粒子加速器辐射剂量测量方法及应用

  第 28 卷   第6期   2008 年   11 月

辐射防护 Radiation Protection

Vol1 28   No1 6   Nov.   2008  

粒子加速器辐射剂量测量方法及应用
李建*
Ξ

( 中国科学院高能物理研究所 ,北京 ,100049 ; 哈尔滨工程大学核科学与技术学院 ,哈尔滨 ,150001)

摘  要  本文简要概述了粒子加速器周围环境辐射场的特点 ,并且与反应堆核电站等核设施的辐射场 γ 剂量测量方 作了比较 。针对辐射场的特点 ,建立了三种辐射剂量测量方法 : ( 1) 环境低辐射水*中子 、 γ辐射剂量测量方法 ; (3) 宽能区 (0. 025 eV~1 000 MeV 以上 ) 中子辐射剂量测量方法 。 法 ; (2) 脉冲中子 、 同时介绍了辐射监测数据的采集与处理系统 。最后说明了辐射监测系统的推广应用情况 。 关键词   粒子加速器辐射场   剂量测量方法   低水*中子   脉冲辐射   宽能区中子

1  引言
随着核工业技术的发展 , 新型的辐射产生 装置和核设施的研究建造 ,如大型粒子加速器 、 散裂中子源 、 核洁净能源以及轻核反应装置等 。 在这些核装置周围环境中产生的瞬发中子和γ 辐射与反应堆核电站的辐射场不同 , 具有一系 列特点 ( 见表 1) , 对辐射剂量测量方法提出了 一些新的要求 。本实验室利用国内外辐射装置

完成了大量实验研究工作 , 建立了三种类型 γ 辐射剂量测量方法 : ( 1) 环境低辐射水*中子 、 γ 辐射剂量测量 剂量测量方法 ; ( 2) 脉冲中子 、 方法 ; ( 3) 宽能区 ( 0. 025 eV~1000 MeV 以上) 中 子辐射剂量测量方法 。本文简要叙述这些测量 方法 ,同时介绍了监测数据采集和处理系统 ,最 后还介绍了这些辐射监测系统的推广应用情 况。

[1 ]

表1  粒子加速器与反应堆核电站及其它辐射源辐射场比较
Tab. 1   Comparison of radiation fields of particle accelerator , nuclear power plant and other radiation sources
辐射场 辐射类型 时间特性 能量范围 环境辐射 电磁干扰 反应堆与其他辐射源 γ混合场 中子 、 连续辐射 热中子~20 MeV 中子 主要监测γ射线 粒子加速器 γ混合场 中子 、 脉冲辐射 热中子~20 MeV 以上中子 主要监测中子 强 粒子加速器辐射场测量难点 脉冲辐射剂量测量
20 MeV 以上中子剂量测量

低水*中子剂量测量 抗电磁干扰

γ 辐射剂量测量方 2  环境低水*中子 、 法
对于现有的辐射产生装置和核设施在环境 中产生的辐射可分为两类 : 一类是在环境中产 生的辐射主要是γ 辐射 ,不监测中子辐射 ,如反 应堆核电站等 ; 另一类是在环境中产生的辐射

主要是中子 ,其次是γ 辐射 ,如高能粒子加速器 等 。为测定高能加速器在运行期间对环境的影 响 ,首先应测定来自宇宙辐射的天然中子本底 剂量率水* , 在北京地区约为 3 nSvΠ h , 占天然 贯穿辐射本底剂量率水*的 3 % 。对于这样低 辐射水*的中子剂量测量 , 必须建立高灵敏度

Ξ 作者简介 : 李建* ,男 ,1936 年 12 月出生 ,1960 年毕业于前苏联列宁格勒大学物理系核物理专业 , 研究员 , 现为哈尔滨工程 大学核科学与技术学院兼职教授 。

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李建* : 粒子加速器辐射剂量测量方法及应用

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中子探测器 。 目前国内外通用的中子剂量当量仪的可探 测下限为 0. 1 μSvΠ h ( 100 nSvΠ h) , 测不到天然中 子本底水* ( 3 nSvΠ h ) 。需要将其灵敏度提高
100 倍 ,才能满足环境中子剂量测量的需要 。 2. 1   环境低水*中子辐射剂量测量

内充 25 个大气压氩气 , 采用三同轴绝缘子 , 在 15 收集极和保护环之间采用高绝缘 ( 电阻 10 Ω) 。 ( 2) 采用电流2频率 ( I2F) 转换电路 , 将天然 - 13 本底辐射产生的 2. 65 × 10 A 电流转换成脉 冲 ,无零点漂移 。

本实验室研制了一种新型高灵敏度环境中 子探测器 , 在结构上具有以下特点 : ( 1) 在中子 探测器结构中采用大型中子计数管 , 柱型或球 形均可采用 ; ( 2) 计数管外面包有高压聚乙烯慢 化体 ,无吸收体 ( 含硼塑料 ) , 称为非 “雷姆” 结 ( ) ( ) 构 ; 3 聚乙烯慢化体厚度 尺寸 必须在 4. 5~ 7. 5 cm 之间 ,才能达到注量率灵敏度与中子能 量基本无关的性能要求 ,便于标定和现场测量 。 制
[2 ,3 ]

γ 辐射场剂量测量方法 3  脉冲中子 、
对于大型粒子加速器 ( 如高能电子加速器 , 高能质子加速器 , 重离子加速器) , 其粒子束流 具有脉冲宽度窄和重复频率低的特点 。束流在 加速过程中 ,由于束流损失或打靶 ,使粒子与加 γ辐 速器结构材料发生相互作用 , 产生中子 、 γ 辐射的时间结构与束流的 射 。瞬发的中子 、 γ脉 时间密切相关 ,形成一个占空比低的中子 、 冲辐射场 。 不同类型的探测器在窄脉冲辐射场中的剂 量响应是不同的 ,可以分为以下类型 : ( 1) 以脉冲计数作为记录方式的探测器 ,由 于存在一定分辨时间 ,在窄脉冲辐射场 ( ns 级 ) 测量中存在严重漏计数 , 所以不适合在脉冲辐 射场中使用 。 ( 2) 电流电离室类型的探测器 ,在窄脉冲辐 射场中 ,由于瞬时剂量率高 ,在电离室内瞬间产 生大量正负离子对 , 在电离室内发生体复合使 测量结果失真 。 ( 3) 贮能型探测器 ,如热释光剂量计和中子 乳胶等 ,它们在脉冲辐射场中不存在漏计数 ,但 是它们不能作为在线监测器 。 γ 以下介绍本文提出的几类窄脉冲中子 、 辐射场探测器 。 3. 1   窄脉冲中子辐射场探测器 ( 1) 包有慢化体的热中子探测器 。入射的 窄脉冲中子辐射 ,在慢化体中经多次散射慢化 , 在中子迁移过程中使中子到达热中子探测器的 时间展宽 ( 可达百余μs) 。在一定程度上使窄 脉冲中子辐射测量问题得到解决 , 可用于剂量 水*不太高的脉冲辐射场中 ,如工作场所 。 ( 2) 包银中子探测器 。探测器由三部分组 成 : 银箔 、 G M 计数管 ( 或电离室 ) 和慢化体 。选 取短半衰期的中子活化片 ( 银箔 ) , 由活化片产 生的带电粒子被计数管或电离室探测 。慢化体 的作用同 ( 1) 段所述 。该类探测器可用于强脉
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依据 上 述 特 点 完 成 了 中 子 探 测 器 的 研 。在探测器中心采用大尺寸柱形 BF3 正

比计数管 ( <50 mm × 350 mm) , 外面包有 6. 5 cm 厚的高压聚乙烯慢化体 。计数管输出信号输入 电子学电路 , 然后进入单板机进行数据采集和 处理 ,并将中子剂量率的结果数据显示出来 。 由于采取上述结构参数 , 探测器具有以下 性能特点 : 2 ( 1) 注量率灵敏度为 12 cpsΠ ( nΠ cm ? s) 或 15 ( μSvΠ cpsΠ h) 。能测定天然中子本底水* ( 北京 地区约为 3 nSvΠ h ) , 探测器可探测下限为 0. 5 nSvΠ h 。用本探测器在国内首次测定天然本底 数据 , 并研究了它随地磁纬度和海拔高度的变 [4 ] 化 。 ( 2) 注量率灵敏度与能量响应*坦 。由于 采用 6. 5 cm 厚的聚乙烯慢化体 ,实现了中子的 注量率灵敏度与中子能量从 0. 025 eV 到 16
MeV 响应*坦

。这样 , 在不清楚现场中子能 谱的情况下 , 可测定中子注量率 。再将中子注 量率换算成剂量当量率时 , 需要知道现场的中 子能谱 , 粒子加速器的环境中子谱与宇宙辐射 在海*面的中子谱类似 ,为 Hess 谱 。依据该能 [1 ] 谱 ,才能确定注量率2剂量当量率转换系数 , 给出剂量当量率 。 2. 2   环境低水*γ 辐射剂量测量 环境γ 剂量测量采用球形高气压充氩电离 室 ,它在结构和电路上具有以下特点 : (1) 球形电离室壁为厚 1. 8 mm 的不锈钢 ,

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辐射防护                第 28 卷   第6期 

冲中子辐射场 ,作为工艺监测 。 ( 3) 将包有慢化体 “雷姆” 结构的 BF3 正比 计数管工作在电流电离室状态 , 在窄中子脉冲 场中同样可以得到较好效果 。 3. 2   窄脉冲γ 辐射场探测器 ( 1) 电流电离室 。在电离室的结构上和工 作电压上采取措施 ,使其极间距离* ,工作电压 高 ,可以克服窄脉冲γ 辐射在电离室内瞬间形 成的高密度正负离子对所致的 “复合效应” ,达 到适用于一定剂量水*窄脉冲γ 辐射剂量监测 目的 。 ( 2) 采用多层电流电离室 ,使用极间距离小 于 2. 5 mm ,工作电压为 900 V 左右 ,可以解决窄 [7 ] 脉冲强γ 辐射场的测量问题 。

型 A2B 中子 “雷姆” 计数器 ,是作者与美国 LBNL (劳伦斯伯克利国家实验室 ) 和日本 KEK 合作 完成的 ; ( b) 宽能区高灵敏度环境中子监测器 。 4. 1   改进型 A2B 中子 “雷姆” 计数器 当前测量中子剂量当量国内外通用的 A2B 中子 “雷姆” 计数器 ( 中子剂量当量仪) 存在的主 要问题是 : 对于新型核设施测量中子能量范围 不够宽 ,它的能量范围从 0. 025 eV 到 20 MeV , 对于高能中子 ( 20 MeV 以上) 灵敏度下降 。 针对现有中子剂量当量仪存在的问题 , 具 体分析了其灵敏度低的原因 。当中子能量大于 20 MeV 时 ,通用的 A2B 中子 “雷姆” 计数器的慢 化体 ( 聚乙烯) 慢化作用不够 , 所以不能被计数 器中心的热中子计数管探测到 , 因此灵敏度下 降 。为此需要寻找能使 20 MeV 以上中子慢化 材料 。研究发现重金属材料 ( 如铅 、 钨等) 均能 使 20 MeV 以上中子通过非弹性散射慢化 。在 通用 A2B 中子 “雷姆” 计数器的结构中加入一 层 10 mm 厚的铅 ( 或钨 ) 层 , 创建了改进型 A2B 中子 “雷姆” 计数器的结构 。当中子能量低于
20 MeV 以下时 , 入射中子与铅核发生弹性散

4  宽能区 ( 0. 025 e V~ 1000 Me V 以上 )

中子探测器
高能加速器运行时 , 周围产生的辐射场中 有相当比例的能量在 20 MeV 以上的中子 。如 在日本 KEK ( 国立高能物理研究所 ) 一 台 12 GeV 的高能质子加速器周围辐射场中 ,50 MeV 以上的中子剂量当量的贡献占总剂量当量的 [1 ] 50 % 。利用碳烟比方法 , 在北京正负电子对 撞机 (BEPC) 周围辐射场中测定的 20 MeV 以上 剂量当量的贡献占总剂量当量的 20 % 。目前 用于辐射防护目的的最好的中子剂量当量仪是 一种为 Andersson2Braun 的中子 “雷姆” 计数器 ( 简称普通 A2B 中子 “雷姆” 仪 ) 。它适用的中 子能量范围从热中子到 10 MeV 。当中子能量 大于 20 MeV 时 ,这种普通 A2B 中子 “雷姆” 仪的 能量响应开始明显下降 , 而偏离国际放射防护 委员会 ( ICRP) 推荐的响应曲线 。因此 , 当用普 通 A2B 中子 “雷姆” 仪测量高能加速器周围辐 射场时 ,必然会造成不同程度的低估 。 [8 ] 宇宙 辐 射 中 子 能 谱 为 宽 能 区 能 谱 , 在 100 MeV 处有峰值 。高能粒子加速器的环境中 子谱*似宇宙辐射中子谱 , 而现有环境中子监 测器同样存在着能量响应范围窄的问题 , 为此 需要研制宽能区 、 高能区 、 高灵敏度环境中子监 测器用于宇航及高能粒子加速器环境在线监 测。 以下介绍两种宽能区中子探测器 : ( a ) 改进

射 ,不损失能量 , 也就是说这层铅对 20 MeV 以 下中子是 “透明” 的 , 因此它的存在不会影响原 A2B 中子 “雷姆” 计数器对低能中子原有的响 应 。当高能中子入射通过铅层时 , 与铅核发生 非弹性散射 ,将一部分能量传递给铅核 ,而使高 能中子被慢化 ,易被中子计数管探测到 。所以 , 这一层铅的加入 , 改善了它对高能中子的能量 响应 ,这就是改进型 A2B 中子 “雷姆” 计数器的 特点 。 依据上述考虑完成了改进型 A2B 中子 “雷 姆” 计数器的制造 。它是由圆柱形 ( 或球形 ) 外 慢化体和圆柱形 ( 或球形 ) 内慢化体 , 在内外慢 化体中间置入吸收体和铅层 , 在内慢化体中心 置入柱形 ( 或球形) 中子正比计数管组成 。 上述结构 ( 技术) 方案需从理论和实验两方 面验证 。 本工作首先利用计算机程序 (MCNP 程序 ) 计算了改进型结构参数的能量响应范围 , 计算 结果表明改进型 A2B 中子 “雷姆” 计数器能响 范围可从 0. 025 eV 到 1 GeV ,并且与 ICRP 推荐 的响应曲线符合 。
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对该新型探测器实验验证存在相当大难 度 : ( a) 国内尚未建立准单色中子能量大于 20 MeV 的 标 准 中 子 源 提 供 验 证 ; ( b ) 所 产 生 20 MeV 以上的标准中子束 ,束流截面足够大 ,能将 标定探测器覆盖 。目前美国和欧洲各国采用加 速器获得的 20 MeV 以上的中子束流 ,束流截面 太小 ,不能把要标定的改进型 A2B 中子 “雷姆” 计数器覆盖 , 只能照射探测器一部分 。为获得 标定数据 ,需要将探测器对准中子束移动 ,使中 子束照射到探测器全部 。这种作法给数据处理 带来难度 , 所以是实验验证的一个难点 。目前 只有在日本可以获得这种大截面的 20 MeV 以 上的中子束流 ,完成验证实验 。 在日本原子力研究所东海实验室和日本东 北大学加速器上完成了能量为 22. 0 MeV 、 32. 5 MeV 、 40. 2 MeV 、 45. 4 MeV 、 64. 7 MeV 的五个能 量点的高能中子验证 , 实验结果表明该新型结 构参数改进了能量响应范围 ,符合 ICRP 推荐的 ( μSvΠ 能响曲线 。这时其剂量率灵敏度 [ cpsΠ h) ] 与中子能量无关 。这就是通常称为的 “雷姆” 结 构 ,它不需要测量现场中子能谱 ,能测量剂量当 [9 ] 量率 。这是国内外首次完成的验证实验 。 4. 2   宽能区高灵敏度中子监测器 在本文 “2. 1” 小节中提到的环境低水*中 子监测器 ,它具有足够高的灵敏度 ,但是它的能 量响应范围为从热中子 ( 0. 025 eV) 到 16 MeV 。 这对高能加速器及宇宙辐射环境监测能响范围 不够 。为此产生用铅层对高于 20 MeV 中子利 用非弹性散射慢化的物理思想 , 在探测器慢化 体外加 10 mm 厚铅层结构设计 。采用 FLUK A 程序作了大量计算 ,表明对 20 MeV 以上中子探 测器灵敏度得到改善 , 并用宇宙辐射数据验证 了该探测器 。

集与处理 ; ( 2 ) RS 485 口 ( 或 RS 232 口 ) 输出信 号通过输电缆 , 进入中心计算机进行数据采集 与处理 ; ( 3) 探测器本身单板机可将辐射监测数 据存储 45 天 , 然后通过 RS 232 口与计算机相 联 ,将数据转移到计算机进行处理 。

6  辐射监测系统在以下领域得到推广

应用
(1) 大 、 中、 小型粒子加速器环境和工作场

γ 辐射监测系统 ,如北京正负电子对撞 所中子 、 机、 合肥同步辐射装置 、 兰州重离子加速器 、 韩 国浦项同步辐射装置 、 上海光源 、 北大重离子所 串列加速器 、 兰州大学高压倍加器等 ; (2) 辐照加速器和医用加速器的场所和环 境γ 辐射监测系统 ; (3) 轻核反应装置 ( 托卡马克装置 ) 辐射监 测系统 , 如中国科学院合肥等离子体物理研究 所和核工业西南物理研究院的环境辐射监测 ; (4) 核电站环境γ 辐射连续监测系统 ,采取 双电离室方法用于秦山核电站及巴基斯坦恰希 码核电站 ; ( 5) 省级辐射环境监测站 ,如河北省和安徽 省辐射环境监测站 ,采用环境γ 监测器 ,用于环 境γ 辐射监测 。 对上述辐射产生装置和核设施 , 在使用本 γ 监测器时 ,应根据装置和 实验室研制的中子 、 设施本身产生的辐射场的特点和使用场所 ( 辐 射水*) 选择监测器的类型 , 并注意以下几点 : ( a) 对稳定辐射场 , 如反应堆核电站等 , 可依据 监测器的使用说明书中的测量范围 , 确定监测 器的可探测限 , 提供使用 。( b) 对脉冲辐射场 , 如粒子加速器等 , 依据辐射场的脉冲宽度和重 复频率 ( 占空比 ) , 监测器的灵敏度以及监测器 的分辨时间 , 计算出监测器在脉冲辐射场中的 可探测限 ,选用监测器 ; 对中子监测器在可探测 限计算过程中 , 要考虑到慢化体对中子脉冲的 展宽时间 ; 对γ 电离室在可探测限计算过程中 , 要考虑到在给定的结构下对离子收集效率及漂 移时间等因素 。 ( c ) 对高能电子加速器在屏蔽 外工作场所 ,监测对象主要是轫致辐射 ,其次是 γ、 中子 ( n) , n 辐射剂量率之比值最高可达 10 倍 ,应选择耐高γ 剂量率的中子监测器 。本实
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5  监测数据的采集与处理
γ 监测器 ( 探测器 ) 本身均备有 各类中子 、 单板机和数码管或液晶显示器实现以下功能 : (1) 显示中子 、 γ 剂量率 ; ( 2 ) 超过设定的剂量 率 ,发出声光报警 ; ( 3 ) 设定和修改标定参数 ; ( 4) 显示中子或γ 的累积剂量 。 单板机设有三种功能接口 : ( 1) 探测器可以 直接和网线相联 , 进入中心计算机进行数据采

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辐射防护                第 28 卷   第6期 
4  李建* ,张保襄 , 刘曙东 , 等 . 宇宙辐射中子本底测

验室研制的中子监测器均能达到上述要求 。 ( d) 抗电磁干扰能力 。本实验室研制的用于粒 子加速器的监测器 , 均在监测器内设置金属电 磁屏蔽套并接地 ; 同时将保护地线与信号地线 分开接地 , 达到抗电磁干扰目的 。对于远距离 传输信号 ,采用 20 mA 电流环 ,在数据采集器入 口 ,采取光电隔离措施 , 能识别脉冲宽度 , 可将 电磁干扰信号消除 。 参考文献
1  李建* ,刘曙东 ,汤月里 ,等著 . 粒子加速器辐射探

量 . 郑州大学学报 ( 自然科学版) ,1983. ( 增刊) :169
5  Patterson H W ,Thomas R H. Accelerator health rhysics. Academic Press New Y ork and London , 1973. 258~259 6  李建* ,唐鄂生 . 银探测器在窄中子脉冲场中的剂

量响应 . 原子能科学技术 ,1983. 27 (2) :206
7  ICRU. The dosimetry of pulsed radiation. ICRU Report 34. 1982 8  G oldhagen P , Reginatto M. Measurement of the energy spectrum of cosmic2ray induced neutrons aboard and ER22 high2altitude airplane. Nuclear Instruments and Methods Research A ,2002. 476 : 42 9  Li Jianping ,Tang Yueli , Liu shudong , et al. Neutron en2 ergy response of a modified Andersson Braum Rem counter. Radiation Protection Dosimetry , 1996. 67 ( 3 ) : 179 ( 编辑部收稿日期 2007 年 10 月 24 日)

测方法及应用 . 北京 : 原子能出版社 ,2007 γ监 2  李建* ,汤月里 ,邵贝贝 , 等 . 智能化环境中子 、 测系统 . 高能物理与核物理 ,1982. 12 (1) :12
3  李建* ,汤月里 ,邵贝贝 , 等 . Intelligent environmental neutron and gamma monitoring system. Chinese Physics , 1989. 9 (2) :413

RADIATION DOSE MEASUREMENT METHODS FOR PARTICL E ACCELARATOR
Li Jianping
( Institute of High Energy Physics Academia Sinic. , Beijing , 100049 ; Harbin Engineering University College of Nuclear Science and Technology , Harbin , 150001)

Abstract   In this paper the features of environmental radiation field of particle accelerator are described. The comparison of radiation fields of the particle accelerator and nuclear plant are made. According to features of radiation fields , the three types of radiation dose measurement methods are established ,including ( 1) envir2 onmental low level radiation neutron and γ dose measurement methods , ( 2 ) pulsed neutron and γ radiation dose measurement methods ,and ( 3) wide energy range ( 0. 025 eV~1000 MeV) neutron dose measurement method. The radiation monitoring data acquisition and processing system is described. And the application of radiation monitoring system in different fields is given.
( Key Words : Particle Accelerator Radiation Field , Dose Measurement Methods , Low Level Neutron , Pulsed Radiation , Wide Energy Range Neutrons)

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