中子活化在线分析仪CF-252放射源安全使用

刘永超

中子活化在线分析仪是辨识检测物料元素种类及含量的设备，已广泛应用于水泥行业矿山石灰石质量检测、水泥生料配料检测中。据不完全统计，目前国内水泥市场投入应用的中子活化在线分析仪已近千台，成为水泥厂不可或缺的质量控制检测设备。但中子活化在线分析仪是以中子源作为激发源，存在辐射照射危害，部分水泥厂工作人员在中子活化在线分析仪的使用和维护过程中，对设备周围辐射照射剂量情况缺乏科学、全面的了解，对放射源的放射性缺少客观的认识。辐射照射，特别是大剂量的辐射照射对人类的健康是有害的，我们在尽量增加核技术应用给生产生活带来益处的同时，应通过科学合理的方式尽量地减小辐射照射对人体或环境造成的危害。

1 中子活化在线分析仪及CF-252中子源

中子活化在线分析仪采用瞬发伽玛中子活化分析（PGNAA）技术，以CF-252中子源作为激发源，激发中子照射水泥物料，并与物料中各元素原子核发生热中子俘获反应，放射出与元素相应的不同能量强度的特征γ射线，并通过检测特征γ射线的能量识别出物料中的元素种类，通过检测特征γ射线的强度测得物料相应元素的含量。中子活化在线分析仪热中子俘获示意见图1。

图1 中子活化在线分析仪热中子俘获示意

中子活化在线分析仪CF-252中子源为人工合成的自发裂变中子源，目前只有美国和俄罗斯的两座反应堆能够商业化生产。CF-252中子源自发裂变概率为3.1%，α衰变概率为96.9%，中子源平均每次自发裂变可产生3.76个中子，产生的中子平均能量为2.35MeV。在中子自发裂变的过程中还伴随着少量γ射线的产生，其半衰期为2.64年。中子为电中性的粒子，穿透能力很强，不会与原子发生电离而损失能量。中子主要与原子核发生作用，中子与原子核的相互作用分为散射和吸收两个类别，对中子的防护主要利用此原理。通常采用含氢材料将快中子散射慢化为热中子，再使用含硼或镉的材料进行俘获吸收。在屏蔽中子的同时，还应注意反应产生的γ射线辐射的屏蔽，由于α粒子穿透力极弱，无需特殊考虑。

我公司研发生产的中子活化在线分析仪的标准配置为2枚中子源，每枚19μg，总活度为0.75GBq，按放射源分类标准，其属Ⅳ类源，为低危险源，不会对人类身体健康造成永久性损伤，但若长时间、近距离接触，则可能会造成可恢复的暂时性损伤。

中子活化在线分析仪使用的中子源的封装结构为双层不锈钢密封，具有很好的机械强度及环境适应性。密封的中子源位于中子活化在线分析仪测量通道底部源室内，源室主要由重金属材料制成，用于屏蔽CF-252中子源自发裂变伴生的γ射线。中子活化在线分析仪四周的主要防护材料主要为含氢材料及一定比例的碳化硼，以降低对周围环境的辐射影响。中子活化在线分析仪的整体防护配置经精密的屏蔽理论计算、蒙特卡罗模拟及实验等多项工作后设计完成。中子活化在线分析仪结构见图2。

图2 中子活化在线分析仪结构

2 中子活化在线分析仪周围辐射剂量的设计

中子活化在线分析仪周围辐射剂量设计依据为GBZ 125-2009《含密封源仪表的放射卫生防护要求》，其中检测仪表使用场所和相应的泄漏射线控制量要求见表1。根据表1，结合中子活化在线分析仪实际使用场所特点，在距源容器1m区域内很少有人停留，因此选取距离边界外1m处的剂量当量率控制值2.5μSv/h为设计依据。中子活化在线分析仪正常运行时，操作人员无需在其附近停留，选取分析仪周围人员可出入区域（距中子活化在线分析仪1m）的剂量水平＜2.5μSv/h为设计值，此区域主要为人员访问通道，如图3所示。

表1 检测仪表的使用场所和相应的泄漏射线控制量要求

图3 中子活化在线分析仪周围可出入区域

中子活化在线分析仪的防护结构设计充分遵守辐射防护三原则，即：实践的正当性、个人剂量限值及辐射防护最优化。实践的正当性原则是指，在考虑了社会、经济和其他有关因素之后，辐射照射对受照射个人或社会所带来的利益足以弥补其可能引起的辐射危害。个人剂量限值原则是指，对于来自各项获准实践的综合照射所致的个人总有效剂量和有关器官或组织的总当量剂量不超过GB 18871-2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》附录B中规定的相应剂量限值，如工作人员剂量限值为每年20mSv（5年平均值，并且任何一年≯50mSv），公众人员剂量限值为每年1mSv。辐射防护最优化原则是指，在考虑了经济和社会因素之后，个人受照射剂量的大小、受照射的人数以及受照射的可能性均保持在可合理达到的尽量低水平（As Low As Reasonably Achievable，ALARA）。辐射防护最优化原则必须贯穿伴有辐射照射的实践的全过程。在坚持辐射照射三原则的前提下，通过选择最佳的防护水平和最优的防护方案，以最小的代价获得最大利益。

3 中子活化在线分析仪正常工况辐射剂量水平测量与计算

我公司对装载有2枚19μg中子源的中子活化在线分析仪周围环境的辐射剂量当量率进行了全面的测量，分别对距中子活化在线分析仪30cm和100cm处的要求点位的γ射线和中子辐射剂量当量率进行了测量和记录，并以此测量数据来判定防护屏蔽装置的完整性，确认中子活化在线分析仪顶部、周边和开放的传送带附近的最大辐射剂量水平。在测量中子活化在线分析仪周围环境辐射剂量时，分别测量了空传送带和覆盖有约15cm厚物料时传送带周围4个测点辐射剂量当量率，测量数据见表2，辐射剂量测量位置如图4所示。

图4 辐射剂量测量位置

由表2中的测量数据可知，物料的加载降低了测点所有位置的辐射剂量当量率测量值；在中子活化在线分析仪侧面1m处的人员可出入通道区域，测点位置2、位置3处，辐射剂量当量率＜2.5μSv/h，达到了设计要求；由于传送带通过中子活化在线分析仪的隧道口，导致隧道口位置（测点位置1处）的辐射剂量当量率测量值偏高。

表2 传送带周围4个测量位置辐射剂量当量率，μSv/h

工作人员受到的总辐射剂量与其所处的在线分析仪周围的工作环境有关。我们利用表2中的数据对在线分析仪周围工作的4种不同场景进行了累计辐射剂量的估算。假设工作人员全身各器官受到均匀的外辐射照射，个人承受的有效剂量与剂量当量值相等，计算4种工作场景在空传送带条件下，工作人员一年内所承受的有效剂量如下：

（1）日常检查在线分析仪隧道

直接查看在线分析仪隧道所承受的最大剂量当量率是：32.6μSv/h

单次检查时间：10s=0.002 8h

一年有效剂量：32.6μSv/h×0.002 8h×365d=33.3μSv

（2）站在在线分析仪上面工作

站在在线分析仪上面工作所承受的最大剂量当量率是：4.9μSv/h

工作时间：单次1h，每年4次

一年有效剂量：4.9μSv/h×1h×4次=19.6μSv

（3）站在在线分析仪旁边工作

站在在线分析仪旁边工作所承受的最大剂量当量率是：3.3μSv/h

工作时间：单次最长15s=0.004 2h，每天路过在线分析仪10次

一年有效剂量：3.3μSv/h×0.004 2h×10次×365d=50.6μSv

（4）对在线分析仪附近胶带轮进行维护

站在离在线分析仪最近的第一个胶带轮旁工作所承受的最大辐射剂量当量率是：7.9μSv/h

工作时间：单次0.5h，每年12次

一年有效剂量：7.9μSv/h×0.5h×12次=47.4μSv

若一名工作人员负责上述所有工作，则其一年所承受到的最大有效剂量为33.3+19.6+50.6+47.4=150.9μSv（约0.15mSv）。

（5）GB 18871-2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》，对职业照射的辐射剂量限值进行了规定。根据标准规定，应对任何工作人员的职业辐射照射水平进行控制，使之不超过下述限值：

a由审管部门决定的连续5年的年平均有效剂量（但不可作任何追溯平均），20mSv；

b任何一年中的有效剂量，50mSv；c眼晶体的年当量剂量，150mSv；d四肢（手和足）或皮肤的年当量剂量，500mSv。

（6）对任何实践使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下述限值：

a年有效剂量，1mSv；

b特殊情况下，如果5个连续年的年平均剂量≯1mSv，则某单一年份的有效剂量可提高到5mSv；

c眼晶体的年当量剂量，15mSv；d皮肤的年当量剂量，50mSv。

根据实际工作场景，工作人员无需每天检查分析仪隧道，且工作人员也不会站在在线分析仪上面工作。通过计算可得，假设一名工作人员从事有关在线分析仪的所有工作，其一年所承受的累积有效照射剂量＜0.15mSv，远低于上述国家标准中公众人员每年有效剂量1mSv的限值，更低于职业照射每年20mSv（5年平均，并且任何一年≯50mSv）的限值要求。

4 正常使用中子活化在线分析仪时可能发生的事故及分析

4.1 可能发生的事故

（1）人员误入在线分析仪测量通道，导致中子及γ射线对误入人员产生外照射辐射。

（2）放射源丢失、被盗，致使放射源失控，对环境和公众产生外照射辐射。

（3）补充放射源过程中存在误操作，导致对环境和公众产生外照射辐射。

4.2 采取的措施

（1）加强在线分析仪工作现场安全管理；相关操作人员必须参加由环保部门指定机构举办的辐射安全与防护培训，考核合格后方能上岗；无关人员禁止进入在线分析仪工作场所；在在线分析仪传送带进口和出口设置明显的警示标识，放射源的补充由专业人员操作。

（2）加强在线分析仪工作现场的人员进出管理，配置摄像头等监控设备，配备个人安全防护设备及个人剂量测试仪。

5 结语

综上所述，通过对中子活化在线分析仪周围所产生的辐射剂量当量测试数据分析，中子活化在线分析仪CF-252中子源的防护实际测量结果满足GBZ 125-2009《含密封源仪表的放射卫生防护要求》中检测仪表的使用场所和相应的射线泄漏控制量要求，在距源容器1m区域内很少有人停留，距边界外1m处的辐射剂量当量率<2.5μSv/h。

假定一名工作人员从事在线分析仪的所有工作，其一年所承受的累积有效剂量约为0.15mSv，远低于GB 18871-2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》规定的公众照射年有效剂量限值1mSv的规定，表明中子活化在线分析仪在正常工况下对操作人员的辐射影响是可以接受的，应提高安全意识，通过科学合理的方式避免非必要的照射，避免可能发生的事故，减小辐射照射对人体或环境的危害，更好地发挥中子活化在线分析仪在水泥生产质量控制中的作用。