95MeV射频电子直线加速器辐射模型数据分析

95MeV射频电子直线加速器辐射模型数据分析

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：生物医疗、科技生产和国防建设等多个领域不断加大射频电子直线加速器的应用力度，获得理想的应用效果。为了保证实验装置放射性整体可控，符合相关标准规定，需要详细分析电子加速器的辐射源项，合理设计和评估可行的辐射防护设置，有效提高辐射防护效果。基于此，本文主要针对95MeV射频电子直线加速器辐射防护进行研究和分析，希望为相关人员提供参考。

关键词：95MeV射频电子直线加速器；辐射源项分析；辐射防护

结合相关建设要求，电子加速器设计工作开展中，详细分析其辐射情况，针对95MeV射频电子直线加速器，分析其辐射源项，探讨可能的辐射防护措施效果，同时积极应用蒙特卡罗软件FLUKA针对电子束流、加速器进行建模，借助模拟计算发现，加速器形成的等效剂量主要分布在废束桶内。废束桶之外辐射剂量快速降低，在电子加速器实验大厅周围合理布置混凝土墙体时，随着墙体厚度增加，辐射等效剂量率不断下降，为工作人员提供良好的辐射防护效果。

一、射频电子直线加速器工作环境建模

直线加速器的多个输运、加速区段中的电子束，可能偏离束流中心，形成束晕粒子，同时撞向真空壁，引发束流损失，特别是在电子通过互相作用区之后打向废束桶的情况下，高能电子轰击可能产生较强的辐射剂量，从而产生辐射屏蔽方面的相关问题。高能电子和加速器结构材料互相作用，形成的光子、加速器材料发生光核反应形成中子，当在屏蔽层外出现泄露剂量，对工作人员带来直接的放射性危害，甚至为社会公众带来不良影响[1]。因此，电子直线加速器设计建造过程中，需要严格管控粒子束的损失率，进一步保证系统运行的安全可靠性。

实验室大厅中设计射频电子直线加速器，针对周围、底面、顶棚和混凝土合理开展辐射防护，当加速器在运行、调束的过程中相关工作人员不能进入加速器大厅。加速器实验大厅外则合理设计实验室、走廊，工作人员在该范围内活动。另外，建模过程中，针对加速器大厅四周、顶棚、地面合理设定混凝土密度，保持其为每立方米2.35克的1米厚混凝土，合理设计辐射防护措施，评估其效果，规范测试混凝土墙体对辐射剂量的屏蔽效果。模拟过程中没有综合考量实验大厅开门、孔、洞等，需要合理应用混凝土进行全部封闭。结合实际需求开孔的过程中，在孔洞位置合理应用和模拟内的混凝土等效厚度铅门当作防护门。综合评估混凝土墙外人员活动区域的辐射剂量，在模拟内综合考虑混凝土外1米宽的空气。

二、废束桶模型

将废束桶设置在加速器末端，收集不再需要的粒子束，在设计过程中其主体为铁靶构成，同时为了有效减弱电子打铁靶的过程中，反射电子对束流管、周围关联实验设备的影响，在其前端合理设计石墨芯，同时应用聚乙烯板进行包覆。混凝土基座上合理设置废束桶主体，在其上部再覆盖混凝土进行整体包裹，前端开口和经过偏转磁场区域之后的束流管有效相连。

加速器设计电子束团电荷量为150pC，最终束团长度为0.5ps，束流峰值电流能够达到300A，综合考虑到脉冲式加速器占空比，详细计算辐射剂量归一化的过程中，合理应用平均流强，主要是单位时间内的总电荷量。合理设计单脉电子束团电荷量为150pC重复频率保持在1-10Hz，能够结合实际情况和需求，科学合理的调整，最高每0.1秒内发射一个脉冲束团，平均流强为1.5nA。每段束流管内，不是全部粒子都会损失并撞向束流管壁产生辐射，在实际中废束桶之前的加速器段只有1%粒子撞向管壁，大部分粒子均会到达废束桶。另外，该1%粒子能够当作是随机损失的，主要是沿束流管线性均匀分布，在模拟的过程中，将不同束流管长度、源点到废束桶之前的总长度之比，当作该段束流管上束损粒子的归一化系数。

三、电子束流参数

本文中研究的95MeV射频电子直线加速器的电子源主要来自光阴极微波电子枪，应用激光轰击金属阴极，通过光电效应形成的电子当作加速器的电子源。光阴极电子枪形成的光电子具有相应的热发射度，在设计加速器的过程中结合相关要求和经验，明确初始归一化发射度和束斑大小。沿束流管距源点大约为13米处合理设计为互相作用点，为95MeV能量的电子束，在该位置和将来可能发展的仪器设备互相作用，通过一系列电子束传送聚集方案。电子束在互相作用点，合理设计相关指标，达到束斑归一化发射度和束斑尺寸[2]。

在实际处理过程中主要是针对粒子束输入参数进行设定的过程中，全面描述粒子束给定的一个发散情况，主要包含束斑发射度、形状和尺寸。但是，在FLUKA内难以规范设置运动过程中的发射度变化状况，需要沿着束线z坐标，分段为粒子束合理设定相适应的发射度，同时针对不同关键点位的粒子束在加速器内的运动、形成辐射状况进行针对性模拟。

在实际模拟过程中针对z为0的源位置，将束流初始值合理设计为光阴极电子枪初始束斑尺寸、发射度，同时在之后粒子束沿束流管z方向运动，认为束斑尺寸、发射度线性变化，达到互相作用点位置的设计束斑尺寸、发射度。另外，相互作用点位置的束斑尺寸相对较小，可以当作为一个点源，在该位置之后直到废束桶之前的这段过程中，认为散角通过几何发射度计算获得，同时保持不变。几何发射度主要通过相互作用点处设计归一化发射度求得。

结合同类型光阴极射频电子直线加速器运行的成功经验，在加速器顺利运行的情况下，加速器上束流的总损失率小于1%。电子加速器末端合理设计废束桶，借助废束桶吸收屏蔽掉不用的束流。当加速器沿着束流管各段总损失率为1%，99%粒子通过加速器各个部分之后，到达废束桶之前，在废束桶位置为99%点损失。认为z为0的开始，到废束桶之前，束流损失为随机，在加速器沿线均匀分布全部1%的束损。在关键点位合理设计相对应的粒子束流参数，同时保持其沿束流管运动，打向废束桶位置。

四、模拟结果分析

在FLUKA中应用默认的精度选项、剂量转换因子，同时详细记录粒子辐射等效剂量，借助相应模拟结果筛选粒子类型。即使较多加速器项目中进行辐射分析的过程中，普遍认为中子产额比例较低，但是综合考虑到本研究项目的能量、流强，在详细计算辐射剂量的过程中全面分析穿透性较强的中子、其次级粒子，当脉冲电子束团为150pC，相等于每束团包含9.4×108个电子[3]。本项目在FLUKA模拟软件中主要应用106个源粒子，同时进行多次循环，达到2.5×108个粒子的统计量，在数量级上都是合理有效性。

从电子源开始，选择14个关键点位，合理设计电子束参数，将其沿束流管运动，在打向废束桶为止，结合模拟结果明显发现关键的辐射剂量来源于电子束轰击废束桶，本文主要分析该结果。在过束线水平面上主要分布99%的粒子到达废束桶并且轰击废束桶形成的等效辐射剂量率，在该情况下大量95MeV高能电子轰击废束桶，并且在该过程中形成较强的辐射剂量，在最强位置最高达到每小时1010Sv。结合模拟结果发现废束桶的主体铁芯针对加速器辐射具有良好的约束效果，从最强剂量位置向外呈现出快速下降的趋势，在包裹废束桶主体的混凝土内辐射剂量逐渐下降到每小时102Sv的水平。但是，到了95MeV射频电子直线加速器实验大厅的混凝土墙体内，仅仅有相邻废束桶位置的小范围辐射剂量达到每小时10Sv的水平，大多数的防护墙体内辐射剂量率均小于每小时1Sv，同时随着墙体的厚度呈现出显著的迅速下降趋势，在1米厚混凝土墙外的等效剂量率都小于每小时1Sv。

结束语：当95MeV射频电子直线加速器实验大厅四周、底面和顶棚以密度为2.35g/cm3的混凝土设置1米厚屏蔽墙体的情况下，墙体内等效计量快速下降到 1μSv/h 的水平，同时在实验大厅之外的辐射计量均小于1μSv/h，能够为工作人员提供良好的辐射保护。

参考文献：

[1]李迪开, 曹磊峰, 池云龙,等. 95MeV射频电子直线加速器辐射防护分析[J]. 强激光与粒子束, 2022, 34(6):8-8.

[2]李哲涛. 医用电子直线加速器辐射的影响因素及防护策略[J]. 医疗装备, 2020, 33(20):2-2.

[3]彭志伟. 直线加速器电子辐射机房防辐射做法优化与施工[J]. 建材与装饰, 2022(017):18-18.