雷潔瑛 陳 志 李玨忻 於國兵 顧先寶 徐 榭

1（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 合肥 230027）

2（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 國家同步輻射實驗室 合肥 230029）

3（安徽省輻射環(huán)境監(jiān)測站 合肥 230071）

3 MeV電子輻照加速器主廳內(nèi)漂移管周圍輻射場分析

雷潔瑛1陳 志1李玨忻2於國兵3顧先寶3徐 榭1

1（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 合肥 230027）

2（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 國家同步輻射實驗室 合肥 230029）

3（安徽省輻射環(huán)境監(jiān)測站 合肥 230071）

對漂移管周圍不同方向劑量水平及其影響因素進行定量評估，有助于對電子輻照加速器主廳內(nèi)輻射分布建立定性認識。由于加速管沿程束流損失和來自輻照室的透射輻射對加速器主廳的貢獻極小，輻照室內(nèi)經(jīng)過漂移管外孔隙的散射輻射是加速器主廳的主要輻射源。本文利用蒙特卡羅程序MCNP5對某3MeV高頻高壓加速器機房進行建模，著重探索不同類型地板圓形通孔對加速器主廳劑量的影響程度。結(jié)果表明，通孔直徑對垂直方向劑量率的影響極小，而水平方向劑量率隨直徑的不同而變化明顯。對于直徑10cm左右的漂移管，通孔采用直徑40–60cm圓孔較佳；通孔中采用階梯型圓臺結(jié)構(gòu)不僅節(jié)省了加速器軸向高度，更能有效地降低漂移管周圍的輻射水平。

加速器主廳輻射場，通孔，屏蔽設(shè)計，MCNP5

圖1(b)為機房的蒙特卡羅計算模型，即輸入文件的幾何結(jié)構(gòu)（其中的黑點表示模擬選取的計算點）。本文對所研究的加速器主廳的劑量分布情況給出定量的評估，并設(shè)計和優(yōu)化通孔類型，通過模擬計算得出一些結(jié)論，可以為相關(guān)的屏蔽設(shè)計提供參考。

1 模擬計算

1.1 計算工具

本文選用應(yīng)用較為成熟的蒙特卡羅模擬軟件MCNP5對安徽省內(nèi)現(xiàn)運行的某高頻高壓加速器進行建模計算。蒙特卡羅方法具有較強的通用性，可模擬任意三維空間粒子的傳輸過程，非常適合空間散射問題的模擬計算[3]。

1.2 計算方法和條件

現(xiàn)階段用于輻照加工生產(chǎn)的高頻高壓加速器的能量多為1–3MeV，功率在20–90kW[4]。本文以束流能量為3MeV、束流功率20kW、束流強度相當于電子通量為4.167×1016s-1的高頻高壓加速器為研究對象。由于單步計算空間散射問題所需的抽樣粒子數(shù)太多且計算電子輸運比光子輸運耗時多，很難得到合理的結(jié)果，因此本文采用分步計算方法，可以大大減少計算量并提高計算精度[5]。

為保證實際操作時各種電纜都能接受到輻照，將束流假設(shè)為直徑約幾個厘米量級的圓形單向平面源；源與靶之間是空氣，其距離無需過多考慮，可直接依照實際加速器設(shè)計的參數(shù)設(shè)定；將被輻照的電纜以及載有電纜的滾筒滑輪等裝置簡化為具有一定厚度的圓柱形鐵靶，由于研究的重點是X射線反散射的部分，靶的厚度和直徑對180°方向的光子影響很小，所以靶的厚度大于電子在靶中的一倍射程，直徑比束流截面直徑大一個量級即可。

首先用MCNP5的F5卡記錄輻照室內(nèi)電子束射向鐵靶后距離靶上方1m處的光子能譜，作為下一步計算所需新光子源的能譜，新光子源由通孔底部向上散射進入加速器主廳，與鋼筒底部散射形成輻射場。所采用的加速器主廳幾何尺寸接近實際大小，漂移管的直徑是10cm，通孔分別設(shè)計成直徑D為20cm、40cm、60cm和80cm的圓形通孔。計算上述4種通孔時距漂移管1m處垂直方向不同高度的光子通量，再記錄距地面高度10cm、水平方向距漂移管不同位置的光子通量，通過經(jīng)驗公式和常溫常壓下干燥空氣對不同能量X射線的質(zhì)量能量吸收系數(shù)[6]將光子通量轉(zhuǎn)化為吸收劑量率，對結(jié)果加以比較后得到圓孔的最佳尺寸。然后為更有效地降低加速器主廳內(nèi)的輻射水平，將滿足條件的圓孔優(yōu)化成階梯型圓臺通孔，再次計算加速器主廳內(nèi)對應(yīng)位置的吸收劑量率，與未優(yōu)化前的結(jié)果進行對比，可以明顯看出優(yōu)化效果。最后在階梯型圓臺結(jié)構(gòu)的高度和內(nèi)徑不同的情況下，計算劑量率平均降低的百分比，分析所得結(jié)果。為了滿足MCNP對于探測器輸出結(jié)果的誤差在5%以內(nèi)的要求，模擬跟蹤的粒子數(shù)均在4×107以上。

1.3 光子通量轉(zhuǎn)化為吸收劑量率

MCNP5的F5卡記錄的是每個能量區(qū)段內(nèi)的光子通量，而輻射防護關(guān)注的是吸收劑量，因此需要利用式(1)將通量轉(zhuǎn)化為劑量率。

將0–3MeV分為20個能量道進行統(tǒng)計，能量道Ej內(nèi)對應(yīng)的光子通量φj由輸出文件給出，每個能量道內(nèi)的光子通量乘以對應(yīng)的空氣質(zhì)量能量吸收系數(shù)(μen/ρ)和能量，求和得到總吸收劑量率[7?8]，為了保證結(jié)果的保守性，所乘的能量是每個能量段的上限值。等式右邊得到的以MeV·g?1為單位的結(jié)果乘以1.6×10?10×3600就可以轉(zhuǎn)化為以Gy·h?1為單位的吸收劑量率。

1.4 電子打靶產(chǎn)生的光子能譜

具有一定束流截面的3MeV電子束轟擊靶產(chǎn)生的X射線在輻照室具有一定的空間分布，統(tǒng)計出打靶后的光子能譜及飛行方向，以便為后續(xù)建立散射計算所需要的光子源做準備。射向通孔內(nèi)的光子是研究重點，故采用靶上方1m處的光子能譜代替整個電子打靶后在不同位置產(chǎn)生的光子的能譜，作為下一步計算光子輸運所需新光子源的能譜和飛行方向譜。光子的飛行方向譜統(tǒng)計的是出射光子的方向與入射電子方向夾角在0°–180°內(nèi)的光子通量角分布，每隔10°進行統(tǒng)計。圖2是新光子源能譜和光子的飛行方向譜。

圖2 新光子源的能譜分布(a)和光子的飛行方向譜(b)Fig.2 New energy spectrum (a) and angular distribution (b) of spectrum.

光子能譜峰值出現(xiàn)在0.15MeV，能段處于0.05–0.8 MeV之間的光子約占90%，1 MeV以上的光子只占9%。飛行方向在0°-90°之間的出射光子所占比例為73%，90°-180°之間的占27%。

1.5 加速器主廳垂直方向的吸收劑量率

根據(jù)圖2所示的光子能譜和飛行方向譜建立一個平面源，位于圓孔下表面并向上發(fā)射光子，形狀和大小與通孔一致。為了探究通孔形狀對垂直方向劑量率的影響大小，將圓孔改為同等邊長的方孔，分別記錄4種尺寸的圓孔和方孔時水平方向距漂移管1m、垂直方向距地面0–50cm內(nèi)不同高度的吸收劑量率。

由圖3可見，當兩種類型通孔的直徑D和邊長L相等時，垂直方向上產(chǎn)生的輻射劑量基本一致；同種類型的通孔其尺寸不同時產(chǎn)生的輻射劑量分布也沒有較大差別，由此可以認為理論上加速器主廳的垂直輻射場與通孔的形狀和尺寸關(guān)系不大，故根據(jù)施工經(jīng)驗和現(xiàn)有輻照加工車間的通孔設(shè)計，采用圓形通孔。此外，隨高度的增加，劑量率呈現(xiàn)緩慢降低的趨勢，這是由于從通孔散射上來的光子能譜已經(jīng)弱化，再經(jīng)過鋼筒的散射必然不會對加速器主廳垂直輻射場造成太大影響。為了探究合理的圓孔尺寸，還需要關(guān)注加速器主廳水平方向吸收劑量率和光子能譜的變化情況。

圖3 通孔為圓孔(a)和方孔(b)時距漂移管1 m處的垂直方向吸收劑量率的分布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 加速器主廳水平方向的吸收劑量率

根據(jù)上面的討論，垂直方向的劑量率隨高度的增加逐漸減小，因此選取高度為距離地面10cm，水平方向距離漂移管10cm、20cm、50cm、100cm、150cm、200cm、250cm的計算點的劑量率作為保守值。表1列出地板通孔為不同直徑D的圓孔時各點的吸收劑量率，為了得到方形通孔對主廳內(nèi)水平方向吸收劑量率的影響，又計算了不同大小的方孔時各點的劑量率，得到的數(shù)值與表1中的結(jié)果非常接近，由此可以肯定加速器主廳的劑量分布趨勢與通孔的形狀無關(guān)。

表1 計算點在不同圓孔直徑D時的吸收劑量率(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中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：(1) 輻射劑量主要集中在距漂移管10–20cm，距漂移管50cm附近的劑量率相比較出口處的劑量率迅速衰減約3個數(shù)量級，而50cm之后劑量率隨距離的衰減變慢，劑量率的數(shù)量級不再有明顯變化，基本趨于平緩下降。這主要是由于在受鋼筒底部散射影響較大的區(qū)域，X射線在鋼筒和地面之間的空間內(nèi)附加了次級輻射場，造成較高的劑量率且在某位置形成劑量率峰值；在鋼筒的邊界位置，射線的散射狀況突然改變，劑量率驟降，而超出邊界范圍后，隨著距離的增加散射的影響迅速減少，劑量率衰減也變慢。對比在安徽省幾家輻照加工車間的加速器主廳內(nèi)用熱釋光方法測量得到的不同水平距離處的劑量歸一化結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實測數(shù)據(jù)顯示的變化趨勢與蒙特卡羅模擬符合的很好，如圖4[2]所示。

圖4 利用熱釋光劑量計測量不同水平距離處劑量的歸一化結(jié)果Fig.4 Normalized dose at different horizontal distances with thermoluminescence dosimeter.

(2) 在距離漂移管10–20cm：圓孔直徑D對劑量率影響較大，同一位置的吸收劑量率隨D而增大，這是由于通孔的尺寸決定了其內(nèi)部散射界面面積的大小，參照光子散射系數(shù)α的式(2)[9]，散射系數(shù)α取決于入射X射線的能量、反射角度以及散射面的材料。出口劑量D受D0、α、d等系數(shù)的影響較小，而在很大程度上取決于散射面積A，因此開口越大，散射面積越大，出口處的光子劑量率就越高，根據(jù)表1中數(shù)據(jù)還發(fā)現(xiàn)，當直徑到達60cm后，隨著直徑的增大，出口附近位置劑量的上升幅度也逐漸增大，因此選用直徑20–60cm的圓孔較合適。式中，D0是通孔下表面處（輻照室側(cè)）的吸收劑量率；A是散射界面的面積；d是散射中心到測量點的距離。

1.7 加速器主廳內(nèi)水平方向的能譜分布

輻射防護中除了關(guān)注輻射場的劑量率之外，光子能譜分布也是研究的重點。選用上述4種直徑的圓孔，由于50cm后漂移管周圍的輻射場已趨于平緩，故只研究圖5中10cm (a)、20cm (b)、50cm (c)、100cm (d)四個點的光子能譜，能譜的能量分段與之前討論的分段一致。

圖5 計算點在10cm (a)、20cm (b)、50cm (c)、100cm (d)時的光子能譜隨著圓孔直徑的分布Fig.5 Distribution of photon energy spectrum with diameter of 10cm (a), 20cm (b), 50cm (c), 100cm (d) respectively.

由圖5可知，(1) 計算點的能量峰值均在0.15MeV左右，位置較近時射線與鋼筒易發(fā)生散射，散射光子的能量范圍較寬。隨著距離的增加，射線與鋼筒散射的幾率減小，能譜峰值尖銳，粒子能量基本處于0.15MeV。(2) 不論圓孔的直徑多大，當位置達到50cm之后，光子通量的變化趨勢基本一致，距漂移管10–20cm附近的輻射場受通孔尺寸的影響較大。(3) 通孔直徑為40–80cm時的光子通量分布相差不多，故選取的直徑在此范圍均比較合理。一般的漂移管直徑是10cm左右，因此通孔不宜過小，結(jié)合上文有效地限制加速器主廳內(nèi)散射光子的考慮，認為選用40–60cm的圓孔最佳。

1.8 地板通孔的優(yōu)化設(shè)計

為了充分利用空間，可將通孔設(shè)計成圓臺階梯型，將聚焦線圈、導(dǎo)向等束流光學(xué)元件安放在臺階上，使加速器在軸向節(jié)省一定的高度，從而降低建筑物的高度，更重要的是此類結(jié)構(gòu)是加速器主廳的一個很好的屏蔽，因此不論從建造的經(jīng)濟性還是輻射場屏蔽的有效性，通常將通孔設(shè)計為圖6的結(jié)構(gòu)。

圖6 直徑40cm的圓孔內(nèi)增加階梯型圓臺后的通孔剖面圖Fig.6 Profile map of protective floor hole after adding stair-step platform in circle with diameter of 40 cm.

選取直徑為40cm的圓孔，根據(jù)部分輻照加工車間中圓臺結(jié)構(gòu)的實際情況，將階梯型圓臺結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑d定為20cm，高度h約80cm（上下層之間的防護地板厚約1m）。加圓臺結(jié)構(gòu)后得到水平計算點的吸收劑量率，與改進前的模擬結(jié)果進行對比，加速器主廳內(nèi)各計算點的輻射劑量相比較未改進前的降低幅度列于表2。

表2 直徑40 cm圓孔改進后各計算點的劑量率較改進前降低的百分比Table 2 Reduced percentage of dose level after improvement comparing with that before improvement to circle with diameter of 40 cm.

對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通孔增加了階梯型圓臺結(jié)構(gòu)后，加速器主廳水平方向的輻射強度明顯下降，改進前后輻射劑量的降低百分比最高可達99.5%，尤其是距離漂移管道10–20cm高劑量位置，劑量率平均降低約79.1%，這種屏蔽設(shè)計已經(jīng)很好地阻擋了大部分散射光子，屏蔽效果可觀。為了同樣達到有效降低輻射劑量的目的，再合理配比直徑50cm和60cm圓孔內(nèi)部的階梯型圓臺結(jié)構(gòu)的尺寸，得到圓臺比較經(jīng)濟有效的設(shè)計辦法。表3顯示的是不同的圓臺高h和內(nèi)徑d對加速器主廳內(nèi)劑量率平均降低百分比的影響，其中50cm圓孔的圓臺內(nèi)徑d1取20cm和40cm，60cm圓孔的圓臺內(nèi)徑d2取24cm和48cm，圓臺高h均取40cm和80cm。

表3 直徑50 cm和60 cm圓孔內(nèi)部的不同的圓臺高h和內(nèi)徑r對劑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可見，圓臺結(jié)構(gòu)的高度一定時，圓臺內(nèi)徑縮小一倍，劑量率平均降低水平明顯；圓臺結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑一定時，圓臺高度增加一倍對劑量率平均降低百分比的影響不大。由此可知，減小通孔中圓臺的內(nèi)徑是降低輻射劑量的最有效途徑，這為今后通孔屏蔽設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。

2 結(jié)論

通過對加速器主廳內(nèi)漂移管周圍垂直和水平方向輻射場的模擬計算，得出以下結(jié)論：

(1) 利用分步計算的方法將距離靶1m處的光譜分布作為加速器主廳的新光源進行模擬可以較為準確地得出空間散射劑量率，能夠很好地反映輻射場的真實情況。

(2) 加速器主廳內(nèi)垂直方向的輻射場受地板通孔形狀和尺寸的影響較小，隨著高度的增加，吸收劑量率基本是同量級的平緩降低；水平方向上同一位置的吸收劑量率隨通孔尺寸而增大，且50cm及之后的劑量率較10–20cm的劑量率下降約3個量級，此時劑量率已經(jīng)很小且分布趨于平緩，這與實測數(shù)據(jù)的變化趨勢一致，很好地說明了本次模擬的合理性；但通孔尺寸會較大程度地影響水平方向10–20cm的輻射場。

(3) 為了控制加速器主廳內(nèi)的輻射水平，應(yīng)該合理選取圓孔的尺寸，對于直徑10cm左右的漂移管，建議選用直徑40–60cm的圓孔。

(4) 隨著距離的增加，從通孔散射上來的光子在加速器主廳內(nèi)形成的輻射場能譜會從能量在一個范圍內(nèi)的分布逐漸變?yōu)樵诜逯蹈浇容^尖銳的分布，加速器主廳內(nèi)的散射光子能譜峰值與新光源能譜峰值相同，均是初始電子能量的5%左右。

(5) 在通孔內(nèi)部增加了階梯型圓臺結(jié)構(gòu)，這種改進有利于節(jié)省加速器軸向高度并有效地控制加速器主廳內(nèi)的輻射水平，因此在實際工業(yè)加速器機房結(jié)構(gòu)設(shè)計時可以優(yōu)先考慮這種方法，設(shè)計時增加圓臺的高度不能顯著降低劑量率，縮小圓臺內(nèi)徑能更有效地降低輻射劑量。

3 結(jié)語

定量評估了地板通孔類型對加速器主廳內(nèi)漂移管周圍垂直和水平方向輻射水平的影響，對其內(nèi)部的輻射場分布情況有了一定的認識，為今后研究加速器主廳的輻射場指明一些思路。計算得到的通孔尺寸能夠滿足要求，為同種類型的加速器通孔設(shè)計提供參考；基于模擬結(jié)果，在數(shù)量級上明確了輻射場各位置的劑量率水平；對階梯型圓臺結(jié)構(gòu)內(nèi)部合理設(shè)計給出相關(guān)建議；漂移管周圍輻射場研究和地板通孔的優(yōu)化設(shè)計有待進一步的計算和測量，以提供更多的理論和實驗依據(jù)。

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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

我國輻照用電子加速器中的高頻高壓加速器是廣泛適用于綜合輻照加工的高技術(shù)設(shè)備，所產(chǎn)生的電子束可使物質(zhì)產(chǎn)生物理、化學(xué)和生物學(xué)效應(yīng)，達到有效滅菌、保鮮和使材料改性等目的，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟利益和社會效益。圖1(a)為典型的輻照用高頻高壓加速器機房結(jié)構(gòu)示意圖，分為上下兩層，上層為加速器主廳，下層為輻照室。

高頻變壓器、高壓芯柱、加速管和高壓電極安放在充有絕緣氣體的鋼筒內(nèi)，加速管同心的安裝在高壓芯柱中，加速管頂部的電子槍產(chǎn)生的電子束經(jīng)過加速管中的高壓電場獲得加速，從高壓系統(tǒng)中引出后，經(jīng)由漂移管穿過加速器主廳的防護地板通孔（以下簡稱通孔）進入輻照室，漂移管下端連接位于掃描磁鐵內(nèi)的芯管，掃描磁鐵產(chǎn)生相互垂直的交變磁場，使電子束均勻地引出并照射被照物質(zhì)[1]。通過對安徽省內(nèi)幾家高頻高壓加速器主廳內(nèi)輻射場的研究發(fā)現(xiàn)[2]：一般情況下，此類加速器加速管沿程束流損失很小，對加速器主廳內(nèi)的劑量貢獻極小，來自輻照室的透射輻射也幾乎全被上下層之間的地板吸收，故加速器主廳主要的輻射場源項是經(jīng)過通孔的輻照室散射輻射打到鋼筒后形成的二次散射。

圖1 高頻高壓加速器機房示意圖(a)及機房輻射場的蒙特卡羅計算模型(b)
Fig.1 Sketch of dynamitron (a) and MCNP calculation model for the radiation field of machine hall (b).

資助項目(No.NSFC11375182)和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(No.WK2140000004)資助

雷潔瑛，女，1990年出生，2012年畢業(yè)于華北電力大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，研究方向為輻射防護與環(huán)境保護

陳志，E-mail: zchen@ustc.edu.cn

2014-06-25，

2014-09-01