用于γ辐射成像系统的60Co源容器的设计

刘锡明，吴志芳，谈春明，张颜民

（清华大学 核能与新能源技术研究院，北京 100084）

X 光机、加速器和放射性同位素是辐射成像中三种常用的射线源，被广泛应用于CT、无损检测、车辆和行李安全检查等辐射成像系统［1－3］中。在三种射线源中，放射性同位素源具有输出射线强度稳定、空间分布均匀恒定、操作维护简便、节能等优点，此外成像用放射性同位素发射的γ射线能量较为单一，射线束硬化效应不明显，特别适用于CT 成像系统。但在放射性同位素的使用中，由于源在4π空间内持续发射γ射线，也存在操作场所辐射防护复杂和射线源安全保卫等问题。为了解决这些问题，设计和开发功能完善、防护适当、安全可靠的放射源工作及储存容器就显得十分必要。清华大学核能与新能源技术研究院研制了一种60Co高精度工业CT系统，系统中使用了60Co射线源。本工作拟为该60Co射线源设计开发专用工作和储存容器，以满足系统的功能、辐射防护及安全使用要求。

1 源容器的功能要求和设计依据

60Co 高精度工业CT 系统采用1.11～11.1TBq高比活度60Co探伤源，与平板探测器和小像素固体或气体线阵探测器组合，实现几十到几百微米缺陷的检测。该系统的工作方式是：工件检测时，源容器快门打开，利用检测射线束对被检物体进行扫描成像，此时检测室为控制区，任何人不得进入；检测结束后，源容器快门关闭，此时检测室为监督区，人员可以进入，进行设备维护、更换工件等操作。

系统使用的60Co源为有双层不锈钢包壳的密封源，形状为圆柱体，由源芯和内外两层包壳等构成，包壳对源芯起密封、保护作用，防止源活性材料的泄漏。其结构简图示于图1。

图1 放射源的结构示意图

系统对钴源容器的功能要求是：既能输出二维锥形射线束用于平板探测器成像，也能输出一维扇形射线束用于线阵探测器成像，同时体积小，便于安装在设备支架上，并能在支架上升降。

在满足上述功能要求的同时，该容器还必须满足有关国家标准的规定，并以这些标准作为设计依据。需要遵从的标准包括：EJ 1024—2008无损检测用γ放射源［4］、GBZ 132—2008 工业γ射线探伤卫生防护标准［5］；GB 18871—2002 电离辐射防护与放射源安全基本标准［6］、GBZ 114—2006 密封放射源及密封γ放射源容器的放射卫生防护标准［7］。此外，为了保证用源安全，防止意外事故的发生，还需要考虑到各种意外情况，采取必要的失效保护和安全防范措施。

2 源容器的结构设计

根据源容器的功能和防护要求，进行了源容器的结构设计，所设计的源容器结构简图示于图2。由图2可以看出，源容器由屏蔽体、源托、旋转快门、快门驱动机构、外壳和填充材料组成。源托为圆柱体结构，其顶端固定钴源，并将钴源定位在源容器的中心位置。屏蔽体由高原子序数的重金属组成，用于衰减钴源发射的射线，为了减轻重量，屏蔽体的后半部分设计为半球形。旋转快门是一个圆柱体，其材料与屏蔽体材料相同，可以在快门驱动机构的牵引下绕其中心轴转动。旋转快门内与轴线垂直的方向上开有锥形孔，当旋转快门转到一定角度时，射线能够通过锥形孔照射出来，此时称为快门打开；旋转快门转动90度，快门将关闭。快门打开时，通过切换源容器外的前准直器，可以将射线准直成二维锥形束或一维扇形束，满足不同的成像需要。整个源容器用铁板制成的外壳包裹，外壳和屏蔽体之间用发泡材料填充，起到支撑和固定作用。

图2 放射源容器结构示意图

3 源容器的屏蔽设计

GBZ 132—2008 工业γ射线探伤卫生防护标准对源容器周围空气比释动能率的要求列于表1。按照60Co高精度工业CT 系统的工作场所和工作方式，该系统的源容器适用固定式探伤机标准，为了尽可能减小工作人员的辐照剂量，按照移动式探伤机的控制值进行源容器的屏蔽设计：空气比释动能率在源容器外表面为2mGy／h，距容器表面5cm 处为1mGy／h，1m处为0.05mGy／h。

表1 照射容器周围空气比释动能率控制值

按GB18871—2002 的规定，辐射防护应该满足实践正当化、剂量限值、防护与安全最优化等要求。该标准对工作人员的年平均有效剂量限值为20mSv。系统对放射性工作人员的年有效剂量控制值取5 mSv。大多数时间工作人员在距离源容器1m 以外的区域。如果工作人员在源容器1m 附近接受的年照射剂量为2mSv，按停留时间40h估计，距源1m 处的控制值取0.05mGy／h是合理的。

在60Co高精度工业CT 系统中，源容器要求有足够的屏蔽性能、结构坚固可靠、安全性能高、总质量小，还要考虑高温、湿度、腐蚀等影响因素。考虑到以上要求，选择密度大于18g／cm3的钨合金作为屏蔽材料。钨是所有金属中最难熔的元素，钨合金坚硬致密、耐腐蚀。与铅、铁等相比，钨原子序数高、密度大、射线吸收能力强，同样的屏蔽性能下钨合金材料源容器的体积更小，质量也更轻。

对系统使用的3.7TBq钴源，按照上述剂量控制值，用查表和蒙特卡罗模拟方法分别计算了钨屏蔽层厚度。结果显示，当钨屏蔽层厚度为129.7 mm 时，源容器表面剂量最大为0.957mGy／h，距表面5cm处最大为0.547mGy／h，距表面1 m 处最大为0.017 2 mGy／h，均低于剂量控制值，并留有2倍左右的余量，可以满足移动式探伤机的控制要求。因此，源容器对钨合金屏蔽厚度的设计要求为：快门关闭时，在4π任意方向上钨合金的屏蔽厚度不低于13cm。

4 源容器设计的安全性考虑

为了保证用源安全，防止意外事故发生，在源容器设计时除了保证满足使用要求和防护要求，还设计了一些失效保护和安全防范措施，主要有：断电自动关闭快门、源托及快门锁定机构、源位置指示。

1）断电自动关闭快门。快门驱动机构和旋转快门之间由电磁离合器连接，在意外断电时，驱动机构和旋转快门之间断开，旋转快门在自身偏心矩和回复弹簧共同作用下自行关闭。

2）源托及快门锁定机构。为防止误操作，源托设计了锁定机构，取出源托需使用专用工具。为保证放射源安全，源托外部装有防盗锁。快门驱动机构中旋转快门的转动轴设计了销钉孔，插上固定销钉后，旋转快门在关闭位置且不能移动。

3）源位置指示。快门驱动机构设计了快门位置指示，具有文字和声光标识，可明确显示旋转快门的位置和开关状态。

5 实际测量

按以上设计，采用140mm 厚的钨合金屏蔽体，制作了60Co高精度工业CT 系统的源容器。经实际测量，距容器表面5cm 和1m 处空气吸收剂量率分别为170μGy／h和5μGy／h，远低于移动式探伤机的控制值。该容器功能完善，操作便利，结构坚固，耐高温、耐磨、耐腐蚀，具有多重安全设计，可以经受正常工作条件或可能发生的意外。

该源容器作为60Co高精度工业CT 系统的源工作及储存容器，很好地满足了系统的检测要求，保障了人员的辐照安全。

［1］An J，Xiang X，Wu Z，et al.Progress on developing60Co container inspection systems［J］.Applied Radiation and Isotopes，2003，58（3）：315－320.

［2］陈志强，李亮，冯建春.高能射线工业CT 最新进展［J］.CT 理论与应用研究，2005，14（3）：35－39.

［3］许州，李保垒，陈浩，等.基于225keV 射线源的显微CT 成像系统研发［C］／／2008年全国射 线数字成像与CT 新技术研讨会论文集.上海：中国体视学学会CT 理论与应用分会，2008：224－238.

［4］曹志坚.EJ 1024—2008无损检测用γ放射源［S］.北京：核工业标准化研究所，2008.

［5］邓大平，卢峰，朱建国，等.GBZ 132—2008 工业γ射线探伤卫生防护标准［S］.北京：人民卫生出版社，2008.

［6］潘自强，叶常青，张延生，等.GB 18871—2002，电离辐射防护与放射源安全基本标准［S］.北京：中国标准出版社，2003.

［7］朱建国，邓大平，卢峰，等.GBZ 114—2006 密封放射源及密封γ 放射源容器的放射卫生防护标准［S］.北京：人民卫生出版社，2007.