基于FLUKA的質(zhì)子加速器室屏蔽設(shè)計(jì)

閆學(xué)文 武釗 方興

摘? 要：目的 對(duì)某廠質(zhì)子加速器室進(jìn)行輻射防護(hù)屏蔽設(shè)計(jì)。方法 采用FLUKA軟件給出屏蔽墻厚度設(shè)計(jì)方案，并利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)其進(jìn)行雙重驗(yàn)證。結(jié)果 結(jié)合十倍減弱系數(shù)，F(xiàn)LUKA軟件給出的設(shè)計(jì)值偏保守，利用經(jīng)驗(yàn)公式反推計(jì)算得到的屏蔽體外劑量率值低于設(shè)計(jì)值2.5μSv/h一個(gè)量級(jí)。討論 屏蔽設(shè)計(jì)方案合理可行，充分說明FLUKA軟件在輻射屏蔽設(shè)計(jì)中的可靠性。

關(guān)鍵詞：加速器;屏蔽設(shè)計(jì);FLUKA;經(jīng)驗(yàn)公式

中圖分類號(hào)：TL77? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）17-0004-03

Abstract： Objective： to design the radiation protection shield for the proton accelerator room of a factory. Methods： the thickness design scheme of shielding wall was given by FLUKA software， and double verification was carried out by empirical formula. Results： combined with tenfold weakening coefficient， the design value given by FLUKA software was conservative， and the dose rate value in vitro calculated by empirical formula was one order of magnitude lower than the design value of 2.5 μSv/h. It is discussed that the shielding design scheme is reasonable and feasible， which fully illustrates the reliability of FLUKA software in radiation shielding design.

Keywords： accelerator; shielding design; FLUKA; empirical formula

引言

粒子加速器是用人工的方法使荷電粒子獲得高能量的裝置，通過加速器引出的高能粒子主要應(yīng)用于輻照加工、材料改性、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域[1]。

對(duì)于加速器而言，其運(yùn)行過程中產(chǎn)生的輻射場(chǎng)包括加速器開機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的瞬發(fā)輻射場(chǎng)和加速器停機(jī)后依然存在的殘余輻射場(chǎng)。瞬發(fā)輻射是加速器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的初級(jí)輻射以及初始粒子束流與加速器部件和屏蔽體等發(fā)生相互作用產(chǎn)生的次級(jí)輻射（X，γ射線和中子等），會(huì)隨著加速器的停機(jī)而完全消失。殘余輻射場(chǎng)主要來自于加速器結(jié)構(gòu)部件、設(shè)備冷卻水、室內(nèi)空氣等被初始束流或次級(jí)粒子轟擊產(chǎn)生的活化產(chǎn)物，在加速器停機(jī)后依然存在。

初級(jí)輻射具有能量高、輻射強(qiáng)的特點(diǎn)，但是作為有用射線束一般都集中在1-2mm直徑范圍內(nèi)，只要選用合適的屏蔽材料且厚度大于該粒子在其中的射程就可以做到完全吸收。但是對(duì)于加速粒子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的次級(jí)輻射，一般包括γ射線和中子等，其穿透力很強(qiáng)且空間分布雜散[2]。因此，次級(jí)粒子產(chǎn)生的貫穿輻射是加速器防護(hù)重點(diǎn)考慮對(duì)象。殘余輻射指感生放射性，一般不考慮屏蔽防護(hù)，但是對(duì)加速器停機(jī)后人員進(jìn)入時(shí)有相應(yīng)的防護(hù)要求。

本文采用蒙卡軟件模擬計(jì)算給出某廠質(zhì)子加速器室的屏蔽設(shè)計(jì)方案，并利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行雙重驗(yàn)證，可得到有效可行的屏蔽參數(shù)，為放射工作人員提供一個(gè)相對(duì)安全的工作環(huán)境。

1 材料與方法

本文利用FLUKA軟件對(duì)某廠一臺(tái)能量為10MeV，流強(qiáng)為100μA的質(zhì)子加速器進(jìn)行廠房的屏蔽設(shè)計(jì)，并利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)其進(jìn)行雙重驗(yàn)證。

1.1 FLUKA屏蔽設(shè)計(jì)

FLUKA是一個(gè)常用的計(jì)算粒子輸運(yùn)和粒子與物質(zhì)相互作用的蒙特卡羅程序包[3]，計(jì)算中調(diào)用各模塊進(jìn)行建模和對(duì)所關(guān)注劑量值進(jìn)行記錄。圖1為加速器室的結(jié)構(gòu)圖。

由圖1可知，束線方向?yàn)檎龞|出射，加速器的工作模式包括調(diào)束模式和運(yùn)行模式，調(diào)束模式下，束流損失率為100%。正常運(yùn)行模式下，束流損失率不超過10%。本文計(jì)算以調(diào)束模式下束流損失率100%作為產(chǎn)生次級(jí)輻射的源項(xiàng)。圖1束損點(diǎn)距南墻9m，距西2墻16m，距北2墻6m，距東墻30m，距室頂8.5m，加速器室設(shè)計(jì)為地面建筑，建于地面一層，二層為其它功能實(shí)驗(yàn)室。因此，加速器室四周墻體和室頂部分均需考慮屏蔽設(shè)計(jì)。束損點(diǎn)處具體損失的是束流損失率為6.25×1014pps的10MeV能量的質(zhì)子。

模擬計(jì)算中束損點(diǎn)靶材為銅，經(jīng)SRIM計(jì)算10MeV質(zhì)子在銅靶中的最大射程為0.03cm，本文選用0.04cm厚的銅靶以確保所有粒子打在銅靶上均在射程范圍內(nèi)。預(yù)先設(shè)計(jì)墻體的屏壁厚度為200cm，屏蔽材料為普通混凝土，密度為2.36g/cm3。10MeV的質(zhì)子與銅靶作用產(chǎn)生的瞬時(shí)輻射場(chǎng)以中子輻射為主。因此，本文在屏蔽計(jì)算中主要考慮中子的貫穿輻射。

ICRP在1990年一致通過的新建議書中將放射工作人員劑量限值由原先的一年50mSv降為20mSv[4]，本文防護(hù)設(shè)計(jì)中取其四分之一作為劑量約束值。由于質(zhì)子加速器室位于該廠核心工作區(qū)，工作時(shí)間內(nèi)工作區(qū)人員會(huì)長期不間斷的處于加速器室周圍，因此居留因子取為1。假設(shè)放射工作人員年工作時(shí)長為2000小時(shí)，則取屏蔽體外劑量率限值為2.5μSv/h作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

1.2 經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證