王　强

(中国核动力研究设计院，成都　610213)

· 环境辐射 ·

浅谈重离子加速器应用放射性污染防治措施

王强

(中国核动力研究设计院，成都610213)

针对重离子加速器运行过程中产生的各类放射性污染物，从辐射防护措施、放射性废物治理措施、辐射安全措施和辐射防护监测4个方面分别进行了放射性污染防治措施的讨论。得出只要严格实施了各项放射性污染防治措施的要求后，放射性工作人员及公众的人身安全是可以保证的，辐射区域周围的环境是安全的。同时，也为辐射环境管理提供了科学依据。

重离子加速器;放射性污染防治;辐射防护

随着重离子加速器研究的迅速发展，近年来其在我国获得了较为广泛的应用。离子加速器可进行合成新核素、核科学研究、重离子治癌、辐照材料、辐照生物技术等方面的实践活动。其在为社会带来利益的同时，也会对放射性工作人员以及公众产生一定的辐射安全问题，同时，对辐射区域周围的环境也会带来一些的风险。因此，我们应该重视并做好重离子加速器放射性污染防治问题。

1　重离子加速器简介

重离子加速器就是通过电磁场提高重离子能量的装置，重离子是指重于2号元素氦并被电离的粒子。被加速重离子的能量可达几十MeV，甚至几百MeV以上。

重离子加速器主要包括3个部分：带电重离子的产生机构、加速及束运机构和重离子束引出机构。比如兰州重离子研究装置(HIRFL)主体包括离子源、低能束运线、回旋加速器、中能束运线、同步加速器、高能束运线和束流终端等。

重离子加速器工作原理简述如下：①离子源的产生：在离子源腔体中通入含有待加速核素的气体分子，与吸收微波能量的热电子碰撞，通过多次电离碰撞过程产生多电荷态离子，在引出过程中利用分析磁铁筛选，得到所需要的待加速核素的离子束;②离子束的加速：离子束经低能束运线注入到回旋加速器，被加速到某一特定能量后被引出；通过中能束运线注入到同步加速器(主加速器)，然后被加速到设定的高能状态后被引出;③离子用于终端实践：高能离子通过高能束线线传输到终端，在应用终端室进行实践活动。

重离子加速器运行会产生瞬时辐射和感生放射性影响。其中，瞬时辐射是指重离子束、重离子与结构材料发生核反应产生的次级中子、γ射线等辐射。对重离子加速器的瞬发辐射场起着决定性作用的是次级中子，其它瞬发辐射如γ射线等，其对屏蔽体外剂量率的贡献与中子相比可以忽略。因此，重离子加速器对室外的辐射影响途径是次级中子贯穿辐射外照射，以及由通风系统排出的感生放射性核素的辐射影响。

2　重离子加速器应用举例

2.1重离子加速器治癌一例

我国第一台浅层重离子治癌装置已在中科院兰州近代物理研究所研制成功。它代表了放射治疗领域中的最先进技术,日前该项目即将于年内在甘肃省肿瘤医院首次应用于人体临床治疗。

重离子在治疗鼻窦癌、前列腺癌和肉瘤的效果很显著,局部控制率分别达到87%、92%和58%,而放射性治疗是21%、60%和28%。它与目前使用的X和Y放射治疗疾病相比,其最大特点是杀伤力大、准确、不会与正常组织发生冲突。

2.2重离子加速器育种一例[1]

用剂量为30Gy、90Gy 和180Gy的12C6+重离子辐照油菜干种子，研究其对油菜M1 代的诱变效应。结果表明不同剂量12C6+重离子辐照使油菜的出苗率、株高和开花率有不同程度的提高，并使开花期提早；30Gy辐照使单株角果数和单株产量有了一定程度的提高；3种辐照剂量都造成了花粉生活力、千粒重和含油量的降低。RAPD(随机扩增多态性DNA标记)扩增结果表明，42 个随机引物中有 13 个引物扩增出差异条带，30 Gy、90 Gy 和 180 Gy 引起的 RAPD 变异率分别为 22.1%、23.7%和 36.2%。研究表明，12C6+重离子辐射能有效地引起油菜DNA序列发生改变，从而诱导基因变异，为油菜育种提供丰富的种质材料。

3　放射性污染防治措施

3.1辐射防护措施

3.1.1机房的辐射防护措施

重离子加速器机房(包括应用终端室)应选在环境较为偏僻或独立的位置，周围有足够的空间，可用于将来的发展建设，也利于布局主动，减少防护成本，同时也便于对它的管理和监测。

重离子加速器机房应设计为足够厚度的重混凝土墙体，关键屏蔽位置可考虑使用铸铁块或铅砖，以满足整个屏蔽体外剂量率控制水平(如：2.5μSv/h)的要求。

对于重离子加速器机房的屋顶应考虑因天空大气的反散射所造成的对机房周围环境的辐射影响。机房屋顶屏蔽结构也应设计为同机房侧墙厚度相当的重混凝土，这样可不予考虑因天空大气的反散射所造成的对机房周围环境的辐射影响。

此外，重离子加速器机房的辐射防护还应注意以下问题：①穿过屏蔽墙的通风管道、电缆管道、辐照材料的传输管道等，取向时应尽可能避开辐射源和工作人员经常停留的地点，管道应弯成“S”形或“U”形，并考虑增加管道处的屏蔽措施，如用铅、含硼聚乙烯包裹管道或使用混凝土屏蔽挡板；②为防止防护门辐射泄漏，门与墙、门与地面、通风口屏蔽板与墙的重叠宽度至少为空隙的10倍。

3.1.2迷宫和防护门的辐射防护措施

由于重离子加速器高能束流主要损失在应用终端室，且应用终端室外工作人员活动相对频繁。因此，应用终端室迷宫及防护门是辐射防护措施考虑的一个重点。

设计时可考虑采取阻止中子进入迷宫的方式，就可以减少防护门的厚度，甚至完全取消防护门。①迷宫内口位置应避开来自靶上的直接照射，或避开辐射发射率峰值的方向；②为了有效地减弱辐射，迷宫应带有几个拐弯；③在满足使用要求的情况下，迷宫的横截面积应尽可能小一些，有时为了节省建筑费用或空间，或为了补偿由于通道造成的屏蔽墙体总减弱效果的降低，可在迷宫内口或外口外侧设置附加屏蔽；④中子经过迷宫的第一个弯道主要降低了快中子成分，在以后的弯道中，热中子是主要的，在外口附近，已基本上是热中子。因此，为了减小迷宫外口的中子剂量，在迷宫外口的内表面和防护门的里侧贴一层对热中子吸收截面较高的材料(如含硼聚乙烯板)是很有效的[2]。

一般情况，中子经过迷宫后的衰减效果，与通过屏蔽墙的衰减效果相当，不减弱整个重离子加速器应用终端室的辐射防护效果。

3.2放射性废物治理措施

3.2.1气体感生放射性治理措施

重离子加速器运行期间的机房及应用终端场所，次级中子与空气中的氮、氧、氢等通过热中子俘获、(n, 2n)和散裂等反应产生的放射性核素，见表1。

表1　空气活化产生的放射性核素

由于半衰期小于1min的放射性核素在人员进入加速器机房前，可能衰变到可忽略的水平，而长半衰期核素产生率又是相当的低，因此，实际上需要考虑的放射性核素主要为11C、13N、15O和41Ar四种。

为了控制气载放射性的危害，机房应设置通风系统。通风系统的排气口应安装在建筑物外面，并远离进气口，以防止排出气体的返流污染。通风设计应保证机房为负压状态，以避免有害气体扩散到其他区域。排风速率一般要求为3～5次/h。

在重离子加速器出束期间，加速器机房不进行通风换气，停机后让其再衰变一段时间，以使空气中产生的感生放射性核素自然衰变消减。但若应用终端室需有人员在出束期间滞留时，应单独进行通风换气。另外，为了减少放射性微尘的产生，进气应先过滤，以保证排出气载放射性物质的总量和浓度不超过国家的法律规定。

在进行检修、维护等需要进入加速器机房时，先对工作场所进行通风换气和延长衰变时间，可有效降低感生放射性对进入工作人员的辐射影响。

3.2.2冷却水感生放射性治理措施

重离子加速器所用设备冷却水为去离子水，循环使用，不外排。冷却水因受次级粒子的照射而活化，主要是中子引起水中16O的散裂反应产生放射性核素，见表2。

表2　16O散裂反应产生的放射性核素

加速器使用循环冷却水，水中可能会含有较高的放射性。在加速器运行期间，循环系统的某一部分可能使附近的人员受到照射，因此循环系统应避开可能使工作人员受到照射的区域，或置于控制区内。即使正常运行期间被活化的水对人体的危害是不重要的，但在停机后检修水系统时，残余放射性也可能对人体造成危害。因此，人员进入这些区域时应进行辐射监测，必要时，在循环泵、热交换器和贮水箱的周围采取屏蔽措施。

另外，应该注意几点：①由于管壁的长期腐蚀和泵、阀门的磨损等原因，可能有其它的长寿命放射性核素掺入冷却水；②应防止放射性水的泄漏，以减少对环境的污染；③注意去离子树脂中长寿命放射性核素的积累。替换下来的树脂，要作为放射性废物处置；④冷却水若要排放，需采取衰变净化措施，并在排放前监测，应满足《污水综合排放标准》(GB8978-1996)第一类污染物最高允许排放浓度标准要求(总β≤10Bq/L)。

3.2.3结构材料感生放射性治理措施

重离子加速器结构材料的感生放射性主要是由重离子直接与结构材料相互作用产生的，主要产生在可能的束流损失点，包括回旋加速器引出口，同步环注入口、引出口、束流闸等部位。加速器结构部件材料多为铜、铝合金或不锈钢。

结构部件的感生放射性水平取决于加速重离子的种类、能量、束流强度、靶材料的性质和运行时间等多种因素。在加速器运行期间，由于有足够的结构屏蔽，由结构部件产生的感生放射性不会危害到屏蔽体外的工作人员。而在停机后，工作人员为了检查、维护维修而进入加速器机房时，则可能受到辐射危害。但加速器结构材料产生的感生放射性核素多为短半衰期核素，在加速器停机后冷却一段时间再进行加速器的检查、维护维修工作，可有效减少工作人员受到的照射剂量。

需要注意的是，一些长寿命的核素会随着重离子加速器运行时间的增加而积累，因此，每年要对加速器部件的感生放射性水平至少进行一次调查，监测辐射水平。对预计可能产生很强感生放射性的部件，应设计成可快速拆卸的，否则应采取屏蔽或其他防护措施[2]。

一般情况，带感生放射性的结构部件可暂存于重离子加速器机房内的放射性固体废物暂存间。最终，按国家相关法律法规的规定，送交城市放射性废物库。

3.3辐射安全措施

为防止辐射安全事故的发生，重离子加速器可采取以下辐射安全措施。

3.3.1安全联锁：①门机联锁：“束流闸”与辐射区的门联锁，即某一区域有束流时，人员不能进入该区域；而在某一区域有人员时，束流不能被送到相应区域；②剂量联锁：进入辐射区域的门与现场剂量监测信号和个人剂量联锁。即某一区域有束流时(此时监测到有辐射剂量)或即便在无束流的状态但区域辐射剂量超过所设阈值时，人员也不能进入该区域；个人剂量联锁可以保障受照剂量超过年剂量限值的工作人员不能进入放射性工作区域。

3.3.2紧急停机：在重离子加速器机房等场所的方便位置均匀布设“紧急停机按钮”，在人员来不及离开或者在加速器开机之后仍有工作人员在大厅内的紧急情况下，可就近按下“紧急停机按钮”来切断加速器运行,防止或尽量减少人员的受照剂量。

3.3.3“清场”确认按钮：“清场”确认按钮均匀分布于加速器机房中, 主要功能为在加速器准备开机前进行整个加速器机房的安全巡检(即清场)活动时，以便发现未离场人员。巡检一圈后，“清场”确认按钮将被全部打开。此时，加速器才可运行。

3.3.4警告警示装置：在人员通道、辐射区域门口、控制室等地方设置辐射标志牌、运行状态显示灯、广播音响等警告警示装置，直观、明显地显示加速器的工作状态、束流走向和工作模式，以及各处的剂量水平等信息，防止人员受到误照射。

3.3.5分区管理：为便于辐射防护管理和职业照射控制，根据GB18871-2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》[3]的规定，采用实体边界划定控制区和监督区：①控制区：回旋加速器大厅、同步环大厅、应用终端室；②监督区：控制室。

3.4辐射防护监测

辐射防护监测包括工作场所监测、个人剂量监测和环境监测3个方面。

3.4.1工作场所监测：在重离子加速器的辐射区及周围布置若干个监测点, 每个监测点由一台中子探测器和一台γ探测器组成。

3.4.2个人剂量监测：建立个人剂量监测系统，能够及时给出实时剂量率、工作人员受照剂量、累计工作时间并具有报警功能。

3.4.3环境监测：在重离子机房外四周，设置几个监测站，每个站内设置中子、γ探测器各一个，实时测量环境中子、γ辐射水平。

3.5辐射防护监测安全性评估举例[4]

兰州重离子研究装置运行多年，对其屏蔽体周围的中子、γ辐射水平、工作人员个人剂量，周围环境水、土壤、植物等介质中的总α、总β放射性水平的监测结果如下：

3.5.1个人剂量监测：根据监测数据可知，1986年～1999年，14年间γ外照射工作人员年人均有效剂量值范围为0.03mSv～0.18mSv，远低于国家放射防护剂量限值[3]规定的年个人有效剂量值20msv的限值。

3.5.2机房屏蔽墙外的监测：在加速器运行期间，当加速离子为12C时，屏蔽墙外表面γ辐射水平为(8.7～18.3)×10-2μSv/h，是天然本底水平(兰州地区天然本底水平:室外为(11～13)×10-2μSv/h；室内为(23～17)×10-2μSv/h)。屏蔽墙外中子水平为(l～35)×10-2μSv/h，略高于天然本底，但也低于国家标准(2.5Sv/h)。

3.5.3环境介质放射性水平监测：通过对研究单位内及附近的排水、土壤和植物等样品的总α、总β放射性进行监测，监测周期为2～3个月一次，共监测29次。可知，单位排出的污水放射性水平低于国家规定的饮用水标准(总α﹤0.5Bq/L，总β﹤1 Bq/L )，土壤、植物各取样点与对照点的测量结果都在同一水平。

通过以上监测数据可知，兰州重离子研究装置的运行没有造成环境的放射性污染，运行是安全的。

4　结　论

目前，我国重离子加速器机房及迷宫的屏蔽设计是由取得相关设计资质的单位按照国家相关法律标准进行设计的；放射性废物治理系统、辐射安全系统和辐射防护监测系统也是由有资质的设备提供商按照国家相关法律标准进行设计安装的，所以放射性污染防治系统应该问题不大。而在实际运行过程中，存在着各种各样的意外情况和问题，怎样减少人为的操作失误和违章作业就成了一个现实的问题，这是我们应该注意到的。因此，进一步提高相关工作人员的技能水平和辐射安全意识，也是放射性污染防治措施的一个关键方面。只有这样，放射性工作人员及公众的人身安全才是可以保证的，同时，辐射区域周围的环境也才是安全的。

[1]侯岁稳.12C6+重离子辐照油菜诱变效应研究[J].核技术，2008,31(6)：449-454.

[2]李德平,潘自强.《辐射防护手册》(第三分册—辐射安全)[M].北京：原子能出版社，1990.105-118.

[3]GB18871-2002,中华人民共和国国家标准.电离辐射防护与辐射源安全基本标准[S].

[4]宋文杰. 兰州重离子研究装置辐射环境安全性评估[J].核技术，2003，26(9)：677-682.

Discussion on Radioactive Pollution Prevention and Control Measures of the Heavy Ions Accelerator Applications

WANG Qiang

(NuclearPowerInstituteofChina,Chengdu610213,China)

In this paper, various types of radioactive contaminants in the process of heavy ions accelerator operation generated from the radiation protection measures, control measures radioactive waste, radiation safety and radiation protection monitoring measures were discussed in four aspects of radioactive pollution prevention measures. The conclusion showed that, as long as strictly to implement the requirements of measures for the prevention and control of radioactive pollution, radioactive safety of staff and the public could be guaranteed, and the radiation environment around the area could be safe. Meanwhile, this paper provided scientific basis for the radiation environment management.

Heavy ions accelerator; radioactive pollution prevention and control; radiation protection

2014-10-13

王强(1981-),男,甘肃武都人,2007年毕业于兰州大学粒子物理与原子核物理专业,硕士研究生,工程师,从事环境影响评价工作。

X591

A

1001-3644(2015)01-0150-05