X射线源安全防护罩设计

西北农林科技大学 郑博文

■引言

随着国防科学、放射性医学和核技术应用的不断发展，各种放射性射线被广泛应用，其中比较常见的一种辐射是X射线辐射。X射线辐射是一种短波长辐射，由于其穿透能力强被用于工业产品的无损探伤和医学上的人体检测和CT成像。X射线辐射作用于生物体时能造成电离辐射，这种电离作用能造成生物体的细胞、组织、器官等损伤引起病理反应，称为辐射生物效应。辐射对生物体的作用是一个非常复杂的过程，生物体从吸收辐射能量开始到产生辐射生物效应，要经历许多不同性质的变化，一般认为将经历四个阶段的变化：首先是物理变化阶段，持续约10-16秒，细胞被电离；然后经历物理-化学变化阶段，持续约10-6秒，离子与水分子作用形成新产物；接着进行化学变化阶段，持续约几秒，反应产物与细胞分子作用，可能破坏复杂分子；最后是生物变化阶段，持续时间可以是几十分钟至几十年，上述的化学变化可能破坏细胞或其功能。辐射生物效应可以表现在受照者本身，也可以出现在受照者的后代。表现在受照者本身的称为躯体效应（按照显现的时间早晚又分为近期效应和远期效应），出现在受照者后代称为遗传效应。根据相关国家标准，如直接受到X射线的照射，其辐射剂量（≥7.5μSv/h）远大于国家安全标准2.5μSv/h，使人体遭受辐射损伤。

对于X射线源需要采取适当、合适的安全防护措施将辐射对人体的危害消除，确保人员使用的安全。X射线防护服是在放射源和人员之间使用的一种能有效吸收X射线的屏蔽物， 以消除或减弱X射线对人体的危害。屏蔽材料对电离辐射的屏蔽机理是通过材料中所含吸收物质对电离辐射的吸收完成的。

本文针对一款进口的X射线源L9181进行安全防护罩设计，其型号为封闭式微焦点X射线源L9181，聚焦焦点尺寸最小为5μm，靶 材 为W（钨），最 高 功 率 为39W，X射线管高压范围为40～130kV，总体尺寸约为319mm×171mm×147mm，总质量10kg。滨松公司微焦点源如图1所示。

图1 滨松公司微焦点源

■防护罩厚度设计

技术安全防护措施首先考虑辐射防护，通过防护控制外照射的剂量，使其保持在合理的最低水平，不超过国家辐射防护标准规定的剂量当量限值。在保证辐射安全的情况下安全设计方案应该最大程度地方便实验使用。防护罩的铅材料厚度需要根据X射线辐射源的强度和能量计算确定，必须达到的安全辐射值以国家标准GB18871-2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》为依据。根据国家标准，任何工作人员的职业放射水平必须保证一年剂量总值不得超过50mSv，每年按照50周考虑工作时间，每周的剂量当量限值为1mSv（即0.1rem/周）。

采用两种方法计算需要的铅壁厚度，两种方法相互验证结果。第一种方法首先计算出需要的屏蔽透射量，然后由实验测量得到的射线减弱曲线求出所需要的屏蔽层厚度。

式中：B为X射线的屏蔽透射量R/（mA·min）（在1m处）数值，1R≈1rem；P为每周最大容许剂量当量：职业性照射为P=0.1rem/周；R为X射线源到操作者的距离；T为居留因子，全居留T=1；U为使用因子，充分使用U=1；W为工作负荷，mA·min/周（即每周的工作负担，等于每周工作时间与管电流的乘积）。

滨松微焦点源的最高电压130kV，最大管电流0.3mA，其工作负荷为：

W=0.3mA×60min×8h×5day=720mA·min/周

计算得到屏蔽透射量为：

8.2m～8.5m标高部分堤段越浪跌落区为景观硬地，铺设有花岗岩石板等硬质材料，可不做防护处理；部分堤段越浪跌落区为绿地，则采用抗冲刷能力强的抗冲加筋生态植生网垫，表面覆土用于景观绿化。

B=（0.1×1）/（720×1×1）=1.39×10-4rem/（mA·min）

查表对应150kV曲线（最接近130kV）得到铅层的厚度约为2.8mm，保险取3mm。

第二种方法则是根据半值层计算需要的铅墙厚度，半值层表示X射线剂量衰减一半时需要的铅层厚度。计算步骤如下：

（1）计算屏蔽前的射线剂量I0。

（2）确定屏蔽后的安全剂量I（国家标准值）。

（3）根据屏蔽要求，求出n值，n=Lg/Lg2。

（4）根据射线能量和屏蔽物质的种类表查出半值层厚度T0。

每周工作负荷W=5day×8hour×60min×0.3mA=720mA·min。对于辐射剂量我们根据X光机的辐射剂量值进行比对。根据资料对于最大管电压250kV，最大管电流1mA的X光机在距离射线源1m处1mA·min时产生的剂量是X=0.02Sv。我们使用的微点源最高管电压130kV，最大管电流0.3mA。按比例换算剂量X=0.00312Sv，因此没有防护时工作人员所处位置（1m）一周总剂量I0=X·W/R2=2.24Sv。根据国家标准计算的每周允许最大辐射剂量I=0.1rem=0.001Sv。根据n=Lg/Lg2得 到n=11.13。铅 对125kV的X射线的半值层厚度为T0=0.28mm，铅对150kV的X射线的半值层厚度为T0=0.3mm。计算出来的厚度分别为T=13.8×0.28mm=3.11mm和T=13.8×0.3mm=3.34mm。对于130kV比较合适的值为3.2mm左右。

可以看到两种计算方法的结果比较一致，其中方法2的计算值略大于方法1计算的数值，主要误差可能来源于对滨松X射线源辐射剂量的估值偏高。我们根据X光机的辐射剂量值来对微焦点源的辐射剂量值进行估算，由于X光机辐射功率大，射线能量高在空气中衰减也小，而微焦点源辐射的射线能量低，在空气中衰减要大，因此实际微焦点源辐射的计量值要偏低些，并不完全正比例与功率之比。因此比较安全的铅厚度值可以选择为3～3.5mm。整体铅屏蔽墙采用双层结构，采用3～3.5mm铅作为内层，1mm铁作为外层。

■结构设计

根据X射线源产品的自身安全机制并结合实际实验的需求，我们将屏蔽光路系统设计为两级防护罩的形式，分为外层屏蔽墙和内层屏蔽盒。使用铅墙将整个光路进行封闭，不设观察窗，如图3所示。内层屏蔽盒设有出光口，出光口安置有机械快门，由快门控制出光状态。X射线微点源由计算机远程控制，因此内层屏蔽盒开盖频率非常低，实验人员的主要操作在外层屏蔽墙内进行。在外层屏蔽墙内操作时，内层屏蔽盒的快门必须处于关闭状态，X射线被阻挡不允许入射到屏蔽光路内。屏蔽光路示意图如图2所示。

图2 屏蔽光路示意图

滨松X射线源产品自身设计了Interlock结构用于安全防护，结构图如图3所示。

图3 X射线源Interlock结构示意图

根据滨松产品结构设计，将Interlock1和Interlock2与屏蔽系统的仓门（DOOR）和供电电源（DC 24V）连成安全控制电路，仓门处于“开”状态时供电电源被断开，X射线源无法启动。当在工作状态下打开仓门时，由于电路被切断X射线源停止工作。

X射线元件有反射式和透射式两种，相应的光路设计成直线式和折线式如图4所示。因此外层屏蔽墙设计为主腔体（直线式）和副腔体（正方形），便于进行光路组合。

图4 屏蔽光路结构示意图

为了防止误操作，我们将Interlock与内层屏蔽盒的仓门相连接，而外层屏蔽墙的门与内层屏蔽盒出光口处的快门控制电路相互连接。当操作人员未将快门关闭而打开外层屏蔽墙的门进行操作时，快门控制电路被强行断开，出光口被阻断。快门的控制电路和外墙壁门的相连通形成安全电路。除了设置安全回路以外，还需要在外部增加安全警示灯，当快门打开时警示灯亮，起到警示作用。错误操作示意图如图5所示。

图5 错误操作示意图

对光路的监控将通过监控摄像头（普通电脑摄像头即可500万像素）进行，光路内设置照明灯具，监控系统示意图如图6所示。

图6 监控系统示意图

监控系统的作用主要有:①避免了使用观察窗，减少了辐射泄漏的可能性；②减少了操作者直接检查光路的频率，从而降低了暴露在辐射中危险几率；③通过专门一个摄像头监控快门的运行状态，防止快门系统出现故障引起意外，进一步提高安全系数。

由于X射线源、记录设备以及监控设备等需要接入电源线和数据控制线，这不可避免需要在屏蔽墙上开孔，为了减少辐射泄漏，开孔处必须采用“迷宫”结构设计，如图7所示。具体做法将内屏蔽盒的电线的出口和外墙的引出口错开，避免了X射线直接从出口处直射出来。

图7 开孔处“迷宫”设计

内屏蔽盒的散热孔同样采用“迷宫”设计，出气孔放置电脑风扇，保证盒内气流流动及时将热量散发出去。内屏蔽盒的散热孔设计如图8所示。

图8 内屏蔽盒的散热孔设计

由于在屏蔽好后，使用X射线剂量仪距离屏蔽体外40cm处，对不同方位的点位进行剂量测量，选取点位数为14个，采用辐射剂量计测得的剂量结果如表1所示，均远小于国家安全标准2.5μSv/h（1μSv/h=1000nSv/h）。

表1 安全防护罩外各点的辐射剂量表

■承重设计

铅屏蔽装置的质量很大，可能超过承载压强要求，根据相关规定，建筑单位面积承载压强不超过200kg/m2。铅密度为11350kg/m3，铁密度为7800kg/m3。初步设计屏蔽墙尺寸2500mm×300mm×300mm，其底部安装面积0.75m2。以屏蔽墙铅厚度3mm计算得到铅墙中铅重57.2kg，屏蔽盒尺寸500mm×200mm×200mm，铅重量9.5kg，屏蔽使用的铅总重67.9kg，而铁的重量，粗估按比例计算31.3kg（铁层内外层总厚度2mm），因此总重约99kg（压强132kg/m2）。考虑安放在光学平台上使用，平台重量估计值800kg，平台底面积3m2（2.5m×1.2m×0.8m）。在平台底部铺设具有较大面积的铁板增加接触面积以减少压强，铺设铁板面积3m×2m=6m2，则压强值减少到（800+99）/6即约为150kg/m2。

■结束语

本文介绍了X射线源的安全防护罩设计方法，采用屏蔽透射量计算法和半值层计算法两种方法对安全防护罩的铅层厚度进行计算，并对厚度值进行了核对，确保计算的准确性。通过对光路结构、联锁以及承重等方面的优化设计，提升了安全防护罩对X射线的防护能力，降低了试验过程中辐射泄露对人员可能造成伤害的概率。辐射剂量测试显示安全防护罩外部辐射剂量远低于国家标准值，能够为X射线源的安全运行提供保障。