基于FLUKA的质子加速器室屏蔽设计
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摘 要：目的 对某厂质子加速器室进行辐射防护屏蔽设计。方法 采用FLUKA软件给出屏蔽墙厚度设计方案，并利用经验公式对其进行双重验证。结果 结合十倍减弱系数，FLUKA软件给出的设计值偏保守，利用经验公式反推计算得到的屏蔽体外剂量率值低于设计值2.5μSv/h一个量级。讨论 屏蔽设计方案合理可行，充分说明FLUKA软件在辐射屏蔽设计中的可靠性。
关键词：加速器;屏蔽设计;FLUKA;经验公式
中图分类号：TL77 文献标志码：A 文章编号：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获得高能量的装置，通过加速器引出的高能粒子主要应用于辐照加工、材料改性、医疗卫生等领域[1]。
对于加速器而言，其运行过程中产生的辐射场包括加速器开机运行时产生的瞬发辐射场和加速器停机后依然存在的残余辐射场。瞬发辐射是加速器运行时产生的初级辐射以及初始粒子束流与加速器部件和屏蔽体等发生相互作用产生的次级辐射（X，γ射线和中子等），会随着加速器的停机而完全消失。残余辐射场主要来自于加速器结构部件、设备冷却水、室内空气等被初始束流或次级粒子轰击产生的活化产物，在加速器停机后依然存在。
初级辐射具有能量高、辐射强的特点，但是作为有用射线束一般都集中在1-2mm直径范围内，只要选用合适的屏蔽材料且厚度大于该粒子在其中的射程就可以做到完全吸收。但是对于加速粒子与物质相互作用产生的次级辐射，一般包括γ射线和中子等，其穿透力很强且空间分布杂散[2]。因此，次级粒子产生的贯穿辐射是加速器防护重点考虑对象。残余辐射指感生放射性，一般不考虑屏蔽防护，但是对加速器停机后人员进入时有相应的防护要求。
本文采用蒙卡软件模拟计算给出某厂质子加速器室的屏蔽设计方案，并利用经验公式进行双重验证，可得到有效可行的屏蔽参数，为放射工作人员提供一个相对安全的工作环境。
1 材料与方法
本文利用FLUKA软件对某厂一台能量为10MeV，流强为100μA的质子加速器进行厂房的屏蔽设计，并利用经验公式对其进行双重验证。
1.1 FLUKA屏蔽设计
FLUKA是一个常用的计算粒子输运和粒子与物质相互作用的蒙特卡罗程序包[3]，计算中调用各模块进行建模和对所关注剂量值进行记录。图1为加速器室的结构图。
由图1可知，束线方向为正东出射，加速器的工作模式包括调束模式和运行模式，调束模式下，束流损失率为100%。正常运行模式下，束流损失率不超过10%。本文计算以调束模式下束流损失率100%作为产生次级辐射的源项。图1束损点距南墙9m，距西2墙16m，距北2墙6m，距东墙30m，距室顶8.5m，加速器室设计为地面建筑，建于地面一层，二层为其它功能实验室。因此，加速器室四周墙体和室顶部分均需考虑屏蔽设计。束损点处具体损失的是束流损失率为6.25×1014pps的10MeV能量的质子。
模拟计算中束损点靶材为铜，经SRIM计算10MeV质子在铜靶中的最大射程为0.03cm，本文选用0.04cm厚的铜靶以确保所有粒子打在铜靶上均在射程范围内。预先设计墙体的屏壁厚度为200cm，屏蔽材料为普通混凝土，密度为2.36g/cm3。10MeV的质子与铜靶作用产生的瞬时辐射场以中子辐射为主。因此，本文在屏蔽计算中主要考虑中子的贯穿辐射。
ICRP在1990年一致通过的新建议书中将放射工作人员剂量限值由原先的一年50mSv降为20mSv[4]，本文防护设计中取其四分之一作为剂量约束值。由于质子加速器室位于该厂核心工作区，工作时间内工作区人员会长期不间断的处于加速器室周围，因此居留因子取为1。假设放射工作人员年工作时长为2000小时，则取屏蔽体外剂量率限值为2.5μSv/h作为设计准则。
1.2 经验公式验证 根据NCRP NO.144报告[5]可知，能量为10MeV的质子与铜靶作用时的中子产额约为2.0×10-3n/p，由此可计算得出加速器束流引出时，束线损失的粒子束流与靶作用的总中子产额约为1.25×1012n/s。屏蔽体外中子剂量率计算公式[6]如下：
式中，Dn为屏蔽体外中子剂量率，mSv/h;Φ为中子产额，n/s;fH为中子注量率-剂量率转化系数，（n·cm-2·s-1/mSv·h-1）;r为源与屏蔽墙外表面之间的距离，cm;Σ为中子宏观分出截面，cm-1;d为屏蔽体厚度，cm。
各参数的取值，Φ：以1.25×1012n/s作为0°方向的中子产额进行保守计算。由于中子辐射场为前冲分布，90°和180°方向的中子产额比0°方向中子产额低1～2个量级，本文对90°和180°方向的中子产额取该值的1/10进行计算，具体见表1所示。
对于fH，10MeV质子与铜靶作用产生的中子最高能量不超过10MeV。根据GB5172-1985[7]，fH取值为1.47×103（n·cm-2·s-1/mSv·h-1）。对于Σ，根据《辐射防护基础》[6]，中子在混凝土中的宏观分出截面为0.089cm-1。
2 结果
2.1 FLUKA屏蔽设计结果
本文对10MeV质子加速器室进行辐射防护屏蔽设计，图2为利用FLUKA软件在1.1节所述束流损失情况下模拟得到的加速器室内的中子辐射场分布，周围屏蔽采用普通混凝土结构。
因粒子在混凝土中的物理机制较复杂，FLUKA计算过程较慢，本文采用十倍减弱系数（Δ（1/10））来估算墙体的屏壁厚度。结合图1、图2给出最为关心的东墙、南墙、西2墙和北2墙的屏蔽设计结果，见表2所示。
2.2 经验公式验证结果
利用式（1）并结合表1中各参数取值，屏蔽体外的中子剂量率计算结果见表3所示。
由表3可知，在加速器调束阶段，利用经验公式验证计算得到的屏蔽体外中子剂量率值均小于2.5μSv/h的剂量率限值，说明屏蔽墙厚度设计方案合理，可有效防止放射工作人员机体受到辐射损伤危害。
3 结束语
本文在屏蔽设计中主要使用了FLUKA软件[3]，并结合经验公式对其设计方案进行验证计算，将屏蔽厚度设为已知量反推屏蔽体外剂量率值。所得结果均比设计剂量率限制低一个量级，很好地实现了辐射屏蔽功能，说明结合十倍减弱系数，FLUKA软件可以很快地给出辐射防护屏蔽设计方案，但设计结果偏保守。如果考虑经济性，则可以在设计阶段辅以经验公式验证，两者结合快速给出优化后的屏蔽结果。
参考文献：
[1]张之远.传统和新型台式粒子加速器的调研综述[J].通讯世界，2018，10：263-265.
[2]杨朝文.电离辐射防护与安全基础[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，王明谦，等.辐射防护导论[M].原子能出版社，1988：149-174.
[7]中华人民共和国国家标準局.粒子加速器辐射防护规定：
GB5172-85[S].北京：中国标准出版社，1985.
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