乌鲁木齐市某物流园车辆检查系统辐射环境影响分析

Radiation Environmental Impact Analysis of Vehicle Inspection System in Urumqi Logistics Park

摘要: 本文通过理论预测、类比分析的方法，对新建PDS1000LC车辆检查系统周边辐射环境影响进行了分析，得出该车辆检查系统满足《货物/车辆辐射检查系统的放射防护要求》(GBZ143-2015)。

Abstract: By means of theoretical prediction and analogy analysis, this paper analyzes the impact of the newly built PDS1000LC vehicle inspection system on the surrounding radiation environment, and concludes that the vehicle inspection system meets the radiation protection requirements of “Radiological protection requirements for cargo/vehicle radiological inspection systems” (GBZ 143-2015).

1. 引言

乌鲁木齐市某物流园入口处拟新建一套PDS1000LC车辆检查系统(含一枚⁶⁰Co放射源)，用于集装箱、货运车辆的安全检查。本项目PDS1000LC车辆检查系统是由北京华力兴科技发展有限责任公司研制生产，其中⁶⁰Co放射源的出厂活度为2.22 × 10¹² Bq。按照《关于发布放射源分类办法的公告》(国家环境保护总局公告2005年第62号)的分类办法，该检查系统中所含的⁶⁰Co放射源属于II类放射源。该PDS1000LC车辆检查系统最大扫描车辆限宽3.5 m，限高5 m，扫描速度小于15 km/h。

根据《辐射环境监测技术规范》(HJ/T 61-2001)对辐射监测技术的要求，结合本项目环境影响因素的特征和项目周围环境的特点，确定本项目的辐射评价范围是以PDS1000LC车辆检查系统为中心、半径50 m以内的区域。环境保护目标是辐射工作场所周围(50 m范围内)活动的职业人员和周围公众人员。车辆检查系统工作过程中将产生γ射线，对周围环境产生辐射影响，防护不当可能会造成辐射损伤 [1]。本文以乌鲁木齐某物流园拟新建的货车辆检查系统为例，预测、分析其运行期产生的辐射环境影响。

2. 理论预测及分析

通过理论计算的方式，预测物流园新建PDS1000LC车辆检查系统在正常运行状态下，其周围工作场所的辐射水平。放射源的体积相对于工作容器及整个工作场所非常小，因此可将放射源作为点源进行考虑。

辐射源为⁶⁰Co同位素源，放射源的物理参数如表1所示。

Table 1. Physical parameters of 60Co radioactive source

表1. ⁶⁰Co放射源的物理参数

该项目的⁶⁰Co放射源出厂活度为1.22 × 10¹² Bq，未经任何屏蔽时，点源1 m处的γ空气吸收剂量率D₀约为0.69 Gy/h。

根据各预测点与点源的距离，以及射线通过相应的屏蔽厚度，引用方杰主编的《辐射防护导论》 [2] 由式(1)可计算经相关屏蔽以及距离衰减后，预测点的γ空气吸收剂量率D₁。

$D_1=\frac{D_0}{{10}^{d/TYL}\cdot R^2}$ (1)

式中：

$D_1$ ：各预测点的γ空气吸收剂量率，μGy/h；

$D_0$ ：无屏蔽点源1 m处的γ空气吸收剂量率，μGy/h；

d：屏蔽层的厚度，cm；

$TYL$ ：屏蔽材料对⁶⁰Co产生的γ射线的1/10值层的厚度；

R：预测点到点源中心的距离，m。

2.1. 源箱外的辐射水平

本项目源工作容器的屏蔽材料是厚度为140 mm的钨合金，根据国防基础科研计划基金资助项目论文《钨和铅作为γ射线屏蔽材料的性能对比研究》 [3]，引用论文对钨合金与铅的衰减特性的研究数据如下表2所示，根据表中数据可以计算得到钨合金对⁶⁰Co产生的γ射线的TVL为2.15 cm。

Table 2. Attenuation properties of tungsten and lead

表2. 钨和铅的衰减特性

^*合金：90%的钨，6%的镍，4%的碳。

根据式1可以计算出源工作容器表面5 cm处的γ空气吸收剂量率约等于84.97 μGy/h，源工作容器表面100cm处的γ空气吸收剂量率约等于0.21 μGy/h。

以上估算结果是⁶⁰Co只经源容器屏蔽后在工作容器表面5 cm和100 cm处的γ空气吸收剂量率，由于源工作容器安装在源箱中，还有进一步的距离衰减，源箱表面5 cm和100 cm处的实际γ空气吸收剂量率将低于以上估算值。

结论：根据以上理论预测与分析，源箱表面的辐射水平满足《货物/车辆辐射检查系统的放射防护要求》(GBZ143-2015) [4] 中γ辐射源箱外的漏射线周围剂量当量率控制值：距固定式辐射源箱体外表面5 cm不超过1000 μSv/h，距辐射源箱体外表面100 cm不超过100 μSv/h的要求。

2.2. 检查场所的辐射水平

1) 关注点位

本项目PDS1000LC车辆检查系统运行过程中辐射剂量预测计算的关注点位如图1所示。图中A点为主防护墙外30 cm处，B点为次防护墙外30cm处，C点为控制室，D点为司机所在位置，E点为检查亭与挡车器，F点为商铺，G点为行人(包括小车上的人)的最近位置。

2) 主射辐射剂量率

探测器位于放射源箱体的北侧，主射束朝向北侧，距离放射源约5.3 m，捕集器的防护厚度为140 mm的铅，主屏蔽墙为300 mm的混凝土。查表得到铅和混凝土对⁶⁰Co产生的γ射线的TVL分别为4 cm和20.3 cm。根据式1可以计算出主屏蔽墙外30 cm处的γ空气吸收剂量率约为0.23 μGy/h。

检查系统控制室为非有用线束方向，远离放射源区域，控制室距放射源37 m，根据式1可以计算出控制室的γ空气吸收剂量率约为1.45 × 10⁻⁴ μGy/h。

Figure 1. Schematic diagram of the points of interest for radiation dose prediction calculation

图1. 辐射剂量预测计算的关注点位示意图

3) 散射辐射剂量率 [5]

$H_s=\frac{H_0\times a\times S}{K\times d_0^2\times d_s^2}H=0.7Dr\cdot T\cdot t\cdot U$ (2)

式中：

$H_s$ ：关注点的散射辐射剂量率，μGy/h；

$H_0$ ：源在1 m处无屏蔽条件下的辐射剂量率，μSv/h；

a：散射系数(前散射取0.02，后散射和边散射取0.002)；

K：屏蔽衰减倍数；

S：散射面积，取0.02 m²；

$d_0$ ：源与散射面的距离，m；

$d_s$ ：散射面与关注点的距离，m。

散射射线束为主射线束在检测门架和被检物上的散射，由于射线先经过被检物体，因此主要考虑被检物的散射 [6]。源至被检物散射面的距离为1 m；被检物散射面至主屏蔽墙的距离为4.5 m，至次屏蔽墙的距离为2 m，至控制室的距离为36 m，至司机的距离为1 m，至检查亭的距离为18 m，至商铺的距离为30 m，至行人的距离为2 m，计算结果如表3。

由式2可以算得检查系统四周关注点的散射辐射剂量率，如表3所示。

Table 3. Dose rates of scattered radiation at points of concern

表3. 关注点的散射辐射剂量率

Contineud

综上所述，考虑散射的因素，主屏蔽墙外30 cm处的γ空气吸收剂量率约为0.68 μGy/h，B墙外30 cm处的γ空气吸收剂量率约为0.69 μGy/h，检查亭外30cm处的γ空气吸收剂量率约为0.09 μGy/h，满足《货物/车辆辐射检查系统的放射防护要求》(GBZ143-2015) [4] 中检查系统监督区边界处的周围剂量当量率控制值应不大于2.5 μGy/h的要求。

车辆到达检测器3时，车头完全通过射线扫描端面，放射源快门打开，系统发射出γ射线，开始扫描检测 [7]。

控制室外30 cm处的γ空气吸收剂量率约为0.21 μGy/h，满足《货物/车辆辐射检查系统的放射防护要求》(GBZ143-2015) [4] 中检查系统控制室内的周围剂量当量率应不大于2.5 μGy/h和操作位置的周围剂量当量率应不大于1.0 μGy/h的要求。

3. 类比分析

类比项目采用已安全运行的河北省唐津高速丰南西收费站绿色通道检查系统作为类比对象，进行类比分析。类比项目与本评价项目拟购设备可比性分析见表4。

Table 4. Comparability analysis of analogy project and evaluation project

表4. 类比项目与评价项目可比性分析

两个检查系统均为北京华力兴科技发展有限责任公司生产、安装，所用源容器相同，原产地均为美国QSA公司，类比项目使用的放射源均为⁶⁰Co，且活度稍微大于本项目，两个项目的设计布局与评价项目相似，因此采用该类比监测数据进行分析是可行的。

北京市疾病预防控制中心于2010年4月22日对唐津高速丰南西收费站绿色通道检查系统进行了监测(2010FS-T0014)。类比监测分别在检查系统处于非工作状态、工作准备状态、工作状态的各个主要区域进行了γ辐射剂量率监测。

3.1. 源箱外的辐射水平

通过现场监测，源处于非工作状态下，及源处于工作容器但快门关闭时的工作准备状态下，源箱外的辐射水平见表5。

Table 5. Radiation level outside the radiation source box

表5. 源箱外的辐射水平

由类比监测数据可知，TC-SCAN绿色通道车辆检查系统的源箱外5 cm处的γ辐射剂量率为5.5 μGy/h~45 μGy/h，100 cm处的γ辐射剂量率为0.8 μGy/h~4.5 μGy/h，满足《货物/车辆辐射检查系统的放射防护要求》(GBZ143-2015) [4] 中γ辐射源箱外的漏射线周围剂量当量率控制值：距固定式辐射源箱体外表面5 cm不超过1000 μSv/h，距辐射源箱体外表面100 cm不超过100 μSv/h的要求。

3.2. 检查场所的辐射水平

正常工作状态下，即源处于工作容器且快门打开时，围栏内检查区域的γ辐射剂量率为12 μGy/h~15 μGy/h，围栏内探测器附近γ辐射剂量率为36 μGy/h~54 μGy/h，TC-SCAN绿色通道车辆检查系统的图像分析室的γ辐射剂量率为0.4 μGy/h~0.5 μGy/h，通道入口处的γ辐射剂量率为0.5 μGy/h~0.6 μGy/h，即围栏外的测量点的γ辐射剂量率均低于2.5 μGy/h，满足《货物/车辆辐射检查系统的放射防护要求》(GBZ143-2015)中检查系统控制室内的周围剂量当量率应不大于2.5 μSv/h和操作位置的周围剂量当量率应不大于1.0 μSv/h的要求。

4. 保护目标所受剂量评价

该项目拟设置12名辐射工作人员，实行四班三运转制，每班1名引导员、1名图像检查员和1名稽查人员 [8]。年工作365天，每天检查车辆最多1500次，每次射线出束时间约10秒钟，则每年检查系统的射线出束累计总时长约1500 h。

4.1. 有效剂量当量计算公式

$H=0.7Dr\cdot T\cdot t\cdot U$ (4)

式中：

H：年有效剂量当量，Sv/a；

0.7：转换系数；

Dr：空气吸收剂量率，Gy/h；

t：年受照时间，h/a；

T：居留因子；

U：使用因子，放射性核素以点源考虑，U取1；

4.2. 辐射工作人员有效剂量当量计算

在实际操作中，需要1名引导员在距源容器18 m处的检测通道入口(检查亭处)引导车辆，无车辆检查时引导员回控制室，1名图像检查员在距源容器约37 m处控制室操作，另外1名稽查人员在检查系统周围不定点工作。工作人员采用四班三倒的运转制度，可以得出引导员和稽查人员在检查系统的射线出束状态下累计受照时间为1500 ÷ 4 = 375 h，偏保守图像检查员每年受照时间为365 × 8 = 2920 h。

1) 引导员年所受剂量计算

在快门关闭状态下，源工作容器表面100 cm处的γ空气吸收剂量率取理论计算值和类比监测中数值较大者为4.5 μGy/h，引导员离源工作容器表面37 m，其所受γ空气吸收剂量率为0.003 μGy/h；

引导员在快门打开状态下，γ辐射剂量率取理论计算值和类比监测中数值较大者，为0.6 μGy/h；引导员其余时间在控制室，所受γ辐射剂量率为0.003 μGy/h，居留因子取1，根据式2计算得：H₁ = 0.7× 375 × 0.6 × 10⁻³ + 0.7 × (2920 − 375) × 0.003 × 10⁻³ = 0.16 mSv/a。

2) 图像检查员年所受剂量计算

在快门关闭状态下，源工作容器表面100 cm处的γ空气吸收剂量率取理论计算值和类比监测中数值较大者为4.5 μGy/h，图像检查员离源工作容器表面37 m，其所受γ空气吸收剂量率为0.003 μGy/h；

在快门打开状态下γ辐射剂量率取理论计算值和类比监测中数值较大者，为0.5 μGy/h，居留因子取1，根据式2计算得：H₂ = 0.7 × 375 × 0.5 × 10⁻³ + 0.7 × (2920 − 375) × 0.003 × 10⁻³ = 0.14 mSv/a。

3) 稽查人员年所受剂量计算

在快门关闭状态下，稽查人员在没有防护墙保护的情况下离源工作容器表面最短距离为6 m，源工作容器表面100 cm处的γ空气吸收剂量率取理论计算值和类比监测中数值较大者为4.5 μGy/h，稽查人员其所受γ空气吸收剂量率最大为0.13 μGy/h；

稽查人员在快门打开状态下，γ辐射剂量率取理论计算值和类比监测中数值较大者，为次屏蔽墙外0.69 μGy/h，居留因子取1，根据式2计算得：H₃ = 0.7 × 375 × 0.69 × 10⁻³ + 0.7 ×(2920 − 375) × 0.13 × 10⁻³ = 0.41 mSv/a。

4.3. 公众人员有效剂量当量计算

1) 司机一次所受剂量计算

由表3可知司机所受的散射辐射剂量率为27.6 μGy/h，而类比监测数据为15 μGy/h，计算取较大值27.6 μGy/h。司机一次射线出束时间约10秒钟，根据式11-3计算得：H₄ = 0.7 × 27.6 ×(10 ÷ 3600) = 0.054 μSv。

满足《货物/车辆辐射检查系统的放射防护要求》(GBZ143-2015) [4] 中对于有司机驾驶的货运车辆或列车的检查系统，驾驶员位置一次通过的周围剂量当量应不大于0.1 μSv的要求。

2) 检查亭工作人员

检查亭工作人员的受照时间同引导员。在快门关闭状态下，源工作容器表面100 cm处的γ空气吸收剂量率取理论计算值和类比监测中数值较大者为4.5 μGy/h，检查亭工作人员离源工作容器表面18 m，其所受γ空气吸收剂量率为0.014 μGy/h；

检查亭工作人员在快门打开状态下，γ辐射剂量率取理论计算值和类比监测中数值较大者，为0.6 μGy/h；居留因子取1，根据式2计算得：H₅ = 0.7 × 375 × 0.6 × 10⁻³ + 0.7 × (2920 − 375) × 0.014 × 10⁻³ = 0.18 mSv/a。

3) 商铺工作人员

商铺工作人员的受照时间同引导员。在快门关闭状态下，源工作容器表面100 cm处的γ空气吸收剂量率取理论计算值和类比监测中数值较大者为4.5 μGy/h，商铺工作人员离源工作容器表面30 m，其所受γ空气吸收剂量率为0.005 μGy/h；

商铺工作人员在快门打开状态下，γ辐射剂量率取理论计算值和类比监测中数值较大者，为0.03 μGy/h；居留因子取1，根据式2计算得：H₆ = 0.7 × 375 × 0.03 × 10⁻³ + 0.7 × (2920 − 375) × 0.005 × 10⁻³ = 0.017 mSv/a。

4) 行人

由表3可知行人所受的最大散射辐射剂量率为0.69 μGy/h，受照时间取375小时，居留因子取1/16，根据式2计算得H₇ = 0.7 × 375 × 0.69 × 10⁻³ × 1/16 = 0.012 mSv/a。

5. 结论

由以上估算可得出，本项目引导员、图像检查员和稽查员所受辐射年有效剂量分别为0.16 mSv、0.14 mSv和0.41 mSv，检查亭工作人员、商铺工作人员、行人所受辐射年有效剂量分别为0.18 mSv、0.017 mSv、0.012 mSv。均符合评价标准的5.0 mSv/a和0.25 mSv/a的年管理剂量约束值 [9]，符合《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB18871-2002) [10] 中关于“剂量限值”的要求。

司机一次检查所受辐射有效剂量为0.054 μSv，低于本评价提出的0.1 μSv管理剂量约束值，符合满足《货物/车辆辐射检查系统的放射防护要求》(GBZ143-2015)中对于有司机驾驶的货运车辆或列车的检查系统，驾驶员位置一次通过的周围剂量当量应不大于0.1 μSv的要求。

本项目PDS1000LC车辆检查系统按控制区和监督区进行划区管理。放射源室及有用线束区两侧距中心轴不小于1 m的区域属于控制区；防护栏、防护墙与检查亭围成的除控制区外的区域属于监督区。PDS1000LC车辆检查系统主防护墙是30 cm混凝土，次防护墙20 cm混凝土，源箱采用14 cm的钨合金防护，捕集器是14 cm的铅防护。由预测计算可知，主防护墙、次防护墙、源箱、捕集器等的设计屏蔽厚度基本能够满足辐射防护屏蔽要求。