加速器射线探伤室迷道剂量率的估算方法

王海洋，张凤伟，宋义超

（机械工业第六设计研究院有限公司，河南 郑州 450007）

加速器射线探伤室迷道剂量率的估算方法

王海洋，张凤伟，宋义超

（机械工业第六设计研究院有限公司，河南 郑州 450007）

基于NCRP第151号报告提出的医用加速器机房屏蔽估算模式，建立了一套适用于工业加速器射线探伤室迷道剂量率估算方法，并应用于某12 MV电子直线加速器射线探伤室的迷道设计中。对于高能加速器射线探伤室，其迷道门的设计应同时考虑光子和中子的屏蔽。其中光子份额主要归功于主束散射、漏射散射和漏射透射，中子份额主要考虑中子俘获γ射线和中子射线。

电子加速器；射线探伤；迷道；屏蔽设计；剂量率

0 前言

在工业射线探伤室的屏蔽设计中，人员进出通道常常设计成迷宫形式（以下称为迷道），使射线在迷道内经过多次散射而衰减，从而使其到达迷道出口处的剂量率水平低于控制值。迷道剂量率的计算方法主要有三种：一种是采用理论解析计算法[1]，即逐次计算反射射线流量来获得迷道门口处的剂量率，该方法虽然精确度较高，但是计算繁琐，难以应用于较复杂的情况；第二种方法是按照NCRP（美国国家辐射防护与测量委员会）或IAEA（国际原子能机构）所发布的报告进行计算，最新的NCRP第151号报告[2]和IAEA第47号报告[3]中提出了针对医用加速器机房屏蔽设计较为统一的估算方法，这些方法进行了合理的近似和简化，对于屏蔽设计来说具有较大的实际意义；第三种方法是蒙特卡罗模拟计算，可以采用MCNP、FLUKA等模拟软件，一般情况下准确性较高，但是往往建模过程复杂且耗时较长[4]。

相对于医用加速器机房一般采用直线型或L型迷道，工业射线探伤室常常采用Z型或U型等结构形式的多重迷道，增加射线在迷道内的散射次数和行走路程，从而取得更好的衰减效果。本研究基于NCRP第151号报告提出的医用加速器机房屏蔽设计方法，总结了一套适用于高能加速器（＞10 MV）射线探伤室多重迷道剂量率的估算方法，综合考虑了光子的主束散射、漏射散射、和漏射透射，以及中子俘获γ射线和中子射线对剂量率的贡献，并将其应用于某12 MV电子加速器射线探伤室的迷道计算。

1 对象和方法

1.1 研究对象

探伤室内安装有12 MV的电子直线加速器，如图1所示，焦点小于等于2mm，焦距2m，距离靶1m等中心处最大X射线输出剂量率为5 500 cGy/min，泄漏量小于0.1%，射线锥角30°。加速器移动范围如图1所示，A墙为主屏蔽墙，B、C墙为次屏蔽墙，迷道采用多重U型结构。控制室内剂量率控制水平为2.5 μSv/h。

图1 探伤室平面布置Fig.1 Layout of industrial radiography room

1.2 方法

屏蔽防护的目的在于：基于“辐射防护最优化”和“避免过度防护”的原则，设置足够厚度的屏蔽，使辐射防护所关心的参考点处由加速器运行产生的X射线和中子造成的剂量当量率综合不超过事先规定的控制水平。对于工业加速器射线探伤室的迷道设计而言主要包括迷道墙的厚度计算，和迷道防护门厚度计算，其核心就是按照NCRP系列报告给出的估算方法确定参考点处的剂量当量率。

当入射电子能量大于（γ，n）反应阀能时可产生中子，而绝大多数天然核素的（γ，n）反应阀能都在10 MeV以上，因此一般认为大于10 MeV的电子加速器才会产生中子[1]。NCRP第151号报告指出，光子散射和泄露辐射的剂量当量率与中子俘获γ射线的剂量当量率相比相对较低，并且能量越高这种效应越明显[4]。因此对于高能加速器迷道防护来说应主要考虑中子份额。报告中同时提出了针对能量大于10 MV的电子直线加速器的阻止中子进入迷道的三种技术方案：①减小迷道内入口开口尺寸；②在迷道内入口处增加一道含有热中子吸收剂（质量分数为9%的硼）的质量较轻的门；③在迷道入口内安装一道BPE门[2]。

2 迷道设计

迷道的设计在满足功能使用的前提下，尽量增加射线的散射次数并避免射线直接射向迷道口。本例中迷道如图1所示，为多重U形迷道，内口尺寸（宽×高）为0.9 m×2 m，迷道截面尺寸1 m×2 m，外口尺寸1 m×2 m。

2.1 迷道墙厚度计算

参照NCRP第151号报告中直线型迷道墙厚度确定方法，迷道墙外的剂量水平只考虑迷道墙的透射剂量贡献。本例中透射迷道墙E、F的源射线为加速器的泄露射线，透射线估算为

式中 HLT，F为透射F墙到达关注点处的射线剂量当量率（单位：Sv·h-1）；tE和tF分别为E墙和F墙厚度（单位：m）；TVL为平均10值层厚度（单位：m），保守估计泄露射线和透射线能量均与主射线一致；R1和R2分别为源点到墙E的距离和墙E到墙F的距离（单位：m）。

参照次屏蔽墙厚度，迷道墙E和F厚度均取为1 m，按照式（1）计算参考点处剂量率低于控制水平。考虑到混凝土浇筑孔洞等缺陷，为安全起见，E墙厚度取1.3 m，F墙为1 m，可将控制室内剂量率降低至控制水平的1/10以下。

2.2 迷道门处剂量率

对于低能加速器（＜10 MV），迷道门处剂量当量率主要考虑光子剂量的贡献,包括主束散射和漏射线的份额；对于高能加速器（＞10 MV），还需考虑中子俘获γ射线以及光中子的份额[2]。

2.2.1 光子份额

针对射线探伤室迷道设计，本研究综合了NCRP第49、51、151号报告[2，5-6]的思想和方法，将到达迷道门M点处的光子剂量贡献归结为三部分：主束散射、漏射线散射、漏射线透射。其中主束散射考虑主射线经探伤工件一次散射之后，又被迷道多次散射；漏射线散射考虑加速器泄露射线在迷道内的多次散射；漏射线透射考虑的是加速器泄露射线穿透迷道内墙到达门口的剂量。

式中 D0为加速器X射线输出剂量率，为3 300 Gy·h-1；α1为入射到第一个反射材料的X射线的反射系数，查NCRP第51号报告附录[6]，入射线高于10 MeV时，铁的散射系数保守估计取0.01（垂直入射）；α2为一次反射线对反射材料的反射系数（假设后续散射过程中能量不再改变），按照NCRP第51号报告[6]关于反射线能量的估计，铁的一次散射线能量取0.5MeV，本研究中后续的混凝土散射系数保守取为0.02；A1为X射线入射到第一反射物质的碰撞面积，在此为0.9m2；A2为迷道的截面积，取值为2m2；dr1·dr2…drj为沿着迷路长轴的中心线距离（单位：m）；j为第j个反射过程；t为迷道内墙厚度（单位：m）；TVL为平均10值层厚度（单位：m）；R为源距离参考点的距离（单位：m）。

本研究中主射线至少需经过5次反射才能到达迷道门，漏射线至少需经过4次散射到达迷道门，迷道内墙E的透射线不能直接到达门口，射线在迷道内散射路线如图1所示。经过计算，HPS=8.29× 10-4μSv/h，HLS=3.69×10-4μSv/h。可见，通过合理设计的多重迷道，光子经过三次以上的散射到达门口的剂量率已经远小于控制水平。

2.2.2 中子份额

对于高能加速器（＞10 MV），中子引起的射线主要包括中子俘获γ射线和中子射线。NCRP第151号报告给出了直线型迷道剂量当量率近似估算方法。

（1）中子俘获γ射线。

式中 K为中子俘获γ射线在迷道内口处的剂量当量（Sv）与总中子通量的比值，基于实测的平均值为6.9×10-16Sv.m2.neutron-1[4]；φA为单位吸收剂量（Gy）产生的总中子通量（单位：neutron-1），可由式（6）求得；d为迷道内口中心点至迷道门的距离（单位：m）；中子剂量当量每衰减10倍时在迷道中经过的距离，对18～25MV的X射线束为5.4m，对15MV的X射线束为3.9 m[2]，在此取3.9 m；β为机头屏蔽体对中子的透射因子，对于Pb=1，对于W=0.85，在此取1；d0为加速器等中心点经迷道内墙边缘与迷道内口中心点的距离（单位：m），如图2所示；Qn为在焦点每单位X射线的吸收剂量所产生的中子源强（单位：neutron·Gy-1），查IEAE第47号报告[3]可知12 MV加速器Qn=2.4×1011neutron·Gy-1；Sr为探伤室的室内总表面积，在此为2 413 m2。上式是针对直线型的迷道，对于多重迷道，保守估算可由迷道内长度之和d1+d2+d3+d4替代d，并将计算结果减为1/3[7]。经计算Hcg=0.46 μSv/h。

图2 多重迷道内的中子散射Fig.2 Neutron scatter in multi-maze

（2）中子射线。

采用修正的Kersey方法

式中 Hn，D为对于等中心点单位X射线的吸收剂量，迷道口的中子剂量当量（单位：Sv·Gy-1）；S0/S1为迷道内口的截面积（S0）和迷道径向截面积（S1）之比，在此为0.9；TVD为中子剂量当量每衰减10倍时在迷道中经过的距离（单位：m），与迷道截面积有关本研究中计算有Hn=0.76μSv/h。

综上，迷道门处光子剂量率远小于中子剂量率，可以忽略不计。迷道门M点处剂量率HM=Hcg+Hn= 1.22 μSv/h＜2.5μSv/h，经迷道多次反射衰减后，迷道门处的剂量率已经降至控制水平以下。

2.3 迷道防护门

对于低能加速器（＜10 MV），迷道防护门主要考虑对光子的屏蔽，一般选用铅门。如果迷道内墙不是太薄，迷道防护门处的光子能量可按照0.2 MeV估算[2]。

对于高能加速器（＞10 MV），中子俘获γ射线和中子射线相对于光子剂量高很多，且有更高的能量，一般主要考虑中子俘获γ射线和中子屏蔽。防护门一般采用铅门加BPE（含5%硼的聚乙烯）的双层结构门，其中BPE对中子具有更好的屏蔽效果。NCRP第151号报告指出到达迷道门处的中子俘获γ射线平均能量约为3.6 MeV，在迷道较短（＜5 m）时可取10 MeV，NCRP第151号报告保守的引用铅的TVL=61 mm[2]；对于大于5 m的迷道，IAEA第47号报告建议TVL=6mm铅当量[3]。中子经迷道多次散射后，在迷道门处的平均能量约为0.1 MeV，屏蔽计算中保守的取BPE的TVL=45 mm[2]。

迷道门处光子、中子俘获γ射线和中子射线的剂量率均不超过控制水平，因此迷道防护门采用普通铁质推拉门即可，安全起见，防护门应与加速器联锁。

3 结论

基于NCRP第151号报告，介绍电子加速器射线探伤室迷道的设计方法，能为探伤室的辐射防护及评价提供参考。

[1]李德平，潘自强.辐射防护手册第一分册辐射源与屏蔽[M].北京：原子能出版社，1987：352-403.

[2]NCRP Report No.151.Structural shielding design and evaluation for megavoltage X-an d gamma ray radiotherapy facilities[R].Bethesda，Maryland，American.National Council on Radiation Protection and Measurements，2005：1-246.

[3]IAEA Safety Reports Series No.47.Radiation Protection in the DesignofRadiotherapyFacilites[R].International Atomic Energy Agency，2006：1-129.

[4]李文茜，李君利，李鹏宇.迷宫屏蔽剂量计算方法的比较研究[J].辐射防护，2009（1）：1-7.

[5]NCRP Report No.49.Structural shielding design and evaluationfor medical use of X rays and gamma rays of energies up to10MeV.NCRP Report 49.1976

[6]NCRP Report No.51.Radiation protection design guidelines for 0.1-80 MeV particle accelerator facilities[R].Bethesda，Maryland，American.NationalCouncilofRadiationProtection and Measurements，1977：1-159.

[7]中华人民共和国卫生部.GBZT 201.2-2011放射治疗机房的辐射屏蔽规范（第2部分）：电子直线加速器放射治疗机房[S].北京：中国标准出版社，2011.

Calculation method of maze dose rate for electron accelerator radiographic inspection room

WANG Haiyang，ZHANG Fengwei，SONG Yichao
（SIPPR Engineering Group Co.，Ltd.，Zhengzhou 450007，China）

Based on the calculation model of shielding design for megavoltage medical electron linear accelerator treatment rooms proposed by the NCRP No.151 report，a calculation method of maze dose rate for electron accelerator radiographic inspection room is built and applied to a 12 MV electron linear accelerator radiographic inspection room maze design.The shielding of photon and neutron should be considered for the design of maze door of the high-energy electron linear accelerator radiographic inspection room. The photon dose mainly owes to the scattering of the main beam，the scattering and transmission of the leakage radiation.And the neutron dose mainly owes to neutron capture gamma ray and neutron ray.

electron accelerator；radiographic inspection；maze；shielding design；dose rate

TG444

：A

1001-2303（2015）09-0193-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.44

2015-04-15

王海洋（1983—），男，湖北襄阳人，硕士，工程师，主要从事工厂规划与设计工作。