CN101447241A - γ射线强源照射器 - Google Patents

Abstract

一种γ射线强源照射器，本发明是在两端锥状中部柱状内为屏蔽材料的源容器，一侧沿轴线插入能转动的轴套状中心屏蔽体，另一侧同轴位置插有源仓棒套入中心屏蔽体之中，并使中心屏蔽体能绕源仓棒转动，源仓位于源仓棒上相对源容器的中心，源仓棒套入的位置使源仓位于中心屏蔽体套内，在中心屏蔽体上有出射口；源容器的前部有能与之配合移动的主快门板，在主快门板上有准直孔，前端设置光阑，其光轴与源仓和出射口同轴，主快门板的上下移动能使准直孔的光轴与光阑和出射口的轴线重合，实现照射；本发明屏蔽安全、运行可靠、操控灵活、具有可用距离优势且辐射场参数稳定，适用于放射源储源的研究和应用、核仪器仪表校准、灵敏度标定等技术领域。

Description

γ射线强源照射器

技术领域

本发明属于γ射线辐照装置及其防护技术领域，尤其涉及一种用于万居里钴源产生标准γ射线辐射场的强源照射器。

背景技术

γ射线照射器是校准实验的一种重要设备，其为集放射源储存、射线束准直及控制于一体的辐照装置。γ射线照射器的工作原理为：先将放射源储存在屏蔽安全的容器内，且保证放射源在关闭状态下装置屏蔽的完整性与安全性；而放射源工作时，通过对其进行有效控制，使γ射线经过准直器在照射器外形成标准的γ射线束辐射场。

建立屏蔽有效、运行安全且辐射场参数优良的γ射线强源照射器，在核探测系统灵敏度标定、核仪器仪表检定以及辐照效应实验等领域有着重要的意义。目前，贮存γ放射源的方法主要有水井湿法储源和照射器干法储源两种。其中，水井湿法储源在工业辐照加工中被广泛采用，主要是由于辐照加工中，放射源的活度高且安全要求高，但对射线准直性、稳定性等方面没有严格的要求，因而通常采用屏蔽更容易实现的水井方式进行湿法储源，但其存在以下缺点：1)提源和降源较慢，使放射源暴露时间较长，导致短时间的辐照实验的误差较大；2)准直器固定不动，而放射源提升定位的精度低，散射较严重，导致辐射场参数不稳定；3)在照射和升降源过程中若出现卡源的意外，其应急检修极为不安全。相对辐照加工源而言，用于检定校准的放射源强度较低，易于防护，但对辐射场参数要求苛刻，通常采用照射器进行干法储源。目前，校准实验室干法储源的照射器一般采用100Ci级以下的放射源，也有医疗仪器和极少数校准用照射器是采用比活度千居里级的强放射源，这些照射器各有特点，但均存在有不足。在医用的照射器中，通常采用移动源仓的方式来产生辐射场，工作过程中放射源靠气缸驱动出进铅罐，其移动原理和要求与辐照加工的方法相当，但要求源过渡的时间较快；校准实验室的照射器，中国计量院代表了该领域的现有技术水平，其3000Ci钴源是采用干法贮存方式将源置于铅容器中，在放射源与容器准直口间设置一带喇叭口的球阀，通过缓慢旋转球阀实现源的屏蔽和工作，工作过程中放射源固定不动，确保辐射场性能的稳定，其存在的不足有：1)快门直径较大且重，快门旋转过程较慢，过渡时间较长，会使一些实验存在有较大误差(尤其是低剂量的标定)；2)该装置为偏心设计，且采用单一的铅体屏蔽，使得装置笨重、屏蔽体厚度大，牺牲了有效实验距离；3)装置缺少辅助快门，在快门出现故障时，为应急检修带来了极大不便。

可见，常规照射器以及水井储源在实验精度、辐射场性能以及安全隐患上存在有许多不足，给装置的安全运行以及辐射场的参数应用带来了不便。随着电离辐射计量应用领域的快速发展，需要安全性能好、辐射场品质参数高、且性能稳定的强源照射器。而开发γ射线强源照射器需要解决以下的技术难题：1)储存放射源的活度高，采用合理的屏蔽组合，尽量降低屏蔽层厚度，保证照射器在关闭状态下，整个装置任何可接触表面的剂量率达到安全控制标准；2)在源不动情况下，保证快门过渡时间不大于3s，具备满足低剂量累积剂量标定任务的能力；3)装置安全性具有冗余保障，并使放射源倒入与倒出方便；4)辐射场的稳定性、均匀性等参数品质高，装置具有较好的可用距离优势。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种γ射线强源照射器，使其具有屏蔽安全、运行可靠、操控灵活、可用距离优势和辐射场参数稳定的优点，能解决现有技术中所存在的难题。

为实现上述目的，本发明所设计的γ射线强源照射器的特征在于：在两端锥状中部为柱状内为屏蔽材料的源容器，一侧沿轴线水平插入能转动的轴套状中心屏蔽体，在另一侧与中心屏蔽体同轴位置插有源仓棒套入中心屏蔽体之中，并使中心屏蔽体能绕源仓棒转动，源仓位于源仓棒上相对源容器中心的位置，源仓棒套入的位置能使源仓位于中心屏蔽体套内，在中心屏蔽体上源仓位置处径向开有出射口；源容器的前部设有能与之配合上下移动的主快门板，在主快门板前端设置光阑，光阑的光轴与源仓和出射口同轴，在主快门板上开有准直孔，主快门板的上下移动能使准直孔的光轴与光阑和出射口的轴线重合；有驱动机构能驱动主快门板上下移动，在源容器上装有驱动电机能带动中心屏蔽体转动；在源容器底部通过底板与底座连接，并设有水平微调和调角器。

本发明所述的源容器由外壳以及屏蔽材料内层组成，其外壳选择优质钢(如不锈钢)；源容器的两侧分别设置有左侧板和右侧板，中心屏蔽体的外端通过法兰安装在右侧板上，源仓棒的外端通过安装在左侧板上的铅堵进行密封；在中心屏蔽体的两端和源仓棒的里端装有轴承，中心屏蔽体绕源仓棒的转动使中心屏蔽体成为辅助快门，即转至出射口向下时为放射源照射关闭状态；所述中心屏蔽体的出射口端为贫化铀套体，所开的出射口为喇叭型。

本发明还包括有对中心屏蔽体转动位置的检测装置，以及根据其所获检测信号能够对主快门板驱动机构进行控制的PLC控制系统；所述中心屏蔽体的外端同轴安装有带透光狭缝的定位轮盘，所述的检测装置为安装在右侧板与定位轮盘间的两个能与透光狭缝配合使用的光耦开关，安装位置分别对应于中心屏蔽体转动至照射关闭和照射打开的状态位置。

所述的驱动电机为由PLC控制系统控制的步进电机；驱动电机通过主动轮与定位轮盘啮合带动中心屏蔽体的转动。所述的主快门板与源容器之间通过导向滑轨实现主快门板的上下移动，使主快门板上准直孔的光轴与光阑和辅助快门出射口的轴线重合时实现照射，在准直孔内可以设有内置光阑；所述的驱动机构为由PLC控制系统控制的气缸，气缸是通过支架固定连接于源容器底座，并以气缸杆头与主快门板连接。

所述的源容器底板与底座之间通过活动转轴安装连接，底座上设有水平微调；由于照射器在关闭状态时辅助快门出射口向下，造成下方屏蔽薄弱，因此可在底板和底座的中心区域设有屏蔽材料加强屏蔽，底座可设计成钨合金转轴结构支撑底板；另在底板与底座之间安装有调角器，以实现照射器的小角度调整。所述的光阑通过光阑架安装于底板上，光阑可采用隔板式去散射结构，光阑的输出窗口可根据需求选择不同的发散角及形状，在输出窗口上加有盲板用于过滤电子束及防尘，盲板可采用轻质导电材料(如石墨板)。

本发明照射器选用一些高原子序数的重金属材料作为屏蔽材料，如选择钨合金、贫化铀以及铅进行组合屏蔽，具体为：钨合金，主要用在源仓、主快门和光阑上；贫化铀，为了提高强度其表面进行镀镍处理，主要用在中心屏蔽体的贫铀套体；铅，主要用在源容器的主体屏蔽、中间屏蔽、底座、光阑、源仓和铅堵上；其他结构零部件根据需要可选择优质钢材。

本发明γ射线强源照射器的工作原理为，通过传动系统驱动辅助快门转动，使辅助快门出射口光轴与光阑光轴重合，辅助快门打开，在安全联锁的条件下由定位系统指示，通过控制系统驱动主快门板向上移动，使准直孔的光轴与光阑和辅助快门出射口的光轴重合，主快门打开进入照射状态；照射完毕后，主快门板靠自重和气缸的共同作用回落，辅助快门旋转至出射口向下时，照射器处于安全状态，整个过程中放射源和源仓固定不动。在照射器出现意外时，可通过气缸放气，使快门板依靠自重下落来关闭照射器。

由以上技术方案可以看出，本发明照射器的主快门为多种屏蔽材料组合而成的垂直起降型的气动滑轨快门结构，其主体屏蔽材料为铅，局部加钨合金条以加强屏蔽、减小厚度，并在准直孔内可设有内置光阑，在气缸驱动下实现快门板在滑轨上的移动，当内置光阑的光轴与辅助快门出射口的轴线重合时，可引出满足要求的γ射线束；而辅助快门可根据需要设定程序，通过PLC控制步进电机带动其旋转，到光耦开关设定位置时实现γ射线的屏蔽或引出功能；另外，照射器的底座为可微调式钨合金制转盘底座结构，通过底座对坐落其上的源容器底板实现活动支撑，在底座与底板之间装有调角装置，通过调角装置可以旋转源容器底板，便于在安装调试中对照射器进行精确定位；另在底座的四角装有水平调节螺栓，可对照射器进行水平微调；微调机构的设置极大地方便了照射器出射γ准直射线束的调节。

本发明与现有技术相比具有以下优点：1、操控灵活可靠、且体积相对较小，具有可用距离优势，在辐射场参数品质、稳定性、过渡时间、屏蔽安全性能等方面均有优势；2、结构合理，采用抽屉式源仓、多种屏蔽材料优化组合与主辅快门相结合的结构；其中，中心屏蔽体为双端支撑装配的贫化铀辅助快门结构，具有较好的屏蔽效果和较高的操控灵活性，能弥补现有技术中单一快门安全不足的问题；中心屏蔽体的喇叭型出射口端采用贫化铀套体屏蔽，可减小照射器体积，增大辐射场有效使用空间；另外，主快门的固有安全性好，当出现意外情况时，可依靠主快门板的自重下落来关闭照射器；3、对影响辐射安全的重要部件采用冗余的安全设计，主要表现在主、辅快门的纵深防御，只有当主、辅快门都打开时才能实现照射，并且主快门与断电、紧急按钮、安全门禁和迷道红外感应装置都可设置联锁，任一处出现异常主快门都可立即关闭，保障人员的安全，两道快门的组合有效降低了常规设备一道快门带来的安全风险；4、屏蔽性能良好，在对本发明照射器表面进行扫描测量中，未发现明显的剂量率偏高点，整体屏蔽性能良好，从照射器表面特征点的剂量率测量数据来看，整个照射器表面5cm处的剂量率不高于0.5μSv/h，距离放射源1m处的剂量率达到本底水平，说明本发明对射线的屏蔽防护良好，远远低于安全控制标准，满足照射器的屏蔽设计指标；5、辐射场参数稳定，该结构设计中放射源始终固定不动，靠主辅快门运动来实现源的有效照射功能；主快门升降的过渡时间小于1s，满足了低剂量累积照射的实验需求；照射器工作时产生的辐射场，在射线束斑的照射发散角为5°时，1m处可产生100mm×100mm的均匀方场，中心空气吸收剂量率达到107.63(Gy/h)，测量空气吸收剂量率在2.6％范围内与放射源中心到探测器中心距离平方的倒数成正比，为辐射场的应用提供了优良的实验环境；为了考验快门的定位精度，对快门进行反复打开和关闭，记录每次得到的1m处剂量率值，对100次实验结果进行统计，由极差法得该照射器装置产生辐射场的稳定性好于0.97‰。

总之，本发明屏蔽安全、运行可靠、操控灵活、具有可用距离优势且辐射场参数稳定，在贮存放射源活度达到万居里时，能保证较好的结构固有安全性、可靠的屏蔽防护能力、灵活可靠的操控性能、较小的体积，并能够提供稳定且高品质参数(包括散射控制、准直性、均匀性及稳定性等)的标准γ射线辐射场，其可靠性、屏蔽性能、安全性能比现有技术有较大的提高，这些参数是其他同类装置无法比拟的，解决了强源的干法储源装置安全防护难题，实现了对校准用的万居里钴源安全存储、射线束准直和屏蔽，在治疗级γ放射源的干法储源的研究和应用、核仪器仪表校准、灵敏度标定等技术领域有广阔的应用前景。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图及其说明

附图1为本发明γ射线强源照射器一种实例的结构示意图，附图2为图1中A-A向视图。附图中1为气缸，2为气缸杆头，3为调角架，4为光阑架，5为光阑，6为主快门板，7为源容器，8为中心屏蔽体，9为(放射)源仓，10为源仓棒，11为底板，12为底座，13为活动转轴，14为铅堵，15为贫化铀套体，16为驱动电机，17为法兰，18为主动轮，19为定位轮盘，20为准直孔，21为光耦开关，22为轴承，23为出射口，24为吊环，25为轴承，26为左侧板，27为右侧板，28为轴承。

具体实施方式

如图所示，本发明γ射线强源照射器的源容器7由不锈钢外壳和铅材料内层组成，呈两端锥状中部柱状，在源容器的一侧沿轴线水平插入轴套状中心屏蔽体8，屏蔽体8的两端装有轴承25和28，屏蔽体8的外端通过法兰17安装在右侧板上；另一侧与屏蔽体8同轴位置插有源仓棒10套入中心屏蔽体之中，其外端通过左侧板上的铅堵14进行密封，源仓棒的里端装有轴承22使屏蔽体能绕源仓棒转动；源仓棒10上源仓9的位置相对在源容器中心，源仓棒套入的位置能使源仓位于屏蔽体8的套内，在中心屏蔽体上源仓位置处径向开有出射口23，屏蔽体8的出射口端为贫化铀套体15，中心屏蔽体8即为辅助快门。在主快门板6与源容器7之间通过导向滑轨实现主快门板的上下移动，使主快门板上的准直孔20光轴与光阑5和辅助快门出射口23的轴线重合时实现照射；所述的光阑5通过光阑架4安装于底板11上，光阑采用隔板式去散射结构，光阑5的输出窗口可按需求选择发散角和形状，在输出窗口上加有石墨盲板；由PLC控制系统控制的气缸1能驱动主快门板上下移动，气缸是通过支架固定连接于源容器底座，并以气缸杆头2与主快门板连接。源容器底部的底板11和底座12的中心区域采用铅屏蔽材料，底座为钨合金转轴(盘)结构，底板与底座之间通过活动转轴13安装连接，并设有水平微调和调角器3。

本实例中，还包括有对中心屏蔽体8转动位置的检测装置，以及根据其所获检测信号能够对气缸1和步进电机16控制的PLC控制系统；在屏蔽体8的外端同轴安装有带透光狭缝的定位轮盘19，步进电机通过主动轮18与定位轮盘啮合带动中心屏蔽体的转动，所述的检测装置为安装在右侧板与定位轮盘间的两个能与透光狭缝配合使用的光耦开关21，其位置分别对应于中心屏蔽体转动至照射关闭和照射打开的状态位置。也就是说，光耦开关21与定位轮盘19相配合，用来诊断中心屏蔽体的旋转到位状态，当屏蔽体旋转至照射打开状态时，其内的出射口23与光阑5的输出窗口同轴，当屏蔽体旋转至照射关闭状态时，其内的出射口23竖直向下。

在具体装配时，轴承22安装在源仓10前端即里端，并且轴承22与套装在其外的屏蔽体8为过渡配合，而轴承22与源仓棒10之间则为间隙配合，以便源仓棒旋转及从源容器7和屏蔽体8中装入取出自由。所述轴承25安装在屏蔽体的右端，并且轴承25与屏蔽体之间为过渡配合而与源容器之间为间隙配合，以便中心屏蔽体从源容器中取入自如。另外，所述屏蔽体8的左端与源容器之间也通过轴承28进行连接。所述源容器7顶部设置有吊环24。

在实际应用中，源仓棒10能够方便地从源容器和中心屏蔽体中自由装入取出，说明源仓棒采用的是抽屉式结构。源仓棒为用来存放放射源的装置，采用钨合金和铅为屏蔽体材料，源仓棒的外径以及源仓9的尺寸是根据转运铅罐和放射源的尺寸确定。实践中，将放射源在水井中装入源仓9，再通过转运铅罐倒入源容器，整个过程都是在标准安全的情况下完成；在放射源服役结束后，将源仓棒倒出更换新源。

由以上可以看出，本发明的快门包括辅助快门与主快门板两层开关，其是将强源照射器由安全关闭状态转变为照射状态的装置。中心屏蔽体8是实现照射功能的第一层开关，成为辅助快门，并且屏蔽体是源仓9外围的第一层屏蔽；屏蔽体8左端通过轴承28与源容器内相配合，其右端由轴承25和法兰17安装在右侧板27上，并通过固定在法兰上的驱动电机16实现旋转。工作时，屏蔽体8同时作为辅助快门，为射线束提供初步准直，在非照射状态时，屏蔽体上的喇叭型出射口23竖直向下，其开闭的旋转定位依靠光耦开关判断定位轮盘的透光狭缝实现控制。

所述的主快门板6是本发明照射器实现照射功能的第二层开关。主快门板的准直孔20内可设置有内置光阑，在内置光阑的光轴与光阑5和辅助快门出射口23的轴线重合时则连通了放射源到光阑5的放射通道，实现照射；内置光阑的发散角和形状与外部光阑5的相匹配。所述的气缸1与主快门板之间通过气缸杆头2螺纹连接，这样能够保证气缸推动主快门板上下移动自如且不晃动。实际使用时，为保证准直度，可以通过调节连接螺纹，使准直孔20光轴与辅助快门出射口23光轴的同轴误差小于0.3mm。所述主快门板的主体材料为铅，为加强照射器前方的屏蔽效果、减小厚度，在主快门板上，具体是主快门板的右侧固定有一定厚度的钨合金条。实际使用中，出现意外情况时，可通过气缸放气，使主快门板靠自重下落，实现关闭照射，以保证整个照射器表面剂量率值接近本底水平。

综上，本发明的照射功能是靠气缸和驱动电机驱动主快门板和辅助快门的运动来实现，其中驱动电机可选择DN型交流可逆电机，转速0.85r/min，用低转速来保证辅助快门的定位精度，以正反转来有效实现辅助快门的打开关闭；气缸在压力达到0.7Mpa时即可推动主快门板实现上下移动。对驱动装置(气缸和驱动电机)的控制采用SIEMENS 224XP型号的PLC控制器进行编程控制，具备定时照射、计时照射功能，另外根据相关标准要求，还具备灯铃报警、安全联锁功能(安全门障、系统断电、紧急按钮、迷道红外感应装置等如有异常，快门则立即关闭或者无法打开)。

本发明的安装过程如下：首先，进行中心屏蔽体及其驱动机构的安装；之后，再将主快门板吊装并垂直向下装入源容器前端；最后进行整体安装。其整体安装步骤参照附图：先将源仓棒10从左端水平插入源容器中且固定在左侧板上，再安装铅堵14；再吊装源容器使其底板11与底座12的活动转轴13配合，并将底板与底座进行连接固定；然后，将光阑架4固定在底板上，并将光阑5坐落光阑架4上，同时保证光阑与所述放射源仓9同轴小于0.1mm。整体安装完成后，对其固定位置进行调整，具体如下：先把本发明吊装在预先搭建好的水泥平台上且出射口23向前，再把调角架3安装在底座12上，通过调节调角架可使光阑架带动源容器在底座12上进行角度微调，底座依靠调平螺钉进行水平调节；现场安装时，在本发明射线通道中心可安装用于定位指示的激光器，其出射激光束可以代表本发明出射束斑轴线，以此为参考对本发明的位置进行二维微调。

安装完后，对本发明进行现场调试，具体步骤如下：首先给系统加电进行冷调试，分别打开关闭主辅快门，如此动作重复几次，观察气缸、驱动电机、仪控系统和照射器整体有无异常；冷调试阶段无异常后，抽出源仓棒，水下装入万居里⁶⁰Co放射源，通过转运铅罐运抵现场，把转运铅罐与本发明左侧面实施对接，之后将源仓棒倒入照射器中；装源完成后，对照射器各性能实施测量，包括屏蔽性能、辐射场参数性能、快门重复性等。

本发明的运行操作步骤为：首先系统加电，根据实验要求，选择定时照射或者计时照射；系统自检各安全联锁是否处于正常状态，确认正常后打开辅助快门，使中心屏蔽体的出射口由向下转至向前；然后，气缸推动主快门板向上运动，使其准直孔与光阑和出射口及放射源同轴，主快门打开，此时实现照射；照射完毕后，依次关闭主、辅快门，安全指示灯亮，照射器进入关闭状态。本实施例中，出射束流通过光阑去散射后，当束斑发散角为5°时，在1m处形成约100mm×100mm的方形均匀辐射场。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种γ射线强源照射器，其特征在于：在两端锥状中部为柱状内为屏蔽材料的源容器，一侧沿轴线水平插入能转动的轴套状中心屏蔽体，在另一侧与中心屏蔽体同轴位置插有源仓棒套入中心屏蔽体之中，并使中心屏蔽体能绕源仓棒转动，源仓位于源仓棒上相对源容器中心的位置，源仓棒套入的位置能使源仓位于中心屏蔽体套内，在中心屏蔽体上源仓位置处径向开有出射口；源容器的前部设有能与之配合上下移动的主快门板，在主快门板前端设置光阑，光阑的光轴与源仓和出射口同轴，在主快门板上开有准直孔，主快门板的上下移动能使准直孔的光轴与光阑和出射口的轴线重合；有驱动机构能驱动主快门板上下移动，在源容器上装有驱动电机能带动中心屏蔽体转动；在源容器底部通过底板与底座连接，并设有水平微调和调角器。

2.按照权利要求1所述的照射器，其特征在于：所述的源容器由外壳以及屏蔽材料内层组成；源容器的两侧分别设置有左侧板和右侧板，中心屏蔽体的外端通过法兰安装在右侧板上，源仓棒的外端通过安装在左侧板上的铅堵进行密封；在准直孔内设有内置光阑。

3.按照权利要求1所述的照射器，其特征在于：在所述的中心屏蔽体的两端和源仓棒的里端装有轴承，中心屏蔽体绕源仓棒的转动使其成为辅助快门；在中心屏蔽体上所开的出射口为喇叭型。

4.按照权利要求1所述的照射器，其特征在于：所述的主快门板与源容器之间设置有导向滑轨；所述中心屏蔽体的出射口端为贫化铀套体。

5.按照权利要求1所述的照射器，其特征在于：所述的源容器底板与底座之间通过活动转轴安装连接，底板和底座的中心区域设有屏蔽材料；底座上设有水平微调，在底板与底座之间安装有调角器。

6.按照权利要求1所述的照射器，其特征在于：所述的光阑通过光阑架安装于底板上，在光阑输出窗口上加有盲板。

7.按照权利要求1～6所述的任一种照射器，其特征在于：还包括有对中心屏蔽体转动位置的检测装置，以及根据其所获检测信号能够对主快门板驱动机构和驱动电机进行控制的PLC控制系统。

8.按照权利要求7所述的照射器，其特征在于：所述中心屏蔽体的外端同轴安装有带透光狭缝的定位轮盘，所述的检测装置为安装在右侧板与定位轮盘间的两个能与透光狭缝配合使用的光耦开关，安装位置分别对应于中心屏蔽体转动至照射关闭和照射打开的状态位置。

9.按照权利要求7所述的照射器，其特征在于：所述的驱动机构为气缸，气缸是通过支架固定连接于源容器底座，并以气缸杆头与主快门板连接。

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