上海光源光束線站BL18U軔致輻射劑量的計算與測量

徐加強 夏曉彬 盛尹祥子 秦銳芳 張 冬 費平安 姚 明 劉嗣鑫

上海光源光束線站BL18U軔致輻射劑量的計算與測量

徐加強1,2夏曉彬1盛尹祥子1秦銳芳1張 冬1費平安1姚 明1劉嗣鑫1

1（中國科學院上海應用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）
2（中國科學院大學 北京 100049）

軔致輻射是第三代先進同步輻射光源光束線站輻射屏蔽的重點。上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)是國際上正在運行的第三代先進同步輻射光源之一。上海光源蛋白質微晶結構光束線(BL18U)線站是正在試運行中的光束線站。本文采用FLUKA軟件模擬計算了蛋白質微晶結構光束線(BL18U)線站因軔致輻射的散射和光中子引起的輻射劑量率分布。分析了因狹縫開孔尺寸、儲存環(huán)內(nèi)流強的變化所引起的輻射劑量變化。用高靈敏度的光子和中子探測器測量了BL18U光學棚屋外的光子和光中子劑量率。測量結果表明模擬計算的可靠性。本研究采用的模擬和測量方法可用于其它線站的輻射劑量水平評估，并為上海光源后續(xù)線站的屏蔽設計提供參考。

同步輻射，光束線站，蒙特卡羅方法，F(xiàn)LUKA，軔致輻射，輻射測量

高能電子在同步光源儲存環(huán)內(nèi)旋轉時，會與真空管內(nèi)殘余氣體分子的庫侖場發(fā)生非彈性碰撞，產(chǎn)生氣體軔致輻射。在儲存環(huán)偏轉磁鐵之間的直線節(jié)段，產(chǎn)生的氣體軔致輻射將沿電子的軌道不斷增強，形成張角為m0c2/E0大小尖銳前沖，光子能譜范圍從0-E0連續(xù)呈1/E0分布的軔致輻射源項，這里m0c2為靜止電子能量，E0為初始電子能量[1-2]。氣體軔致輻射伴隨插入件產(chǎn)生的同步輻射光一起傳輸?shù)较掠喂馐€站，并與光束線站上的各類光學器件相互作用后形成電磁級聯(lián)簇射。光子能量超過器件光核反應閾值（大于5-15 MeV）的軔致輻射，通過巨核偶極共振衰變、準氘核光致蛻變和核內(nèi)崩潰三種機制產(chǎn)生光核反應中子（以下簡稱“光中子”）[3]。軔致輻射的散射光子和光中子是光束線站屏蔽的主要輻射源項[4-5]。

光束線站的輻射源項和屏蔽設計已有許多研究成果，如軔致輻射、光中子能譜、輻射劑量的測量與計算[3,6]、次級軔致輻射的屏蔽計算等[4-5,7-9]。這些研究都局限于測量和計算某個散射靶，而缺少對整條光束線站的輻射劑量計算和測量。本研究采用FLUKA[10-11]軟件開展蒙特卡羅模擬計算氣體軔致輻射在光束線站上產(chǎn)生的輻射劑量。FLUKA軟件能夠模擬計算包括軔致輻射與各類光學器件相互作用產(chǎn)生的電磁級聯(lián)簇射，以及通過光核反應產(chǎn)生的光中子，并可以將注量轉換為周圍劑量當量[12]得到各類粒子所致的輻射劑量。研究對象選擇上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)新建的典型插入件光束線站——蛋白質微晶結構光束線(BL18U)。為了模擬計算結果與測量結果比較，對BL18U棚屋外的輻射劑量分布進行了實驗測量。

1 BL18U線站布局簡介

上海光源的光束線站一般由一個光學棚屋和一個實驗棚屋組成，BL18U的布局特點是具有比較長的光學棚屋，以保證入射光高通量的前提下，照射至樣品處的光斑尺寸盡量小。為減少建設代價，在其布局上分為兩個光學棚屋。圖1給出了沿光束線BL18U光學棚屋布局示意圖，兩個光學棚屋分別為圖1中所示的OE1和OE2。這兩個光學棚屋之間通過一段7 m長的光束線輸運管道連接。OE1左側為儲存環(huán)屏蔽墻，右側為實驗大廳。光束線輸運管管道和OE2兩側部分空間布置了機柜，其余空間也是實驗大廳。

圖1給出了BL18U光束線上對軔致輻射有較大影響的關鍵光學設備。這些設備包括：光學前端區(qū)的安全光閘(Safety Shutter)、在OE1內(nèi)的水冷狹縫(Slits)和準直吸收器1(Collimator 1)、在OE2內(nèi)的單色儀(Monochromator)和吸收器2以及安全光閘2 (Safety Shutter 2)。

圖1 BL18U線站平面布局及監(jiān)測點布置示意圖Fig.1 Layout of BL18U plane view and arrangement of measurement points.

2 劑量率的模擬計算

2.1 計算模型的建立

采用FLUKA軟件模擬計算了氣體軔致輻射在直線節(jié)內(nèi)產(chǎn)生后，在光束線站BL18U光學棚屋內(nèi)的傳輸過程。計算模型根據(jù)BL18U布局圖(見圖1)和BL18U的射線追跡圖(見圖2)建立。如圖2所示，3.5 GeV能量的電子在長12.5 m的標準直線節(jié)真空管內(nèi)傳輸，在直線節(jié)末端電子通過1.27 T的偏轉磁場轉移到儲存環(huán)的下一個單元；產(chǎn)生的氣體軔致輻射通過打開的前端安全光閘和儲存環(huán)的鋸齒屏蔽墻開孔，進入到BL18U的光學棚屋；然后與OE1內(nèi)的水冷狹縫和準直吸收器相互作用，透過狹縫和準直吸收器開孔的軔致輻射又通過光束輸運管道進入到OE2內(nèi)，與單色儀作用后最終損失在最后一個準直吸收器上。氣體軔致輻射被器件散射后入射到光學棚屋和管道上，產(chǎn)生的光子和光中子經(jīng)棚屋屏蔽層的衰減，最后到達棚屋外。BL18U插入件所在直線節(jié)處的真空度平均值約99.32 nPa，其真空管內(nèi)殘余氣體有效Z值為3.42，其主要成分依據(jù)真空測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 SSRF儲存環(huán)直線節(jié)真空管內(nèi)的殘余氣體成分Table 1 Compositions of the residual gas in the electron storage ring of SSRF.

圖2 BL18U軔致輻射射線追跡示意圖Fig.2 Bremsstrahlung ray trace of BL18U.

2.2 劑量分布

用FLUKA軟件模擬了BL18U線站在儲存環(huán)工作在恒流注入模式，束流強度為220mA和300 mA時，氣體軔致輻射與各類光學器件相互作用后產(chǎn)生的所有粒子在光學棚屋區(qū)域的劑量率分布。束流強度為220 mA時的結果如圖3所示。從圖3可看出輻射劑量最大點集中在水冷狹縫和單色儀周圍。

圖3 BL18U線站光學棚屋的劑量率分布Fig.3 Dose rate distribution at BL18U optical enclosure.

光束線站的軔致輻射劑量會因線站狹縫開口大小、儲存環(huán)束流和直線節(jié)真空狀態(tài)變化。沿圖1所示的1-20個測量參考點連線（與束流中心同高度1.3 m），計算得到不同狹縫開孔下的光子和光中子的劑量率分布如圖4所示。BL18U在調(diào)試時狹縫開口為0.4mm×0.4mm，在正常工作狀態(tài)時則為3.5mm×8.0mm。從圖4可以看到，狹縫開孔較小時，軔致輻射主要損失在水冷狹縫所在的OE1內(nèi)，狹縫開孔較大時，OE2周圍的劑量率開始增大。

圖4 不同狹縫開口大小，棚屋外的光子(a)和光中子(b)劑量率分布Fig.4 Dose rate distribution of photons (a) and photoneutrons (b) out of optical enclosure for different size of slits.

儲存環(huán)流強為300 mA，直線節(jié)真空度為133.32nPa時，氣體軔致輻射引起的光學棚屋外輻射劑量率分布如圖5所示。從計算結果可知，經(jīng)過棚屋屏蔽層的衰減吸收，光子最大劑量率為0.3μSv·h-1，光中子的最大劑量率為0.55 μSv·h-1。水冷狹縫中心距離鋸齒墻約2 m，而棚屋右側墻距離束流中心1.2 m。棚屋外的中子劑量率的最大點對應在圖1中的○2測量點，是水冷狹縫側向約90°的位置處；而光子劑量率最大點在在圖1中的○3號測量點，約在水冷狹縫靶點前方側向的45°位置處。

圖5 儲存環(huán)300 mA流強，直線節(jié)133.32 nPa真空條件下棚屋外的劑量率分布Fig.5 Dose rate distribution at the outer OE1 (In case of beam current of 300 mA in storage ring and vacuum of 133.32 nPa in straight section).

2.3 光子和光中子能譜

通過模擬計算統(tǒng)計棚屋內(nèi)距離水冷狹縫側向0.5 m處和棚屋外距離水冷狹縫側向1.2 m處的光子和光中子能譜如圖6和圖7所示。由于軔致輻射能譜近似呈1/E分布，經(jīng)狹縫、單色器和準直吸收器散射后的光子在經(jīng)過16 mm以上的鉛屏蔽墻后，低能部分被衰減吸收，能量最可幾分布在1 MeV左右，見圖6。光核反應中，巨共振光核反應的截面較大，因此散射到側向的中子主要來自于各項同性的巨共振中子，平均能量約2 MeV，如圖7所示。

圖6 OE1側向屏蔽墻內(nèi)外的光子能譜Fig.6 Photon spectrum at the inner and outer OE1.

圖7 OE1內(nèi)外光中子能譜 (a) 所有中子，(b) 巨共振中子Fig.7 Photoneutron spectra at the inner and outer OE1. (a) All neutrons, (b) Giant resonance neutrons

3 劑量率的測量

棚屋外輻射劑量的測量選用高靈敏度環(huán)境輻射水平γ監(jiān)測儀(Area Gamma Monitor, AGM5-12-001)和高靈敏度環(huán)境輻射水平中子監(jiān)測儀(Environmental Neutron Monitor, ENM5-12-001)。γ監(jiān)測儀AGM采用球形高氣壓電離室作為γ探測器，其直徑為250 mm，不銹鋼壁厚1.8 mm，容積8.5 L，內(nèi)充3.333 MPa純氬氣。其靈敏度好于0.15nSv·Plus-1，測量范圍0.01-100 μSv·h-1，能量響應 50keV-3MeV。對照圖6所示棚屋外的光子能譜，AGM的能量響應范圍涵蓋了光子注量的主要區(qū)域，未涵蓋住的部分占光子總注量的20%左右。

高靈敏度中子監(jiān)測儀ENM的BF3正比計數(shù)管為?50mm×350mm的柱體，充氣壓力79.992 kPa。能量響應范圍在0.25 eV-16 MeV，能量響應范圍能夠涵蓋如圖7(b)所示的巨共振中子能譜。其靈敏度較高，可以監(jiān)測低水平的中子劑量，探測下限在1nSv·h-1。該探測器對650 μSv·h-1以下的γ光子劑量不靈敏，總的不確定度小于15%[13]。

測量時，儲存環(huán)運行在恒流注入模式，電子量3.5 GeV，儲存環(huán)流強220 mA，束流平均壽命16 h。BL18U光束線站工作在正常工作狀態(tài)，此時水冷狹縫開孔為3.5 mm×8.0 mm。在光學棚屋外側，選擇了如圖1所示的20個測量點，用AGM和ENM進行輻射劑量的測量。測量點儀器中心高度1.3 m，與束流中心同高，測量點之間間距一般在1 m。每個地點測量約5 min，測量結果取平均值并扣除本底，其中光子本底劑量率平均為0.069 μSv·h-1，中子本底平均劑量率為0.010 μSv·h-1。

4 測量結果比較分析

用ENM測量OE1、輸運管道和OE2外的光核反應產(chǎn)生的中子劑量率。測量結果如圖8(a)所示，橫坐標為每個測量點距離鋸齒墻的距離。這些測量結果與相同位置處模擬計算得到的周圍當量劑量一起表示在圖8(a)中。如圖8(a)所示，ENM的測量結果與只統(tǒng)計巨共振中子的計算結果符合較好。其中測量得到的光中子的最大劑量率，在扣除本底后為0.24μSv·h-1。模擬計算中只統(tǒng)計巨共振中子時，棚屋外最大劑量率為0.23 μSv·h-1，兩者符合得很好。用AGM測量光學棚屋外20個測量點處光子的劑量率結果如圖8(b)所示。由圖8(b)看出，棚屋外光子的劑量水平較低，計算得到棚屋外最大劑量率為0.14 μSv·h-1，接近實驗大廳內(nèi)的輻射本底水平。受輻射本底漲落的影響，測量結果誤差較大。在63%的誤差范圍內(nèi)，光子劑量率的模擬計算結果和實驗測量結果符合。

圖8 光學棚屋外輻射劑量率計算與測量結果的比較 (a) 中子，(b) 光中子Fig.8 Dose rate comparisons of calculated and measured results at outside optical enclosure neutrons (a) and photons (b).

5 結語

本文用蒙特卡羅模擬軟件FLUKA，通過對上海光源光束線站BL18U的布局和射線追跡分析建立計算模型，模擬計算了上海光源儲存環(huán)運行在不同狹縫開口、束流強度和真空條件下該線站的氣體軔致輻射劑量率分布、光子和光中子能譜、以及線站光學棚屋外的輻射劑量。比較分析了儲存環(huán)工作在220 mA恒流注入模式下BL18U光學棚屋和輸運管道外的輻射劑量的計算與實驗測量結果。光中子劑量率的計算結果與測量結果符合得很好，而光子劑量率在63%的誤差范圍內(nèi)一致。測量結果表明模擬計算的可靠性。BL18U是上海光源16個標準直線節(jié)插入件光束線站之一，本研究采用的模擬和測量方法可用于其它線站的輻射劑量水平評估，并為上海光源后續(xù)線站的屏蔽設計提供參考。

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CLC TL72, R142

Dose calculation and measurement for bremsstrahlung at BL18U beamline of SSRF

XU Jiaqiang1,2XIA Xiaobin1SHENG Yinxiangzi1QIN Ruifang1ZHANG Dong1FEI Ping’an1YAO Ming1LIU Sixin1
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Gas bremsstrahlung is one of the most important radiation sources that needs to be taken into consideration for shielding design of beamlines at the third generation synchrotron radiation light source. Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) is one of the third generation synchrotron radiation light source in the world. The Protein Micro-crystallography Beamline (BL18U) is one of the commissioning beamlines and is a representative insertion device beamline at SSRF. Purpose: Estimation of radiation dose induced by scattering bremsstrahlung and photoneutrons at BL18U. Methods: Dose rate distribution induced by scattering bremsstrahlung and photoneutrons at BL18U are performed by Monte Carlo simulation code FLUKA. The radiation dose was analyzed with the variation of slits size, beam current at storage ring and the vacuum. Dose rate of photons and photoneutrons at the outside of the optical enclosure of BL18U were measured by using high sensitivity photon and neutron monitors. Results: The measurement results show that the reliability of the simulation. Conclusion: The simulation and measurement methods presented in this study can be applied to evaluate the dose rate level of other beamline stations at SSRF, and provide references to the shielding design for the following beamlines at SSRF in the near future.

Synchrotron radiation, Beamline station, Monte Carlo method, FLUKA, Bremsstrahlung, Radiation measurement

TL72，R142

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.070101

徐加強，男，1974年出生，2001年于上海大學獲碩士學位，現(xiàn)為博士研究生，研究領域為核技術及應用

夏曉彬，E-mail: xiaxiaobin@sinap.ac.cn

2014-04-16，

2014-05-12