張開(kāi)洋

關(guān)鍵字γ 射線裝置；多源裝置；電離輻射計(jì)量；輻射場(chǎng)均勻性

0 引言

核電廠基于核裂變釋放能量，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的放射性，為保證工作人員安全和進(jìn)行工藝系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，使用了大量的γ 劑量測(cè)量?jī)x表。為確保儀表測(cè)量的準(zhǔn)確性，同時(shí)，從維護(hù)成本考慮，福清核電建立標(biāo)準(zhǔn)電離輻射計(jì)量實(shí)驗(yàn)室對(duì)核電廠的γ 劑量?jī)x表進(jìn)行檢定、校準(zhǔn)。福清核電通過(guò)大量調(diào)試驗(yàn)證，使該套γ 射線裝置滿足建標(biāo)要求的穩(wěn)定性、輻射場(chǎng)均勻性等要求，可以申請(qǐng)建標(biāo)。

1 γ 射線裝置

設(shè)備構(gòu)成，該系統(tǒng)主要由集中配電柜、控制臺(tái)、單源裝置、多源裝置、刻度臺(tái)架、供氣回路等組成。

2 設(shè)備調(diào)試

2.1 調(diào)試流程設(shè)計(jì)

單源裝置和多源裝置是整套裝置的核心設(shè)備，其調(diào)試結(jié)果關(guān)系后期使用。為避免調(diào)試問(wèn)題的重復(fù)處理，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如下：（1）源裝置提升穩(wěn)定性測(cè)試；（2）輻射場(chǎng)均勻性測(cè)試；（3）標(biāo)尺定位及平方反比定律驗(yàn)證；（4）裝置長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試。

2.2 提升穩(wěn)定性測(cè)試

為確保后續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性與穩(wěn)定性，需對(duì)單、多源裝置的源的提升位置穩(wěn)定進(jìn)行驗(yàn)證，在距源3 m 處，對(duì)應(yīng)射線束中心軸上升降放射源10 次，每次測(cè)量10 個(gè)計(jì)數(shù)。單源裝置與多源裝置測(cè)量方法相同，其中，多源裝置使用3 號(hào)源進(jìn)行測(cè)量，由于放射性測(cè)量具有統(tǒng)計(jì)漲落，我們通過(guò)增加樣本量來(lái)減少該因素的影響，對(duì)貝塞爾公式進(jìn)行如下變形。

通過(guò)重復(fù)提升10 次的測(cè)試，單源裝置最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.750，重復(fù)性為0.44%；多源裝置最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.012，重復(fù)性為0.03%，單源裝置穩(wěn)定性較差。主要與單源裝置的源提升機(jī)構(gòu)相關(guān)。單源裝置采用接近開(kāi)關(guān)定位，鋼繩吊源，鋼繩在受力作用比較復(fù)雜。多源裝置使用的步進(jìn)電機(jī)，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(cè)量誤差可忽略不計(jì)。因此，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)源室的方式更為可靠，在條件允許的情況下使用閉環(huán)控制的伺服電機(jī)，定位更為準(zhǔn)確，可有效提高設(shè)備穩(wěn)定性。

2.3 輻射場(chǎng)均勻性測(cè)試

根據(jù)《GB/T12162.2，用于校準(zhǔn)劑量?jī)x和劑量率儀及確定其能量相響應(yīng)的X 和γ 參考輻射》，參考輻射束的截面宜足以照射被校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)電離室或裝置。整個(gè)有用射束截面上比釋動(dòng)能率的變化應(yīng)小于5%[1]。對(duì)此，使用標(biāo)準(zhǔn)電離室對(duì)以射束中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)上的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

2.3.1 單源裝置輻射場(chǎng)均勻性測(cè)試

以基準(zhǔn)點(diǎn)定位器光束為中心，在水平方向上選點(diǎn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)3 m 處射束的中心點(diǎn)應(yīng)該在當(dāng)前中心偏右13 cm，偏上2 cm，射束中心與激光準(zhǔn)直線不符，需進(jìn)行調(diào)整，水平方向上，單源鉛罐的半徑為r（278 mm），中心點(diǎn)在水平方向上偏離較大，需要進(jìn)行調(diào)整，假設(shè)上鉛罐沿其圓周上需要調(diào)整的距離為l1。

近似情況下存在以下等式：

計(jì)算得到11=12 mm，使用鋼釬轉(zhuǎn)動(dòng)單源裝置上鉛罐12 mm。垂直方向上的偏離由于單源裝置過(guò)重和其偏離較小，故未進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后再次對(duì)射束水平方向的均勻性進(jìn)行驗(yàn)證后，3 m處輻射場(chǎng)大小為16 cm?？梢詽M足均勻性要求（誤差小于5%），該射束場(chǎng)不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)證

以激光準(zhǔn)直器為中心水平方向上選點(diǎn)測(cè)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(zhǔn)直器為中心垂直方向上選點(diǎn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)垂直方向上3 m 處射束向下偏離D（90 mm），使用近似公式進(jìn)行計(jì)算。

h 為多源鉛室前段源孔側(cè)需要抬升的距離，D 為多源鉛罐直徑583 mm，H 為3 000 mm，計(jì)算得出h 為17.5 mm，對(duì)此我們?cè)谠囱b置的前部下側(cè)加墊片，工作完成后，3 m 處各點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)如下表1。

表1 多源裝置垂直方向輻射場(chǎng)均勻性（調(diào)整后）

在半徑為15 cm 的圓內(nèi)，其均勻性滿足誤差小于5%的要求。完成上述調(diào)整后，單、多源裝置的射束場(chǎng)均已得到調(diào)整并滿足要求。上述試驗(yàn)表明，由于前期對(duì)承重平臺(tái)的水平度和平面度未進(jìn)行嚴(yán)格控制，是導(dǎo)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(duì)其承重平臺(tái)水平度和平面度要進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

2.3.3 標(biāo)尺的定位及平方反比定律的驗(yàn)證

根據(jù)《GB/T12162.2，用于校準(zhǔn)劑量?jī)x和劑量率儀及確定其能量相響應(yīng)的X 和γ 參考輻射》要求，測(cè)量射線束上的空氣比釋動(dòng)能率應(yīng)在5%以內(nèi)與放射源中心到探測(cè)器中心距離平方的倒數(shù)成反比[2]。

空氣中γ 點(diǎn)源距離r 處的吸收劑量率，計(jì)算公式為：

Γ 為照射量率常數(shù)，A 為γ 源的活度，r 為距點(diǎn)源的距離。根據(jù)該公式，在已知輻射場(chǎng)內(nèi)任意一點(diǎn)的吸收劑量率值的情況下，可以計(jì)算出該點(diǎn)以外的任意一點(diǎn)的劑量率值（放射源可視為點(diǎn)源的情況下）。依據(jù)上面的公式對(duì)源裝置平方反比定律復(fù)合情況進(jìn)行驗(yàn)證。使用球形電離室在2 m、3 m、4 m、5 m 分別進(jìn)行10 次測(cè)量求平均值，以1 m 處為基準(zhǔn)根據(jù)平方反比定律推算出其他點(diǎn)的劑量率值，計(jì)算其復(fù)合性。經(jīng)測(cè)試單源裝置復(fù)合性測(cè)試數(shù)據(jù)，多源裝置復(fù)合性測(cè)試數(shù)據(jù)誤差大于5%，表明基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)尺定位不正確，設(shè)定不同的基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)尺讀數(shù)，根據(jù)復(fù)合性做出散點(diǎn)圖如下圖1，得出基準(zhǔn)點(diǎn)為1.01 m，才是比較理想的。

圖1 散點(diǎn)圖

2.3.4 長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試

完成上述測(cè)試后，還需對(duì)輻照裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試需考慮溫度、氣壓變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，計(jì)算方法如式3。

其中，T 和P 是測(cè)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(duì)射線影響較小不予考慮。同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)考慮放射源衰變影響，衰變修正系數(shù)：

式中：λ 為衰變常數(shù)，單位為S-1，為兩次測(cè)量間的時(shí)間間隔，單位為d。利用式（3）和（4）對(duì)2014 年4 月至2014 年8 月多源裝置3 號(hào)源測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后計(jì)算，同一源裝置在同一位置點(diǎn)的數(shù)據(jù)誤差均在5%以內(nèi)，設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定性也能夠滿足要求。

3 使用缺陷和后續(xù)改進(jìn)

（1）校準(zhǔn)臺(tái)控控制設(shè)計(jì)：在測(cè)定輻射場(chǎng)均勻性時(shí)，校準(zhǔn)平臺(tái)的橫向與移動(dòng)移動(dòng)需要在校準(zhǔn)平臺(tái)上進(jìn)行操作，不能通過(guò)控制臺(tái)遠(yuǎn)程操控，每次移動(dòng)均需要進(jìn)行一次放射源的啟停操作，較為浪費(fèi)時(shí)間，需增加遠(yuǎn)程控制功能。

（2）激光準(zhǔn)直器：參考其他實(shí)驗(yàn)室做法，將其換型為十字形光標(biāo)，將其固定在墻壁上。

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

（4）源裝置支撐臺(tái)：源裝置支撐臺(tái)為對(duì)稱布局，如需要使用兩個(gè)源裝置時(shí)對(duì)儀表校準(zhǔn)時(shí)，需要進(jìn)行源裝置的切換工作，此過(guò)程耗時(shí)約3 分鐘。

4 結(jié)論

γ 輻照裝置滿足現(xiàn)場(chǎng)使用及電離輻射計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)建標(biāo)的要求，該套裝置運(yùn)行穩(wěn)定，重復(fù)性和穩(wěn)定性試驗(yàn)滿足使用要求，已通過(guò)國(guó)防科工委組織的建標(biāo)考核。同時(shí)，總結(jié)了從施工到調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題和處理方法，分析了存在的缺陷，并提出了后續(xù)改進(jìn)建議。