工業脈沖X射線發生裝置放射防護檢測與評價方法研究

劉超，劉美美，趙瀟，邢亞飛，陳渝，宋志偉，虞汝思其

(1.兵器工業衛生研究所，陜西 西安，710065；2.西安市衛生健康委員會，陜西 西安，710021)

工業脈沖X射線發生裝置產生的脈沖X射線能穿透不透明介質，在武器彈藥爆炸特性研究方面應用非常廣泛[1]。由于該類裝置曝光時間非常短 (一般在10-7～10-8s范圍內)[2]，常規輻射防護檢測儀表不能做出有效響應[3-4]。我國目前暫未制定有關該類設備的放射防護檢測與評價的標準規范，使得在對該類設備進行放射防護檢測及評價時，無統一可遵循的指導性文件。熱釋光技術具有靈敏度高、讀出速度快、線性范圍寬等優點，在輻射劑量監測方面應用非常廣泛[5-6]。根據相關文獻報告，熱釋光劑量計能夠對脈沖X射線發生裝置發射的脈沖X射線做出有效響應[7-9]。本文主要探討利用熱釋光法對脈沖X射線發生裝置進行放射防護檢測及評價，為今后開展類似工作提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器

1.1.1脈沖X射線發生裝置

1號脈沖X射線發生裝置：瑞典ScandiflashAB公司生產(450S型)，輸出電壓160～480 kV，輸出峰值電流10 kA，脈沖寬度20 ns。

2號脈沖X射線發生裝置：瑞典ScandiflashAB公司生產，輸出管電壓450 kV, 輸出管電流9～10 kA,脈沖寬度25～30 ns。

1.1.2X射線輻射防護監測儀器

熱釋光劑量計讀取裝置、退火爐、冷卻爐：北京博創特科技發展有限公司生產；熱釋光劑量計：0.8 mm厚LiF(Mg、Cu、P)劑量片(分散度≤±2%)，經中國計量科學研究院標準137Cs放射源刻度。

AT1123 型X/γ輻射測量儀：白俄羅斯ATOMTEX，經上海計量測試研究院計量。

1.2 實驗方法

1.2.1熱釋光劑量計測讀方法

(1) 退火條件：退火溫度240 ℃，恒溫退火10 min。(2) 冷卻條件： 5 ℃條件下冷卻20 s。(3) 測讀條件：20 ℃/s升溫速度升至140 ℃并保持20 s，再以20 ℃/s升溫至240 ℃，保持20 s,儀器自動給出計數值。

1.2.2檢測方法

用支架將AT1123型X/γ輻射測量儀固定在脈沖X射線管輻射束中心線處(同時固定攝像設備)，檢測儀器探頭正對射線出口。熱釋光劑量計(每個劑量盒放置劑量片4片)布置在受檢脈沖X射線發生裝置工作場所關注點位。熱釋光劑量計放置高度與脈沖X射線管保持同一水平，劑量計正面與射線來向垂直。觸發脈沖X射線發生裝置曝光若干次，利用攝像設備現場讀取直讀式儀器的檢測結果，熱釋光劑量計帶回實驗室由讀取裝置進行讀取。

1.2.3評價方法

設屏蔽體外X射線年累積劑量為R：

R=r·N·T

(1)

式中，R為泄漏到屏蔽體外X射線年累積劑量，μSv；r為單次曝光泄漏到屏蔽體外的X射線輻射劑量，μSv；N為脈沖X射線發生裝置年最大曝光次數，由現場調查獲取，次/a；T為居留因子。

參照《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》(GB 18871—2002)[10]，按照劑量限值和輻射防護最優化原則，將試驗人員及公眾年有效劑量控制目標值分別設定為5 000 μSv和250 μSv。

2 結果

2.1 束軸中心輻射劑量檢測結果

將AT1123型X/γ輻射劑量率儀(設置為：脈沖模式)固定于1號脈沖X射線發生裝置X射線束中心線前方1 m處，在400 kV、10 kA條件下曝光，攝像設備顯示AT1123型X/γ輻射劑量率儀瞬時讀數為18.8 μSv/h。在累積劑量模式下脈沖X射線管累積曝光4次，測得束軸中心線1 m處X射線累積劑量為0 μSv(已扣除本底輻射)。

利用熱釋光法對1號、2號脈沖X射線發生裝置X射線束軸中心輻射劑量進行檢測，結果列于表1。

從表1可見，1號、2號脈沖X射線發生裝置束軸中心距出束口不同距離處，X射線累積劑量測量結果符合距離平方反比衰減規律，實際測量結果與理論推算值較為吻合(最大誤差為-14.5%)。

表1 脈沖X射線管束軸中心輻射劑量檢測結果1)

2.2 工作場所放射防護檢測結果

1號脈沖X射線發生裝置按照圖1設置檢測點位，放射防護檢測結果列于表2。2號脈沖X射線發生裝置按照圖2設置檢測點位，放射防護檢測結果列于表3。

圖1 1號脈沖X射線發生裝置放射防護檢測點位布置示意圖

由表2可見，1號脈沖X射線發生裝置曝光過程，主射束方向輻射劑量最高，距靶點5.6 m處單次曝光輻射劑量為5.6 μSv。其次為脈沖X射線管左右兩側(靠近靶點位置)，距X射線管1.0 m處單次曝光輻射劑量最大值為49.9 μSv。脈沖X射線靶點向后，輻射劑量逐漸降低，脈沖X射線管正后方1 m處，單次曝光輻射劑量為3.7 μSv,僅為左右兩側相應位置輻射劑量的7.4%。屏蔽墻外單次曝光輻射劑量在0.25 μSv(取MDL/4)到2.2 μSv之間。

表2 1號脈沖X射線發生裝置工作場所放射防護檢測結果1)

由表3可見，2號脈沖X射線發生裝置曝光過程X射線分布與1號脈沖X射線發生裝置基本一致，主射束方向輻射劑量最高，距出束口1.16 m處累計曝光10次X射線累積劑量測量結果為1 620.0 μSv，其次為脈沖X射線管兩側靠近靶點位置，脈沖X射線管后方(8#測點)輻射劑量較低，曝光10次累積劑量測量結果為4.3 μSv。此外，檢測結果顯示設備間及鉛門防護效果良好，鉛門內側X射線累積劑量為38.1 μSv,顯著高于鉛門外側X射線累積劑量(≤3.6 μSv)。設備間南墻外、北墻外、洗片室、控制室等區域檢測點位X射線累積劑量測量結果均低于檢測下限3.6 μSv。

圖2 2號脈沖X射線發生裝置放射防護檢測點位布置示意圖

表3 2號脈沖X射線發生裝置工作場所放射防護檢測結果1)

2.3 人員年劑量估算結果

根據1.2.3節評價方法分別估算1號、2號脈沖X射線發生裝置所在場所工作人員及公眾年累積劑量，結果列于表4。

由表4可知，1號脈沖X射線發生裝置在年曝光次數為500次的工作負荷下，脈沖X射線發生裝置實驗間北墻外(控制室)工作人員年劑量估算結果為1 100 μSv，小于5 000 μSv/a的控制目標值，現有屏蔽措施可滿足防護需求；實驗間東墻外(會議室)、西墻外(實驗室)、南側墻外(草坪)的人員年劑量估算結果分別為125 μSv、250 μSv、7.8 μSv，均低于防護控制目標值(250 μSv)，為了更好滿足防護要求，在西墻可采取適當的防護措施，以降低西墻外人員的受照劑量。

表4 放射工作人員年劑量估算結果

2號脈沖X射線發生裝置在年曝光次數為300次的工作負荷下，控制室工作人員年劑量估算結果為108 μSv，小于5 000 μSv/a的控制目標值；設備間北側、南側、試驗場北側的人員年劑量估算值分別為6.8 μSv、6.8 μSv、2.7 μSv，均滿足輻射防護要求。

可知，在現有的工作負荷下，兩個脈沖X射線發生裝置的防護措施均滿足要求。今后若脈沖X射線發生裝置年曝光次數顯著增加，則應采取相應的輻射防護措施。

3 討論

3.1 測量結果有效性分析

AT1123型X/γ輻射劑量率儀(脈沖模式)測得脈沖X射線管曝光瞬間，束軸中心距出束口1 m處X射線周圍劑量當量率為18.8 μSv/h。結合曝光時間(20 ns/次)算得脈沖X射線管4次曝光累積劑量為4.1×10-10μSv，遠低于熱釋光法在該點的測量結果(620.9 μSv)。由此說明，AT1123型X/γ輻射劑量率儀雖然能夠對脈沖X射線發生裝置產生的脈沖X射線做出響應，但由于曝光時間太短儀器示數不能反映實際輻射水平。熱釋光法測得1號、2號脈沖X射線發生裝置輻射束軸中心距出束口不同距離處X射線累積劑量測量結果與利用平方反定律計算出的理論值較為吻合，說明熱釋光法能夠準確測量脈沖X射線發生裝置曝光過程產生的瞬時X射線。這主要由于熱釋光劑量計利用光子激發晶體中電子使其被材料中陷阱俘獲然后加熱釋放光子的原理測量輻射劑量，不受輻射源曝光時間影響。

3.2 輻射防護優化分析

脈沖X射線發生裝置被廣泛應用于武器彈藥爆炸試驗外場實驗，此時往往缺乏必要的屏蔽防護設施。根據表2、表3檢測結果可知，脈沖X射線發生裝置曝光過程X射線管后方輻射劑量最低，僅為左右兩側相應位置輻射劑量的7.4%。在工作場所布局時，盡量將控制臺布置在脈沖X射線管后方區域，在防護距離相同的條件下此處可以最大限度減少工作人員所受輻射劑量。

3.3 放射防護檢測與評價方法可行性分析

工業脈沖X射線發生裝置在國防軍工行業應用廣泛，常規直讀式監測儀表不能做出有效響應，試驗現場存在的輻射安全隱患很難及時發現。我國現有放射衛生防護的標準體系中，缺少脈沖X射線發生裝置放射防護檢測及評價方法。本文采用熱釋光法得出的檢測結果與理論推算值較為吻合，說明熱釋光法能夠準確測量脈沖X射線發生裝置曝光過程產生的瞬時X射線，能夠滿足工業脈沖X射線發生裝置放射防護檢測需求。本文采用的檢測結果評價方法能夠將脈沖X射線發生裝置工作場所相關人員年劑量定量化，便于與相關國家標準進行比較，具有一定可行性。