同步辐射光源即为产生并利用同步辐射光的科学装置, 它是目前世界上数量最多的大科学装置。截至2010年底, 世界范围内在运行的共有47座同步辐射光源。其中, 美国有10座, 日本有8座, 德国有5座。我国在20世纪90年代初, 在北京和合肥分别建成了两个能量分别为2.2 GeV和800 MeV的同步辐射光源, 北京光源在兼用运行时属第一代, 专用运行时属第二代, 合肥光源属第二代。2008年在上海建成一个能量为3.5 GeV的第三代光源^[1-2]。

同步辐射光源装置主要由电子注入器、电子输运线、储存环、插入装置、光束线和实验站等部分组成, 通常利用高能电子直线加速器作为电子注入器^[3]。电子直线加速器在加速器电子的过程中将造成部分电子损失, 损失的电子轰击在加速器真空室壁或其他部件上, 发生一系列反应, 会在加速器周围产生极强且复杂的辐射场。同时, 由于储存环复杂的工作状态, 随着其运行状态的改变, 周围辐射场的变化也很大。

因此, 考虑到同步辐射光源辐射场的特殊性和复杂性, 分析其辐射场特性, 对了解装置运行所产生的辐射对周围环境的影响, 采取有效的辐射防护措施和保障工作人员的安全具有一定意义。本文以某光源装置为例, 对其辐射场特性进行分析, 找出主要污染源和关键束流损失部位。并对其辐射剂量进行估算, 以便更好的了解类似装置的辐射环境, 为其辐射环境影响评价和辐射防护设计提供思路和依据。

1 辐射场特性 1.1 注入器系统辐射场

该装置利用800 MeV电子直线加速器作为注入器。从电子枪引出的电子在加速或输运过程中, 由于能散等因素部分电子会打到加速管的真空室管壁或其他插入件上。这些高能电子打靶, 主要的能量损失是电磁辐射损失生成韧致辐射, 这些光子会与其周围的物质发生相互作用, 引起电磁级联簇射效应。当产生的光子能量高于10 MeV左右时, 超过一些材料的核反应阈值, 可引发光核反应产生中子。这样, 由于束流损失并经过一系列的相互作用产生了很强的韧致辐射和中子的混合辐射场。由于电子的加速和输运过程中因沿途电子能量不同其束流损失也是非均匀的, 因此在加速器周围不同位置的辐射剂量率存在差异, 造成其辐射场定的空间结构^[4]。

1.2 储存环辐射场

该装置储存环正常运行期间, 储存束流300 mA, 电荷量66.18 nC, 能量为800 MeV。储存环的工作状态较复杂, 运行过程经历几个不同的阶段^[5]。注入阶段韧致辐射主要来自注入点附近和高频腔下游的弯铁处, 这是由于注入效率因素和装置运行模式的特点(高频腔的作用会使束流电子能散加剧, 束流轨道的不稳定等)所致, 使大部分电子在此两处丢失。此外, 轨道的变化和调整等其他因素也会引起一些电子在其他不同部位的丢失。丢失的电子直接撞到真空室壁上引发韧致辐射, 构成了注入阶段的韧致辐射场。注入结束后辐射水平急剧下降, 慢加速过程中由于电子能能量的提高辐射水平也略有升高。运行期间则是一个准恒稳场, 除一些不确定因素造成束流的一次性丢失, 引起局部轫致辐射外, 轫致辐射场主要来自两个方面:一是环内电子在残余气体的原子核上的轫致辐射, 二是束流电子的丢失打在真空室内壁造成的轫致辐射。此外, 注入准备、剔除束流和束流突然丢失时的辐射场也有相应的各种变化。

2 辐射水平分析

该装置在运行期间对周围环境的辐射影响主要来自装置瞬时辐射所致的外照射和感生放射性气载流出物所致的浸没外照射及吸入内照射。由于后者造成的辐射剂量与前者相比很小, 因此, 本文仅关注瞬时辐射对周围环境所致的影响。

2.1 注入器系统

该装置800 MeV电子直线加速器隧道屏蔽体外, 采用Jenkins经验公式^[6-8]计算单个电子打靶产生的中子剂量率D_n和光子剂量率D_p。同时利用FLUKA程序模拟电子丢失在刮束器上的瞬时剂量率分布。

2.1.1 Jenkins经验公式计算结果

Jenkins公式如下, 各参数意义及其取值见表 1。

(1)

(2)

直线加速器电子经加速后能量达到800 MeV, 脉冲流强为1 A, 脉宽1 ns, 脉冲重复频率1 Hz, 束流功率1 W。束流为1 nC/s, 即6.25 × 109 e/s, 沿程束流损失5%。计算结果见表 2。

由此可以看出, 直线加速器隧道屏蔽体外的剂量率远低于2.5 μGy/h的剂量率限值, 其采取的屏蔽设计是合理的, 能够保证装置的安全运行和工作人员的安全。

2.1.2 FLUKA程序模拟结果

正常运行期间, 根据运行经验保守按束流损失率约5%, 注入器束流损失部位以刮束器为主。将刮束器模型简化为半径4.5 cm, 长度10 cm的铜圆柱体, 如图 1所示。利用FLUKA程序对800 MeV注入器系统电子丢失在刮束器上的瞬发辐射场进行模拟。

利用FLUKA程序模拟800 MeV电子丢失在刮束器上的瞬时剂量率分布见图 2。

根据FLUKA程序模拟结果, 直线加速器隧道屏蔽体外各点的剂量率见表 3。

将利用Jenkins经验公式计算所得结果与FLUKA模拟结果对比可以看出, 前者的结果更保守, 但两种方法的计算结果具有较好的一致性。经验公式计算相对简单, 结果也较准确, 但其使用有一定的限制条件, 如受粒子种类、入射角度、能量范围等限制。FLUKA程序模拟相对较复杂, 但更具直观性, 可直接给出剂量分布图和能谱及剂量谱曲线。

2.2 储存环

根据第2节对储存环辐射场特性的分析结果, 储存环在注入阶段辐射水平最高。因此, 本文对注入阶段屏蔽体外的辐射场进行分析。储存环周长66.13 m, 由四个聚焦单元组成。能量800 MeV, 运行流强300 mA, 总储存电子数为3 × 10¹¹个。储存环安装于储存环大厅的棚屋内, 紧靠真空室安装5cm厚铅砖屏蔽, 铅砖外为棚屋, 棚屋净宽3.5 m, 净高3.0 m, 采用钢结构系统:为双层3 mm钢板中间夹保温层。棚屋外建造全封闭30 cm混凝土防护墙墙体高度2.5 m, 长墙墙厚30 cm, 短墙墙厚50 cm, 采用预制钢筋混凝土结构。储存环注入时注入点外中子和光子的剂量率仍采用Jenkins经验公式计算, 计算中所用到的参数见表 4。

储存环注入时, 综合考虑各种非理想因素, 经过大量模拟计算预期有5%左右的注入电子无法存活, 即注入束团电荷量为1 nC, 能够成功进入储存环并长期存储的只有0.95 nC, 有0.05 nC电子丢失在储存环不同位置。在进行计算时, 保守假设储存环束流注入时, 束流集中损失在注入器系统与储存环连接处, 束流损失率为5%。计算得储存环注入阶段由于电子损失注入点屏蔽体外的剂量率为0.38 μSv/h。

3 结论

本文以某装置为例, 分析该装置的辐射场特性。采用经验公式以及FLUKA程序对直线加速器屏蔽体外的剂量率进行计算和模拟, 并对结果进行比较分析, 取得了较好的一致性。

该装置由能谱很宽的韧致辐射和中子组成, 且与一般恒稳辐射场不同, 其辐射剂量水平随装置的不同运行状态呈现很大变化, 属瞬发辐射场。其辐射场不是各向同性, 而是呈现明显的方向性。其束流损失的主要部位为直线加速器的刮束器, 在进行该类部件检修时, 应做好防护工作, 使有关人员避免受到不必要的照射。

辐射场辐射特性分析表明, 直线加速器在正常运行状态下以及储存环在注入阶段, 屏蔽体外的剂量率均低于2.5 μGy/h的剂量率限值。直线加速器的运行对外环境和工作人员的影响很小, 可以忽略。储存环在注入阶段对工作人员造成的辐射剂量是工作人员所受剂量的主要来源。

利用经验公式进行屏蔽计算, 相对简单且结果较准确, 对简单的屏蔽有用, 计算结果偏保守。但其使用有一定的限制条件, 如受粒子种类、入射角度、能量范围等限制。利用Monte Carlo进行屏蔽计算, 具有直观性, 可直接给出剂量分布图和能谱及剂量谱曲线。且其模拟的粒子数目足够多, 可以得到想要的精度。两种方法各有其特点, 在实际使用时可灵活选择合适的方法。