高能同步辐射光束线站轫致辐射吸收器设计

刘平成 刘琼瑶 马忠剑 张会杰 阎明洋 王庆斌,2

1（中国科学院高能物理研究所 北京100049）

2（散裂中子源科学中心 东莞523803）

3（中国科学院大学 北京100049）

高能同步辐射光源（High Energy Photon Source，HEPS）是中国“十三五”重大科研基础设施项目之一，建成之后将会是世界上发射度最低、亮度最高的同步辐射光源，可提供能量高达300 keV 的高性能X 射线。HEPS 由一个长18.9 m 的500 MeV直线电子加速器、一个周长454.5 m 的6 GeV 增强器、一个周长1 360.4 m的6 GeV电子储存环以及若干条光束线站组成，如图1所示。

电子与储存环中残余气体反应产生的气体轫致辐射是光束线站主要辐射源项之一［1］。气体轫致辐射具有很强的前向性，会伴随着同步辐射光的引出进入第一光学棚屋（First Optical Enclosure，FOE），通常会在FOE 中设置轫致辐射吸收器（Beam Stop，BS）来阻止气体轫致辐射，但同时会产生光核反应中子，较难被棚屋铅墙屏蔽。由于运行工况、线站布局、直线节长度以及分析方式的差异，国际上的一些对高能光源上光核反应中子的研究结果存在一定的差异，一些研究认为光核反应中子造成的剂量率较低，不需要额外的屏蔽措施［2-3］。另一些研究认为，光核反应中子的辐射影响不可忽略，需要棚屋侧墙高剂量率处增加局部屏蔽［4］或者在BS 上覆盖聚乙烯［5］来减少中子剂量率。本文使用蒙特卡罗方法分析了HEPS典型光束线站上光核反应中子的特性并提出屏蔽方法。

1 典型光束线站布局简介

图1 高能同步辐射光源主体建筑示意图Fig.1 Schematic of main building of HEPS

HEPS 储存环有48 个直线节，其中41 个可以用来安装插入件，I期工程计划建设14条光束线站，包括13 条插入件线站和1 条弯铁线站，图2 给出了典型插入件光束线站──工程材料线站FOE 内主要设备。直线节长6.072 m，真空盒管道内径63 mm，管壁厚2.5 mm，直线节中心距离锯齿墙端墙FOE一侧（图2中0 m处）31.5 m。FOE长15 m、宽2.5 m、高4 m，束流管道中心距离地面1.2 m，距离FOE的侧墙1.25 m，棚屋的墙壁使用铅为屏蔽材料，初步设计的侧墙厚25 mm，屋顶厚20 mm，端墙厚130 mm（50 mm 厚端墙+80 mm 局部屏蔽）。当线站处于供光模式，同步辐射和气体轫致辐射通过锯齿墙开孔从前端区进入FOE，沿途经过一系列准直器、安全光闸、狭缝、白光镜、双晶单色器、BS 等设备的散射。同步辐射光在经过双晶单色器后调制为单色光或者粉光，光路改变，进入下游线站。BS 设置在双晶单色器后，吸收直射的气体轫致辐射。准直器为250 mm×250 mm×300 mm 铅块，中心距离锯齿墙0.65 m，准直器中心有尺寸为20 mm×20 mm 通光孔。白光狭缝为无氧铜材料的四角水冷狭缝，中心距锯齿墙1.7 m，计算模型中将四角水冷狭缝简化为两组上下相对的15 mm厚铜片。单色器中心距离锯齿墙11.1 m，单色器结构较为复杂，为了建模方便，忽略单色器内部的机械传动结构，双晶为20 mm 厚的硅晶体，与水平面夹角为35°。薄膜窗，折射透镜等设备对气体轫致辐射高能光子的散射作用较弱，所以在模拟计算中不考虑这部分设备的影响。

图2 典型光束线站FOE中的主要设备和轫致辐射吸收器示意图Fig.2 Schematic view of the main equipment and beam stop in the FOE of typical beamlines

2 直线节中的气体轫致辐射

气体轫致辐射是高能电子在真空盒中与残余气体的分子和离子发生非弹性碰撞时产生的高能γ射线，由于是来自非弹散射过程，表现为连续谱的电磁辐射，在HEPS 上气体轫致辐射最高能量可以达到6 GeV，发射角为0.085 mrad（相对论电子气体轫致辐射发射角为0.511/E，E为电子能量MeV）。使用FLUKA模拟能量为6 GeV的电子照射6.072 m长的直线节，直线节真空盒为壁厚1 mm的不锈钢，内径尺寸为15 mm×22 mm。束流按照高斯分布进行抽样，X方向束流的半高全宽为0.236 mm，Y方向束流的半高全宽为0.118 mm。电子在通过直线节后会有磁铁进行偏转，在模拟计算中，在直线节末端截断电子的传输，只让气体轫致辐射向线站下游传输，模拟中的直线节中残余气体压力和成分会对结果产生较大的影响，然后对残余气体设置进行详细的说明。

气体轫致辐射的强度与电子的能量、流强、直线节的长度和真空度存在线性关系，为了增加反应的概率和提高计算的效率，通常将直线节的气体压力设置为一个大气压，再将产生的气体轫致辐射线性换 算 成 实 际 的 运 行 工 况 下 对 应 值［1，5-7］。 但 是Asano［8］在Spring8 光源上的研究表明，这种线性换算并非始终可行。多次库伦散射和Moller 散射（入射电子和原子电子之间的碰撞）在低真空（1.013×102Pa）下可以忽略不计，但在大气压下却是主要的相互作用。HEPS 正常运行环境的真空度P0优于1.33×10-7Pa，本文为增加计算效率，使用的气体直线节的真空度Pc为1.013×102Pa，在后续的能谱以及剂量当量的处理时，将模拟计算结果乘以系数η（η=P0/Pc）换算至1.33×10-7Pa真空下的相应数值。

此外，残余气体的平均原子序数会对计算结果产生较大的影响，模拟计算中残余气体成分参照了欧洲同步辐射光源（European Synchrotron Radiation Facility，ESRF）在储存环能量6 GeV、流强200 mA、真空度1.33×10-7Pa条件下的测量结果［9］，平均原子序数为3.2，如表1所示。

表1 计算中使用的残余气体成分Table 1 Composition of the residual gas used in the simulation

图3是直线节末端的气体轫致辐射的能谱。光子能量在超过光核反应的阈值时，会与照射到的物质产生光核反应中子（Photo-neutron）。根据入射光子的能量大小，光核反应中子主要来自三种途径［10］：巨共振衰变（入射光子能量10～30 MeV）、伪氘核效应（入射光子能量50～300 MeV）、核内级联（入射光子能量大于140 MeV）。HEPS直线节产生的初级轫致辐射的能量远超于光核反应的阈值，第一光学棚屋内的轫致辐射阻挡器和棚屋需要考虑光核反应中子的影响。

图3 6 GeV电子在长6.072 m、真空度1.33×10-7 Pa直线节中产生的气体轫致辐射能谱Fig.3 Gas bremsstrahlung spectrum produced by 6 GeV electrons in 6.072 m long straight section with 1.33×10-7 Pa vacuum degree

3 气体轫致辐射散射

当线站进入工作模式时，安全光闸打开，中心光锥的气体轫致辐射会随着同步辐射到达光学棚屋，高能光子可以与其碰到的任何物体发生散射，产成次级轫致辐射。虽然没有初级气体轫致辐射那样强烈，但次级轫致辐射会向各个方向传播，当初级轫致辐射被所截止后，次级轫致辐射的散射将是光学棚屋屏蔽的重点。气体轫致辐射引起的散射光子和光核反应中子同样是使用FLUKA 软件进行计算，徐加强等［11］基于上海光源的BL09U 插入件线站对光核反应中子进行了FLUKA 计算和实验测量的对比，验证了FLUKA 处理轫致辐射散射问题的可靠性。

气体轫致辐射散射模拟计算使用的几何模型综合考虑了图2 所示的准直器、狭缝、单色器以及BS等主要设备，FOE的一侧利用锯齿墙屏蔽辐射，另一侧为25 mm厚铅墙。将直线节中产生的气体轫致辐射光子向线站下游输运，直线节的中心距离FOE的入口31.5 m，经过一系列设备截止于BS上。然后使用FLUKA 的USRBIN 选项卡记录FOE 内的剂量当量，然后通过AUXSCOR选项的AMB74转换系数将结果转换为周围剂量当量。

图4（a）是FOE 束流平面（距地面1.2 m）的光子剂量率分布，气体轫致辐射光子在准直器后狭缝处产生前向性的散射，气体轫致辐射的中心截止于BS，光子剂量率最大值发生在气体轫致辐射的截止点，为6.4×104μSv·h-1，在经过空气和25 mm的棚屋铅墙衰减之后，光子剂量率最大值衰减为0.17 μSv·h-1。图4（b）是束流平面中子的剂量率分布，中子主要产生在准直器、狭缝和BS处，中子剂量率最大值同样发生在气体轫致辐射的截止点，为9.1×103μSv·h-1，中子的剂量以BS 为热点向四周衰减，但是可以看到，棚屋铅墙对中子几乎没有起到屏蔽作用，棚屋铅墙外的中子剂量率最大值仍然有2.80 μSv·h-1。由于FOE 的侧墙外是同步辐射的用户和工作人员可以活动的场所，HEPS 对FOE 外的辐射安全限值是希望剂量率控制在2.5 μSv·h-1以下，而仅靠铅墙很难对中子进行有效的屏蔽，所以屏蔽措施还需进一步优化。

4 光核反应中子能谱以及轫致辐射吸收器设计

使用射线追迹方法初步确定BS 的尺寸为250 mm×250 mm×300 mm 的铅块。使用FLUKA 的USRTRACK 选项统计不同角度内的光子和中子能谱，粒子统计区域为环绕着BS 的环形区域，如图5所示。

图4 第一光学棚屋内剂量率分布 (a)光子，(b)中子Fig.4 Distribution of dose equivalent rate in the FOE(a)Photon,(b)Neutron

图5 FLUKA统计散射粒子能谱的区域(a)正视图，(b)侧视图Fig.5 Spectrum scoring area of scattered particles in FLUKA simulation (a)Front view,(b)Side view

图6（a）统计了0°～150°的散射光子能谱（150°～180°内会统计到入射的轫致辐射光子），0°～90°内的散射光子通量仅占17.8%，BS 很好地屏蔽了气体轫致辐射产生的前向和侧向的散射光子，但同时也产生了光核反应中子。图6（b）是0°～180°的中子的能谱，可以看出光核反应中子以巨共振中子（0.1～5 MeV能量区间的中子）为主，占散射中子总通量的91%，由于BS本身有300 mm的厚度，入射方向（0°～90°）的中子部分沉积在铅体内，通量远小于侧向及反射方向（90°～180°）的中子。

如果在FOE棚屋铅墙处对中子进行屏蔽，需要屏蔽较大的面积。从图4（b）可以看出，中子热点主要产生在BS 处，如果在源头上加以优化，在中子未向外传播时将其屏蔽，可以大大减少FOE的屏蔽代价。含硼聚乙烯是在工业上被广泛应用的中子屏蔽材料，聚乙烯是分子式为［C2H4］n的高含氢量的碳氢化合物，当氢原子与快中子发生弹性碰撞时，通过（n，γ）反应将快中子慢化为慢中子，硼元素（10B）具有较高的慢中子吸收截面，可以通过（n，α）反应吸收慢化的中子。物质在慢化快中子和吸收慢中子后往往会伴随着二次γ 辐射，氢原子慢化快中子反应产生的二次γ 辐射能量为2.23 MeV，硼吸收慢中子产生能量为0.478 MeV 的γ 辐射以及容易被材料本身吸收的α 粒子。通过含硼聚乙烯的局部屏蔽，可以将中子的辐射转化为很容易被棚屋的铅墙屏蔽低能γ辐射。

图6 不同角度的散射光子能谱(a)和中子能谱(b)Fig.6 Scattering photon(a)and neutron(b)spectrum at different angles

设计图7 所示的含硼聚乙烯和铅的屏蔽结构，使用正面10 cm厚、侧面7 cm厚含硼聚乙烯包在BS上，计算中使用的含硼聚乙烯的成分为92%的聚乙烯和8%的B4C。

图7 含硼聚乙烯和铅的组合屏蔽示意图Fig.7 Schematic of the combined structure of boroncontaining polyethylene and lead

使用含硼聚乙烯和铅组合屏蔽的BS后，第一光学棚屋束流平面的光子和中子剂量率分布如图8所示，经过含硼聚乙烯后中子剂量有明显的衰减，FOE内外的中子剂量均有降低，FOE 侧墙外中子剂量率最大值下降到0.4 μSv·h-1，而屏蔽前后的光子辐射场变化从剂量率分布图中看并不明显。为了研究含硼聚乙烯对光核反应中子吸收以及二次的γ 辐射，使用FLUKA 的USRTRACK 选项统计了屏蔽之后BS 吸收气体轫致辐射厚在不同角度的光子和中子能谱，统计结果如图9 所示。由于硼俘获热中子伴随的0.478 MeV 的 γ 辐射，0.4～0.5 MeV 能量区间的光子通量有明显的升高，是屏蔽前的296%，而0.5～5 MeV 之间的光子通量却降低了30%，更高能量段的光子通量则变化不大。含硼聚乙烯对快中子有着明显的慢化吸收作用，0.1～5 MeV 能量区间的巨共振中子通量比屏蔽前降低了96%，更高能量段的中子通量变化较小。

图9 屏蔽后不同角度的光子能谱(a)和中子能谱(b)Fig.9 Photon(a)and neutron(b)spectrum at different angles after shielding

图8 使用局部屏蔽后第一光学棚屋内剂量当量率分布(a)光子，(b)中子Fig.8 Distribution of dose equivalent rate in the FOE after using partial shielding (a)Photon,(b)Neutron

图10 对比了气体轫致辐射照射屏蔽前后两种结构的BS后光学棚屋（25 mm铅墙）外的总剂量率，图上数据点为FOE侧墙外表面距地面1.2 m（束流平面）处的中子剂量率加上光子剂量率。BS 未屏蔽时，侧墙外表面的最高点剂量率为2.8 μSv·h-1，当使用含硼聚乙烯局部屏蔽后，对应点的剂量率下降到0.4 μSv·h-1，达到了HEPS的辐射剂量率安全标准。

5 结语

本文使用蒙特卡罗软件FLUKA 对高能同步辐射光源光束线站前端区、第一光学棚屋以及线站主要设备建立计算模型，模拟计算了高能同步辐射光源正常运行工况下，直线节上产生的气体轫致辐射能谱，气体轫致辐射在照射到第一光学棚屋的器件上产生散射。传统的轫致辐射吸收器是铅块或钨块，气体轫致辐射照射后会产生光核反应中子，模拟计算表明：在高能同步辐射光源上光核反应中子引起的辐射剂量不可忽略。根据轫致辐射光子和光核反应中子的角分布设计铅和含硼聚乙烯组合屏蔽，大大降低了第一光学棚屋内外的中子剂量率，达到HEPS的辐射剂量率安全标准，为国内外类似高能同步辐射装置提供参考。