一种辐照实验线机构及其使用方法与流程

1.本发明涉及伽玛辐照设备的技术领域，具体地说是一种辐照实验线机构及其使用方法，尤其涉及一种利用伽玛辐照装置监控线进行辐照剂量实验的辐照实验线机构及其使用方法。


背景技术：

2.在工业伽玛辐照装置中，出于对辐照室内的辐照设备诸如钴-60源架、辐照箱、输送机构等设施进行视频安全检测的考虑，实现在辐照室升源辐照环境中进行环绕或定点自动化视频检测的目的；一般在辐照室内设计并安装轻型悬挂链输送系统并称之为监控线，利用监控线将视频检测设备输送至辐照室和货物进出口之间的迷道和堡垒中的环形闭合路线上实现这一视频监测目的，同时，日常安全检查或应急状态下以监控线悬挂链携带视频检测设备或其他应急设施进入辐照室，进行视频检测或应急处置等。
3.本专利旨在辐照加工活动中，为满足gb18280/iso11137标准的相关条款，特别是产品辐照剂量设定、剂量审核等实验活动需求，本专利在于提供实现上述需求所需的辐照环境辐照设备和辐照工艺，利用辐照装置监控线的悬挂链输送系统并配置悬挂实验箱进行辐照剂量实验。这里将此悬挂链输送系统的辐照实验功能之实现称之为实验线。相当于通过一系列技术措施的实现，从而开发利用了辐照装置监控线的辐照功能及其使用方法，满足了产品辐照剂量设定、剂量审核等小剂量伽玛辐照工艺需求，延伸了辐照工厂的工艺链条和辐照剂量范围，以满足gb18280/iso11137等标准之相关需求。
4.根据gb 18280/iso11137的要求，产品辐照剂量设定、剂量审核等小剂量伽玛辐照的要求剂量范围应控制在靶剂量的
±
10％范围内，要求的最大剂量与要求的最小剂量的比值为1.22，剂量范围非常窄，对辐照工艺实施具有极高的要求。
5.目前，为了满足该小剂量精确辐照要求，通常在伽玛辐照装置的生产线辐照托箱内选择剂量率均匀的区域来进行，这样就造成了生产线托箱装载利用率低。根据统计，生产线为满足小剂量精确辐照需求，生产线托箱可利用的区域仅占托箱体积的10％，考虑到待加工产品尺寸和装载要求，实际利用率仅2％左右，整个托箱基本处于产能浪费状态。且该方法对整个辐照室内其他托箱的装载产品也有要求，需要控制其内装载产品的密度，使整个辐照室内达到均匀近似条件，避免密度差异过大导致射线穿透不均匀进而影响小剂量精确辐照的实施。综上所述，在生产线开展小剂量精确辐照，存在产能严重浪费和加工控制要求高等弊端。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种改进的辐照实验线机构及其使用方法，通过设置实验箱以及配套的限位锚轨，进行辐照剂量实验，通过实验数据达到小剂量精准辐照，提高生产线托箱装载利用率。
7.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种辐照实验线机构，其特征在于：实
验线机构包括行走部分和固定部分，行走部分包括实验箱、设在实验箱顶部的悬挂链和设在实验箱底部的锚铁构成的；固定部分包括用于悬挂链行走的轨道，和设在轨道下方与锚铁配合的限位锚轨。
8.优选的，实验箱包括箱框，箱框的前部设有可开合的箱门，箱框的顶部和底部设有联接块；锚铁由锚铁本体和设在本体下方的一组锚尖构成，锚铁本体采用空心方钢制成，锚尖呈楔形结构。
9.进一步，限位锚轨设置在轨枕平板上，限位锚轨由直线轨和过渡引轨拼合而成，过渡引轨分别设置在直线轨的两端，过渡引轨与直线轨之间设有25-45度的夹角。
10.一种辐照实验线机构的使用方法，其特征在于：使用方法包括如下步骤：a、在实验箱的两个侧面和中间位置设置三个测量平面，在三个测量平面上按照网格均匀布设剂量计；b、实验箱锁定箱门后随悬挂链进入辐照室进行定点辐照，当辐照加工时间完成后，实验箱随悬挂链行进至卸货台定点处，并将已完成辐照的剂量计卸出；c、对剂量计进行测量，记录所有测量结果，根据测量数值绘制三个测量平面的等剂量分布曲线图，获得最大和最小剂量区域、最大和最小剂量点位和剂量值，后续对辐照加工时的辐照时间和剂量计布置进行调整，可以提高产品辐照剂量的可控性和可重复性，实现受照剂量范围的稳定均衡。
11.相对于现有技术，本发明的技术方案除了整体技术方案的改进，还包括很多细节方面的改进，具体而言，具有以下有益效果：
12.1、本发明所述的改进方案，实验箱顶部设有悬挂链，底部设有锚铁，该实验箱可以利用辐照装置监控线进行辐照实验，为小剂量伽玛辐照加工提供有效数据，实现受照剂量范围的稳定均衡；
13.2、本发明的技术方案的中，限位锚轨设置在轨枕平板上，限位锚轨由直线轨和过渡引轨拼合而成，过渡引轨分别设置在直线轨的两端，通过设置限位锚轨，保证实验箱的稳定，实现装卸操作的安全可靠，降低了操作风险，提升了实验数据的准确性；
14.3、本发明实验后取得的数据，可以绘制出等剂量分布曲线图，统计等效最大剂量区域、等效最小剂量区域、剂量不均匀度、主控时间与吸收剂量关系等指标，为辐照剂量实验的辐照工艺设计提供技术依据；
15.4、本发明的实验线机构结构简单、安装方法，利用现有的辐照装置监控线进行布设，使用时易于操作，测试后获得数据丰富、准确性高，具有极大的商业价值，便于推广和利用。
附图说明
16.图1为本发明的结构示意图。
17.图2为本发明的实验箱的结构示意图。
18.图3为本发明的锚铁结构示意图。
19.图4为图3的a-a向结构示意图。
20.图5为图3的b-b向结构示意图。
21.图6为本发明的锚轨结构示意图。
22.图7为本发明的锚轨又一结构示意图。
23.图8为本发明实施例中单面辐照剂量区间效果图。
24.图9为本发明实施例中双面辐照剂量区间效果图。
25.图10为本发明实施例中三个测量平面的参考设置图。
26.图11为本发明实施例中实验箱左侧测量平面的参考设置图。
27.图12为图11中测量平面各点位吸收剂量值的曲线绘制图。
28.图13为本发明实施例中实验箱右侧测量平面的参考设置图。
29.图14为图13中测量平面各点位吸收剂量值的曲线绘制图。
30.图15为本发明实施例中实验箱中部测量平面的参考设置图。
31.图16为图15中测量平面各点位吸收剂量值的曲线绘制图。
32.图17为本发明伽玛辐照装置辐照室内表面剂量分布图。
33.附图标记：
34.1锚铁、2实验箱、3限位锚轨；
35.11锚铁本体、12锚尖；
36.21悬挂联接器、22箱框、23箱门、24联接块；
37.31轨枕平板、32直线轨、33过渡引轨；
具体实施方式
38.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.本发明提供了一种辐照实验线机构，具体参见图1，其与现有技术的区别在于：实验线机构包括行走部分和固定部分，行走部分包括实验箱、设在实验箱顶部的悬挂链和设在实验箱底部的锚铁构成的；固定部分包括用于悬挂链行走的轨道，和设在轨道下方与锚铁配合的限位锚轨。这里所述的轨道其实是利用设在辐照室内的辐照装置监控线本来设有轨道，只需要将悬挂链设置在原轨道上即可。
40.实施中，通过蒙特卡罗模拟程序mcnp建模并进行数学模拟，以获得本发明伽玛辐照装置辐照室内表面剂量分布图如图17，再结合辐照装置监控线的传输路径，定点选择适宜的辐照工位，可以在在既定的辐照装置监控线的传输路径的基础上，选择剂量比较均匀的区域，来作为实验箱定点辐照的位置。同时蒙特卡罗模拟程序mcnp可以模拟辐照室内的剂量分布，为剂量均匀区域的选择和判断提供技术依据。具体来说，为满足实验箱在辐照室内定点辐照处和辐照室出入口定点装卸货平台处达到静止稳定状态的操作需求，由于实验箱被精准定位，其实际效果一是在装卸货操作时可以提高辐照设备操作的本质安全程度，实验箱不会在受到外力作用下产生晃动，实现装卸操作安全可靠；二是在辐照室内定点辐照实验或辐照加工产品时可以提高产品辐照剂量的可控性和可重复性，实现受照剂量范围的稳定均衡。由此而消除了由于实验箱在悬挂链下晃动所带来的操作安全风险和辐照剂量范围不稳定的风险。监控线的悬挂链系统为辐照装置设备安装时已经按照国家相关标准(jb/t9016-2013标准)安装完成竣工并投入使用的，所以这里不再赘述。
41.实施例1
42.实验箱包括箱框，箱框的前部设有可开合的箱门，箱框的顶部和底部设有联接块，箱体顶部的连接块通过悬挂联接器与悬挂链相连；锚铁由锚铁本体和设在本体下方的一组
锚尖构成，锚铁本体采用空心方钢制成，锚尖呈楔形结构。
43.具体来说，实验箱包括箱框，箱框的前部设有可开合的箱门，箱框的顶部和底部设有联接块；设计制作实验箱时应考虑金属材料对伽马射线的屏蔽作用尽量选用具有一定强度的轻质合金材料，以增加伽玛射线能量的利用率，框架一般以铝合金板材型材为主，通过铆焊工艺进行连接，箱体和箱门均以铝材质的金属网封闭。
44.锚铁由锚铁本体和设在本体下方的一组锚尖构成，锚铁本体采用空心方钢制成，材质一般为45#钢、型号80～120空心方钢管、厚壁8～10mm、锚尖呈楔形结构。锚铁的长度根据实验箱底板尺寸确定由直线段和两端楔形段组成，直线段不小于箱体底板长度的1/2,两端楔形结构由方钢切割后形成30度角度的直角三角形，然后拼合焊接制作而成，形成截面为等边三角形的楔形结构锚尖，最后是将锚铁安装在实验箱底板，与实验箱底板通过联接板螺栓锁定联接。
45.进一步，限位锚轨设置在轨枕平板上，限位锚轨由直线轨和过渡引轨拼合而成，过渡引轨分别设置在直线轨的两端，过渡引轨与直线轨之间设有25-45度的夹角。锚轨净高度大于锚铁高度10～20mm，以底部留有间隙。锚轨直线段轨槽宽度大于锚铁宽度3～5mm，直线段长度大于等于锚铁有效长度(不含两端楔形段)，轨槽既能使锚铁顺畅通过又能起到对锚轨的限位作用，从而使得实验箱达到稳定状态以利于后面的工序操作。
46.实施中，当实验箱随悬挂链行进至定点处时，锚铁沿引轨自动进入锚轨，当锚铁与锚轨直线段全部重合并触动行程开关，悬挂链控制系统接收到该指令即刻停止行进并锁定。锚铁进入锚轨停止后受到锚轨的限位作用，从而使得实验箱稳定于定点处，达到了定点稳固箱体的目的，阻止了实验箱体因悬挂状态而产生摆动的可能，从而使实验箱在辐照位或装卸货位处于稳定状态。
47.实施例2
48.一种辐照实验线机构的使用方法，其与现有技术的区别在于：使用方法包括如下步骤：a、在实验箱的两个侧面和中间位置设置三个测量平面，分别采用a、e和c来表示，在三个测量平面上按照网格均匀布设剂量计；b、实验箱锁定箱门后随悬挂链进入辐照室进行定点辐照，当辐照加工时间完成后，实验箱随悬挂链行进至卸货台定点处，并将已完成辐照的剂量计卸出；c、对剂量计进行测量，记录所有测量结果，根据测量数值绘制三个测量平面的等剂量分布曲线图，获得最大和最小剂量区域、最大和最小剂量点位和剂量值，后续对辐照加工时的辐照时间和剂量计布置进行调整，可以提高产品辐照剂量的可控性和可重复性，实现受照剂量范围的稳定均衡。
49.进一步，c步骤中的调整包括如下两部分：(1)根据剂量分布测试的结果，计算产品吸收剂量与主控时间的关系(通常以剂量率的方式为输出结果，即吸收1kgy需要多少时间)，然后根据产品的剂量要求，计算满足产品剂量所需要的时间，即为辐照时间。
50.(2)时间设定好之后，仍需要布置剂量计对产品辐照的实际吸收剂量进行监测，用于判断产品的辐照剂量最终是否合格。根据剂量分布测试结果，可以在识别出来的最小和最大剂量区域布置剂量计，以监测产品辐照的实际吸收剂量。
51.具体来说，a步骤中，三个测量平面分别选择实验箱的最左、右侧面以及中间位置的测量平面，分别采用a、e和c来表示，三个测量平面之间互相平行，在测量平面上按照10cm
×
10cm的网格布置剂量计，为满足数据重复性和再现性的要求，剂量测量应至少重复进行
三次，剂量计选用重铬酸钾或重铬酸银剂量计；b步骤中，定点辐射时，辐照时间为2小时，中途辐照1个小时候换面180
°
，此过程至少重复3次，悬挂链的传输速度固定在4-6分钟，优选值为5分钟，传输过程不可中停。
52.c步骤中，根据测量结果，计算每个剂量区域的平均吸收剂量方差s2z；确定所有剂量区域的合并方差s
overall
；然后计算最小可区分因子δ；下面以具体的产品剂量分布测试结果来说明计算过程，产品剂量分布测试结果见下表：
53.54.[0055][0056]di，z
是剂量区域z的第i个剂量计的测量值，剂量区域z进行了nznz次独立测量；按照公式(1)计算每个剂量区域z的预期平均吸收剂量按照公式(2)计算每个剂量区域吸收剂量平均值的方差s
2zs2z
；通过cv值可以判断每个剂量区域的变化是否是相似的，如果每个剂量区域的剂量平均值的变化可认作是相似的，则所有剂量区域的合并方差s
overallsoverall
可按照公式(3)计算。最后，按照公式(4)计算最小区分因子δ。
[0057]
[0058][0059][0060][0061][0062]
式中：
[0063]
——剂量区域的平均吸收剂量；
[0064]di，z
——剂量区域z的第i个剂量计的测量值；
[0065]
nznz——剂量区域z的重复测量次数，在实例中，重复测量次数为3；
[0066]s2zs2z
——每个剂量区域吸收剂量平均值的方差；
[0067]
ztotal——剂量区域总数量；
[0068]
n——剂量测量总次数；
[0069]
k——覆盖因子。
[0070]
当某个剂量区域的平均剂量小于或等于那么该区域为统计等效最大剂量区域；当某个剂量区域的平均剂量大于或等于那么该区域未统计等效最小剂量区域。然后可以根据剂量分布测试结构，绘制三个测量平面的剂量分布图，在剂量分布图中，可以直观而准确地得到最大和最小剂量区域、最大和最小剂量点位和剂量值。
[0071]
根据实测的最小平均吸收剂量和最大吸收剂量，计算产品辐照的剂量不均匀度dur，
[0072][0073]
实际加工时可以根据产品放置的具体位置来计算预期不均匀度，用于判断产品辐照的剂量能否满足要求，减少产品放置的空间可以降低dur，但同时也会导致加工能力的浪费。
[0074]
日常辐照加工时，根据实测的最小平均剂量，来计算产品辐照的剂量率，即每吸收1kgy所需要的时间，将该参数乘以产品要求的最小剂量，即是产品辐照的最小理论辐照时间；当产品存在最大剂量要求时，结合剂量分布测试确定的剂量不均匀度dur，可以计算产品辐照的最大理论辐照时间；产品实际辐照安排的时间应在最小理论主控时间和最大理论主控时间范围内。产品辐照时，需要对实际的吸收剂量进行监测，用于判断产品辐照结果是否合格，可以将剂量计布置在识别的最大和最小等效区域，该区域的剂量值代表了产品辐
照时的最小吸收剂量和最大吸收剂量，通过对该区域的剂量值进行监测，可以判断产品的实际吸收剂量是否满足要求。
[0075]
实施3
[0076]
在一个具体实施例中，对已有监控线传输系统进行安全性能、技术性能、操控性能进行可靠性评估提交iq报告，确认悬挂链系统最大载重量和安全载重量，即辐照剂量实验线的安全载重量。
[0077]
然后根据安全载重量、辐照室悬挂链沿线可通过空间尺寸、代表性产品箱尺寸和产品密度，确定实验箱尺寸和材质，设计制作实验箱时应考虑金属材料对伽马射线的屏蔽作用尽量选用具有一定强度的轻质合金材料，以增加伽玛射线能量的利用率，框架一般以铝合金板材型材为主，箱体和箱门均以金属网封闭。考虑到现场综合实际情况，实验箱尺寸符合安全、载重、射线利用率和有效容积等要求，设置实验箱的长宽高为400*450*500mm，实验箱制作为通用铆焊工艺。
[0078]
锚铁设计制作首先根据实验箱体底板尺寸和实验箱最大载重，确定锚铁方钢选材，材质一般为45#钢、型号80～120空心方钢管、厚壁8～10mm、长度根据实验箱底板尺寸确定由直线段和两端楔形段组成，直线段不小于箱体底板长度的1\2,两端楔形段角度30度，由方钢切割后焊接制作；其次是将锚铁安装在实验箱底板，与实验箱底板通过联接板螺栓锁定联接。
[0079]
锚轨由两端过渡引轨和直线轨组成并联接在轨枕平板上，采用厚度不小于10mm的钢板制作，锚轨净高度大于锚铁高度10～20mm，以底部留有间隙。锚轨过渡段由两块30
°
斜板分列两侧组成，引轨入口宽度理论上大于悬挂实验箱摆幅宽度，一般150*20mm或实际测量和理论计算验证后确定；锚轨直线段轨槽宽度大于锚铁宽度3～5mm，直线段长度大于等于锚铁有效长度(不含两端楔形段)，轨槽既能使锚铁顺畅通过又能起到对锚轨的限位作用，从而使得实验箱达到稳定状态以利于后面的工序操作。锚轨的直线段与过渡引轨段联接成为一体并螺栓联接在轨枕平板上。
[0080]
第三步以上构件制作完成后，进入安装和安装验证(iq)阶段并提交iq报告，确认符合设计要求，可以进行下一阶段的后续工作。
[0081]
剂量场测试工作应制定方案，实施后取得数据整理分析并提交运行验证报告，为实验线运行的辐照工艺方法提供关键技术数据支持。
[0082]
使用密度为0.10g/cm3的瓦楞纸板作为均质模拟产品来开展实验箱剂量分布测试。将瓦楞纸板均匀填充满整个实验箱，伽玛射线在物质中呈指数衰减(如图8所示)，当采用双面辐照后，最小剂量区域落在产品沿射线穿透方向的中剖面如图9所示。
[0083]
为测量产品最小剂量和最大剂量，在产品沿射线穿透方向标注出三个平面：左右两个表面a面和e面，中剖面c面，如图10所示。在三个平面上，按照10cm
×
10cm的网格布置剂量计，以监测整个实验箱的辐照吸收剂量。剂量计选用重铬酸钾(银)剂量计，该剂量计尺寸适中、测量精度和可重复性好，适宜用于实验箱的剂量分布测试。
[0084]
根据mcnp模拟计算结果，当伽玛辐照装置钴源活度为2.5mci、生产线产品装载密度约为0.10g/cm3时，实验箱辐照工位处的剂量率约为3.5kgy/h。oq剂量分布测试对剂量值大小没有要求，考虑到常见的小剂量产品剂量要去通常为5-10kgy，因此，设定oq剂量分布测试辐照时间为2小时，中途辐照1个小时候换面180
°
。对此过程重复3次，以满足数据可重
复性和可再现性的要求。测试过程中，监控线的传输速度固定，传输过程不可中停。
[0085]
辐照完成后，卸取所有剂量计并进行测量，记录所有测量结果。按照astm/iso 52303:2015标准的方法，计算每个剂量区域的平均吸收剂量见公式(1)；方差s
2z
，见公式(2)；确定所有剂量区域的合并方差s
overall
，见公式(3)；然后计算最小可区分因子δ，见公式(4)。
[0086][0087][0088][0089][0090]
式中：
[0091]
——剂量区域的平均吸收剂量；
[0092]di，z
——剂量区域z的第i个剂量计的测量值；
[0093]
nznz——剂量区域z的重复测量次数；
[0094]s2zs2z
——每个剂量区域吸收剂量平均值的方差；
[0095]
ztotal——剂量区域总数量；
[0096]
n——剂量测量总次数；
[0097]
k——覆盖因子。
[0098]
当某个剂量区域的平均剂量小于或等于那么该区域为统计等效最大剂量区域；当某个剂量区域的平均剂量大于或等于那么该区域未统计等效最小剂量区域。识别出统计等效最大剂量区域和统计等效最小剂量区域有助于产品辐照时剂量计的选择和布置。根据剂量分布测试结果，绘制ace三个平面的剂量分布图。
[0099]
在以上三个表面的等剂量分布曲线图中，直观而准确地得到了最大和最小剂量区域、最大和最小剂量点位(xyz)和剂量值。
[0100]
根据实测的最小平均吸收剂量和最大吸收剂量，计算产品辐照的剂量不均匀度dur，参见公式(5)。剂量不均匀度表征了实验箱所有位置剂量不均匀的程度，由于产品箱的尺寸要比实验箱的尺寸小很多，实际加工时可根据产品放置的具体位置来计算预期不均匀度，用于判断产品辐照的剂量能否满足要求，减少产品放置的空间可以降低dur，但同时也会导致加工能力的浪费。
[0101][0102]
同时，剂量分布实验还可以得出产品最小剂量区域、最大剂量区域和时间的关系，该关系可用于验证mcnp模拟计算结果，经过实际测试验证的mcnp模拟计算结果可以很好地用于日常辐照加工的指导。
[0103]
剂量分布实验是实施辐照剂量实验的前提，必须对关于实验箱的剂量场分布进行测试和数据分析，以取得相关技术指标，关键指标如：统计等效最大剂量区域、等效最小剂量区域、剂量不均匀度、主控时间与吸收剂量关系等指标，为辐照剂量实验的辐照工艺设计提供技术依据。
[0104]
本实验线机构的应用，有效挖掘实现了利用实验线进行辐照剂量实验的功能，为医疗产品满足gb18280/iso11137标准相关条款需求提供了实验条件。延展了工业伽玛辐照装置的辐照剂量范围(可以实现更小的可以精准控制的最小剂量)，延伸了辐照工厂的工艺链条(医疗产品辐照剂量审核、剂量设定等)，为辐照剂量实验和相关技术研究提供了必要的辐照环境、辐照设备和辐照工艺，有效的提升了伽玛辐照工厂的技术水平和经济效益。
[0105]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。