γ 射線裝置調試分析

張開洋

關鍵字γ 射線裝置；多源裝置；電離輻射計量；輻射場均勻性

0 引言

核電廠基于核裂變釋放能量，在運行過程中會產生一定的放射性，為保證工作人員安全和進行工藝系統的監測，使用了大量的γ 劑量測量儀表。為確保儀表測量的準確性，同時，從維護成本考慮，福清核電建立標準電離輻射計量實驗室對核電廠的γ 劑量儀表進行檢定、校準。福清核電通過大量調試驗證，使該套γ 射線裝置滿足建標要求的穩定性、輻射場均勻性等要求，可以申請建標。

1 γ 射線裝置

設備構成，該系統主要由集中配電柜、控制臺、單源裝置、多源裝置、刻度臺架、供氣回路等組成。

2 設備調試

2.1 調試流程設計

單源裝置和多源裝置是整套裝置的核心設備，其調試結果關系后期使用。為避免調試問題的重復處理，優化設計流程如下：（1）源裝置提升穩定性測試；（2）輻射場均勻性測試；（3）標尺定位及平方反比定律驗證；（4）裝置長期穩定性測試。

2.2 提升穩定性測試

為確保后續測量數據的可靠性與穩定性，需對單、多源裝置的源的提升位置穩定進行驗證，在距源3 m 處，對應射線束中心軸上升降放射源10 次，每次測量10 個計數。單源裝置與多源裝置測量方法相同，其中，多源裝置使用3 號源進行測量，由于放射性測量具有統計漲落，我們通過增加樣本量來減少該因素的影響，對貝塞爾公式進行如下變形。

通過重復提升10 次的測試，單源裝置最大標準偏差為0.750，重復性為0.44%；多源裝置最大標準偏差為0.012，重復性為0.03%，單源裝置穩定性較差。主要與單源裝置的源提升機構相關。單源裝置采用接近開關定位，鋼繩吊源，鋼繩在受力作用比較復雜。多源裝置使用的步進電機，步距角為1.2°，步距角誤差為±5%，距源3 m 處的位置偏差為±2 mm，測量誤差可忽略不計。因此，步進電機帶動源室的方式更為可靠，在條件允許的情況下使用閉環控制的伺服電機，定位更為準確，可有效提高設備穩定性。

2.3 輻射場均勻性測試

根據《GB/T12162.2，用于校準劑量儀和劑量率儀及確定其能量相響應的X 和γ 參考輻射》，參考輻射束的截面宜足以照射被校準的標準電離室或裝置。整個有用射束截面上比釋動能率的變化應小于5%[1]。對此，使用標準電離室對以射束中心為坐標原點的橫坐標和縱坐標上的點進行測量。

2.3.1 單源裝置輻射場均勻性測試

以基準點定位器光束為中心，在水平方向上選點測量發現3 m 處射束的中心點應該在當前中心偏右13 cm，偏上2 cm，射束中心與激光準直線不符，需進行調整，水平方向上，單源鉛罐的半徑為r（278 mm），中心點在水平方向上偏離較大，需要進行調整，假設上鉛罐沿其圓周上需要調整的距離為l1。

近似情況下存在以下等式：

計算得到11=12 mm，使用鋼釬轉動單源裝置上鉛罐12 mm。垂直方向上的偏離由于單源裝置過重和其偏離較小，故未進行調整。調整后再次對射束水平方向的均勻性進行驗證后，3 m處輻射場大小為16 cm。可以滿足均勻性要求（誤差小于5%），該射束場不是一個標準的圓形，但由于滿足誤差要求，可以滿足使用要求。

2.3.2 多源裝置輻射均勻性驗證

以激光準直器為中心水平方向上選點測量，3 m 處射束中心水平方向上偏離不明顯，不予修正。以激光準直器為中心垂直方向上選點測量，發現垂直方向上3 m 處射束向下偏離D（90 mm），使用近似公式進行計算。

h 為多源鉛室前段源孔側需要抬升的距離，D 為多源鉛罐直徑583 mm，H 為3 000 mm，計算得出h 為17.5 mm，對此我們在源裝置的前部下側加墊片，工作完成后，3 m 處各點的測量數據如下表1。

表1 多源裝置垂直方向輻射場均勻性（調整后）

在半徑為15 cm 的圓內，其均勻性滿足誤差小于5%的要求。完成上述調整后，單、多源裝置的射束場均已得到調整并滿足要求。上述試驗表明，由于前期對承重平臺的水平度和平面度未進行嚴格控制，是導致上述源裝置位置偏差的原因之一，因此在源裝置安裝之前，對其承重平臺水平度和平面度要進行嚴格的控制。

2.3.3 標尺的定位及平方反比定律的驗證

根據《GB/T12162.2，用于校準劑量儀和劑量率儀及確定其能量相響應的X 和γ 參考輻射》要求，測量射線束上的空氣比釋動能率應在5%以內與放射源中心到探測器中心距離平方的倒數成反比[2]。

空氣中γ 點源距離r 處的吸收劑量率，計算公式為：

Γ 為照射量率常數，A 為γ 源的活度，r 為距點源的距離。根據該公式，在已知輻射場內任意一點的吸收劑量率值的情況下，可以計算出該點以外的任意一點的劑量率值（放射源可視為點源的情況下）。依據上面的公式對源裝置平方反比定律復合情況進行驗證。使用球形電離室在2 m、3 m、4 m、5 m 分別進行10 次測量求平均值，以1 m 處為基準根據平方反比定律推算出其他點的劑量率值，計算其復合性。經測試單源裝置復合性測試數據，多源裝置復合性測試數據誤差大于5%，表明基準點標尺定位不正確，設定不同的基準點標尺讀數，根據復合性做出散點圖如下圖1，得出基準點為1.01 m，才是比較理想的。

圖1 散點圖

2.3.4 長期穩定性測試

完成上述測試后，還需對輻照裝置的長期穩定性進行驗證，長期穩定性測試需考慮溫度、氣壓變化對測量結果的影響，計算方法如式3。

其中，T 和P 是測量期間的溫度、氣壓。T0和p0分別為參考溫度（20℃）、參考大氣壓（101.325 kPa）。濕度對射線影響較小不予考慮。同時，還應當考慮放射源衰變影響，衰變修正系數：

式中：λ 為衰變常數，單位為S-1，為兩次測量間的時間間隔，單位為d。利用式（3）和（4）對2014 年4 月至2014 年8 月多源裝置3 號源測量的數據進行修正后計算，同一源裝置在同一位置點的數據誤差均在5%以內，設備的長期穩定性也能夠滿足要求。

3 使用缺陷和后續改進

（1）校準臺控控制設計：在測定輻射場均勻性時，校準平臺的橫向與移動移動需要在校準平臺上進行操作，不能通過控制臺遠程操控，每次移動均需要進行一次放射源的啟停操作，較為浪費時間，需增加遠程控制功能。

（2）激光準直器：參考其他實驗室做法，將其換型為十字形光標，將其固定在墻壁上。

（3）溫濕度、氣壓計：更換目前使用的溫濕度、氣壓計型號，使其能夠控制臺上進行顯示。

（4）源裝置支撐臺：源裝置支撐臺為對稱布局，如需要使用兩個源裝置時對儀表校準時，需要進行源裝置的切換工作，此過程耗時約3 分鐘。

4 結論

γ 輻照裝置滿足現場使用及電離輻射計量標準建標的要求，該套裝置運行穩定，重復性和穩定性試驗滿足使用要求，已通過國防科工委組織的建標考核。同時，總結了從施工到調試過程中遇到的問題和處理方法，分析了存在的缺陷，并提出了后續改進建議。