95MeV射频电子直线加速器辐射防护分析

95MeV射频电子直线加速器辐射防护分析

潘立成,高洁,祝军辉,桂红午

浙江君安检测技术有限公司  浙江省杭州市  310000

摘 要: 应相关建设安评、环评、稳评以及职业健康评估的要求。电子加速器设计过程中即应对其辐射情况进行分析。针对电子能量为40-95MeV可调的光阴极微波电子直线加速器,对其射源项进行分析,并讨论了可能的额射防护措施的效果。采用蒙特卡罗软件FLUKA对电子束流和加速器进行建模,通过模拟计算发现。加速器产生的等效剂量分布主要位于废束桶中，废束桶以外辐射剂量迅速下降,在电子加速器实验大厅四周设置混凝土墙体的情况下辐射等效剂量率将随墙体厚度迅速下降。若混凝土墙体厚度设置为1m.则墙体外工作人员所在区域辐射等效剂量率不高于1Sv/h量级，能够有效屏蔽加速器产生的电离辐射，给工作人员提供有效防护。研究方法及结果对同能区同类型加速器建设中的辐射分析及辐射防护评估具有一定的参考价值。

关键词:电子加速器;FLUKA模拟;电离辐射;辐射源项分析;辐射防护

射频电子直线加速器在科技生产、国防建设、生物医疗等领域应用广[1]。本研究所涉及的加速器由微波系统、功率源系统、束测系统、础铁系统、真空机械系统、控制系统等组成。其微波系统包括光阴极微波电子枪、聚束腔、加速腔、偏转腔、激励系统。激光驱动的光阴极微波电子枪能产出高亮度、短脉冲、低发射度的高品质电子束[2]。加速腔利用高频电场加速沿直线轨道运动的电子，本研究的电子加速器设计工作率为2.856GHZ，设计输出电子束能量为40-95MeV可调重复频率1-10Hz可调，电子束团电荷量150pC，归一化发射度0.5mm-mrad(rms)，峰值电流300A，最终电子束横向尺寸15m(rms)。

通过调研国际上的同类加速器实验室发现。采用蒙特卡罗方法计算辐射效应比较普遍。相比于经验公式，蒙特卡罗程序可解决复杂几何结构的辐射屏蔽问题，得到高精度的计算结果，给出剂量大小和全局三维的剂量分布，以因此被越来越多的加速器项目设计作为辐射分析计算的标准。如瑞自由电子激光项目的概念设计报告中，在对比了各种方法后，采用FLUKA软件的模拟作为其加速器辐射源项评估的最终模拟结果。

本文采用辐射分析与屏蔽设计领域的通用蒙特卡罗软件FLUKA程序，对最高输出能量的电子在束流管中可能撞向真空壁引发的族射，以及电子打向废束桶等过程进行了模拟，以讨论加速器整体的等效剂量分布。据此辐射剂量分布结果，设计合适的加速器实验大厅辐射防护措施，并评估此防护措施的屏蔽效果及对工作人员和公众的影响。FLUKA是计算粒子传输以及粒子与物质相互作用的通用工具。涵盖了从质子和电子加速器屏蔽到靶设计、量能器、活化、计量学、探测器设计、加速器驱动系统等广泛领域的应用。

1模型

1.1加速器和工作环境建模

本项目涉及的射频电子直线加速器设计放置于一楼实验大厅中，四周、底面、顶棚以混凝土进行辐射防护，工作人员在加速器运行、调束期间均不会进人加速器大厅。加速器实验大厅外则设置相关实验室、走廊，有工作人员在此区域活动。为设计合适的辐射防护措施并评估其效果，建模中将加速器大厅四周、顶棚、底面均设置密度2.35g/cm3的1m厚混凝由此测试混凝墙体对辐射剂量的屏蔽效果。在目前的模中暂未考虑实验大厅开门、孔、洞等，而是用混凝土全部封闭。未来根据实际需要开孔时，在孔洞处使用与本文模拟中的混凝土等效厚度的铅门作为防护门，本文的辐射防护分析仍不失一般性。为评估混凝土墙外人员活动区域的辐射剂量，模拟中考虑了混避土外1m宽的空气。

1.2电子束流参数

本研究射频电子直线加速器的电子源来自光阴极微波电子枪，即使用激光轰击金属阴极，经光电效应产生的电子作为加速器的电子源。光阴极电子枪产生的光电子存在一定的热发射度，加速器技术设计报告中根据国内外同类S波段光阴极电子枪经验得到，初始归一化发射度0.2mm-mrad(rms)，初始束斑大小0.25mm(rms，均布分布)。

沿束流管距源点约13m处设计为相作用点能量为95MeV的电子在此处与未来可的科学仪器设备相瓦作用。经过一系列电子束传输聚焦方案，电子束在相互作用点处设计指标将达到束庭归一化发射度0.5mm-mrad(rms)，束斑尺寸15m(rms)。

整套聚焦系统十分复杂，难以在辐射计算中用FLUKA进行完全的模拟。由于FLUKA进行蒙卡计算时，是一个接一个粒子进行模拟，缺少对粒子束团内粒子间相互排斥的考虑，也就是没有粒子束流发散的模拟。处理方法是在设置粒子束输入参数时，对粒子束给定一个发散情况的描述，包括束斑发射度、尺寸和形状。由于在FLUKA中无法设置运动过程中的发射度变化情况，因此需沿束线z坐标，分段给粒子束设置不同的发射度，并由此对各重要点位的粒子束在加速器中的运动和产生辐射情况分别进行模拟。

模拟中在z=0的源位置将束流初始值设为光阴极电子枪初始束斑尺寸和发射度。之后粒子束沿束流管z方向运动，认为束斑尺寸和发射度线性变化，直至达到相互作用点处的设计束斑尺寸和发射度。

1.3废束桶模型

在加速器末端设置一个废束桶用于收集不再需要的粒子束。废束桶设计主体为铁靶构成。为了进一步减弱电子打铁靶时反射的电子对束流管及周边关联实验设备的影响，废束栖前端设置了石墨芯，并用聚乙烯板进行包覆。该废束桶主体置于混凝土基座上，其上再覆益混凝土进行整体包裹，前端开口与经过偏转磁场区域后的束流管相连。

2模拟结果分析与讨论

2.1模拟结果分析

在FLUKA中使用默认的PRECISION精度选项，以及剂量转换因子AMB74，在USRBIN卡片中利用DOSE-EQ参数记录粒子辐射等效剂量。通过AUXSCORE可对DOSE-EQ的结果进行粒子种类筛选。尽管很多加速器项目在辐射分析中认为中子的产额比例不高，但考虑到本项目的流强和能量，在计算辐射剂量时将穿透性较强的中子及其次级粒子也都考虑在内。对于150pC的脉冲电子束团，相当于每束团含有9.4x108个电子。本文在FLUKA模拟软件中使用106个源粒子，并进行5（cycle)x50(run)次循环，即达到了2.5x108个粒子的统计量，在数量级上是合理的。还使用了多种Biasing设置以增加统计量，但发现对结果几乎无影响，这也说明本模拟的结果是收敛、可信的。由于继续增加统计量对结果影响微弱却显著增加CPU耗时，故最终展示的结果仅对中子进行了Biasing设置，其余粒子并未包含Biasing设置。

保守假设本项目加速器实验室每天工作8h，根据一般的《电子加速器操作流程》，在开机前和关机后必须进行各项巡检，工作人员需要时间进行各种准备和收尾工作，还需要进行调试和分析，每天实际的电子束输出时间大约4h;按照每周5d，每月4周，每年10月计算，即全年电子输出时间约800h。由上文可知当采用1m厚混凝墙体作为防护措施时，加速器实验大厅外等效剂量率不高于1Sv/h，即加速器大厅外的工作人员每年累计受辐射剂量在0.8mSv水平。这远低于2002年发布的国家标准GB18871-2002《电离辐射防护与辐射安全基本标准》的5年以内年平均有效剂量不超过20mSv，以及任何单一年份有效剂量不超过50mSv的规定。可见当使用密度2.35g/cm3的混凝土在加速器大厅四周、顶棚、底面设置1m厚混凝土辐射防护墙体时，能够有效屏蔽辐射剂量，为加速器大厅外的工作人员提供有效的辐射防护。同时，模拟结果提示我们必须严格遵守相关加速器安全操作流程，在开机前确保大厅内无人，整个开机过程中实验大厅内不得有人员进入。

3结论

采用蒙特卡罗FLUKA软件模拟了95MeV射频电子直线加速器的辐射剂量分布，分析了发射度、束损等对束流的影响因素，并考虑了合理的剂量归一化因素。模拟结果显示，绝大部分粒子都将沿束流管运动直到废束桶，大部分辐射剂量将沉积在废束桶中，从废束桶中的最高辐射剂量处往外等效剂量率迅速下降。当在加速器实验大厅四周、底面、顶棚以密度2.35g/cm3的混凝土设置1m厚屏墙体时，墙体中等效剂量率迅速降低到1Sv/h的水平，实验大厅外的辐射剂量不高于1Sv/h。在保守考虑电子每年实际输出时间800h的情况下，工作人员每年累计受辐射剂量低于0.8mSv/a，远低于国家标准规定的20mSv/a。可见，此辐射防护措施能有效屏辐射剂量，对作人员提供足够的保护。

[1] 赵振堂,高杰,高能粒子对控机加速界物与设计[M].上海:上海交通大学出版社，2020.

[2] 李成龙，汤振兴，裴元吉.低发射度L波段光阴极微波电子枪物理设计[J].核技术,2016,39:090203.