基于FLUKA的質子加速器室屏蔽設計
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摘 要：目的 對某廠質子加速器室進行輻射防護屏蔽設計。方法 采用FLUKA軟件給出屏蔽墻厚度設計方案，并利用經驗公式對其進行雙重驗證。結果 結合十倍減弱系數，FLUKA軟件給出的設計值偏保守，利用經驗公式反推計算得到的屏蔽體外劑量率值低于設計值2.5μSv/h一個量級。討論 屏蔽設計方案合理可行，充分說明FLUKA軟件在輻射屏蔽設計中的可靠性。
關鍵詞：加速器;屏蔽設計;FLUKA;經驗公式
中圖分類號：TL77 文獻標志碼：A 文章編號：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用于輻照加工、材料改性、醫療衛生等領域[1]。
對于加速器而言，其運行過程中產生的輻射場包括加速器開機運行時產生的瞬發輻射場和加速器停機后依然存在的殘余輻射場。瞬發輻射是加速器運行時產生的初級輻射以及初始粒子束流與加速器部件和屏蔽體等發生相互作用產生的次級輻射（X，γ射線和中子等），會隨著加速器的停機而完全消失。殘余輻射場主要來自于加速器結構部件、設備冷卻水、室內空氣等被初始束流或次級粒子轟擊產生的活化產物，在加速器停機后依然存在。
初級輻射具有能量高、輻射強的特點，但是作為有用射線束一般都集中在1-2mm直徑范圍內，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。但是對于加速粒子與物質相互作用產生的次級輻射，一般包括γ射線和中子等，其穿透力很強且空間分布雜散[2]。因此，次級粒子產生的貫穿輻射是加速器防護重點考慮對象。殘余輻射指感生放射性，一般不考慮屏蔽防護，但是對加速器停機后人員進入時有相應的防護要求。
本文采用蒙卡軟件模擬計算給出某廠質子加速器室的屏蔽設計方案，并利用經驗公式進行雙重驗證，可得到有效可行的屏蔽參數，為放射工作人員提供一個相對安全的工作環境。
1 材料與方法
本文利用FLUKA軟件對某廠一臺能量為10MeV，流強為100μA的質子加速器進行廠房的屏蔽設計，并利用經驗公式對其進行雙重驗證。
1.1 FLUKA屏蔽設計
FLUKA是一個常用的計算粒子輸運和粒子與物質相互作用的蒙特卡羅程序包[3]，計算中調用各模塊進行建模和對所關注劑量值進行記錄。圖1為加速器室的結構圖。
由圖1可知，束線方向為正東出射，加速器的工作模式包括調束模式和運行模式，調束模式下，束流損失率為100%。正常運行模式下，束流損失率不超過10%。本文計算以調束模式下束流損失率100%作為產生次級輻射的源項。圖1束損點距南墻9m，距西2墻16m，距北2墻6m，距東墻30m，距室頂8.5m，加速器室設計為地面建筑，建于地面一層，二層為其它功能實驗室。因此，加速器室四周墻體和室頂部分均需考慮屏蔽設計。束損點處具體損失的是束流損失率為6.25×1014pps的10MeV能量的質子。
模擬計算中束損點靶材為銅，經SRIM計算10MeV質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。預先設計墻體的屏壁厚度為200cm，屏蔽材料為普通混凝土，密度為2.36g/cm3。10MeV的質子與銅靶作用產生的瞬時輻射場以中子輻射為主。因此，本文在屏蔽計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]，本文防護設計中取其四分之一作為劑量約束值。由于質子加速器室位于該廠核心工作區，工作時間內工作區人員會長期不間斷的處于加速器室周圍，因此居留因子取為1。假設放射工作人員年工作時長為2000小時，則取屏蔽體外劑量率限值為2.5μSv/h作為設計準則。
1.2 經驗公式驗證 根據NCRP NO.144報告[5]可知，能量為10MeV的質子與銅靶作用時的中子產額約為2.0×10-3n/p，由此可計算得出加速器束流引出時，束線損失的粒子束流與靶作用的總中子產額約為1.25×1012n/s。屏蔽體外中子劑量率計算公式[6]如下：
式中，Dn為屏蔽體外中子劑量率，mSv/h;Φ為中子產額，n/s;fH為中子注量率-劑量率轉化系數，（n·cm-2·s-1/mSv·h-1）;r為源與屏蔽墻外表面之間的距離，cm;Σ為中子宏觀分出截面，cm-1;d為屏蔽體厚度，cm。
各參數的取值，Φ：以1.25×1012n/s作為0°方向的中子產額進行保守計算。由于中子輻射場為前沖分布，90°和180°方向的中子產額比0°方向中子產額低1～2個量級，本文對90°和180°方向的中子產額取該值的1/10進行計算，具體見表1所示。
對于fH，10MeV質子與銅靶作用產生的中子最高能量不超過10MeV。根據GB5172-1985[7]，fH取值為1.47×103（n·cm-2·s-1/mSv·h-1）。對于Σ，根據《輻射防護基礎》[6]，中子在混凝土中的宏觀分出截面為0.089cm-1。
2 結果
2.1 FLUKA屏蔽設計結果
本文對10MeV質子加速器室進行輻射防護屏蔽設計，圖2為利用FLUKA軟件在1.1節所述束流損失情況下模擬得到的加速器室內的中子輻射場分布，周圍屏蔽采用普通混凝土結構。
因粒子在混凝土中的物理機制較復雜，FLUKA計算過程較慢，本文采用十倍減弱系數（Δ（1/10））來估算墻體的屏壁厚度。結合圖1、圖2給出最為關心的東墻、南墻、西2墻和北2墻的屏蔽設計結果，見表2所示。
2.2 經驗公式驗證結果
利用式（1）并結合表1中各參數取值，屏蔽體外的中子劑量率計算結果見表3所示。
由表3可知，在加速器調束階段，利用經驗公式驗證計算得到的屏蔽體外中子劑量率值均小于2.5μSv/h的劑量率限值，說明屏蔽墻厚度設計方案合理，可有效防止放射工作人員機體受到輻射損傷危害。
3 結束語
本文在屏蔽設計中主要使用了FLUKA軟件[3]，并結合經驗公式對其設計方案進行驗證計算，將屏蔽厚度設為已知量反推屏蔽體外劑量率值。所得結果均比設計劑量率限制低一個量級，很好地實現了輻射屏蔽功能，說明結合十倍減弱系數，FLUKA軟件可以很快地給出輻射防護屏蔽設計方案，但設計結果偏保守。如果考慮經濟性，則可以在設計階段輔以經驗公式驗證，兩者結合快速給出優化后的屏蔽結果。
參考文獻：
[1]張之遠.傳統和新型臺式粒子加速器的調研綜述[J].通訊世界，2018，10：263-265.
[2]楊朝文.電離輻射防護與安全基礎[M].原子能出版社，2009，3：141-142.
[3]BATTISTONI G， CERUTTI F， FASSO A， et al. The FLUKA code： Description and benchmarking[J]. AIP Conference Proceedings， 2007，896（1）：31-49.
[4]ICRP， 1991b， 1990 Recommendations of the international commission on radiological protection[R]. ICRP Publication 60， Ann， ICRP 21（1-3）.
[5]NCRP Report No. 144. Radiation Protection for Particle Accelerator Facilities[R]. Bethesda， Maryland， American， National Council on Radiation Protection and Measurements. 2003：77-80.
[6]方杰，桂立明，王明謙，等.輻射防護導論[M].原子能出版社，1988：149-174.
[7]中華人民共和國國家標準局.粒子加速器輻射防護規定：
GB5172-85[S].北京：中國標準出版社，1985.
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