基于束流线源模型自由电子激光器主体墙的屏蔽设计

徐玉海 夏晓彬 王光宏 徐加强

（中国科学院上海应用物理研究所 张江园区 上海 201204）

基于束流线源模型自由电子激光器主体墙的屏蔽设计

徐玉海 夏晓彬 王光宏 徐加强

（中国科学院上海应用物理研究所 张江园区 上海 201204）

在建的大连自由电子激光(Dalian Coherent Light Source, DCLS)是我国第一个开工建设的四代光源，也将是全球唯一可调波极紫外自由电子激光器。本文采用蒙特卡罗程序FLUKA，建立了电子束流线源均匀模型（均匀电子固定角度发射），对DCLS注入器段的主体墙厚度做了屏蔽设计，计算中引入方差减小技巧，以降低计算结果的统计误差；并将基于束流线源模型的蒙特卡罗计算结果与基于经验公式的Shiled11软件的计算结果做了比较。结果表明，基于束流线源模型的蒙特卡罗计算结果与基于经验公式的Shiled11软件的计算结果吻合较好；主体墙外的剂量主要是由中子贡献，95%以上的中子剂量是由巨共振中子贡献。因此，基于电子束流线源模型的蒙特卡罗方法适用于电子直线加速器的主体墙的横向屏蔽设计。

FLUKA，Shiled11，束流线源模型，屏蔽设计，大连自由电子激光(Dalian Coherent Light Source, DCLS)

自由电子激光以其波长连续可调、峰值功率和平均功率高、频谱范围广、相干性好、偏振强等特点，成为现代科学研究越来越重要的工具。德国的FLASH软X射线自由电子激光、美国SLAC的LCLS硬X射线自由电子激光、日本的SACLA硬X射线自由电子激光分别于2006年、2009年、2011年顺利完成建设、安装及调试工作，标志着激光领域迎来了“四代光源时代”[1]。2012年1月，中国科学院上海应用物理研究所自由电子激光研究团队在国际上率先实现HGHG自由电子激光大范围波长连续可调[2]。2012年3月12日，总预算达1.4亿元的国家重大科研仪器设备专项“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”在大连正式启动[3]。中国科学院上海应用物理研究所是主要承建方。大连自由电子激光(Dalian Coherent Light Source, DCLS)将成为国际上唯一一套工作在50-150 nm区间且波长可调的全相干高亮度的自由电子激光器。DCLS直线加速器主要参数为：束流标高1.3 m；最高重复频率50 Hz；标称电荷量0.5 nC；最高电荷量1 nC；标称能量0.3 GeV；最高能量0.4 GeV。

DCLS装置主体结构包括注入器段、主加速器段、波荡器段、诊断光束线站。电子在各区段输运时，电子的空间电荷效应会增大束流的发散度，偏离束流中心而形成束晕粒子，束晕粒子在振幅很大时，很容易丢失在器壁上，引起束流损失；在脉冲运行模式下，瞬态束流负载效应也会引起粒子丢失；束流准直误差也会引起束流损失。束流损失不仅限制了束流的提高，而且带来了辐射屏蔽等方面的一系列问题，高能电子加速器正常运行时，损失的电子(E＞10 MeV)与加速器结构材料（如真空管、支撑结构）相互作用，产生的光子与加速器材料发生光核反应产生中子，在屏蔽层外形成泄漏剂量率，对工作人员甚至公众带来直接的放射性危害。严格控制粒子损失率是降低辐射屏蔽设计难度、减小加速器隧道感生放射性的有效途径，电子加速器的感生放射性远小于质子或重离子加速器[4]。本文主要讨论由于电子束流损失引起的主体墙屏蔽问题。

1 屏蔽设计方法

对于直线加速器主体墙的屏蔽设计，各研究组都在创建自己的一套模型、程序和方法学。国际上普遍采用半经验的分析方法和蒙特卡罗方法，半经验方法很大程度上依赖于设计者的主观经验，可对蒙特卡罗计算进行简单验证。随着计算机技术的进步和蒙特卡罗算法的改进，蒙特卡罗程序可以解决复杂几何结构的屏蔽问题，并得到高精度的计算结果，是半经验公式无法比拟的。本文研究基于束流线源模型解决电子直线加速器主体屏蔽设计的问题。针对加速器束流损失引起的辐射问题，通过FLUKA程序的Source文件建立起电子束流线源模型，并用Shiled11程序对其进行验证。Shiled11程序[5]是由SLAC的Jenkins 和Nelson在19世纪70年代前期编写开发的，后得到了改进，最新版本编写于2005年。Shiled11程序基于电子束打靶实验测得的辐射剂量数据并融合了Jenkins公式[6]，是适用于高能电子加速器的屏蔽计算的专用程序。FLUKA[7]是由意大利国立核物理研究所开发的一个计算粒子输运和粒子与物质相互作用的通用计算工具，同EGS、MCNP、GEANT以及MORSE程序等类似，是常用的蒙特卡罗模拟程序，用于模拟中子、光子和电子等粒子在物质中传输问题。

图1 加速器简化几何模型 (a) 3D图，(b) 轴向截面示意图Fig.1 Simplified geometric mode for DCLS tunnel. (a) 3D diagram, (b) Axial cross section diagram

2 束流线源模型

自由电子激光对电子束流的品质要求非常苛刻，因此DCLS采用光阴极微波电子枪。微波电子枪将阴极直接放在微波腔的端部，阴极发射的电子在强微波场的作用下迅速被加速到数兆电子伏，以降低电子的束流损失率和发射度，因此计算时注入器段假设束流损失率为1%。

2.1加速器几何模型

对加速器进行等效简化：用内径3 cm、厚度1cm的铁圆柱管道代替加速腔、支撑部件、调频器、冷却系统等加速器结构部件，管道内填充真空；电子束简化为直线；屏蔽层由左侧墙、右侧墙、顶板三部分组成，分别填充密度为2.35 g·cm-3的混凝土。加速器简化几何模型的轴向截面示意图和3D图见图1。

在FLUKA中建立几何模型时，引入方差减小技巧，将主体墙由内向外划分许多区域，对粒子由内向外分别赋予倍增的区域重要性，使其在区域边界分裂，以有效降低计算结果的统计误差。

2.2束流线源模型

发射角较大的电子被刮束器、吸收器剔除掉，来获得高品质的电子束。电子偏离束流中心线的角度取1°，电子均匀打在管壁上。这时，等效靶的厚度为1 cm/tan1°=57.47 cm，与Shield11软件中靶的厚度30.48 cm相近。束流线源模型示意图见图2。

图2 束流线源模型示意图Fig.2 Line-source sampling physical model based on FLUKA.

FLUKA的粒子束描述命令卡不能对束流线源模型进行描述，因此需要利用基于FORTRAN语言的SOURCE文件来描述电子束的束流损失。SOURCE文件包括两个核心部分：一是电子的出射方向的均匀抽样；二是电子位置的均匀抽样。通过函数FLRNDM产生一个0-1（不包括1）的浮点小数实现电子抽样。电子抽样物理模型如下：

式中，(zyx,,)和(ωυμ,,)分别为电子抽样位置坐标和发射方向的余玄矢量；1φ和2φ为随机数；R为电子抽样的圆柱面半径；1z和2z为电子抽样的最大Z轴坐标和最小Z轴坐标；θ为相对束流中心线的电子抽样角度。

2.3束流长度对计算结果的影响

在用基于束流线源模型做计算时，线源的中心对应主体墙外的剂量可能并不是最大剂量，最大剂量点的位置与线源的长度有关系。因此，利用上述建立的束流线源模型进行了计算，取主体墙长度25m，电子发射角（电子发射方向与束流中心线的夹角）1°打在管壁上，电子能量为130 MeV。屏蔽设计目标是使年剂量不高于5 mSv，年工作时间取2000 h，取2倍的安全系数，因此需要使主体墙外的周围剂量率小于1.25 μSv·h-1；左侧墙和右侧墙居留因子取1，顶板居留因子取1/4。束流长度与主体墙外剂量的关系见图3。

图3 顶板外(a)、左墙外(b)和右墙外(c)周围剂量率随轴向距离的变化Fig.3 Changes of dose rate outside of roof (a), left wall (b) and right wall (c) with the axial distance

对于顶板，当线源长度13 m时，墙外的剂量率变化非常缓慢，并已出现剂量平台；对于左侧墙，当线源长度15 m时，墙外最大剂量率已接近剂量平台区，当线源长度17 m，已出现剂量率平台区；对于右侧墙，由于其距离束流中心线较近，剂量平台当线源长度7 m时就出现了，最大剂量平台在线源长度11 m时出现。考虑计算时间，线源的长度取17 m。图4为线源长度为17 m时的剂量率分布图。

图4 线源长度为17 m时的剂量率分布（正视图）Fig.4 Dose rate distribution for 17 m line beam (front view).

3 数据分析及结论

利用SHIELD11软件对上述屏蔽问题进行了计算，其计算结果与基于FLUKA程序计算的结果吻合较好，两者比较见表1。

通过比较发现，对于加速器横向屏蔽设计，SHIELD11要比基于束流线源模型的FLUKA设计保守，两者计算结果最大相差小于15%，因此基于束流线源模型适用于电子直线加速器的主体墙横向屏蔽设计。用FLUKA的AUXSCORE卡计算了主体墙外光子和中子的剂量贡献。结果表明，主体墙外次级光子对剂量率的贡献率左墙为30.70%，右墙为23.50%，顶墙为4.00%；主体墙外中子对剂量率的贡献率左墙为47.04%，右墙为34.00%，顶墙为95.03%。主体墙外各分群中子剂量率贡献见表2，可见中子的剂量主要是由能量较低的巨共振中子贡献，伪氚核中子的中子剂量贡献只占很少的一部分，高能中子无剂量率贡献。分群中子剂量贡献率表明，加速器隧道外的辐射监测应该采用较低能量响应范围的中子固定监测仪器。

表1 FLUKA和SHILED11的屏蔽计算结果Table 1 Comparison of calculation results between FLUKA and SHILED11.

表2 主体墙外中子剂量贡献率Table 2 Contribution rate to neutron dose out of shielding walls.

该线源模型已成功用于DCLS注入器段前端墙、防护门及迷道的屏蔽设计。在对加速器主体做横向屏蔽计算时，电子能量是单一的，而在对注入器前端做屏蔽设计时，电子能量沿束流输运方向逐渐增加，且前端区的电子能量较低，利用经验公式做屏蔽计算时，合理的辐射源项难以寻找，所以通过线源模型尽量真实再现电子能量的变化情况，找到较合理的辐射源项。图5为注入器前端几何模型在FLUKA中实现的剖面图和剂量率分布图。其计

图5 注入器段前端部分在FLUKA中的实现(a)和剂量率分布图(b)Fig.5 Geometry (a) and dose rate distribution (b) of particle injector section in FLUKA.

1 Emma P, Akre R, Arthur J, et al. First lasing and operation of an angstrom-wavelength free-electron laser[J]. Nature Photonics, 2010, 4: 641-647

2 Zhao Z T, Wang D, Chen J H, et al. First lasing of an echo-enabled harmonic generation free-electron laser[J]. Nature Photonics, 2012, 6: 360-363

3 陈欢欢. 我国巨资建国际唯一波长可调极紫外自由电子激光[N]. 中国科学报, 2012-03-15 B1综合CHEN Huanhuan. The only free electron laser with tunable extreme-ultraviolet wavelength on the international will be established with huge investment in China[N]. China Science Daily, 2012-03-15 B1 integrated columns

4 Yoshihiro Asano. Characteristics of radiation safety for synchrotron radiation and X-ray free electron laser facilities[J]. Radiation Protection Dosimetry, 2011, 146(1-3): 115-118

5 Nelson W R, Jenkins T M. The SHIELD11 computer code[M]. Stanford: SLAC-Report-737, 2005

6 Jenkins T M. Neutron and photon measurements through concrete from a 15 GeV electron beam on a targetcomparison with models and calculations[J]. Nuclear Instruments and Methods, 1979, 159: 159-265

7 Ferrari A, Sala P R, Fasso A, et al. Fluka: a muti-particle transport code[M]. Geneva: European Organisation for Nuclear Research, 2011

CLCTL508

Shielding design of free electron laser’s main wall based on the line-source sampling physical model

XU Yuhai XIA Xiaobin WANG Guanghong XU Jiaqiang
(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Zhangjiang Campus, Shanghai 201204, China)

Background:Dalian Coherent Light Source (DCLS) which is under construction is the first fourth-generation light source in China, and the only free electron laser with adjustable ultraviolet waves in the world. Purpose and Methods: By adopting the FLUKA code, a cylinder-tunnel geometric model and a line-source sampling physical model are constructed to calculate the thickness of shielding walls in the section of injector. The difference is discussed by comprehensive comparison of calculation results based on FLUKA and SHIELD11. Results: The results based on the FLUKA coincide with that based on SHILED11. The dose out of shielding walls is mainly comprised by the dose of neutron, and the dose of Giant-Resonance accounts for more than 95% of neutron dose. Conclusion: Line-source sampling physical model constructed based on Monte Carlo method can be used in shielding design of electron accelerator’s main walls.

FLUKA, Shiled11, Line-source sampling physical model, Shielding design, Dalian Coherent Light Source (DCLS)

TL508

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.060101

国家自然科学基金(No.21127902)资助

徐玉海，男，1985年出生，2012年于哈尔滨工程大学获硕士学位，助理研究员，研究领域为粒子加速器屏蔽设计与剂量学研究

夏晓彬，E-mail: xiaxiaobin@sinap.ac.cn

2013-10-23，

2014-03-27