張玉寶，斯琴圖雅，梁宏斌，王 強(qiáng)，田汝超

(黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，哈爾濱 150086)

黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所原有一臺(tái)JJ－1.5型靜電加速器，是基于絕緣傳輸帶傳送電荷的，又被稱為凡德格拉夫靜電加速器，其最高電子能量為1.5 MeV，最大束流強(qiáng)度為100μA。為了適應(yīng)日益增長的科研和輻照加工要求，將JJ－1.5型靜電加速器換代成電子束流強(qiáng)度為1mA的DD－1.5型高頻高壓電子加速器。這臺(tái)高頻高壓電子加速器是1999年從天津市技術(shù)物理研究所買入的，在此之前，該加速器已經(jīng)在天津市技術(shù)物理研究所運(yùn)行了9年。由于其控制設(shè)備及一些輔助設(shè)備等可靠性較差，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的毛病，常常因故障而修理，運(yùn)行人員因此被培養(yǎng)成了維修技師。所以有必要對該設(shè)備進(jìn)行必要的技術(shù)改造以適應(yīng)不斷擴(kuò)張的輻照加工要求。筆者將就這臺(tái)高頻高壓電子加速器的基本組成，技術(shù)改造情況及改造效果和改造后加速器的放射防護(hù)評(píng)價(jià)及其防護(hù)效果等分別進(jìn)行闡述。

1 加速器基本組成及結(jié)構(gòu)

加速器的主體結(jié)構(gòu)如圖l所示，主要有高壓系統(tǒng)、束流系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電子束輸運(yùn)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及安全防護(hù)設(shè)施等組成。具體器件如圖1所示:1.加速器鋼桶;2.電子槍供電調(diào)壓器;3.分壓電阻;4.射頻電極;5.加速管;6.高頻空心變壓器;7.高頻機(jī);8.自整角機(jī);9.聚焦線圈;10.聚焦電源;11.掃描線圈;12.掃描電源;13.掃描盒;14.分子泵;15.上整流發(fā)電機(jī)拖動(dòng)電機(jī);16.旋片機(jī)械泵;17.多節(jié)聚砜連桿;18.有機(jī)玻璃桿;19.整流倍加器(俗稱整流盒共計(jì)68組每組有256個(gè)硅二極管和分壓電容組成);20.發(fā)電機(jī);21.高壓電極;22.電子槍。此外還有高頻機(jī)振蕩管冷卻裝置及分子泵冷卻裝置未在圖中示出。

圖1 加速器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The accelerator structure

2 加速器技術(shù)改造

2.1 控制系統(tǒng)技術(shù)改造

對原有控制臺(tái)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)制作，物理所負(fù)責(zé)原理設(shè)計(jì)，由哈爾濱理工大學(xué)電站控制設(shè)備研發(fā)中心負(fù)責(zé)具體制作安裝，使用至今未出現(xiàn)故障。

2.2 高壓系統(tǒng)技術(shù)改造

將原有10kW的高頻機(jī)更換為15kW的高頻機(jī)，由于該設(shè)備不是加速器專用設(shè)備，需要必要的改進(jìn):撤掉了輸出線圈，安裝改造內(nèi)外控制線路，拆下舊高頻機(jī)陽極、柵極絕緣子，安裝在新機(jī)器上，調(diào)節(jié)水壓繼電器域值，完成新舊高頻發(fā)生器的更換，增加了高頻電源的可靠性和容量。

2.3 真空系統(tǒng)技術(shù)改造

更換分子泵和機(jī)械泵等附屬設(shè)備，并將原橡膠連接管更換為不銹鋼波紋管，在高低真空之間增加隔離板閥，更換放氣針閥，增加熱偶規(guī)測試口，增強(qiáng)了真空系統(tǒng)的氣密性和可靠性。

2.4 束流系統(tǒng)技術(shù)改造

重新設(shè)計(jì)制作掃描儀，并按照中國核工業(yè)總公司輻射加工用電子加速器通用規(guī)范［1］進(jìn)行調(diào)試，具體改造效果如下表1所示，改進(jìn)后的不均勻度達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 改進(jìn)前后掃描不均勻度對照Tab.1 Control of scanning unevenness before and after improvement

加速器的技術(shù)改造，改善和提高加速器工作的穩(wěn)定性及可靠性，保障了現(xiàn)有加速器能夠繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行更長的時(shí)間。

3 加速器實(shí)驗(yàn)室防護(hù)能力校核

由于更改了加速器的部件，提高了加速器的使用性能，因此有必要對加速器的防護(hù)能力做一下重新校核。高頻高壓電子加速器主要產(chǎn)生電子束以供輻射加工使用，由于電子束與物質(zhì)相互作用還可產(chǎn)生X射線，因此必須得到有效的防護(hù)屏蔽，以免對工作人員產(chǎn)生傷害。

3.1 加速器實(shí)驗(yàn)室防護(hù)設(shè)計(jì)原則是:

3.1.1 按國家GB18871－2002“電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)”［2］，按每年工作50周，每周工作6d，每天工作6h，安全系數(shù)為2計(jì)算，工作人員導(dǎo)出當(dāng)量限值P導(dǎo)為14μSv/h。

3.1.2 按1.5MeV，1.0mA 電子束打到銅靶上產(chǎn)生 X 射線點(diǎn)源計(jì)算，正向發(fā)射率為 100rads.m2.mA－1.min－1，修正因子取0.7，所以距靶1m處的劑量率為42Gy/h，由于正向?yàn)?/p>

地面不必考慮防護(hù)問題。90°方向發(fā)射率為80 rads.m2.mA－1.min－1，修正因子取 0.5，所以 90°方向劑量率 P0為24Gy/h［3－4］是考慮防護(hù)問題的主要影響因素，反向劑量率P'0大約為正向劑量率的1/8，取為3Gy/h。由于產(chǎn)生的X射線的能量譜為連續(xù)譜，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)其等效能量為0.5MeV［5］。

3.2 防護(hù)能力校核

3.2.1 輻照大廳(如圖2所示)

(注釋:由于對于電子輻照的輻射權(quán)重因子為1，所以發(fā)射劑量率1Gy/h可直接轉(zhuǎn)化為當(dāng)量劑量率1Sv/h，以下的計(jì)算不再重復(fù)說明。)

式中PA為A點(diǎn)劑量率，P0為距靶1m處90°方向劑量率，rA為A點(diǎn)距靶距離

式中K1為減弱倍數(shù)，PA當(dāng)為A點(diǎn)當(dāng)量劑量率，P導(dǎo)為導(dǎo)出當(dāng)量限值，按X射線有效能量0.5MeV查萬能表［6］:

即防護(hù)墻混凝土厚度應(yīng)為83.7cm，現(xiàn)有混凝土厚度100cm，所以防護(hù)墻厚度可以保證安全。

1 )防護(hù)墻

圖2 輻照大廳結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Irradiation hall structure

2 )迷宮出口處劑量率計(jì)算

經(jīng)二道鉛門減弱，再經(jīng)一次散射至迷宮出口處劑量率為:

式中Pc為C點(diǎn)劑量率，Pc當(dāng)為C點(diǎn)當(dāng)量劑量率，P0為距靶1m處90°方向劑量率，K2為二道鉛門減弱倍數(shù)，η1為一次散射射線強(qiáng)度減弱倍數(shù)，rB為靶到B點(diǎn)距離，rC為B點(diǎn)到C點(diǎn)距離。

由計(jì)算結(jié)果可知，迷宮出口處當(dāng)量劑量為24.37μSv/h，超出導(dǎo)出當(dāng)量限值大約1倍，對于照射原子序數(shù)與銅相近的物質(zhì)，應(yīng)加一道防護(hù)門，但對于照射原子序數(shù)較小的物質(zhì)則可不必加一道防護(hù)門，為此應(yīng)檢測迷宮出口處的實(shí)際情況，如需要可再加一道防護(hù)門，如實(shí)測劑量在導(dǎo)出當(dāng)量限值以下，則不加此防護(hù)門，本所加速器在出口處加了一道防盜門以確保安全。

3.2.2 加速器大廳

1 )樓板的防護(hù)能力(如圖3所示)

圖3 加速器大廳結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Accelerator hall structure

把靶處產(chǎn)生的X射線在射向天棚方向，距靶1m處反向劑量率為3Gy/h，無樓板時(shí)F點(diǎn)劑量率為:

P'F=P'0/rF2=3Gy/h ×1/92=0.037Gy/h

式中P'F為無樓板時(shí)F點(diǎn)劑量率，P'0為距靶1m處反向劑量率，rF為靶到F點(diǎn)距離，有混凝土樓板時(shí)F點(diǎn)劑量率(不考慮角度的因素)。

式中PF為有樓板時(shí)F點(diǎn)劑量率，PF當(dāng)為有樓板時(shí)F點(diǎn)的當(dāng)量劑量率，P'0為距靶1m處的反向劑量率，rF為靶到F點(diǎn)距離，K3為70cm混凝土減弱倍數(shù)，70cm混凝土減弱倍數(shù)為1.2 ×104。

由計(jì)算可知，F(xiàn)點(diǎn)的當(dāng)量劑量率為3.1μSv/h，因此樓板的存在使天棚處劑量率減弱到導(dǎo)出當(dāng)量限值以下，考慮從樓板孔中射出的X射線經(jīng)天棚反射后對防護(hù)的要求，因此洞孔應(yīng)加強(qiáng)屏蔽，以盡量減少射線的泄漏，并在安裝后實(shí)測之。

2 )迷宮出口處劑量率(如圖4所示)

圖4 加速器大廳斷面俯視圖Fig.4 Sectional top view of accelerator hall

式中 PD為D點(diǎn)的劑量率，PD當(dāng)為D點(diǎn)的當(dāng)量劑量率，P'0為距靶1m處反向劑量率，η2為經(jīng)過鋼筒散射減弱倍數(shù)，η3為E點(diǎn)到D點(diǎn)散射減弱倍數(shù)，rE為靶到E點(diǎn)距離，rD為E點(diǎn)到D點(diǎn)距離，K4一道鉛門減弱系數(shù)。

由計(jì)算結(jié)果可見，如果實(shí)際輻照加工時(shí)不照射原子序數(shù)高于銅的材料，該加速器的防護(hù)是安全的。

4 屏蔽效果及安全措施

4.1 屏蔽效果

改造后曾對加速器實(shí)驗(yàn)室周圍劑量進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)加速器輻照大廳東墻屏蔽效果不好，因此進(jìn)行了混凝土局部加厚處理，處理后進(jìn)行了實(shí)測，環(huán)境劑量均為本底劑量。

4.2 安全技術(shù)措施

4.2.1 聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)

1 )開機(jī)預(yù)報(bào)有警鈴響起30s，以使大廳內(nèi)的人員有充分時(shí)間離開大廳或采取應(yīng)急措施。

2 )在加速器高壓控制線路中串入電子鎖開關(guān)，電子鎖鑰匙與輻照大廳外側(cè)迷宮入口處門鎖鑰匙連在一起，以免開機(jī)時(shí)有人誤入。

3 )加速器大廳入口處，輻照大廳入口處鉛門上方均裝有行程開關(guān)與加速器高壓控制回路聯(lián)鎖，以確保當(dāng)有人在開機(jī)狀態(tài)闖入時(shí)高壓自動(dòng)斷掉。

4 )加速器大廳與輻照大廳均設(shè)有緊急按鈕與加速器高壓控制回路聯(lián)鎖以確保當(dāng)有人被誤關(guān)入輻照大廳或加速器大廳時(shí)，按下緊急按鈕可使高壓啟動(dòng)不啟或斷掉，并增加閃爍警示燈。

5 )輻照大廳入口處增加一道防盜門，并安裝位動(dòng)開關(guān)，并將位動(dòng)開關(guān)與加速器高壓控制回路聯(lián)鎖以確保當(dāng)有人在開機(jī)狀態(tài)闖入時(shí)高壓自動(dòng)斷掉。

4.2.2 安全標(biāo)識(shí)

1 )加速器大廳入口處與輻照大廳迷宮入口處門上方均設(shè)有警示燈，紅燈表示處在開機(jī)狀態(tài)并顯示“運(yùn)行中”，綠燈表示處在關(guān)機(jī)狀態(tài)并顯示“可進(jìn)入”。

2 )輻照大廳入口處放置俄羅斯生產(chǎn)的劑量報(bào)警儀，并有“注意劑量”標(biāo)識(shí)。

3 )控制室內(nèi)設(shè)有電視觀察系統(tǒng)，可以在控制室內(nèi)觀察輻照大廳是否有人，快門是否關(guān)閉及束下裝置運(yùn)行是否正常。并增設(shè)閉路監(jiān)視系統(tǒng)，可看到加速器大廳和輻照大廳入口處的情況并將電子錄像存入計(jì)算機(jī)，以便隨時(shí)調(diào)閱。

4.2.3 通風(fēng)系統(tǒng)

加速器大廳內(nèi)設(shè)有4－72－11No4.5A型離心通風(fēng)機(jī)一臺(tái)，排風(fēng)量3 900m3/h，能有效排除電子輻照產(chǎn)生的臭氧及有毒的氮的氧化物。增加煙霧報(bào)警器，并將報(bào)警儀與排風(fēng)控制聯(lián)鎖，以保證安全。

5 結(jié)語

加速器經(jīng)過技術(shù)改造后，控制臺(tái)安全運(yùn)行7年未出現(xiàn)一次故障，高頻機(jī)未出現(xiàn)故障，真空系統(tǒng)得到了很好的優(yōu)化，使加速器運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠，很好地滿足了熱縮制品生產(chǎn)和輻照試驗(yàn)的需要。另外，電子加速器的建筑屏蔽防護(hù)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，安全措施可靠、得當(dāng)，并得到了環(huán)保部門的認(rèn)可。

［1］中國核工業(yè)總公司.中國核工業(yè)總公司輻射加工用電子加速器通用規(guī)范 EJT97l一95［S］.1995.

［2］GB18871－2002.電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］宋文杰，陳思富.一臺(tái)2.5 MeV電子輻照加速器系統(tǒng)的屏蔽［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2001，35(1):79 －82.

［4］NCRP.Radiation Protection Design Guidelities for 0.1 ～100 MeV Particle Accelerator Facilities:NCRP Report No.51［R］.Washington:Pergamon Press，1977.

［5］［美］H·W·帕特森，R·H·托馬斯.加速器物理［M］.北京:原子能出版社，1983:16－296.

［6］趙蘭才，張丹楓.放射防護(hù)實(shí)用手冊［K］.濟(jì)南:濟(jì)南出版社，2009.