福建省輻射環(huán)境監(jiān)督站 馮可新

1 概述

離子注入機是通過控制不同離子的注入來實現(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)院二樓的靜電實驗室新建一座離子注入機，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，用于輻照環(huán)境下材料的輻照損傷模擬實驗。離子注入機的使用在國內(nèi)尚未大范圍普及，而此臺離子注入機還是定制的。因此，該機構(gòu)在離子注入機安裝前進行了環(huán)境影響評價預(yù)測，安裝試運行后進行驗收監(jiān)測。設(shè)備在試運行的驗收階段，根據(jù)實際工作工況對屏蔽防護進行了一定的優(yōu)化。

2 某離子注入機在環(huán)評設(shè)計與驗收階段的屏蔽防護措施對比

2.1 離子注入機在環(huán)評階段的屏蔽防護措施

本項目的400kV離子注入機是在科研機構(gòu)與NEC簽訂購置合同后，經(jīng)過NEC兩年多的研制開發(fā)，該注入機才運抵該科研機構(gòu)開始安裝。而離子注入機的環(huán)評階段是在正式安裝前，即還停留在NEC的設(shè)計防護屏蔽措施階段進行。由于該注入機屬于定制產(chǎn)品，無固定的型號，部分具體實際參數(shù)無法提前實測。在最開始的設(shè)計中（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)加速管進行了改進設(shè)計，在加速管每個電極的保護放電隙間安裝了環(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)，因此對離子的運動不會造成明顯的影響。這項改進使離子注入機加速管的輻射劑量大大降低。離子注入機環(huán)評階段輻射防護措施的俯視圖見圖1。

圖1 離子注入機的俯視圖(環(huán)評階段的屏蔽防護措施)

離子注入機在運抵安裝調(diào)試出束流后，進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放電隙間安裝了環(huán)形磁鐵這一改進措施被保留了下來。

2.2 離子注入機在驗收階段的屏蔽防護措施

離子注入機在安裝調(diào)試后發(fā)現(xiàn)無法實現(xiàn)加速管的自屏蔽，而為了能達到屏蔽效果，最終NEC廠家設(shè)計在整個設(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)置了門機聯(lián)鎖裝置。這采用距離防護和屏蔽防護的方法，并認(rèn)為外屏蔽墻是設(shè)備的外表面，達到了“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)形磁鐵這一改進保留了下來。離子注入機驗收階段輻射防護措施的俯視圖見圖2。

圖2 離子注入機的俯視圖(驗收階段的屏蔽防護措施)

由上述可知，該離子注入機是定制產(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)評與驗收的防護屏蔽措施都是為了達到“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 某離子注入機輻射防護措施在環(huán)評與驗收階段可行性對比計算

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。而在離子注入機安裝使用調(diào)試后，該離子注入機的實際電流強度為100μA，而電壓均為400keV，因此離子注入機環(huán)評與驗收參數(shù)不同。離子注入機在上述環(huán)評與驗收防護屏蔽措施條件下，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)來進行防護屏蔽措施是否可行有待研究。

3.1 離子注入機在環(huán)評階段的輻射防護措施可行性理論計算

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

3.1.1 離子注入機環(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。為計算本項目離子注入機自屏蔽防護厚度是否滿足軔致輻射X射線的防護要求，這里假設(shè)軔致輻射X射線的最大能量能夠達到二次電子的能量，即達到產(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，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，進入加速管進一步加速，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射線屏蔽計算模式采用《輻射防護導(dǎo)論》[2]中X射線機的劑量計算方法。在距離鎢靶r處（即考察點處）由X射線機產(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）計算：

式（1）中，r0=1m；I 為電子束流（mA），本項目取值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為輻射源點至關(guān)注點的距離（m），這里按分析光欄與高壓籠外5cm的關(guān)注點之間的最近距離0.4m估算。

將以上參數(shù)代入式（1）計算，可知距離分析光欄最近的高壓籠外表面考察點輻射劑量率約為0.013μGy/h，能夠滿足《離子注入機通用規(guī)范》（GB/T 15862-2012）中，“設(shè)備應(yīng)有良好的射線防護設(shè)施，在距機器外表面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)注點與分析光欄的距離均遠大于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 離子注入機環(huán)評有效劑量預(yù)測

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

式（2）中：DEff為考察點人員有效劑量（Sv）；K·α為考察點的周圍空氣比釋動能率（Gy·h-1）；t為考察點處年受照時間（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，按距離子注入機表面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。保守計算取2000h的年工作時間，居留因子取1，由式（2）計算可得，離子注入機表面0.4m的輻射工作人員年有效劑量也不會超過0.026mSv，遠小于本項目管理目標(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

公眾所能到達的輻照區(qū)距離離子注入機最近的位置，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）。離子注入機表面劑量率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，按照距離子注入機表面0.4m的劑量率0.013μSv/h計算，公眾年有效劑量也不會超過0.0016mSv，遠小于本項目管理目標(biāo)“公眾劑量約束值≤0.1mSv/年”的要求。其他公眾區(qū)域距離遠大于4m，因此可以達到上述要求。

3.1.3 離子注入機的輻射防護措施在環(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)有良好的射線防護設(shè)施，在距機器外表面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，遠小于本項目管理目標(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，因此離子注入機在環(huán)評階段的屏蔽防護措施是可行的。

3.2 離子注入機在驗收階段的實測計算

離子注入機關(guān)機時為本底值，γ劑量率范圍為 117～146 nSv/h，而在400kV、100mA的開機工況下，X輻射劑量率為150～511nSv/h，達到了“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。離子注入機驗收階段的防護措施為 3mm屏蔽鉛墻（部份區(qū)域加塢板），以下是離子注入機在上述防護屏蔽措施下，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行的可行性計算分析。

3.2.1 離子注入機驗收有效劑量計算

離子注入機的有效劑量按照《電離輻射防護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。由于驗收過程為實測，根據(jù)調(diào)查可知，離子注入機每次開機30～40分鐘可達到監(jiān)測時工況，據(jù)實驗室人員估計離子注入機一年工作約2000小時。離子注入機產(chǎn)生的外照射人均年有效劑量由式（3）計算，結(jié)果見表1。

表1 離子注入機所在輻照實驗室周圍環(huán)境輻射劑量率監(jiān)測結(jié)果及年有效劑量計算結(jié)果

表1中，居留因子均為保守計算，設(shè)備正常運行時，人員幾乎不會到達實驗區(qū)域。由表1可知，職業(yè)人員年有效劑量最大為0.197mSv，遠小于職業(yè)人員的劑量約束值；公眾人員年有效劑量為0.009mSv，遠小于公眾人員的劑量約束值。

3.2.2 離子注入機的輻射防護措施在驗收階段的可行性分析

由上述計算結(jié)果可知，在離子注入機驗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，遠小于本項目管理目標(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，該項目驗收階段的屏蔽防護措施是可行的。

3.3 離子注入機輻射防護措施在環(huán)評與驗收階段可行性對比

由上述計算結(jié)果可知，離子注入機環(huán)評階段的6mm鉛當(dāng)量自屏蔽可以滿足離子注入機的輻射防護要求，驗收時由于自屏蔽無法實現(xiàn)，而改為“3mm 鉛屏蔽墻以及部分位置加塢板”的防護措施可以滿足離子注入機的輻射防護要求。因此，離子注入機環(huán)評時與驗收的輻射防護措施是可行的。離子注入機在環(huán)評階段的“6mm 鉛當(dāng)量自屏蔽”的輻射防護措施下，離子注入機表面 0.4m(高壓籠外表面)為職業(yè)人員可到達最近處，該點職業(yè)人員年有效劑量不會超過0.026mSv/a，遠小于職業(yè)人員劑量限值；公眾能到達的最近處為距輻照區(qū)約 4m的北門，該點的公眾年有效劑量不會超過 0.0016mSv，遠小于公眾人員劑量限值。離子注入機在驗收階段的防護屏蔽措施下，離子注入機正常工作時，鉛屏蔽墻內(nèi)部不可到達，離子注入機的鉛屏蔽墻可視為離子注入機的外表面，職業(yè)人員可到達的最近處為南側(cè)鉛屏蔽墻外5cm，該點職業(yè)人員年有效劑量為0.197mSv/a，遠小于職業(yè)人員劑量限值；靜電實驗室門外 30cm處為公眾人員所能到達最近處，該點的公眾年有效劑量不會超過0.009mSv，遠小于公眾人員劑量限值。離子注入機在環(huán)評與驗收階段職業(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 離子注入機在環(huán)評階段與驗收階段的年有效劑量最大值的對比

4 結(jié)論

綜上可知，離子注入機環(huán)評階段對加速管的自屏蔽防護考慮不是很精確，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)測是達標(biāo)的。通過驗收階段的實測及防護的優(yōu)化，對離子注入機做了更符合實際情況的輻射防護，達到防護最優(yōu)化。由計算可知，離子注入機在環(huán)評與驗收階段的輻射屏蔽措施都是可行的。

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

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

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