離子注入機(jī)的輻射防護(hù)措施在環(huán)評與驗(yàn)收階段的可行性分析

福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站 馮可新

1 概述

離子注入機(jī)是通過控制不同離子的注入來實(shí)現(xiàn)不同離子與物質(zhì)的作用從而改變材料成份的儀器。某大學(xué)能源學(xué)院由于科研需要，擬在學(xué)院二樓的靜電實(shí)驗(yàn)室新建一座離子注入機(jī)，由學(xué)校自籌資金從美國國家靜電公司（NEC）定制一臺高能、中束流型離子注入機(jī)，用于輻照環(huán)境下材料的輻照損傷模擬實(shí)驗(yàn)。離子注入機(jī)的使用在國內(nèi)尚未大范圍普及，而此臺離子注入機(jī)還是定制的。因此，該機(jī)構(gòu)在離子注入機(jī)安裝前進(jìn)行了環(huán)境影響評價預(yù)測，安裝試運(yùn)行后進(jìn)行驗(yàn)收監(jiān)測。設(shè)備在試運(yùn)行的驗(yàn)收階段，根據(jù)實(shí)際工作工況對屏蔽防護(hù)進(jìn)行了一定的優(yōu)化。

2 某離子注入機(jī)在環(huán)評設(shè)計(jì)與驗(yàn)收階段的屏蔽防護(hù)措施對比

2.1 離子注入機(jī)在環(huán)評階段的屏蔽防護(hù)措施

本項(xiàng)目的400kV離子注入機(jī)是在科研機(jī)構(gòu)與NEC簽訂購置合同后，經(jīng)過NEC兩年多的研制開發(fā)，該注入機(jī)才運(yùn)抵該科研機(jī)構(gòu)開始安裝。而離子注入機(jī)的環(huán)評階段是在正式安裝前，即還停留在NEC的設(shè)計(jì)防護(hù)屏蔽措施階段進(jìn)行。由于該注入機(jī)屬于定制產(chǎn)品，無固定的型號，部分具體實(shí)際參數(shù)無法提前實(shí)測。在最開始的設(shè)計(jì)中（即環(huán)評階段），擬通過在輻射產(chǎn)生區(qū)域（加速管末端）設(shè)計(jì)6mm鉛當(dāng)量的屏蔽來消除輻射影響。此外NEC還對其標(biāo)準(zhǔn)加速管進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，在加速管每個電極的保護(hù)放電隙間安裝了環(huán)形磁鐵，它在束軸附近形成了一個弱磁場，使次級電子在獲得足夠的能量之前就被有效地捕集干凈。附加磁鐵所產(chǎn)生的磁場取向沿方位角旋轉(zhuǎn)，因此對離子的運(yùn)動不會造成明顯的影響。這項(xiàng)改進(jìn)使離子注入機(jī)加速管的輻射劑量大大降低。離子注入機(jī)環(huán)評階段輻射防護(hù)措施的俯視圖見圖1。

圖1 離子注入機(jī)的俯視圖(環(huán)評階段的屏蔽防護(hù)措施)

離子注入機(jī)在運(yùn)抵安裝調(diào)試出束流后，進(jìn)行了輻射的初步測量，此時發(fā)現(xiàn)X射線輻射來自于所有加速管區(qū)域，而非設(shè)計(jì)時認(rèn)為的加速管末端。而加速管處于高壓和地電勢接通區(qū)，無法整體安裝鉛自屏蔽層。在加速管每個電極的保護(hù)放電隙間安裝了環(huán)形磁鐵這一改進(jìn)措施被保留了下來。

2.2 離子注入機(jī)在驗(yàn)收階段的屏蔽防護(hù)措施

離子注入機(jī)在安裝調(diào)試后發(fā)現(xiàn)無法實(shí)現(xiàn)加速管的自屏蔽，而為了能達(dá)到屏蔽效果，最終NEC廠家設(shè)計(jì)在整個設(shè)備的外圍建造了3mm鉛當(dāng)量的輻射屏蔽墻，部分區(qū)域(如加速管末端)加3mm塢板，并在屏蔽墻門上設(shè)置了門機(jī)聯(lián)鎖裝置。這采用距離防護(hù)和屏蔽防護(hù)的方法，并認(rèn)為外屏蔽墻是設(shè)備的外表面，達(dá)到了“設(shè)備應(yīng)有很好的輻射屏蔽效果，且保障了在設(shè)備外表面 5cm 處輻射劑量率不超過 0.6μSv/h”的環(huán)保要求[1]。而將加速管加裝環(huán)形磁鐵這一改進(jìn)保留了下來。離子注入機(jī)驗(yàn)收階段輻射防護(hù)措施的俯視圖見圖2。

圖2 離子注入機(jī)的俯視圖(驗(yàn)收階段的屏蔽防護(hù)措施)

由上述可知，該離子注入機(jī)是定制產(chǎn)品，無固定型號的相關(guān)參數(shù)等來參考。環(huán)評時主要考慮加速管的自屏蔽來降低輻射，沒有考慮自屏蔽的可行性，但在安裝調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)無法實(shí)現(xiàn)加速管自屏蔽，因此改成 3mm鉛屏蔽墻（部分區(qū)域加塢板），由上述可知，環(huán)評與驗(yàn)收的防護(hù)屏蔽措施都是為了達(dá)到“在設(shè)備外表面5cm處輻射劑量率不超過0.6μSv/h”的環(huán)保要求。

3 某離子注入機(jī)輻射防護(hù)措施在環(huán)評與驗(yàn)收階段可行性對比計(jì)算

由于該設(shè)備是定制設(shè)備，在最終調(diào)試出束流前，無法準(zhǔn)確知道束流的最大值。NEC廠家的設(shè)計(jì)目標(biāo)是1mA，因此，在環(huán)評預(yù)測過程中，取了一個500μA的額定值。而在離子注入機(jī)安裝使用調(diào)試后，該離子注入機(jī)的實(shí)際電流強(qiáng)度為100μA，而電壓均為400keV，因此離子注入機(jī)環(huán)評與驗(yàn)收參數(shù)不同。離子注入機(jī)在上述環(huán)評與驗(yàn)收防護(hù)屏蔽措施條件下，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)來進(jìn)行防護(hù)屏蔽措施是否可行有待研究。

3.1 離子注入機(jī)在環(huán)評階段的輻射防護(hù)措施可行性理論計(jì)算

該離子注入機(jī)在環(huán)評階段還處在設(shè)計(jì)階段，因此，環(huán)評階段只監(jiān)測了其環(huán)境本底值。離子注入機(jī)環(huán)評時本底監(jiān)測結(jié)果表明：離子注入機(jī)擬建址建筑物內(nèi)環(huán)境本底γ劑量率為119～141nSv/h。離子注入機(jī)環(huán)評階段的防護(hù)措施為加速管末端6mm鉛當(dāng)量的自屏蔽，以下是離子注入機(jī)在上述防護(hù)屏蔽措施下，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行的可行性計(jì)算分析：

3.1.1 離子注入機(jī)環(huán)評自屏蔽預(yù)測

軔致輻射X射線是寬束X射線，其能譜呈現(xiàn)連續(xù)譜分布，其中最大值接近引起軔致輻射的電子能量值。為計(jì)算本項(xiàng)目離子注入機(jī)自屏蔽防護(hù)厚度是否滿足軔致輻射X射線的防護(hù)要求，這里假設(shè)軔致輻射X射線的最大能量能夠達(dá)到二次電子的能量，即達(dá)到產(chǎn)生二次電子的離子的能量，即離子源電壓30kV。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，離子源著靶束流大概只占離子源引出束流的20%～50%。離子源引出的束流在經(jīng)過質(zhì)量分析器時，有用的離子從分析光欄里出去了，進(jìn)入加速管進(jìn)一步加速，最終成為著靶束流，而無用的離子在質(zhì)量分析器內(nèi)被阻攔生成二次電子。環(huán)評預(yù)測按保守的50%估算，最大束流強(qiáng)度保守取0.5mA，各方向均為初級射線方向，即主射線方向。

這里離子源出來的二次電子軔致輻射X射線屏蔽計(jì)算模式采用《輻射防護(hù)導(dǎo)論》[2]中X射線機(jī)的劑量計(jì)算方法。在距離鎢靶r處（即考察點(diǎn)處）由X射線機(jī)產(chǎn)生的初級X射線束造成的空氣比釋動能率K·α可按公式（1）計(jì)算：

式（1）中，r0=1m；I 為電子束流（mA），本項(xiàng)目取值0.5mA；δ為距鎢靶1m處，由初級射線束產(chǎn)生的空氣比釋動能率，即X射線發(fā)射率常數(shù)，mGy·m2/（mA · min），查《輻射防護(hù)導(dǎo)論》[2]的附圖1，恒定電壓為30kV時，保守取值100mGy·m2/（mA · min）?？紤]到離子源出來的電子軔致輻射X射線是電子打在分析光欄（一般為鋼鐵）上產(chǎn)生的軔致輻射，在對X射線發(fā)射率取值時，將做一定的修正。根據(jù)《輻射防護(hù)導(dǎo)論》[2]，這種低Z靶的X射線發(fā)射率修正因子取值0.7，最終本項(xiàng)目發(fā)射率常數(shù)取值為70 mGy · m2/（mA · min）。B為屏蔽透射因子，由于資料有限，未查到6mm鉛對30kV初級X射線透射比，這里保守按《輻射防護(hù)導(dǎo)論》[2]附圖12取值，6mm鉛對0.1MeV電子產(chǎn)生的寬束X射線對鉛的透射比為10-9。r為輻射源點(diǎn)至關(guān)注點(diǎn)的距離（m），這里按分析光欄與高壓籠外5cm的關(guān)注點(diǎn)之間的最近距離0.4m估算。

將以上參數(shù)代入式（1）計(jì)算，可知距離分析光欄最近的高壓籠外表面考察點(diǎn)輻射劑量率約為0.013μGy/h，能夠滿足《離子注入機(jī)通用規(guī)范》（GB/T 15862-2012）中，“設(shè)備應(yīng)有良好的射線防護(hù)設(shè)施，在距機(jī)器外表面5cm處檢測射線劑量應(yīng)小于0.6μSv/h”的環(huán)保要求。高壓籠外其他關(guān)注點(diǎn)與分析光欄的距離均遠(yuǎn)大于0.4m，表面劑量率也將低于0.013μGy/h，同樣能夠滿足上述限值要求，由此可知，6mm鉛當(dāng)量自屏蔽可以滿足國家規(guī)定的環(huán)保要求。

3.1.2 離子注入機(jī)環(huán)評有效劑量預(yù)測

考察點(diǎn)（關(guān)注點(diǎn)）人員的年有效劑量由《輻射防護(hù)導(dǎo)論》給出的公式（2）進(jìn)行估算：

式（2）中：DEff為考察點(diǎn)人員有效劑量（Sv）；K·α為考察點(diǎn)的周圍空氣比釋動能率（Gy·h-1）；t為考察點(diǎn)處年受照時間（h）；T為居留因子，全部居留T=1，部分居留T=1/4，偶爾居留T=1/16；U為使用因子，本項(xiàng)目軔致輻射X射線均保守按初級射線估算，U取1；結(jié)果簡化估算，1mGy近似為1mSv。

3.1.2.1 職業(yè)人員受照劑量

職業(yè)人員在控制室內(nèi)操作離子注入機(jī)，按距離子注入機(jī)表面0.4m的劑量率0.013μSv/h的軔致輻射再經(jīng)過約6m距離的衰減以及控制室墻體等進(jìn)一步屏蔽，將減弱至＜1nSv/h的輻射水平，基本湮滅在環(huán)境本底輻射中。保守計(jì)算取2000h的年工作時間，居留因子取1，由式（2）計(jì)算可得，離子注入機(jī)表面0.4m的輻射工作人員年有效劑量也不會超過0.026mSv，遠(yuǎn)小于本項(xiàng)目管理目標(biāo)“職業(yè)人員劑量約束值≤5mSv/年”的要求。

3.1.2.2 公眾受照劑量

公眾所能到達(dá)的輻照區(qū)距離離子注入機(jī)最近的位置，是照射區(qū)北門，相距約4m（照射區(qū)北墻外為鍋爐設(shè)備場所二樓架空區(qū)域，公眾無法到達(dá)）。離子注入機(jī)表面劑量率0.013μSv/h的軔致輻射再經(jīng)過約4m距離的衰減，將減弱至＜1nSv/h的輻射水平，基本湮滅在環(huán)境本底輻射中。保守計(jì)算取2000h的年工作時間，以及公眾居留因子取值1/16，按照距離子注入機(jī)表面0.4m的劑量率0.013μSv/h計(jì)算，公眾年有效劑量也不會超過0.0016mSv，遠(yuǎn)小于本項(xiàng)目管理目標(biāo)“公眾劑量約束值≤0.1mSv/年”的要求。其他公眾區(qū)域距離遠(yuǎn)大于4m，因此可以達(dá)到上述要求。

3.1.3 離子注入機(jī)的輻射防護(hù)措施在環(huán)評階段的可行性分析

由上述結(jié)果可知，離子注入機(jī)環(huán)評階段的自屏蔽預(yù)測可以滿足“設(shè)備應(yīng)有良好的射線防護(hù)設(shè)施，在距機(jī)器外表面50mm處檢測射線劑量應(yīng)小于0.6μSv/h”的要求。職業(yè)人員和公眾年有效劑量不會超過0.026mSv以及0.0016mSv，遠(yuǎn)小于本項(xiàng)目管理目標(biāo)“職業(yè)人員劑量約束值≤5mSv/年”以及“公眾劑量約束值≤0.1mSv/年”的要求，因此離子注入機(jī)在環(huán)評階段的屏蔽防護(hù)措施是可行的。

3.2 離子注入機(jī)在驗(yàn)收階段的實(shí)測計(jì)算

離子注入機(jī)關(guān)機(jī)時為本底值，γ劑量率范圍為 117～146 nSv/h，而在400kV、100mA的開機(jī)工況下，X輻射劑量率為150～511nSv/h，達(dá)到了“在設(shè)備外表面 5cm 處輻射劑量率不超過0.6μSv/h”的環(huán)保要求。離子注入機(jī)驗(yàn)收階段的防護(hù)措施為 3mm屏蔽鉛墻（部份區(qū)域加塢板），以下是離子注入機(jī)在上述防護(hù)屏蔽措施下，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行的可行性計(jì)算分析。

3.2.1 離子注入機(jī)驗(yàn)收有效劑量計(jì)算

離子注入機(jī)的有效劑量按照《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》(GB18871-2002)[3]附錄J的輻射權(quán)重因數(shù)，X射線產(chǎn)生的外照射人均年有效劑量按下列公式計(jì)算：

式（3）中，H為外照射人均年有效劑量，mSv；D為附加劑量率，μSv/h；t為射線裝置年出束時間，h；T為人員居留因子，無量綱。由于驗(yàn)收過程為實(shí)測，根據(jù)調(diào)查可知，離子注入機(jī)每次開機(jī)30～40分鐘可達(dá)到監(jiān)測時工況，據(jù)實(shí)驗(yàn)室人員估計(jì)離子注入機(jī)一年工作約2000小時。離子注入機(jī)產(chǎn)生的外照射人均年有效劑量由式（3）計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 離子注入機(jī)所在輻照實(shí)驗(yàn)室周圍環(huán)境輻射劑量率監(jiān)測結(jié)果及年有效劑量計(jì)算結(jié)果

表1中，居留因子均為保守計(jì)算，設(shè)備正常運(yùn)行時，人員幾乎不會到達(dá)實(shí)驗(yàn)區(qū)域。由表1可知，職業(yè)人員年有效劑量最大為0.197mSv，遠(yuǎn)小于職業(yè)人員的劑量約束值；公眾人員年有效劑量為0.009mSv，遠(yuǎn)小于公眾人員的劑量約束值。

3.2.2 離子注入機(jī)的輻射防護(hù)措施在驗(yàn)收階段的可行性分析

由上述計(jì)算結(jié)果可知，在離子注入機(jī)驗(yàn)收階段的屏蔽措施下，職業(yè)人員年有效劑量最大為0.197mSv，公眾人員年有效劑量為 0.009mSv，遠(yuǎn)小于本項(xiàng)目管理目標(biāo)“職業(yè)人員劑量約束值≤5mSv/年”以及“公眾劑量約束值≤0.1mSv/年”的要求，因此，該項(xiàng)目驗(yàn)收階段的屏蔽防護(hù)措施是可行的。

3.3 離子注入機(jī)輻射防護(hù)措施在環(huán)評與驗(yàn)收階段可行性對比

由上述計(jì)算結(jié)果可知，離子注入機(jī)環(huán)評階段的6mm鉛當(dāng)量自屏蔽可以滿足離子注入機(jī)的輻射防護(hù)要求，驗(yàn)收時由于自屏蔽無法實(shí)現(xiàn)，而改為“3mm 鉛屏蔽墻以及部分位置加塢板”的防護(hù)措施可以滿足離子注入機(jī)的輻射防護(hù)要求。因此，離子注入機(jī)環(huán)評時與驗(yàn)收的輻射防護(hù)措施是可行的。離子注入機(jī)在環(huán)評階段的“6mm 鉛當(dāng)量自屏蔽”的輻射防護(hù)措施下，離子注入機(jī)表面 0.4m(高壓籠外表面)為職業(yè)人員可到達(dá)最近處，該點(diǎn)職業(yè)人員年有效劑量不會超過0.026mSv/a，遠(yuǎn)小于職業(yè)人員劑量限值；公眾能到達(dá)的最近處為距輻照區(qū)約 4m的北門，該點(diǎn)的公眾年有效劑量不會超過 0.0016mSv，遠(yuǎn)小于公眾人員劑量限值。離子注入機(jī)在驗(yàn)收階段的防護(hù)屏蔽措施下，離子注入機(jī)正常工作時，鉛屏蔽墻內(nèi)部不可到達(dá)，離子注入機(jī)的鉛屏蔽墻可視為離子注入機(jī)的外表面，職業(yè)人員可到達(dá)的最近處為南側(cè)鉛屏蔽墻外5cm，該點(diǎn)職業(yè)人員年有效劑量為0.197mSv/a，遠(yuǎn)小于職業(yè)人員劑量限值；靜電實(shí)驗(yàn)室門外 30cm處為公眾人員所能到達(dá)最近處，該點(diǎn)的公眾年有效劑量不會超過0.009mSv，遠(yuǎn)小于公眾人員劑量限值。離子注入機(jī)在環(huán)評與驗(yàn)收階段職業(yè)人員與公眾人員的年有效劑量最大值對比數(shù)據(jù)見表2。

表2 離子注入機(jī)在環(huán)評階段與驗(yàn)收階段的年有效劑量最大值的對比

4 結(jié)論

綜上可知，離子注入機(jī)環(huán)評階段對加速管的自屏蔽防護(hù)考慮不是很精確，但是由于環(huán)評階段仍有高壓罩籠以保證一定的距離，因此環(huán)評預(yù)測是達(dá)標(biāo)的。通過驗(yàn)收階段的實(shí)測及防護(hù)的優(yōu)化，對離子注入機(jī)做了更符合實(shí)際情況的輻射防護(hù)，達(dá)到防護(hù)最優(yōu)化。由計(jì)算可知，離子注入機(jī)在環(huán)評與驗(yàn)收階段的輻射屏蔽措施都是可行的。

[1] GB/T15862-2012，離子注入機(jī)通用規(guī)范[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[2] 方杰.輻射防護(hù)導(dǎo)論[M]. 北京：原子能出版社，1991.

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