电离辐射实验室源装置优化设计和试验验证

谢卫平，赵喜寰，丁长龙，陈皞，高云飞

（江苏核电有限公司保健物理处，江苏 连云港 222000）

在放射性场所作业时，需要使用辐射仪表测量作业场所的剂量率水平，以确保工作人员的安全。根据JJG 393［1］剂量率仪检定规程要求，剂量率仪进行检定/校准的周期不超过1 a，以确保仪表的计量性能符合检定规程和仪表使用说明书的技术要求［2-3］。因此，很多辐射仪表的使用单位都建立了电离辐射实验室［4］，实验室的核心设备是γ辐射装置［5］。γ辐射装置主要由源装置、轨道和小车、激光准直系统、监控系统、控制系统等组成。

GB/T 12162.1规定［6］：在标准的γ辐射场中由散射射线产生的剂量率贡献不应超过总辐射剂量率的5%，即电离辐射实验室的γ射线辐照装置的准直器、刻度小车和四周墙壁引起的散射辐射都必须满足标准要求。

周旭［7］、曲延涛［8］、郑文君等［9］分别对电离辐射实验室的防护问题、主工艺设计、源项分析等内容进行了研究和分享。本文对某核电厂电离辐射实验室对增加源装置中装载60Co放射源活度的优化工作进行研究，分析放射源活度增大后对辐射场相关技术参数［10-12］的影响。

1 项目实施的背景

核电厂使用的辐射防护剂量率仪的量程多数为1 μSv/h～1 Sv/h，根据现场实际监测的情况，一般使用的量程范围为10 μSv/h～100 mSv/h。量程范围为10 μSv/h～100 mSv/h的剂量率仪表在单位建立的电离辐射实验室内进行检定，量程超出100 mSv/h的剂量率仪表需要送到外部检定机构进行检定。

核电厂电离辐射实验室源装置设计最大装载60Co的放射源活度为10 Ci［13-14］。根据JJG 393的要求，模拟显示仪器的检定测试点应选在每个量程的50%～75%范围内或附近。根据理论计算及实践经验，γ辐照装置一般运行10.5 a（2个60Co半衰期）左右就需要更换一次放射源，以满足检定剂量率仪表的要求。而频繁地更换放射源给核电厂带来了辐射安全隐患，同时增加了生产费用。因此，对源装置装载放射源60Co最大活度增加到20 Ci的方案进行研究。

2 设计方案

2.1 设计原理

源装置采用主辅双快门进行防护，装置的原理如图1所示。

图1 源装置原理Fig.1 Source device schematic

源装置由散射腔、铅屏蔽体、辅快门、主快门、内光阑、放射源、前光阑和底座等几部分构成。装置用铅作为主要屏蔽材料，快门由钨合金组成。整个装置设计有主辅双重快门，以保障安全。辅快门与内光阑为一体，位于内光阑与散射腔之间，由减速电机驱动。工作时先打开电机驱动旋转辅快门，再利用汽缸推动主快门。主快门由空压机内的压缩空气驱动，即使在断电的情况下，空压机内的压缩空气仍然可以关闭主快门。

2.2 机械加工要求

2.2.1 公差

机械加工表面和非机械加工表面未标注公差尺寸的极限偏差，分别按GB/T 1804—2000中的m级和c级公差等级的规定。

2.2.2 焊接

焊接表面的外观应符合以下要求：①焊接和热影响区域表面不得有裂纹、气孔、弧坑和夹渣等缺陷，焊接表面上的熔渣和两侧的飞溅物应清除干净；②焊缝咬边深度不得大于母材厚度的10%，咬边连续长度不应超过50 mm，焊缝两边咬边的总长度不应超过该焊缝长度的10%；③焊缝与母材应圆滑过渡，且无明显的不规则形状；④对焊接缝修磨后的厚度不得小于母材厚度。

3 理论计算与模拟分析

3.1 辐射散射的影响

源装置的散射腔为圆柱体，放射源置于散射腔中以减小屏蔽体自身的散射贡献。散射腔的大小直接影响源装置的大小和质量，以及相应装置的生产成本。在选择散射腔尺寸时，需要综合考虑。根据设计经验，对圆柱高10 cm不同半径、半径4 cm不同高度的散射腔进行模拟，结果见表1。

表1 圆柱散射腔尺寸模拟结果Tab.1 Simulation results of cylindrical scattering cavity dimensions

由表1可知，散射腔的半径对散射剂量的贡献影响不大，但散射腔的高度对散射剂量的影响较大。散射腔的高度会影响源装置的尺寸和屏蔽层的厚度。结合设计和工程实践经验，以及放射源的尺寸大小，散射腔选为半径为8 cm、高为10 cm的圆柱体。结果显示，采用该尺寸的散射腔，能够将屏蔽体的散射贡献降低至0.05%以下，对辐射场的影响可以忽略。

3.2 源装置锥角增加至14°对辐射散射的影响

根据理论计算，源装置锥角增加至14°时相应的辐射场范围为±1.33 m，张角增加并不会对两侧的墙壁产生辐照，也不会产生附加散射。另外，γ源装置中放射源距离地面约为1.6 m，增加张角后仍然不会对地面引起辐照和产生附加散射。在有效校准距离（6 m）以内，辐射场范围为±0.73 m，在该范围内会对刻度小车产生辐照，引入的附加散射辐射不足0.1%。综上所述，单源γ照射装置张角增加至14°以后几乎不会对辐射场的散射辐射产生影响，带来的附加散射不足0.1%，几乎可以忽略不计。

3.3 不确定度的影响

参考辐射在检定过程中的不确定度来自多方面［15］，主要包括：主标准器刻度因子、待检仪表的重复性、时间、温度、湿度、刻度小车定位重复性和辐射场均匀性等，与源装置相关的不确定度因素有辐射场均匀性和机械重复性。通过模拟，在距离轴线±12 cm范围内，参考辐射场的均匀性约为1%［16］。因此，将参考辐射场均匀性对检定结果产生的不确定估计为1%（属于B类不确定度）。

源装置的主快门采用气缸驱动，机械定位精度为0.3 mm；辅快门采用减速电机驱动，定位精度约0.5 mm。两者的机械重复性对辐射场边缘会产生一定的影响，但是对辐射场有用束产生的影响较小。因此，源装置的机械重复性对仪表检定结果产生的不确定度估计为0.5%［16］（属于B类不确定度）。

4 测量验证

使用PTW30cc的柱形电离室对源装置的辐射场进行测量，测量时各环境参数为：温度22℃，相对湿度20%，气压101.39 kPa。

4.1 剂量率分布测量

选取检定常用距离进行剂量率测量，结果见表2。

表2 剂量率分布测量结果Tab.2 Dose rate distribution measurement results

由表2可知，实际测量值与理论计算值存在一定的差距，约8%左右，这主要是因为源装置装载的放射源有包壳，且放射源存在自吸收导致的。

4.2 辐射场均匀性测量

选取距离放射源1.16 m处，辐射场均匀性测量结果见表3。

表3 辐射场均匀性测量结果Tab.3 Radiation field uniformity measurement results

由表3可知，在1.16 m处±128 mm内的辐射场均匀性均要好于3.7%，在120 mm处的均匀性为1.6%，与模拟计算值1%基本相当。

4.3 散射辐射场测量

对常用的检定距离，根据GB/T 12162.1进行散射辐射测量，测量结果见表4。

表4 散射辐射测量结果Tab.4 Scattered radiation measurement results

由表4可知，在检定常用的参考距离内，散射辐射最大为-1.62%，远小于国家标准要求的5%。

4.4 不确定度分析

以4 m处剂量率测量结果为例，进行不确定度分析，分析结果见表5。

表5 测量不确定度分析结果Tab.5 Measurement uncertainty analysis results

从表5可知，在4 m处测量结果的扩展不确定度为2.88（k=2），与原装载10 Ci时的扩展不确定度基本一致，说明装载20 Ci的放射源并没有引入较大的不确定度分量。

5 结语

本文将核电厂电离辐射实验室60Co放射源的最大装载活度由10 Ci增加到20 Ci，其所带来的散射辐射、不确定度的影响很小，几乎可以忽略不计。在设计源装置放射源的装载活度，需要考虑源装置表面的剂量率、源装置尺寸、源装置质量和成本问题，并不是装载活度越大越好，如果放射源装载活度过大，相应源装置屏蔽厚度、辐射间尺寸也将进行调整。源装置的锥角大小，重点应满足待检定仪器仪表的尺寸，如果锥角过大，则需要考虑光阑、源装置尺寸、地面和四周墙面的散射等影响，相应的设计需要进行充分的模拟分析计算。在进行源装置、放射源装载活度等设计中，需要进行充分的模拟计算，设计需要符合国家相关标准要求，并应充分借鉴工程设计、运行经验，不断优化设计方案。