高 飛，徐 陽(yáng)，倪 寧，張 曦，劉蘊(yùn)韜，侯金兵，王菲菲，韋凱迪

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 計(jì)量測(cè)試部，北京 102413)

核電站在運(yùn)行過(guò)程中需大量的輻射劑量?jī)x，以確保人員和環(huán)境的安全[1-2]。輻射劑量?jī)x校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備通常由γ射線(xiàn)照射裝置、個(gè)人劑量計(jì)照射裝置、校準(zhǔn)臺(tái)、控制臺(tái)和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)等構(gòu)成。為了避免放射源之間的影響，γ射線(xiàn)照射裝置通常又分為60Co單源和多源照射裝置。60Co單源照射裝置通常裝載活度為3.7×1010～1.85×1014Bq的60Co放射源，用于輻射劑量?jī)x高量程段的檢定和校準(zhǔn)工作。多源照射裝置通常裝載活度小于3.7×1011Bq的60Co和137Cs放射源，用于輻射劑量?jī)x中、低量程段的檢定和校準(zhǔn)工作。為了提高個(gè)人劑量計(jì)的檢定效率，核電站校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室通常還會(huì)配備個(gè)人劑量計(jì)照射裝置。散射比例是γ射線(xiàn)參考輻射場(chǎng)的重要技術(shù)指標(biāo)，散射貢獻(xiàn)是無(wú)法避免的，只能通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)將其控制在合理的范圍內(nèi)。如何降低參考輻射場(chǎng)中散射光子的輻射貢獻(xiàn)是非常重要的課題[3-14]，為降低γ射線(xiàn)參考輻射場(chǎng)的散射貢獻(xiàn)，本文結(jié)合蒙特卡羅模擬的方法完成單源和多源照射裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為某核電站研建一套校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，并開(kāi)展核電站內(nèi)部輻射劑量?jī)x的檢定校準(zhǔn)工作。

1 原理

單源和多源照射裝置通常為準(zhǔn)直設(shè)計(jì)。準(zhǔn)直照射裝置的屏蔽體由足夠厚的鉛制成，將透過(guò)容器輻射的注量減小到有用射線(xiàn)束的千分之一，并在源關(guān)閉時(shí)，其表面劑量率限制到可接受的水平(通常為2.5 μSv/h)，圖1為準(zhǔn)直照射裝置原理圖。

圖1 準(zhǔn)直照射裝置原理圖Fig.1 Principle diagram of collimated irradiation facility

2 γ射線(xiàn)照射裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

γ射線(xiàn)照射裝置分為準(zhǔn)直照射裝置和全景照射裝置，準(zhǔn)直照射裝置根據(jù)裝源數(shù)量不同通常分為多源和單源準(zhǔn)直照射裝置。準(zhǔn)直照射裝置由鉛屏蔽體、散射腔、準(zhǔn)直器、快門(mén)、附加屏蔽體、放射源和底座等組成，多源照射裝置設(shè)計(jì)有載源盤(pán)。γ射線(xiàn)照射裝置的快門(mén)由空壓機(jī)內(nèi)的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，因此在斷電情況下，空壓機(jī)內(nèi)的壓縮空氣仍可關(guān)閉主快門(mén)。多源照射裝置的4枚放射源位于多源照射裝置內(nèi)部的載源盤(pán)上，載源盤(pán)連接放射源定位系統(tǒng)。放射源定位系統(tǒng)通過(guò)減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)光耦定位選擇需要的放射源進(jìn)行照射，單源和多源照射裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。全景照射裝置由鉛屏蔽體、放射源、放射源支架、照射裝置支架、氣缸和底座等組成，通過(guò)遠(yuǎn)程控制電磁閥利用壓縮空氣推動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)放射源的升降功能(圖3)。γ射線(xiàn)照射裝置表面采用防腐蝕、易去污的材料和工藝。螺栓、螺母和墊圈進(jìn)行防腐蝕、鍍鋅，金屬部件進(jìn)行氧化處理，噴涂均勻光滑。

2.1 蒙特卡羅計(jì)算模型

準(zhǔn)直照射裝置內(nèi)部設(shè)計(jì)有散射腔用以降低裝置內(nèi)部的散射輻射，散射腔尺寸越大其作用越明顯，但裝置的重量和加工成本會(huì)迅速上升。此外，散射輻射還與準(zhǔn)直器及實(shí)驗(yàn)室布局有關(guān)，為進(jìn)一步降低散射輻射，采用蒙特卡羅模擬的方法對(duì)γ射線(xiàn)照射裝置和實(shí)驗(yàn)室布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。應(yīng)用蒙特卡羅程序MCNP計(jì)算輻射場(chǎng)中散射光子的問(wèn)題時(shí)，用到的命令卡包括標(biāo)題卡、柵元卡、曲面卡和數(shù)據(jù)卡。其中，數(shù)據(jù)卡包括模擬類(lèi)型卡、柵元參數(shù)及曲面參數(shù)卡、源卡、計(jì)數(shù)卡等。計(jì)算模型主要包括水泥臺(tái)、墻壁、地面、校準(zhǔn)臺(tái)和空氣等。準(zhǔn)直輻照裝置包括鉛屏蔽體、散射腔、準(zhǔn)直器、附加屏蔽體、快門(mén)、放射源和底座等。準(zhǔn)直器由鎢合金(W，89%；Ni，7%；Cu，4%)制成，密度約18 g/cm3。實(shí)驗(yàn)室中水泥墻壁的密度為2.35 g/cm3，由氧(52.9%)、硅(33.7%)、鐵(1.3%)和其他元素(12.1%)所組成。空氣密度為0.001 293 g/cm3，由氧(23.2%)、氮(76%)及碳和氬(0.8%)等組成。為簡(jiǎn)化計(jì)算，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，對(duì)上述幾何結(jié)構(gòu)均作適當(dāng)?shù)母呕幚?，輻射?chǎng)計(jì)算模型如圖4所示。利用MCNP程序中F4命令計(jì)算參考點(diǎn)處的光子注量率φ，利用DE/DF命令將計(jì)算得到的光子注量率乘以Kα/φ(Kα/φ為光子注量率-空氣比釋動(dòng)能率換算因子，表示輻射場(chǎng)中某一能量光子的注量率產(chǎn)生的劑量率[16]，pGy·cm2)換算為空氣比釋動(dòng)能率[15]。使用CF計(jì)數(shù)命令計(jì)算參考輻射場(chǎng)中來(lái)自不同物體(校準(zhǔn)臺(tái)、準(zhǔn)直器、鉛容器、地面和墻壁等)的散射貢獻(xiàn)[15]。

圖2 單源(a)和多源(b)照射裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Single source (a) and multi-source (b) irradiation facility structures

圖3 全景照射裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Irradiation facility structure without collimator

圖4 輻射場(chǎng)計(jì)算模型Fig.4 Radiation field simulation model

2.2 散射腔設(shè)計(jì)

準(zhǔn)直照射裝置的散射腔用于降低照射裝置自身的散射輻射，散射腔越大其作用越明顯，但會(huì)增加裝置的重量。利用MCNP程序?qū)Σ煌叽绲纳⑸淝贿M(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算模型如圖5所示，計(jì)算結(jié)果示于圖6。由圖6可看出，散射腔直徑對(duì)散射輻射影響較小，散射腔高度對(duì)散射輻射的影響較大，即散射腔高度越大，由照射裝置屏蔽主體帶來(lái)的散射輻射越小。最終將散射腔尺寸設(shè)計(jì)為φ4 cm×18 cm(體積為226 cm3)時(shí)照射裝置屏蔽主體帶來(lái)的散射比例最低(0.015%)。

a——φ12 cm×10 cm；b——φ4 cm×6 cm圖5 不同尺寸散射腔的計(jì)算模型Fig.5 Scattering chamber simulation model with different sizes

2.3 準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)

利用MCNP程序建立模型，將準(zhǔn)直器分為內(nèi)準(zhǔn)直器、快門(mén)準(zhǔn)直器和外準(zhǔn)直器3組，圖7為不同準(zhǔn)直器的照射裝置結(jié)構(gòu)，計(jì)算每組準(zhǔn)直器對(duì)輻射場(chǎng)均勻性的影響。為計(jì)算輻射場(chǎng)中空氣比釋動(dòng)能率的橫向分布，在距放射源1 m位置處設(shè)置一系列橫向排列的立方體計(jì)數(shù)柵元，每隔1 cm設(shè)置1個(gè)計(jì)數(shù)柵元。計(jì)數(shù)柵元為立方體而不是球體，這是因?yàn)樵谏涫獾陌胗皡^(qū)內(nèi)光子劑量非常小，在同樣間距下，立方體相對(duì)于球體來(lái)講計(jì)數(shù)有效體積更大，計(jì)數(shù)效率更高，圖8為輻射場(chǎng)均勻性計(jì)算模型。輻射場(chǎng)均勻性計(jì)算結(jié)果示于圖9。由圖9可知，準(zhǔn)直器由內(nèi)準(zhǔn)直器、快門(mén)準(zhǔn)直器和外準(zhǔn)直器3部分構(gòu)成時(shí)均勻性最好。在±12 cm范圍內(nèi)均勻性好于5%，滿(mǎn)足使用要求，因此將準(zhǔn)直照射裝置的準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)為3部分，共9片鎢合金準(zhǔn)直器，準(zhǔn)直器的張角為14°。

圖6 不同圓柱形散射腔的散射比例Fig.6 Scattering ratio by different scattering chambers

a——內(nèi)準(zhǔn)直器；b——內(nèi)準(zhǔn)直器和快門(mén)準(zhǔn)直器；c——快門(mén)準(zhǔn)直器；d——外準(zhǔn)直器和快門(mén)準(zhǔn)直器；e——外準(zhǔn)直器；f——外準(zhǔn)直器、快門(mén)準(zhǔn)直器和內(nèi)準(zhǔn)直器圖7 不同準(zhǔn)直器的照射裝置結(jié)構(gòu)Fig.7 Irradiation facility structure with different collimators

圖8 輻射場(chǎng)均勻性計(jì)算模型Fig.8 Uniformity simulation model for radiation field

圖9 輻射場(chǎng)均勻性計(jì)算結(jié)果Fig.9 Uniformity simulation result for radiation field

3 校準(zhǔn)臺(tái)設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)臺(tái)為全自動(dòng)控制，在沿射束方向鋪設(shè)的軌道上由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。校準(zhǔn)臺(tái)上的載物平臺(tái)可上下、橫向(垂直于軌道的平面方向)及正反(±180°)轉(zhuǎn)動(dòng)，均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)并有限位信號(hào)。校準(zhǔn)臺(tái)控制系統(tǒng)分為本地控制和遠(yuǎn)程控制，均為有線(xiàn)控制。本地控制能實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)臺(tái)沿軌道的前進(jìn)(定位精度1 mm)、后退(定位精度1 mm)及載物平臺(tái)的上升、下降、橫移、順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)等功能。遠(yuǎn)程控制端位于控制間，由計(jì)算機(jī)軟件控制，除包括本地控制的所有功能外，還具有自動(dòng)定位的功能。校準(zhǔn)臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖10所示，主要包括：1) 載物臺(tái)，可使其上放置的儀表上下移動(dòng)到射束中心，有移動(dòng)距離顯示；2) 旋轉(zhuǎn)底座，具備旋轉(zhuǎn)定位功能，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)底座橫向移動(dòng)使載物平臺(tái)上放置的儀表移動(dòng)到射束中心；3) 車(chē)體，置于軌道之上，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)地車(chē)在軌道上移動(dòng)，定位精度為1 mm；4) 驅(qū)動(dòng)及定位系統(tǒng)，用于限位和齒輪傳動(dòng)定，使校準(zhǔn)臺(tái)在射束方向移動(dòng)；5) 軌道，支撐校準(zhǔn)臺(tái)；6) 軌道預(yù)埋件，即底軌用于將軌道固定在實(shí)驗(yàn)室地板上；7) 攝像頭支架，用于架設(shè)攝像頭，該攝像頭在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可讀取被校儀表的讀數(shù)。

圖10 校準(zhǔn)臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.10 Calibration platform structure

4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由控制臺(tái)、專(zhuān)用控制器、計(jì)算機(jī)控制程序、PLC工業(yè)控制器和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)等組成。專(zhuān)用控制器和計(jì)算機(jī)控制程序功能相同，互為冗余設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的基本控制，包括更換放射源、快門(mén)到位診斷、與安全系統(tǒng)聯(lián)鎖、校準(zhǔn)臺(tái)控制(距離，升降和角度等)。專(zhuān)用控制器和計(jì)算機(jī)控制程序能直觀顯示照射裝置、校準(zhǔn)臺(tái)和安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的工作狀態(tài)。監(jiān)控設(shè)備由兩臺(tái)彩色監(jiān)視器、3臺(tái)攝像機(jī)和切換器相連，實(shí)現(xiàn)全景監(jiān)視、儀表讀數(shù)、標(biāo)尺讀數(shù)(距離)?？刂朴?jì)算機(jī)屬通用計(jì)算機(jī)，可與專(zhuān)用控制器連接，實(shí)現(xiàn)集中管理、數(shù)據(jù)處理和證書(shū)打印等功能?？刂婆_(tái)具備UPS不間斷供電系統(tǒng)，斷電可工作30 min以上。安全聯(lián)鎖系統(tǒng)包括急停開(kāi)關(guān)、安全門(mén)禁系統(tǒng)、燈光報(bào)警系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)和輻射劑量?jī)x等，安全聯(lián)鎖響應(yīng)時(shí)間≤1 s。輻射劑量?jī)x用于人員的劑量監(jiān)測(cè)與防護(hù)，量程為0.1 μSv/h～100 mSv/h，能量范圍為60 keV～1.25 MeV。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

完成單源照射裝置、多源照射裝置、全景照射裝置、校準(zhǔn)臺(tái)、控制臺(tái)、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的安裝調(diào)試后，需對(duì)源裝置產(chǎn)生的參考輻射場(chǎng)的均勻性和散射比例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為建立計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。利用PTW Unidos劑量計(jì)配30 cc柱形電離室對(duì)所研制的單源和多源照射裝置產(chǎn)生的輻射場(chǎng)劑量率分布和均勻性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果列于表1，表1中數(shù)據(jù)已扣除天然本底(0.50 μSv/h)，1#、2#、3#、4#源為137Cs，置于多源照射裝置中，5#源為60Co，置于單源照射裝置中。

文獻(xiàn)[17]規(guī)定經(jīng)空氣減弱修正后，空氣比釋動(dòng)能率應(yīng)在5%以?xún)?nèi)，與參考點(diǎn)距放射源距離平方的倒數(shù)呈正比。計(jì)算不同距離處劑量率測(cè)量結(jié)果與理論結(jié)果的偏差，表2所列為輻射場(chǎng)中散射比例分布情況。由表2可知，輻射場(chǎng)中空氣比釋動(dòng)能率實(shí)測(cè)值在5%以?xún)?nèi)，與參考點(diǎn)距放射源距離平方的倒數(shù)呈正比，滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求[18]。

距1#源和5#源1 m處，利用電離室進(jìn)行掃描測(cè)量以確定輻射場(chǎng)的均勻性，測(cè)量間隔為2 cm，測(cè)量結(jié)果如圖11所示。由圖11a可知，輻射場(chǎng)分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值和計(jì)算結(jié)果符合較好，相對(duì)誤差在1%以?xún)?nèi)，在距放射源1 m處137Cs放射源輻射場(chǎng)的寬度分別為17.6 cm和17.3 cm。由圖11b可知，中間平坦區(qū)域?qū)嶒?yàn)和計(jì)算結(jié)果符合較好，相對(duì)誤差在0.3%以?xún)?nèi)，在距放射源1 m處60Co放射源輻射場(chǎng)的測(cè)量寬度分別為17.8 cm和17.6 cm，測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果相差在0.5%左右。

表1 輻射場(chǎng)劑量率分布Table 1 Dose rate distribution in radiation field

表2 輻射場(chǎng)中散射比例分布Table 2 Scattering ratio in radiation field

a——1#源；b——5#源圖11 輻射場(chǎng)均勻性Fig.11 Uniformity of radiation field

6 結(jié)論

結(jié)合蒙特卡羅方法完成了60Co單源照射裝置和137Cs多源照射裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用PTW空腔電離室對(duì)輻射場(chǎng)的散射比例和均勻性進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明，γ校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的輻射劑量技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足ISO4037標(biāo)準(zhǔn)的要求，目前該校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室已通過(guò)相關(guān)資質(zhì)認(rèn)可，具備開(kāi)展校準(zhǔn)檢定的技術(shù)能力和資格。