3 MeV电子辐照加速器主厅内漂移管周围辐射场分析

2015-12-01雷洁瑛李珏忻於国兵顾先宝

核技术 2015年2期

关键词：圆台吸收剂量剂量率

雷洁瑛陈志李珏忻於国兵顾先宝徐榭

1（中国科学技术大学核科学技术学院合肥 230027）

2（中国科学技术大学国家同步辐射实验室合肥 230029）

3（安徽省辐射环境监测站合肥 230071）

3 MeV电子辐照加速器主厅内漂移管周围辐射场分析

雷洁瑛1陈志1李珏忻2於国兵3顾先宝3徐榭1

1（中国科学技术大学核科学技术学院合肥 230027）

2（中国科学技术大学国家同步辐射实验室合肥 230029）

3（安徽省辐射环境监测站合肥 230071）

对漂移管周围不同方向剂量水平及其影响因素进行定量评估，有助于对电子辐照加速器主厅内辐射分布建立定性认识。由于加速管沿程束流损失和来自辐照室的透射辐射对加速器主厅的贡献极小，辐照室内经过漂移管外孔隙的散射辐射是加速器主厅的主要辐射源。本文利用蒙特卡罗程序MCNP5对某3MeV高频高压加速器机房进行建模，着重探索不同类型地板圆形通孔对加速器主厅剂量的影响程度。结果表明，通孔直径对垂直方向剂量率的影响极小，而水平方向剂量率随直径的不同而变化明显。对于直径10cm左右的漂移管，通孔采用直径40–60cm圆孔较佳；通孔中采用阶梯型圆台结构不仅节省了加速器轴向高度，更能有效地降低漂移管周围的辐射水平。

加速器主厅辐射场，通孔，屏蔽设计，MCNP5

图1(b)为机房的蒙特卡罗计算模型，即输入文件的几何结构（其中的黑点表示模拟选取的计算点）。本文对所研究的加速器主厅的剂量分布情况给出定量的评估，并设计和优化通孔类型，通过模拟计算得出一些结论，可以为相关的屏蔽设计提供参考。

1 模拟计算

1.1 计算工具

本文选用应用较为成熟的蒙特卡罗模拟软件MCNP5对安徽省内现运行的某高频高压加速器进行建模计算。蒙特卡罗方法具有较强的通用性，可模拟任意三维空间粒子的传输过程，非常适合空间散射问题的模拟计算[3]。

1.2 计算方法和条件

现阶段用于辐照加工生产的高频高压加速器的能量多为1–3MeV，功率在20–90kW[4]。本文以束流能量为3MeV、束流功率20kW、束流强度相当于电子通量为4.167×1016s-1的高频高压加速器为研究对象。由于单步计算空间散射问题所需的抽样粒子数太多且计算电子输运比光子输运耗时多，很难得到合理的结果，因此本文采用分步计算方法，可以大大减少计算量并提高计算精度[5]。

为保证实际操作时各种电缆都能接受到辐照，将束流假设为直径约几个厘米量级的圆形单向平面源；源与靶之间是空气，其距离无需过多考虑，可直接依照实际加速器设计的参数设定；将被辐照的电缆以及载有电缆的滚筒滑轮等装置简化为具有一定厚度的圆柱形铁靶，由于研究的重点是X射线反散射的部分，靶的厚度和直径对180°方向的光子影响很小，所以靶的厚度大于电子在靶中的一倍射程，直径比束流截面直径大一个量级即可。

首先用MCNP5的F5卡记录辐照室内电子束射向铁靶后距离靶上方1m处的光子能谱，作为下一步计算所需新光子源的能谱，新光子源由通孔底部向上散射进入加速器主厅，与钢筒底部散射形成辐射场。所采用的加速器主厅几何尺寸接近实际大小，漂移管的直径是10cm，通孔分别设计成直径D为20cm、40cm、60cm和80cm的圆形通孔。计算上述4种通孔时距漂移管1m处垂直方向不同高度的光子通量，再记录距地面高度10cm、水平方向距漂移管不同位置的光子通量，通过经验公式和常温常压下干燥空气对不同能量X射线的质量能量吸收系数[6]将光子通量转化为吸收剂量率，对结果加以比较后得到圆孔的最佳尺寸。然后为更有效地降低加速器主厅内的辐射水平，将满足条件的圆孔优化成阶梯型圆台通孔，再次计算加速器主厅内对应位置的吸收剂量率，与未优化前的结果进行对比，可以明显看出优化效果。最后在阶梯型圆台结构的高度和内径不同的情况下，计算剂量率平均降低的百分比，分析所得结果。为了满足MCNP对于探测器输出结果的误差在5%以内的要求，模拟跟踪的粒子数均在4×107以上。

1.3 光子通量转化为吸收剂量率

MCNP5的F5卡记录的是每个能量区段内的光子通量，而辐射防护关注的是吸收剂量，因此需要利用式(1)将通量转化为剂量率。

将0–3MeV分为20个能量道进行统计，能量道Ej内对应的光子通量φj由输出文件给出，每个能量道内的光子通量乘以对应的空气质量能量吸收系数(μen/ρ)和能量，求和得到总吸收剂量率[7−8]，为了保证结果的保守性，所乘的能量是每个能量段的上限值。等式右边得到的以MeV·g−1为单位的结果乘以1.6×10−10×3600就可以转化为以Gy·h−1为单位的吸收剂量率。

1.4 电子打靶产生的光子能谱

具有一定束流截面的3MeV电子束轰击靶产生的X射线在辐照室具有一定的空间分布，统计出打靶后的光子能谱及飞行方向，以便为后续建立散射计算所需要的光子源做准备。射向通孔内的光子是研究重点，故采用靶上方1m处的光子能谱代替整个电子打靶后在不同位置产生的光子的能谱，作为下一步计算光子输运所需新光子源的能谱和飞行方向谱。光子的飞行方向谱统计的是出射光子的方向与入射电子方向夹角在0°–180°内的光子通量角分布，每隔10°进行统计。图2是新光子源能谱和光子的飞行方向谱。

图2 新光子源的能谱分布(a)和光子的飞行方向谱(b)Fig.2 New energy spectrum (a) and angular distribution (b) of spectrum.

光子能谱峰值出现在0.15MeV，能段处于0.05–0.8 MeV之间的光子约占90%，1 MeV以上的光子只占9%。飞行方向在0°-90°之间的出射光子所占比例为73%，90°-180°之间的占27%。

1.5 加速器主厅垂直方向的吸收剂量率

根据图2所示的光子能谱和飞行方向谱建立一个平面源，位于圆孔下表面并向上发射光子，形状和大小与通孔一致。为了探究通孔形状对垂直方向剂量率的影响大小，将圆孔改为同等边长的方孔，分别记录4种尺寸的圆孔和方孔时水平方向距漂移管1m、垂直方向距地面0–50cm内不同高度的吸收剂量率。

由图3可见，当两种类型通孔的直径D和边长L相等时，垂直方向上产生的辐射剂量基本一致；同种类型的通孔其尺寸不同时产生的辐射剂量分布也没有较大差别，由此可以认为理论上加速器主厅的垂直辐射场与通孔的形状和尺寸关系不大，故根据施工经验和现有辐照加工车间的通孔设计，采用圆形通孔。此外，随高度的增加，剂量率呈现缓慢降低的趋势，这是由于从通孔散射上来的光子能谱已经弱化，再经过钢筒的散射必然不会对加速器主厅垂直辐射场造成太大影响。为了探究合理的圆孔尺寸，还需要关注加速器主厅水平方向吸收剂量率和光子能谱的变化情况。

图3 通孔为圆孔(a)和方孔(b)时距漂移管1 m处的垂直方向吸收剂量率的分布Fig.3 Vertical absorbed dose rate at 1 m distance from the drift tube when hole is circle (a) and square (b), respectively.

1.6 加速器主厅水平方向的吸收剂量率

根据上面的讨论，垂直方向的剂量率随高度的增加逐渐减小，因此选取高度为距离地面10cm，水平方向距离漂移管10cm、20cm、50cm、100cm、150cm、200cm、250cm的计算点的剂量率作为保守值。表1列出地板通孔为不同直径D的圆孔时各点的吸收剂量率，为了得到方形通孔对主厅内水平方向吸收剂量率的影响，又计算了不同大小的方孔时各点的剂量率，得到的数值与表1中的结果非常接近，由此可以肯定加速器主厅的剂量分布趋势与通孔的形状无关。

表1 计算点在不同圆孔直径D时的吸收剂量率(10−16 Gy·h−1)Table 1 Adsorbed dose rate with calculation points at different diameters of circular hole (10−16 Gy·h−1).

由表1中数据发现：(1) 辐射剂量主要集中在距漂移管10–20cm，距漂移管50cm附近的剂量率相比较出口处的剂量率迅速衰减约3个数量级，而50cm之后剂量率随距离的衰减变慢，剂量率的数量级不再有明显变化，基本趋于平缓下降。这主要是由于在受钢筒底部散射影响较大的区域，X射线在钢筒和地面之间的空间内附加了次级辐射场，造成较高的剂量率且在某位置形成剂量率峰值；在钢筒的边界位置，射线的散射状况突然改变，剂量率骤降，而超出边界范围后，随着距离的增加散射的影响迅速减少，剂量率衰减也变慢。对比在安徽省几家辐照加工车间的加速器主厅内用热释光方法测量得到的不同水平距离处的剂量归一化结果，发现实测数据显示的变化趋势与蒙特卡罗模拟符合的很好，如图4[2]所示。

图4 利用热释光剂量计测量不同水平距离处剂量的归一化结果Fig.4 Normalized dose at different horizontal distances with thermoluminescence dosimeter.

(2) 在距离漂移管10–20cm：圆孔直径D对剂量率影响较大，同一位置的吸收剂量率随D而增大，这是由于通孔的尺寸决定了其内部散射界面面积的大小，参照光子散射系数α的式(2)[9]，散射系数α取决于入射X射线的能量、反射角度以及散射面的材料。出口剂量D受D0、α、d等系数的影响较小，而在很大程度上取决于散射面积A，因此开口越大，散射面积越大，出口处的光子剂量率就越高，根据表1中数据还发现，当直径到达60cm后，随着直径的增大，出口附近位置剂量的上升幅度也逐渐增大，因此选用直径20–60cm的圆孔较合适。式中，D0是通孔下表面处（辐照室侧）的吸收剂量率；A是散射界面的面积；d是散射中心到测量点的距离。

1.7 加速器主厅内水平方向的能谱分布

辐射防护中除了关注辐射场的剂量率之外，光子能谱分布也是研究的重点。选用上述4种直径的圆孔，由于50cm后漂移管周围的辐射场已趋于平缓，故只研究图5中10cm (a)、20cm (b)、50cm (c)、100cm (d)四个点的光子能谱，能谱的能量分段与之前讨论的分段一致。

图5 计算点在10cm (a)、20cm (b)、50cm (c)、100cm (d)时的光子能谱随着圆孔直径的分布Fig.5 Distribution of photon energy spectrum with diameter of 10cm (a), 20cm (b), 50cm (c), 100cm (d) respectively.

由图5可知，(1) 计算点的能量峰值均在0.15MeV左右，位置较近时射线与钢筒易发生散射，散射光子的能量范围较宽。随着距离的增加，射线与钢筒散射的几率减小，能谱峰值尖锐，粒子能量基本处于0.15MeV。(2) 不论圆孔的直径多大，当位置达到50cm之后，光子通量的变化趋势基本一致，距漂移管10–20cm附近的辐射场受通孔尺寸的影响较大。(3) 通孔直径为40–80cm时的光子通量分布相差不多，故选取的直径在此范围均比较合理。一般的漂移管直径是10cm左右，因此通孔不宜过小，结合上文有效地限制加速器主厅内散射光子的考虑，认为选用40–60cm的圆孔最佳。

1.8 地板通孔的优化设计

为了充分利用空间，可将通孔设计成圆台阶梯型，将聚焦线圈、导向等束流光学元件安放在台阶上，使加速器在轴向节省一定的高度，从而降低建筑物的高度，更重要的是此类结构是加速器主厅的一个很好的屏蔽，因此不论从建造的经济性还是辐射场屏蔽的有效性，通常将通孔设计为图6的结构。

图6 直径40cm的圆孔内增加阶梯型圆台后的通孔剖面图Fig.6 Profile map of protective floor hole after adding stair-step platform in circle with diameter of 40 cm.

选取直径为40cm的圆孔，根据部分辐照加工车间中圆台结构的实际情况，将阶梯型圆台结构的内径d定为20cm，高度h约80cm（上下层之间的防护地板厚约1m）。加圆台结构后得到水平计算点的吸收剂量率，与改进前的模拟结果进行对比，加速器主厅内各计算点的辐射剂量相比较未改进前的降低幅度列于表2。

表2 直径40 cm圆孔改进后各计算点的剂量率较改进前降低的百分比Table 2 Reduced percentage of dose level after improvement comparing with that before improvement to circle with diameter of 40 cm.

对比结果发现，通孔增加了阶梯型圆台结构后，加速器主厅水平方向的辐射强度明显下降，改进前后辐射剂量的降低百分比最高可达99.5%，尤其是距离漂移管道10–20cm高剂量位置，剂量率平均降低约79.1%，这种屏蔽设计已经很好地阻挡了大部分散射光子，屏蔽效果可观。为了同样达到有效降低辐射剂量的目的，再合理配比直径50cm和60cm圆孔内部的阶梯型圆台结构的尺寸，得到圆台比较经济有效的设计办法。表3显示的是不同的圆台高h和内径d对加速器主厅内剂量率平均降低百分比的影响，其中50cm圆孔的圆台内径d1取20cm和40cm，60cm圆孔的圆台内径d2取24cm和48cm，圆台高h均取40cm和80cm。

表3 直径50 cm和60 cm圆孔内部的不同的圆台高h和内径r对剂量率降低的平均百分比Table 3 Average reduced percentage of dose rate with different height and inner diameter of stair-step platform to circle with diameter of 50 cm and 60 cm.

由表3可见，圆台结构的高度一定时，圆台内径缩小一倍，剂量率平均降低水平明显；圆台结构的内径一定时，圆台高度增加一倍对剂量率平均降低百分比的影响不大。由此可知，减小通孔中圆台的内径是降低辐射剂量的最有效途径，这为今后通孔屏蔽设计提供了一定的理论依据。

2 结论

通过对加速器主厅内漂移管周围垂直和水平方向辐射场的模拟计算，得出以下结论：

(1) 利用分步计算的方法将距离靶1m处的光谱分布作为加速器主厅的新光源进行模拟可以较为准确地得出空间散射剂量率，能够很好地反映辐射场的真实情况。

(2) 加速器主厅内垂直方向的辐射场受地板通孔形状和尺寸的影响较小，随着高度的增加，吸收剂量率基本是同量级的平缓降低；水平方向上同一位置的吸收剂量率随通孔尺寸而增大，且50cm及之后的剂量率较10–20cm的剂量率下降约3个量级，此时剂量率已经很小且分布趋于平缓，这与实测数据的变化趋势一致，很好地说明了本次模拟的合理性；但通孔尺寸会较大程度地影响水平方向10–20cm的辐射场。

(3) 为了控制加速器主厅内的辐射水平，应该合理选取圆孔的尺寸，对于直径10cm左右的漂移管，建议选用直径40–60cm的圆孔。

(4) 随着距离的增加，从通孔散射上来的光子在加速器主厅内形成的辐射场能谱会从能量在一个范围内的分布逐渐变为在峰值附近比较尖锐的分布，加速器主厅内的散射光子能谱峰值与新光源能谱峰值相同，均是初始电子能量的5%左右。

(5) 在通孔内部增加了阶梯型圆台结构，这种改进有利于节省加速器轴向高度并有效地控制加速器主厅内的辐射水平，因此在实际工业加速器机房结构设计时可以优先考虑这种方法，设计时增加圆台的高度不能显著降低剂量率，缩小圆台内径能更有效地降低辐射剂量。

3 结语

定量评估了地板通孔类型对加速器主厅内漂移管周围垂直和水平方向辐射水平的影响，对其内部的辐射场分布情况有了一定的认识，为今后研究加速器主厅的辐射场指明一些思路。计算得到的通孔尺寸能够满足要求，为同种类型的加速器通孔设计提供参考；基于模拟结果，在数量级上明确了辐射场各位置的剂量率水平；对阶梯型圆台结构内部合理设计给出相关建议；漂移管周围辐射场研究和地板通孔的优化设计有待进一步的计算和测量，以提供更多的理论和实验依据。

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9 National Council on Radiation Protection and Measurements. Radiation protection design guidelines for 0.1−100 MeV particle accelerator facilities[R]. NCRP Report No.51, 2005

CLC TL508

The analysis for the radiation field around drift tube in the machine hall on a 3-MeV electron irradiation accelerator

LEI Jieying1CHEN Zhi1LI Juexin2YU Guobing3GU Xianbao3XU Xie1
1(School of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)
2(National Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science and Technology of China, Hefei 230029, China)
3(The Radiation Environment Supervision Station of Anhui Province, Hefei 230071, China)

Background: With the extensive application of industrial irradiation accelerator, more and more people get involved in this field. It is necessary to know the whole radiation distribution in accelerator room for the consideration of the human radiation safety. Purpose: In order to acquire qualitative knowledge for radiation distribution in machine hall, quantitatively calculation of the dose at points locating in the vertical and horizontal situation around the drift tube was carried out to achieve the distribution of radiation field and the best type of the hole when different types of holes were employed. Methods: The major source roots in the scattering radiation through the pore outside the drift tube, thus the MCNP5 was applied to the multi-step simulation of radiation field distribution on a 3-MeV Dynamitron. Results: The size and shape of hole have tiny effect on the dose rate in vertical direction; while the dose rates at different points from drift tube in the horizontal direction change with the type of holes apparently, and the best type of hole is circular hole with a diameter of 40−60 cm when the diameter of drift tube is about 10cm. Conclusion: Selecting the appropriate type of the hole is essential both for radiation room and machine hall. Adding stair-step platform in accelerating pipe hole not only help to save the axial height of accelerator, but also reduce the radiation level around drift tube effectively.

Radiation field of machine hall, The hole, Shielding design, MCNP5

TL508

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.020201

我国辐照用电子加速器中的高频高压加速器是广泛适用于综合辐照加工的高技术设备，所产生的电子束可使物质产生物理、化学和生物学效应，达到有效灭菌、保鲜和使材料改性等目的，创造了巨大的经济利益和社会效益。图1(a)为典型的辐照用高频高压加速器机房结构示意图，分为上下两层，上层为加速器主厅，下层为辐照室。

高频变压器、高压芯柱、加速管和高压电极安放在充有绝缘气体的钢筒内，加速管同心的安装在高压芯柱中，加速管顶部的电子枪产生的电子束经过加速管中的高压电场获得加速，从高压系统中引出后，经由漂移管穿过加速器主厅的防护地板通孔（以下简称通孔）进入辐照室，漂移管下端连接位于扫描磁铁内的芯管，扫描磁铁产生相互垂直的交变磁场，使电子束均匀地引出并照射被照物质[1]。通过对安徽省内几家高频高压加速器主厅内辐射场的研究发现[2]：一般情况下，此类加速器加速管沿程束流损失很小，对加速器主厅内的剂量贡献极小，来自辐照室的透射辐射也几乎全被上下层之间的地板吸收，故加速器主厅主要的辐射场源项是经过通孔的辐照室散射辐射打到钢筒后形成的二次散射。