西北農(nóng)林科技大學(xué) 鄭博文

■引言

隨著國(guó)防科學(xué)、放射性醫(yī)學(xué)和核技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，各種放射性射線被廣泛應(yīng)用，其中比較常見的一種輻射是X射線輻射。X射線輻射是一種短波長(zhǎng)輻射，由于其穿透能力強(qiáng)被用于工業(yè)產(chǎn)品的無損探傷和醫(yī)學(xué)上的人體檢測(cè)和CT成像。X射線輻射作用于生物體時(shí)能造成電離輻射，這種電離作用能造成生物體的細(xì)胞、組織、器官等損傷引起病理反應(yīng)，稱為輻射生物效應(yīng)。輻射對(duì)生物體的作用是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，生物體從吸收輻射能量開始到產(chǎn)生輻射生物效應(yīng)，要經(jīng)歷許多不同性質(zhì)的變化，一般認(rèn)為將經(jīng)歷四個(gè)階段的變化：首先是物理變化階段，持續(xù)約10-16秒，細(xì)胞被電離；然后經(jīng)歷物理-化學(xué)變化階段，持續(xù)約10-6秒，離子與水分子作用形成新產(chǎn)物；接著進(jìn)行化學(xué)變化階段，持續(xù)約幾秒，反應(yīng)產(chǎn)物與細(xì)胞分子作用，可能破壞復(fù)雜分子；最后是生物變化階段，持續(xù)時(shí)間可以是幾十分鐘至幾十年，上述的化學(xué)變化可能破壞細(xì)胞或其功能。輻射生物效應(yīng)可以表現(xiàn)在受照者本身，也可以出現(xiàn)在受照者的后代。表現(xiàn)在受照者本身的稱為軀體效應(yīng)（按照顯現(xiàn)的時(shí)間早晚又分為近期效應(yīng)和遠(yuǎn)期效應(yīng)），出現(xiàn)在受照者后代稱為遺傳效應(yīng)。根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，如直接受到X射線的照射，其輻射劑量（≥7.5μSv/h）遠(yuǎn)大于國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)2.5μSv/h，使人體遭受輻射損傷。

對(duì)于X射線源需要采取適當(dāng)、合適的安全防護(hù)措施將輻射對(duì)人體的危害消除，確保人員使用的安全。X射線防護(hù)服是在放射源和人員之間使用的一種能有效吸收X射線的屏蔽物， 以消除或減弱X射線對(duì)人體的危害。屏蔽材料對(duì)電離輻射的屏蔽機(jī)理是通過材料中所含吸收物質(zhì)對(duì)電離輻射的吸收完成的。

本文針對(duì)一款進(jìn)口的X射線源L9181進(jìn)行安全防護(hù)罩設(shè)計(jì)，其型號(hào)為封閉式微焦點(diǎn)X射線源L9181，聚焦焦點(diǎn)尺寸最小為5μm，靶 材 為W（鎢），最 高 功 率 為39W，X射線管高壓范圍為40～130kV，總體尺寸約為319mm×171mm×147mm，總質(zhì)量10kg。濱松公司微焦點(diǎn)源如圖1所示。

圖1 濱松公司微焦點(diǎn)源

■防護(hù)罩厚度設(shè)計(jì)

技術(shù)安全防護(hù)措施首先考慮輻射防護(hù)，通過防護(hù)控制外照射的劑量，使其保持在合理的最低水平，不超過國(guó)家輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的劑量當(dāng)量限值。在保證輻射安全的情況下安全設(shè)計(jì)方案應(yīng)該最大程度地方便實(shí)驗(yàn)使用。防護(hù)罩的鉛材料厚度需要根據(jù)X射線輻射源的強(qiáng)度和能量計(jì)算確定，必須達(dá)到的安全輻射值以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB18871-2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，任何工作人員的職業(yè)放射水平必須保證一年劑量總值不得超過50mSv，每年按照50周考慮工作時(shí)間，每周的劑量當(dāng)量限值為1mSv（即0.1rem/周）。

采用兩種方法計(jì)算需要的鉛壁厚度，兩種方法相互驗(yàn)證結(jié)果。第一種方法首先計(jì)算出需要的屏蔽透射量，然后由實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的射線減弱曲線求出所需要的屏蔽層厚度。

式中：B為X射線的屏蔽透射量R/（mA·min）（在1m處）數(shù)值，1R≈1rem；P為每周最大容許劑量當(dāng)量：職業(yè)性照射為P=0.1rem/周；R為X射線源到操作者的距離；T為居留因子，全居留T=1；U為使用因子，充分使用U=1；W為工作負(fù)荷，mA·min/周（即每周的工作負(fù)擔(dān)，等于每周工作時(shí)間與管電流的乘積）。

濱松微焦點(diǎn)源的最高電壓130kV，最大管電流0.3mA，其工作負(fù)荷為：

W=0.3mA×60min×8h×5day=720mA·min/周

計(jì)算得到屏蔽透射量為：

8.2m～8.5m標(biāo)高部分堤段越浪跌落區(qū)為景觀硬地，鋪設(shè)有花崗巖石板等硬質(zhì)材料，可不做防護(hù)處理；部分堤段越浪跌落區(qū)為綠地，則采用抗沖刷能力強(qiáng)的抗沖加筋生態(tài)植生網(wǎng)墊，表面覆土用于景觀綠化。

B=（0.1×1）/（720×1×1）=1.39×10-4rem/（mA·min）

查表對(duì)應(yīng)150kV曲線（最接近130kV）得到鉛層的厚度約為2.8mm，保險(xiǎn)取3mm。

第二種方法則是根據(jù)半值層計(jì)算需要的鉛墻厚度，半值層表示X射線劑量衰減一半時(shí)需要的鉛層厚度。計(jì)算步驟如下：

（1）計(jì)算屏蔽前的射線劑量I0。

（2）確定屏蔽后的安全劑量I（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值）。

（3）根據(jù)屏蔽要求，求出n值，n=Lg/Lg2。

（4）根據(jù)射線能量和屏蔽物質(zhì)的種類表查出半值層厚度T0。

每周工作負(fù)荷W=5day×8hour×60min×0.3mA=720mA·min。對(duì)于輻射劑量我們根據(jù)X光機(jī)的輻射劑量值進(jìn)行比對(duì)。根據(jù)資料對(duì)于最大管電壓250kV，最大管電流1mA的X光機(jī)在距離射線源1m處1mA·min時(shí)產(chǎn)生的劑量是X=0.02Sv。我們使用的微點(diǎn)源最高管電壓130kV，最大管電流0.3mA。按比例換算劑量X=0.00312Sv，因此沒有防護(hù)時(shí)工作人員所處位置（1m）一周總劑量I0=X·W/R2=2.24Sv。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的每周允許最大輻射劑量I=0.1rem=0.001Sv。根據(jù)n=Lg/Lg2得 到n=11.13。鉛 對(duì)125kV的X射線的半值層厚度為T0=0.28mm，鉛對(duì)150kV的X射線的半值層厚度為T0=0.3mm。計(jì)算出來的厚度分別為T=13.8×0.28mm=3.11mm和T=13.8×0.3mm=3.34mm。對(duì)于130kV比較合適的值為3.2mm左右。

可以看到兩種計(jì)算方法的結(jié)果比較一致，其中方法2的計(jì)算值略大于方法1計(jì)算的數(shù)值，主要誤差可能來源于對(duì)濱松X射線源輻射劑量的估值偏高。我們根據(jù)X光機(jī)的輻射劑量值來對(duì)微焦點(diǎn)源的輻射劑量值進(jìn)行估算，由于X光機(jī)輻射功率大，射線能量高在空氣中衰減也小，而微焦點(diǎn)源輻射的射線能量低，在空氣中衰減要大，因此實(shí)際微焦點(diǎn)源輻射的計(jì)量值要偏低些，并不完全正比例與功率之比。因此比較安全的鉛厚度值可以選擇為3～3.5mm。整體鉛屏蔽墻采用雙層結(jié)構(gòu)，采用3～3.5mm鉛作為內(nèi)層，1mm鐵作為外層。

■結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)X射線源產(chǎn)品的自身安全機(jī)制并結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)的需求，我們將屏蔽光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩級(jí)防護(hù)罩的形式，分為外層屏蔽墻和內(nèi)層屏蔽盒。使用鉛墻將整個(gè)光路進(jìn)行封閉，不設(shè)觀察窗，如圖3所示。內(nèi)層屏蔽盒設(shè)有出光口，出光口安置有機(jī)械快門，由快門控制出光狀態(tài)。X射線微點(diǎn)源由計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制，因此內(nèi)層屏蔽盒開蓋頻率非常低，實(shí)驗(yàn)人員的主要操作在外層屏蔽墻內(nèi)進(jìn)行。在外層屏蔽墻內(nèi)操作時(shí)，內(nèi)層屏蔽盒的快門必須處于關(guān)閉狀態(tài)，X射線被阻擋不允許入射到屏蔽光路內(nèi)。屏蔽光路示意圖如圖2所示。

圖2 屏蔽光路示意圖

濱松X射線源產(chǎn)品自身設(shè)計(jì)了Interlock結(jié)構(gòu)用于安全防護(hù)，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 X射線源Interlock結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)濱松產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將Interlock1和Interlock2與屏蔽系統(tǒng)的倉(cāng)門（DOOR）和供電電源（DC 24V）連成安全控制電路，倉(cāng)門處于“開”狀態(tài)時(shí)供電電源被斷開，X射線源無法啟動(dòng)。當(dāng)在工作狀態(tài)下打開倉(cāng)門時(shí)，由于電路被切斷X射線源停止工作。

X射線元件有反射式和透射式兩種，相應(yīng)的光路設(shè)計(jì)成直線式和折線式如圖4所示。因此外層屏蔽墻設(shè)計(jì)為主腔體（直線式）和副腔體（正方形），便于進(jìn)行光路組合。

圖4 屏蔽光路結(jié)構(gòu)示意圖

為了防止誤操作，我們將Interlock與內(nèi)層屏蔽盒的倉(cāng)門相連接，而外層屏蔽墻的門與內(nèi)層屏蔽盒出光口處的快門控制電路相互連接。當(dāng)操作人員未將快門關(guān)閉而打開外層屏蔽墻的門進(jìn)行操作時(shí)，快門控制電路被強(qiáng)行斷開，出光口被阻斷?？扉T的控制電路和外墻壁門的相連通形成安全電路。除了設(shè)置安全回路以外，還需要在外部增加安全警示燈，當(dāng)快門打開時(shí)警示燈亮，起到警示作用。錯(cuò)誤操作示意圖如圖5所示。

圖5 錯(cuò)誤操作示意圖

對(duì)光路的監(jiān)控將通過監(jiān)控?cái)z像頭（普通電腦攝像頭即可500萬像素）進(jìn)行，光路內(nèi)設(shè)置照明燈具，監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖6所示。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

監(jiān)控系統(tǒng)的作用主要有:①避免了使用觀察窗，減少了輻射泄漏的可能性；②減少了操作者直接檢查光路的頻率，從而降低了暴露在輻射中危險(xiǎn)幾率；③通過專門一個(gè)攝像頭監(jiān)控快門的運(yùn)行狀態(tài)，防止快門系統(tǒng)出現(xiàn)故障引起意外，進(jìn)一步提高安全系數(shù)。

由于X射線源、記錄設(shè)備以及監(jiān)控設(shè)備等需要接入電源線和數(shù)據(jù)控制線，這不可避免需要在屏蔽墻上開孔，為了減少輻射泄漏，開孔處必須采用“迷宮”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖7所示。具體做法將內(nèi)屏蔽盒的電線的出口和外墻的引出口錯(cuò)開，避免了X射線直接從出口處直射出來。

圖7 開孔處“迷宮”設(shè)計(jì)

內(nèi)屏蔽盒的散熱孔同樣采用“迷宮”設(shè)計(jì)，出氣孔放置電腦風(fēng)扇，保證盒內(nèi)氣流流動(dòng)及時(shí)將熱量散發(fā)出去。內(nèi)屏蔽盒的散熱孔設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 內(nèi)屏蔽盒的散熱孔設(shè)計(jì)

由于在屏蔽好后，使用X射線劑量?jī)x距離屏蔽體外40cm處，對(duì)不同方位的點(diǎn)位進(jìn)行劑量測(cè)量，選取點(diǎn)位數(shù)為14個(gè)，采用輻射劑量計(jì)測(cè)得的劑量結(jié)果如表1所示，均遠(yuǎn)小于國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)2.5μSv/h（1μSv/h=1000nSv/h）。

表1 安全防護(hù)罩外各點(diǎn)的輻射劑量表

■承重設(shè)計(jì)

鉛屏蔽裝置的質(zhì)量很大，可能超過承載壓強(qiáng)要求，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，建筑單位面積承載壓強(qiáng)不超過200kg/m2。鉛密度為11350kg/m3，鐵密度為7800kg/m3。初步設(shè)計(jì)屏蔽墻尺寸2500mm×300mm×300mm，其底部安裝面積0.75m2。以屏蔽墻鉛厚度3mm計(jì)算得到鉛墻中鉛重57.2kg，屏蔽盒尺寸500mm×200mm×200mm，鉛重量9.5kg，屏蔽使用的鉛總重67.9kg，而鐵的重量，粗估按比例計(jì)算31.3kg（鐵層內(nèi)外層總厚度2mm），因此總重約99kg（壓強(qiáng)132kg/m2）。考慮安放在光學(xué)平臺(tái)上使用，平臺(tái)重量估計(jì)值800kg，平臺(tái)底面積3m2（2.5m×1.2m×0.8m）。在平臺(tái)底部鋪設(shè)具有較大面積的鐵板增加接觸面積以減少壓強(qiáng)，鋪設(shè)鐵板面積3m×2m=6m2，則壓強(qiáng)值減少到（800+99）/6即約為150kg/m2。

■結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了X射線源的安全防護(hù)罩設(shè)計(jì)方法，采用屏蔽透射量計(jì)算法和半值層計(jì)算法兩種方法對(duì)安全防護(hù)罩的鉛層厚度進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)厚度值進(jìn)行了核對(duì)，確保計(jì)算的準(zhǔn)確性。通過對(duì)光路結(jié)構(gòu)、聯(lián)鎖以及承重等方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升了安全防護(hù)罩對(duì)X射線的防護(hù)能力，降低了試驗(yàn)過程中輻射泄露對(duì)人員可能造成傷害的概率。輻射劑量測(cè)試顯示安全防護(hù)罩外部輻射劑量遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值，能夠?yàn)閄射線源的安全運(yùn)行提供保障。