劉永超

中子活化在線分析儀是辨識(shí)檢測(cè)物料元素種類及含量的設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于水泥行業(yè)礦山石灰石質(zhì)量檢測(cè)、水泥生料配料檢測(cè)中。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)水泥市場(chǎng)投入應(yīng)用的中子活化在線分析儀已近千臺(tái)，成為水泥廠不可或缺的質(zhì)量控制檢測(cè)設(shè)備。但中子活化在線分析儀是以中子源作為激發(fā)源，存在輻射照射危害，部分水泥廠工作人員在中子活化在線分析儀的使用和維護(hù)過程中，對(duì)設(shè)備周圍輻射照射劑量情況缺乏科學(xué)、全面的了解，對(duì)放射源的放射性缺少客觀的認(rèn)識(shí)。輻射照射，特別是大劑量的輻射照射對(duì)人類的健康是有害的，我們?cè)诒M量增加核技術(shù)應(yīng)用給生產(chǎn)生活帶來益處的同時(shí)，應(yīng)通過科學(xué)合理的方式盡量地減小輻射照射對(duì)人體或環(huán)境造成的危害。

1 中子活化在線分析儀及CF-252中子源

中子活化在線分析儀采用瞬發(fā)伽瑪中子活化分析（PGNAA）技術(shù)，以CF-252中子源作為激發(fā)源，激發(fā)中子照射水泥物料，并與物料中各元素原子核發(fā)生熱中子俘獲反應(yīng)，放射出與元素相應(yīng)的不同能量強(qiáng)度的特征γ射線，并通過檢測(cè)特征γ射線的能量識(shí)別出物料中的元素種類，通過檢測(cè)特征γ射線的強(qiáng)度測(cè)得物料相應(yīng)元素的含量。中子活化在線分析儀熱中子俘獲示意見圖1。

圖1 中子活化在線分析儀熱中子俘獲示意

中子活化在線分析儀CF-252中子源為人工合成的自發(fā)裂變中子源，目前只有美國(guó)和俄羅斯的兩座反應(yīng)堆能夠商業(yè)化生產(chǎn)。CF-252中子源自發(fā)裂變概率為3.1%，α衰變概率為96.9%，中子源平均每次自發(fā)裂變可產(chǎn)生3.76個(gè)中子，產(chǎn)生的中子平均能量為2.35MeV。在中子自發(fā)裂變的過程中還伴隨著少量γ射線的產(chǎn)生，其半衰期為2.64年。中子為電中性的粒子，穿透能力很強(qiáng)，不會(huì)與原子發(fā)生電離而損失能量。中子主要與原子核發(fā)生作用，中子與原子核的相互作用分為散射和吸收兩個(gè)類別，對(duì)中子的防護(hù)主要利用此原理。通常采用含氫材料將快中子散射慢化為熱中子，再使用含硼或鎘的材料進(jìn)行俘獲吸收。在屏蔽中子的同時(shí)，還應(yīng)注意反應(yīng)產(chǎn)生的γ射線輻射的屏蔽，由于α粒子穿透力極弱，無需特殊考慮。

我公司研發(fā)生產(chǎn)的中子活化在線分析儀的標(biāo)準(zhǔn)配置為2枚中子源，每枚19μg，總活度為0.75GBq，按放射源分類標(biāo)準(zhǔn)，其屬Ⅳ類源，為低危險(xiǎn)源，不會(huì)對(duì)人類身體健康造成永久性損傷，但若長(zhǎng)時(shí)間、近距離接觸，則可能會(huì)造成可恢復(fù)的暫時(shí)性損傷。

中子活化在線分析儀使用的中子源的封裝結(jié)構(gòu)為雙層不銹鋼密封，具有很好的機(jī)械強(qiáng)度及環(huán)境適應(yīng)性。密封的中子源位于中子活化在線分析儀測(cè)量通道底部源室內(nèi)，源室主要由重金屬材料制成，用于屏蔽CF-252中子源自發(fā)裂變伴生的γ射線。中子活化在線分析儀四周的主要防護(hù)材料主要為含氫材料及一定比例的碳化硼，以降低對(duì)周圍環(huán)境的輻射影響。中子活化在線分析儀的整體防護(hù)配置經(jīng)精密的屏蔽理論計(jì)算、蒙特卡羅模擬及實(shí)驗(yàn)等多項(xiàng)工作后設(shè)計(jì)完成。中子活化在線分析儀結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 中子活化在線分析儀結(jié)構(gòu)

2 中子活化在線分析儀周圍輻射劑量的設(shè)計(jì)

中子活化在線分析儀周圍輻射劑量設(shè)計(jì)依據(jù)為GBZ 125-2009《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護(hù)要求》，其中檢測(cè)儀表使用場(chǎng)所和相應(yīng)的泄漏射線控制量要求見表1。根據(jù)表1，結(jié)合中子活化在線分析儀實(shí)際使用場(chǎng)所特點(diǎn)，在距源容器1m區(qū)域內(nèi)很少有人停留，因此選取距離邊界外1m處的劑量當(dāng)量率控制值2.5μSv/h為設(shè)計(jì)依據(jù)。中子活化在線分析儀正常運(yùn)行時(shí)，操作人員無需在其附近停留，選取分析儀周圍人員可出入?yún)^(qū)域（距中子活化在線分析儀1m）的劑量水平＜2.5μSv/h為設(shè)計(jì)值，此區(qū)域主要為人員訪問通道，如圖3所示。

表1 檢測(cè)儀表的使用場(chǎng)所和相應(yīng)的泄漏射線控制量要求

圖3 中子活化在線分析儀周圍可出入?yún)^(qū)域

中子活化在線分析儀的防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分遵守輻射防護(hù)三原則，即：實(shí)踐的正當(dāng)性、個(gè)人劑量限值及輻射防護(hù)最優(yōu)化。實(shí)踐的正當(dāng)性原則是指，在考慮了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和其他有關(guān)因素之后，輻射照射對(duì)受照射個(gè)人或社會(huì)所帶來的利益足以彌補(bǔ)其可能引起的輻射危害。個(gè)人劑量限值原則是指，對(duì)于來自各項(xiàng)獲準(zhǔn)實(shí)踐的綜合照射所致的個(gè)人總有效劑量和有關(guān)器官或組織的總當(dāng)量劑量不超過GB 18871-2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》附錄B中規(guī)定的相應(yīng)劑量限值，如工作人員劑量限值為每年20mSv（5年平均值，并且任何一年≯50mSv），公眾人員劑量限值為每年1mSv。輻射防護(hù)最優(yōu)化原則是指，在考慮了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)因素之后，個(gè)人受照射劑量的大小、受照射的人數(shù)以及受照射的可能性均保持在可合理達(dá)到的盡量低水平（As Low As Reasonably Achievable，ALARA）。輻射防護(hù)最優(yōu)化原則必須貫穿伴有輻射照射的實(shí)踐的全過程。在堅(jiān)持輻射照射三原則的前提下，通過選擇最佳的防護(hù)水平和最優(yōu)的防護(hù)方案，以最小的代價(jià)獲得最大利益。

3 中子活化在線分析儀正常工況輻射劑量水平測(cè)量與計(jì)算

我公司對(duì)裝載有2枚19μg中子源的中子活化在線分析儀周圍環(huán)境的輻射劑量當(dāng)量率進(jìn)行了全面的測(cè)量，分別對(duì)距中子活化在線分析儀30cm和100cm處的要求點(diǎn)位的γ射線和中子輻射劑量當(dāng)量率進(jìn)行了測(cè)量和記錄，并以此測(cè)量數(shù)據(jù)來判定防護(hù)屏蔽裝置的完整性，確認(rèn)中子活化在線分析儀頂部、周邊和開放的傳送帶附近的最大輻射劑量水平。在測(cè)量中子活化在線分析儀周圍環(huán)境輻射劑量時(shí)，分別測(cè)量了空傳送帶和覆蓋有約15cm厚物料時(shí)傳送帶周圍4個(gè)測(cè)點(diǎn)輻射劑量當(dāng)量率，測(cè)量數(shù)據(jù)見表2，輻射劑量測(cè)量位置如圖4所示。

圖4 輻射劑量測(cè)量位置

由表2中的測(cè)量數(shù)據(jù)可知，物料的加載降低了測(cè)點(diǎn)所有位置的輻射劑量當(dāng)量率測(cè)量值；在中子活化在線分析儀側(cè)面1m處的人員可出入通道區(qū)域，測(cè)點(diǎn)位置2、位置3處，輻射劑量當(dāng)量率＜2.5μSv/h，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；由于傳送帶通過中子活化在線分析儀的隧道口，導(dǎo)致隧道口位置（測(cè)點(diǎn)位置1處）的輻射劑量當(dāng)量率測(cè)量值偏高。

表2 傳送帶周圍4個(gè)測(cè)量位置輻射劑量當(dāng)量率，μSv/h

工作人員受到的總輻射劑量與其所處的在線分析儀周圍的工作環(huán)境有關(guān)。我們利用表2中的數(shù)據(jù)對(duì)在線分析儀周圍工作的4種不同場(chǎng)景進(jìn)行了累計(jì)輻射劑量的估算。假設(shè)工作人員全身各器官受到均勻的外輻射照射，個(gè)人承受的有效劑量與劑量當(dāng)量值相等，計(jì)算4種工作場(chǎng)景在空傳送帶條件下，工作人員一年內(nèi)所承受的有效劑量如下：

（1）日常檢查在線分析儀隧道

直接查看在線分析儀隧道所承受的最大劑量當(dāng)量率是：32.6μSv/h

單次檢查時(shí)間：10s=0.002 8h

一年有效劑量：32.6μSv/h×0.002 8h×365d=33.3μSv

（2）站在在線分析儀上面工作

站在在線分析儀上面工作所承受的最大劑量當(dāng)量率是：4.9μSv/h

工作時(shí)間：?jiǎn)未?h，每年4次

一年有效劑量：4.9μSv/h×1h×4次=19.6μSv

（3）站在在線分析儀旁邊工作

站在在線分析儀旁邊工作所承受的最大劑量當(dāng)量率是：3.3μSv/h

工作時(shí)間：?jiǎn)未巫铋L(zhǎng)15s=0.004 2h，每天路過在線分析儀10次

一年有效劑量：3.3μSv/h×0.004 2h×10次×365d=50.6μSv

（4）對(duì)在線分析儀附近膠帶輪進(jìn)行維護(hù)

站在離在線分析儀最近的第一個(gè)膠帶輪旁工作所承受的最大輻射劑量當(dāng)量率是：7.9μSv/h

工作時(shí)間：?jiǎn)未?.5h，每年12次

一年有效劑量：7.9μSv/h×0.5h×12次=47.4μSv

若一名工作人員負(fù)責(zé)上述所有工作，則其一年所承受到的最大有效劑量為33.3+19.6+50.6+47.4=150.9μSv（約0.15mSv）。

（5）GB 18871-2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)職業(yè)照射的輻射劑量限值進(jìn)行了規(guī)定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，應(yīng)對(duì)任何工作人員的職業(yè)輻射照射水平進(jìn)行控制，使之不超過下述限值：

a由審管部門決定的連續(xù)5年的年平均有效劑量（但不可作任何追溯平均），20mSv；

b任何一年中的有效劑量，50mSv；c眼晶體的年當(dāng)量劑量，150mSv；d四肢（手和足）或皮膚的年當(dāng)量劑量，500mSv。

（6）對(duì)任何實(shí)踐使公眾中有關(guān)關(guān)鍵人群組的成員受到的平均劑量估計(jì)值不應(yīng)超過下述限值：

a年有效劑量，1mSv；

b特殊情況下，如果5個(gè)連續(xù)年的年平均劑量≯1mSv，則某單一年份的有效劑量可提高到5mSv；

c眼晶體的年當(dāng)量劑量，15mSv；d皮膚的年當(dāng)量劑量，50mSv。

根據(jù)實(shí)際工作場(chǎng)景，工作人員無需每天檢查分析儀隧道，且工作人員也不會(huì)站在在線分析儀上面工作。通過計(jì)算可得，假設(shè)一名工作人員從事有關(guān)在線分析儀的所有工作，其一年所承受的累積有效照射劑量＜0.15mSv，遠(yuǎn)低于上述國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中公眾人員每年有效劑量1mSv的限值，更低于職業(yè)照射每年20mSv（5年平均，并且任何一年≯50mSv）的限值要求。

4 正常使用中子活化在線分析儀時(shí)可能發(fā)生的事故及分析

4.1 可能發(fā)生的事故

（1）人員誤入在線分析儀測(cè)量通道，導(dǎo)致中子及γ射線對(duì)誤入人員產(chǎn)生外照射輻射。

（2）放射源丟失、被盜，致使放射源失控，對(duì)環(huán)境和公眾產(chǎn)生外照射輻射。

（3）補(bǔ)充放射源過程中存在誤操作，導(dǎo)致對(duì)環(huán)境和公眾產(chǎn)生外照射輻射。

4.2 采取的措施

（1）加強(qiáng)在線分析儀工作現(xiàn)場(chǎng)安全管理；相關(guān)操作人員必須參加由環(huán)保部門指定機(jī)構(gòu)舉辦的輻射安全與防護(hù)培訓(xùn)，考核合格后方能上崗；無關(guān)人員禁止進(jìn)入在線分析儀工作場(chǎng)所；在在線分析儀傳送帶進(jìn)口和出口設(shè)置明顯的警示標(biāo)識(shí)，放射源的補(bǔ)充由專業(yè)人員操作。

（2）加強(qiáng)在線分析儀工作現(xiàn)場(chǎng)的人員進(jìn)出管理，配置攝像頭等監(jiān)控設(shè)備，配備個(gè)人安全防護(hù)設(shè)備及個(gè)人劑量測(cè)試儀。

5 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)中子活化在線分析儀周圍所產(chǎn)生的輻射劑量當(dāng)量測(cè)試數(shù)據(jù)分析，中子活化在線分析儀CF-252中子源的防護(hù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果滿足GBZ 125-2009《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護(hù)要求》中檢測(cè)儀表的使用場(chǎng)所和相應(yīng)的射線泄漏控制量要求，在距源容器1m區(qū)域內(nèi)很少有人停留，距邊界外1m處的輻射劑量當(dāng)量率<2.5μSv/h。

假定一名工作人員從事在線分析儀的所有工作，其一年所承受的累積有效劑量約為0.15mSv，遠(yuǎn)低于GB 18871-2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的公眾照射年有效劑量限值1mSv的規(guī)定，表明中子活化在線分析儀在正常工況下對(duì)操作人員的輻射影響是可以接受的，應(yīng)提高安全意識(shí)，通過科學(xué)合理的方式避免非必要的照射，避免可能發(fā)生的事故，減小輻射照射對(duì)人體或環(huán)境的危害，更好地發(fā)揮中子活化在線分析儀在水泥生產(chǎn)質(zhì)量控制中的作用。