γ 射线装置调试分析

张开洋

关键字γ 射线装置；多源装置；电离辐射计量；辐射场均匀性

0 引言

核电厂基于核裂变释放能量，在运行过程中会产生一定的放射性，为保证工作人员安全和进行工艺系统的监测，使用了大量的γ 剂量测量仪表。为确保仪表测量的准确性，同时，从维护成本考虑，福清核电建立标准电离辐射计量实验室对核电厂的γ 剂量仪表进行检定、校准。福清核电通过大量调试验证，使该套γ 射线装置满足建标要求的稳定性、辐射场均匀性等要求，可以申请建标。

1 γ 射线装置

设备构成，该系统主要由集中配电柜、控制台、单源装置、多源装置、刻度台架、供气回路等组成。

2 设备调试

2.1 调试流程设计

单源装置和多源装置是整套装置的核心设备，其调试结果关系后期使用。为避免调试问题的重复处理，优化设计流程如下：（1）源装置提升稳定性测试；（2）辐射场均匀性测试；（3）标尺定位及平方反比定律验证；（4）装置长期稳定性测试。

2.2 提升稳定性测试

为确保后续测量数据的可靠性与稳定性，需对单、多源装置的源的提升位置稳定进行验证，在距源3 m 处，对应射线束中心轴上升降放射源10 次，每次测量10 个计数。单源装置与多源装置测量方法相同，其中，多源装置使用3 号源进行测量，由于放射性测量具有统计涨落，我们通过增加样本量来减少该因素的影响，对贝塞尔公式进行如下变形。

通过重复提升10 次的测试，单源装置最大标准偏差为0.750，重复性为0.44%；多源装置最大标准偏差为0.012，重复性为0.03%，单源装置稳定性较差。主要与单源装置的源提升机构相关。单源装置采用接近开关定位，钢绳吊源，钢绳在受力作用比较复杂。多源装置使用的步进电机，步距角为1.2°，步距角误差为±5%，距源3 m 处的位置偏差为±2 mm，测量误差可忽略不计。因此，步进电机带动源室的方式更为可靠，在条件允许的情况下使用闭环控制的伺服电机，定位更为准确，可有效提高设备稳定性。

2.3 辐射场均匀性测试

根据《GB/T12162.2，用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量相响应的X 和γ 参考辐射》，参考辐射束的截面宜足以照射被校准的标准电离室或装置。整个有用射束截面上比释动能率的变化应小于5%[1]。对此，使用标准电离室对以射束中心为坐标原点的横坐标和纵坐标上的点进行测量。

2.3.1 单源装置辐射场均匀性测试

以基准点定位器光束为中心，在水平方向上选点测量发现3 m 处射束的中心点应该在当前中心偏右13 cm，偏上2 cm，射束中心与激光准直线不符，需进行调整，水平方向上，单源铅罐的半径为r（278 mm），中心点在水平方向上偏离较大，需要进行调整，假设上铅罐沿其圆周上需要调整的距离为l1。

近似情况下存在以下等式：

计算得到11=12 mm，使用钢钎转动单源装置上铅罐12 mm。垂直方向上的偏离由于单源装置过重和其偏离较小，故未进行调整。调整后再次对射束水平方向的均匀性进行验证后，3 m处辐射场大小为16 cm。可以满足均匀性要求（误差小于5%），该射束场不是一个标准的圆形，但由于满足误差要求，可以满足使用要求。

2.3.2 多源装置辐射均匀性验证

以激光准直器为中心水平方向上选点测量，3 m 处射束中心水平方向上偏离不明显，不予修正。以激光准直器为中心垂直方向上选点测量，发现垂直方向上3 m 处射束向下偏离D（90 mm），使用近似公式进行计算。

h 为多源铅室前段源孔侧需要抬升的距离，D 为多源铅罐直径583 mm，H 为3 000 mm，计算得出h 为17.5 mm，对此我们在源装置的前部下侧加垫片，工作完成后，3 m 处各点的测量数据如下表1。

表1 多源装置垂直方向辐射场均匀性（调整后）

在半径为15 cm 的圆内，其均匀性满足误差小于5%的要求。完成上述调整后，单、多源装置的射束场均已得到调整并满足要求。上述试验表明，由于前期对承重平台的水平度和平面度未进行严格控制，是导致上述源装置位置偏差的原因之一，因此在源装置安装之前，对其承重平台水平度和平面度要进行严格的控制。

2.3.3 标尺的定位及平方反比定律的验证

根据《GB/T12162.2，用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量相响应的X 和γ 参考辐射》要求，测量射线束上的空气比释动能率应在5%以内与放射源中心到探测器中心距离平方的倒数成反比[2]。

空气中γ 点源距离r 处的吸收剂量率，计算公式为：

Γ 为照射量率常数，A 为γ 源的活度，r 为距点源的距离。根据该公式，在已知辐射场内任意一点的吸收剂量率值的情况下，可以计算出该点以外的任意一点的剂量率值（放射源可视为点源的情况下）。依据上面的公式对源装置平方反比定律复合情况进行验证。使用球形电离室在2 m、3 m、4 m、5 m 分别进行10 次测量求平均值，以1 m 处为基准根据平方反比定律推算出其他点的剂量率值，计算其复合性。经测试单源装置复合性测试数据，多源装置复合性测试数据误差大于5%，表明基准点标尺定位不正确，设定不同的基准点标尺读数，根据复合性做出散点图如下图1，得出基准点为1.01 m，才是比较理想的。

图1 散点图

2.3.4 长期稳定性测试

完成上述测试后，还需对辐照装置的长期稳定性进行验证，长期稳定性测试需考虑温度、气压变化对测量结果的影响，计算方法如式3。

其中，T 和P 是测量期间的温度、气压。T0和p0分别为参考温度（20℃）、参考大气压（101.325 kPa）。湿度对射线影响较小不予考虑。同时，还应当考虑放射源衰变影响，衰变修正系数：

式中：λ 为衰变常数，单位为S-1，为两次测量间的时间间隔，单位为d。利用式（3）和（4）对2014 年4 月至2014 年8 月多源装置3 号源测量的数据进行修正后计算，同一源装置在同一位置点的数据误差均在5%以内，设备的长期稳定性也能够满足要求。

3 使用缺陷和后续改进

（1）校准台控控制设计：在测定辐射场均匀性时，校准平台的横向与移动移动需要在校准平台上进行操作，不能通过控制台远程操控，每次移动均需要进行一次放射源的启停操作，较为浪费时间，需增加远程控制功能。

（2）激光准直器：参考其他实验室做法，将其换型为十字形光标，将其固定在墙壁上。

（3）温湿度、气压计：更换目前使用的温湿度、气压计型号，使其能够控制台上进行显示。

（4）源装置支撑台：源装置支撑台为对称布局，如需要使用两个源装置时对仪表校准时，需要进行源装置的切换工作，此过程耗时约3 分钟。

4 结论

γ 辐照装置满足现场使用及电离辐射计量标准建标的要求，该套装置运行稳定，重复性和稳定性试验满足使用要求，已通过国防科工委组织的建标考核。同时，总结了从施工到调试过程中遇到的问题和处理方法，分析了存在的缺陷，并提出了后续改进建议。