]。屏蔽防护计算应考虑辐照室和主机室及各自迷道、屋顶、孔洞等。对于专用X 射线辐照装置，应根据加速器厂商提供的转换靶参数或X 射线发射率计算。对于既可用于电子束辐照也可用于X 射线辐照的辐照装置，应按照电子加速器辐照装置的屏蔽计算方法计算。

4 辐射环境影响预测与分析

本文以DDLH2.0/50-1000 型高频高压型电子加速器辐照线缆为例，预测其运行时产生的辐射剂量，并分析说明其屏蔽防护措施的有效性。

4.1 加速器基本参数

DDLH2.0/50-1000 型高频高压型电子加速器电子束最大功率为100kW，电子束能量可调范围1.5～2.0MeV，电子束流强可调范围为0.5～50mA，束流扫描宽度1000mm，钛窗距辐照物体距离80cm。

4.2 辐照室及加速器钢筒屏蔽参数

DDLH2.0/50-1000 型高频高压型电子加速器为角尺型半自屏蔽结构，按最大能量和最大束流进行屏蔽防护设计。加速器钢筒自带辐射屏蔽系统，加速器下方设有辐照室，屏蔽参数见表1。

表1 屏蔽防护措施一览表

4.3 预测与分析

DDLH2.0/50-1000 型高频高压型电子加速器为专用X 射线辐照装置，根据X 射线发射率进行计算。本次预测分析选取辐照室四周屏蔽墙外0.3m 处、迷道口、控制室、二层平台钢筒外作为剂量关注点，具体见图3、图4。

图3 辐照室周围剂量关注点示意图

图4 二层平台剂量关注点示意图

（1）预测模式

DDLH2.0/50-1000 型高频高压型电子加速器运行时，电子束向下出束，不直接向辐照室顶部和四周屏蔽墙照射，因此辐照室考虑轫致辐射影响，迷道口考虑初级X 射线贯穿屏蔽墙体后的透射以及经迷道多次散射后的散射叠加影响，二层平台区域考虑来自于辐照室的X 射线贯穿辐射影响。

①透射剂量当量率

式中：H—关注点透射剂量当量率，μSv/h；d—关注点到X 射线辐射源的距离，m；D10—距离X 射线辐射源（即靶）1m 处的吸收剂量率，取2400Gy·m2/h；Bx—X 射线的屏蔽透射比，可用十分之一值层法[3][4]计算。

②散射剂量当量率

式中：H1,rj—关注点散射剂量当量率，μSv/h；α1—入射到第一个散射体的X 射线的散射系数，取0.0005；α2—从第一个散射体以后的物质散射出来的X 射线的散射系数，取0.02；A1—X 射线入射到第一散射物质的散射面积；A2—迷道的截面积；d1—X 射线源与第一散射物质的距离；dr1，dr2…drj—沿着迷道长轴的中心线距离；j—指第j 个散射过程。

（2）预测结果

根据式1、式2 预测各关注点处的剂量当量率，结果见表2。

表2 剂量关注点剂量当量率计算结果

由表2 可知，DDLH2.0/50-1000 型高频高压型电子加速器运行时，在现有辐射屏蔽防护措施下，各关注点处的剂量当量率最大为8.07×10-1μSv/h，满足《电子加速器辐照装置辐射安全和防护》（HJ979-2018）中“电子加速器辐照装置外人员可达区域屏蔽体外表面30cm 处及以外区域周围剂量当量率不能超过2.5μSv/h”的要求。

结语

高频高压型电子加速器在采取有效屏蔽措施的条件下，屏蔽体外表面剂量当量率可满足 《电子加速器辐照装置辐射安全和防护》（HJ979-2018）相应限值要求。加速器在屏蔽防护施工过程中还应确保施工质量，设置必要的安全联锁装置和监控设施。辐照企业应加强辐射安全管理，规范人员操作，严格控制辐照区域人员的进出，定期开展巡测及应急演练工作。