核电站γ辐射剂量仪校准实验室设备设计与研究

高 飞，徐 阳，倪 宁，张 曦，刘蕴韬，侯金兵，王菲菲，韦凯迪

(中国原子能科学研究院 计量测试部，北京 102413)

核电站在运行过程中需大量的辐射剂量仪，以确保人员和环境的安全[1-2]。辐射剂量仪校准实验室设备通常由γ射线照射装置、个人剂量计照射装置、校准台、控制台和安全联锁系统等构成。为了避免放射源之间的影响，γ射线照射装置通常又分为60Co单源和多源照射装置。60Co单源照射装置通常装载活度为3.7×1010～1.85×1014Bq的60Co放射源，用于辐射剂量仪高量程段的检定和校准工作。多源照射装置通常装载活度小于3.7×1011Bq的60Co和137Cs放射源，用于辐射剂量仪中、低量程段的检定和校准工作。为了提高个人剂量计的检定效率，核电站校准实验室通常还会配备个人剂量计照射装置。散射比例是γ射线参考辐射场的重要技术指标，散射贡献是无法避免的，只能通过优化设计将其控制在合理的范围内。如何降低参考辐射场中散射光子的辐射贡献是非常重要的课题[3-14]，为降低γ射线参考辐射场的散射贡献，本文结合蒙特卡罗模拟的方法完成单源和多源照射装置的优化设计，为某核电站研建一套校准实验室设备，并开展核电站内部辐射剂量仪的检定校准工作。

1 原理

单源和多源照射装置通常为准直设计。准直照射装置的屏蔽体由足够厚的铅制成，将透过容器辐射的注量减小到有用射线束的千分之一，并在源关闭时，其表面剂量率限制到可接受的水平(通常为2.5 μSv/h)，图1为准直照射装置原理图。

图1 准直照射装置原理图Fig.1 Principle diagram of collimated irradiation facility

2 γ射线照射装置优化设计

γ射线照射装置分为准直照射装置和全景照射装置，准直照射装置根据装源数量不同通常分为多源和单源准直照射装置。准直照射装置由铅屏蔽体、散射腔、准直器、快门、附加屏蔽体、放射源和底座等组成，多源照射装置设计有载源盘。γ射线照射装置的快门由空压机内的压缩空气驱动，因此在断电情况下，空压机内的压缩空气仍可关闭主快门。多源照射装置的4枚放射源位于多源照射装置内部的载源盘上，载源盘连接放射源定位系统。放射源定位系统通过减速电机驱动转子旋转，并通过光耦定位选择需要的放射源进行照射，单源和多源照射装置结构如图2所示。全景照射装置由铅屏蔽体、放射源、放射源支架、照射装置支架、气缸和底座等组成，通过远程控制电磁阀利用压缩空气推动气缸实现放射源的升降功能(图3)。γ射线照射装置表面采用防腐蚀、易去污的材料和工艺。螺栓、螺母和垫圈进行防腐蚀、镀锌，金属部件进行氧化处理，喷涂均匀光滑。

2.1 蒙特卡罗计算模型

准直照射装置内部设计有散射腔用以降低装置内部的散射辐射，散射腔尺寸越大其作用越明显，但装置的重量和加工成本会迅速上升。此外，散射辐射还与准直器及实验室布局有关，为进一步降低散射辐射，采用蒙特卡罗模拟的方法对γ射线照射装置和实验室布局进行优化设计。应用蒙特卡罗程序MCNP计算辐射场中散射光子的问题时，用到的命令卡包括标题卡、栅元卡、曲面卡和数据卡。其中，数据卡包括模拟类型卡、栅元参数及曲面参数卡、源卡、计数卡等。计算模型主要包括水泥台、墙壁、地面、校准台和空气等。准直辐照装置包括铅屏蔽体、散射腔、准直器、附加屏蔽体、快门、放射源和底座等。准直器由钨合金(W，89%；Ni，7%；Cu，4%)制成，密度约18 g/cm3。实验室中水泥墙壁的密度为2.35 g/cm3，由氧(52.9%)、硅(33.7%)、铁(1.3%)和其他元素(12.1%)所组成。空气密度为0.001 293 g/cm3，由氧(23.2%)、氮(76%)及碳和氩(0.8%)等组成。为简化计算，节省计算时间，对上述几何结构均作适当的概化处理，辐射场计算模型如图4所示。利用MCNP程序中F4命令计算参考点处的光子注量率φ，利用DE/DF命令将计算得到的光子注量率乘以Kα/φ(Kα/φ为光子注量率-空气比释动能率换算因子，表示辐射场中某一能量光子的注量率产生的剂量率[16]，pGy·cm2)换算为空气比释动能率[15]。使用CF计数命令计算参考辐射场中来自不同物体(校准台、准直器、铅容器、地面和墙壁等)的散射贡献[15]。

图2 单源(a)和多源(b)照射装置结构Fig.2 Single source (a) and multi-source (b) irradiation facility structures

图3 全景照射装置结构Fig.3 Irradiation facility structure without collimator

图4 辐射场计算模型Fig.4 Radiation field simulation model

2.2 散射腔设计

准直照射装置的散射腔用于降低照射装置自身的散射辐射，散射腔越大其作用越明显，但会增加装置的重量。利用MCNP程序对不同尺寸的散射腔进行模拟计算，计算模型如图5所示，计算结果示于图6。由图6可看出，散射腔直径对散射辐射影响较小，散射腔高度对散射辐射的影响较大，即散射腔高度越大，由照射装置屏蔽主体带来的散射辐射越小。最终将散射腔尺寸设计为φ4 cm×18 cm(体积为226 cm3)时照射装置屏蔽主体带来的散射比例最低(0.015%)。

a——φ12 cm×10 cm；b——φ4 cm×6 cm图5 不同尺寸散射腔的计算模型Fig.5 Scattering chamber simulation model with different sizes

2.3 准直器设计

利用MCNP程序建立模型，将准直器分为内准直器、快门准直器和外准直器3组，图7为不同准直器的照射装置结构，计算每组准直器对辐射场均匀性的影响。为计算辐射场中空气比释动能率的横向分布，在距放射源1 m位置处设置一系列横向排列的立方体计数栅元，每隔1 cm设置1个计数栅元。计数栅元为立方体而不是球体，这是因为在射束外的半影区内光子剂量非常小，在同样间距下，立方体相对于球体来讲计数有效体积更大，计数效率更高，图8为辐射场均匀性计算模型。辐射场均匀性计算结果示于图9。由图9可知，准直器由内准直器、快门准直器和外准直器3部分构成时均匀性最好。在±12 cm范围内均匀性好于5%，满足使用要求，因此将准直照射装置的准直器设计为3部分，共9片钨合金准直器，准直器的张角为14°。

图6 不同圆柱形散射腔的散射比例Fig.6 Scattering ratio by different scattering chambers

a——内准直器；b——内准直器和快门准直器；c——快门准直器；d——外准直器和快门准直器；e——外准直器；f——外准直器、快门准直器和内准直器图7 不同准直器的照射装置结构Fig.7 Irradiation facility structure with different collimators

图8 辐射场均匀性计算模型Fig.8 Uniformity simulation model for radiation field

图9 辐射场均匀性计算结果Fig.9 Uniformity simulation result for radiation field

3 校准台设计

校准台为全自动控制，在沿射束方向铺设的轨道上由电机驱动。校准台上的载物平台可上下、横向(垂直于轨道的平面方向)及正反(±180°)转动，均由电机驱动并有限位信号。校准台控制系统分为本地控制和远程控制，均为有线控制。本地控制能实现校准台沿轨道的前进(定位精度1 mm)、后退(定位精度1 mm)及载物平台的上升、下降、横移、顺时针转动和逆时针转动等功能。远程控制端位于控制间，由计算机软件控制，除包括本地控制的所有功能外，还具有自动定位的功能。校准台设计结构如图10所示，主要包括：1) 载物台，可使其上放置的仪表上下移动到射束中心，有移动距离显示；2) 旋转底座，具备旋转定位功能，步进电机驱动旋转底座横向移动使载物平台上放置的仪表移动到射束中心；3) 车体，置于轨道之上，步进电机驱动地车在轨道上移动，定位精度为1 mm；4) 驱动及定位系统，用于限位和齿轮传动定，使校准台在射束方向移动；5) 轨道，支撑校准台；6) 轨道预埋件，即底轨用于将轨道固定在实验室地板上；7) 摄像头支架，用于架设摄像头，该摄像头在实验过程中可读取被校仪表的读数。

图10 校准台设计结构Fig.10 Calibration platform structure

4 控制系统

控制系统由控制台、专用控制器、计算机控制程序、PLC工业控制器和安全联锁系统等组成。专用控制器和计算机控制程序功能相同，互为冗余设计，能实现对设备的基本控制，包括更换放射源、快门到位诊断、与安全系统联锁、校准台控制(距离，升降和角度等)。专用控制器和计算机控制程序能直观显示照射装置、校准台和安全联锁系统的工作状态。监控设备由两台彩色监视器、3台摄像机和切换器相连，实现全景监视、仪表读数、标尺读数(距离)。控制计算机属通用计算机，可与专用控制器连接，实现集中管理、数据处理和证书打印等功能。控制台具备UPS不间断供电系统，断电可工作30 min以上。安全联锁系统包括急停开关、安全门禁系统、灯光报警系统、视频监视系统和辐射剂量仪等，安全联锁响应时间≤1 s。辐射剂量仪用于人员的剂量监测与防护，量程为0.1 μSv/h～100 mSv/h，能量范围为60 keV～1.25 MeV。

5 实验结果

完成单源照射装置、多源照射装置、全景照射装置、校准台、控制台、安全联锁系统和控制系统的安装调试后，需对源装置产生的参考辐射场的均匀性和散射比例进行实验，为建立计量标准提供依据。利用PTW Unidos剂量计配30 cc柱形电离室对所研制的单源和多源照射装置产生的辐射场剂量率分布和均匀性进行实验测量，测量结果列于表1，表1中数据已扣除天然本底(0.50 μSv/h)，1#、2#、3#、4#源为137Cs，置于多源照射装置中，5#源为60Co，置于单源照射装置中。

文献[17]规定经空气减弱修正后，空气比释动能率应在5%以内，与参考点距放射源距离平方的倒数呈正比。计算不同距离处剂量率测量结果与理论结果的偏差，表2所列为辐射场中散射比例分布情况。由表2可知，辐射场中空气比释动能率实测值在5%以内，与参考点距放射源距离平方的倒数呈正比，满足相关标准的要求[18]。

距1#源和5#源1 m处，利用电离室进行扫描测量以确定辐射场的均匀性，测量间隔为2 cm，测量结果如图11所示。由图11a可知，辐射场分布的实验测量值和计算结果符合较好，相对误差在1%以内，在距放射源1 m处137Cs放射源辐射场的宽度分别为17.6 cm和17.3 cm。由图11b可知，中间平坦区域实验和计算结果符合较好，相对误差在0.3%以内，在距放射源1 m处60Co放射源辐射场的测量宽度分别为17.8 cm和17.6 cm，测量结果和计算结果相差在0.5%左右。

表1 辐射场剂量率分布Table 1 Dose rate distribution in radiation field

表2 辐射场中散射比例分布Table 2 Scattering ratio in radiation field

a——1#源；b——5#源图11 辐射场均匀性Fig.11 Uniformity of radiation field

6 结论

结合蒙特卡罗方法完成了60Co单源照射装置和137Cs多源照射装置的优化设计，并利用PTW空腔电离室对辐射场的散射比例和均匀性进行测量。结果表明，γ校准实验室的辐射剂量技术指标满足ISO4037标准的要求，目前该校准实验室已通过相关资质认可，具备开展校准检定的技术能力和资格。