高能同步輻射光束線站軔致輻射吸收器設(shè)計(jì)

劉平成 劉瓊瑤 馬忠劍 張會(huì)杰 閻明洋 王慶斌,2

1（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京100049）

2（散裂中子源科學(xué)中心 東莞523803）

3（中國科學(xué)院大學(xué) 北京100049）

高能同步輻射光源（High Energy Photon Source，HEPS）是中國“十三五”重大科研基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一，建成之后將會(huì)是世界上發(fā)射度最低、亮度最高的同步輻射光源，可提供能量高達(dá)300 keV 的高性能X 射線。HEPS 由一個(gè)長18.9 m 的500 MeV直線電子加速器、一個(gè)周長454.5 m 的6 GeV 增強(qiáng)器、一個(gè)周長1 360.4 m的6 GeV電子儲(chǔ)存環(huán)以及若干條光束線站組成，如圖1所示。

電子與儲(chǔ)存環(huán)中殘余氣體反應(yīng)產(chǎn)生的氣體軔致輻射是光束線站主要輻射源項(xiàng)之一［1］。氣體軔致輻射具有很強(qiáng)的前向性，會(huì)伴隨著同步輻射光的引出進(jìn)入第一光學(xué)棚屋（First Optical Enclosure，F(xiàn)OE），通常會(huì)在FOE 中設(shè)置軔致輻射吸收器（Beam Stop，BS）來阻止氣體軔致輻射，但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生光核反應(yīng)中子，較難被棚屋鉛墻屏蔽。由于運(yùn)行工況、線站布局、直線節(jié)長度以及分析方式的差異，國際上的一些對(duì)高能光源上光核反應(yīng)中子的研究結(jié)果存在一定的差異，一些研究認(rèn)為光核反應(yīng)中子造成的劑量率較低，不需要額外的屏蔽措施［2-3］。另一些研究認(rèn)為，光核反應(yīng)中子的輻射影響不可忽略，需要棚屋側(cè)墻高劑量率處增加局部屏蔽［4］或者在BS 上覆蓋聚乙烯［5］來減少中子劑量率。本文使用蒙特卡羅方法分析了HEPS典型光束線站上光核反應(yīng)中子的特性并提出屏蔽方法。

1 典型光束線站布局簡介

圖1 高能同步輻射光源主體建筑示意圖Fig.1 Schematic of main building of HEPS

HEPS 儲(chǔ)存環(huán)有48 個(gè)直線節(jié)，其中41 個(gè)可以用來安裝插入件，I期工程計(jì)劃建設(shè)14條光束線站，包括13 條插入件線站和1 條彎鐵線站，圖2 給出了典型插入件光束線站──工程材料線站FOE 內(nèi)主要設(shè)備。直線節(jié)長6.072 m，真空盒管道內(nèi)徑63 mm，管壁厚2.5 mm，直線節(jié)中心距離鋸齒墻端墻FOE一側(cè)（圖2中0 m處）31.5 m。FOE長15 m、寬2.5 m、高4 m，束流管道中心距離地面1.2 m，距離FOE的側(cè)墻1.25 m，棚屋的墻壁使用鉛為屏蔽材料，初步設(shè)計(jì)的側(cè)墻厚25 mm，屋頂厚20 mm，端墻厚130 mm（50 mm 厚端墻+80 mm 局部屏蔽）。當(dāng)線站處于供光模式，同步輻射和氣體軔致輻射通過鋸齒墻開孔從前端區(qū)進(jìn)入FOE，沿途經(jīng)過一系列準(zhǔn)直器、安全光閘、狹縫、白光鏡、雙晶單色器、BS 等設(shè)備的散射。同步輻射光在經(jīng)過雙晶單色器后調(diào)制為單色光或者粉光，光路改變，進(jìn)入下游線站。BS 設(shè)置在雙晶單色器后，吸收直射的氣體軔致輻射。準(zhǔn)直器為250 mm×250 mm×300 mm 鉛塊，中心距離鋸齒墻0.65 m，準(zhǔn)直器中心有尺寸為20 mm×20 mm 通光孔。白光狹縫為無氧銅材料的四角水冷狹縫，中心距鋸齒墻1.7 m，計(jì)算模型中將四角水冷狹縫簡化為兩組上下相對(duì)的15 mm厚銅片。單色器中心距離鋸齒墻11.1 m，單色器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了建模方便，忽略單色器內(nèi)部的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，雙晶為20 mm 厚的硅晶體，與水平面夾角為35°。薄膜窗，折射透鏡等設(shè)備對(duì)氣體軔致輻射高能光子的散射作用較弱，所以在模擬計(jì)算中不考慮這部分設(shè)備的影響。

圖2 典型光束線站FOE中的主要設(shè)備和軔致輻射吸收器示意圖Fig.2 Schematic view of the main equipment and beam stop in the FOE of typical beamlines

2 直線節(jié)中的氣體軔致輻射

氣體軔致輻射是高能電子在真空盒中與殘余氣體的分子和離子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)產(chǎn)生的高能γ射線，由于是來自非彈散射過程，表現(xiàn)為連續(xù)譜的電磁輻射，在HEPS 上氣體軔致輻射最高能量可以達(dá)到6 GeV，發(fā)射角為0.085 mrad（相對(duì)論電子氣體軔致輻射發(fā)射角為0.511/E，E為電子能量MeV）。使用FLUKA模擬能量為6 GeV的電子照射6.072 m長的直線節(jié)，直線節(jié)真空盒為壁厚1 mm的不銹鋼，內(nèi)徑尺寸為15 mm×22 mm。束流按照高斯分布進(jìn)行抽樣，X方向束流的半高全寬為0.236 mm，Y方向束流的半高全寬為0.118 mm。電子在通過直線節(jié)后會(huì)有磁鐵進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，在模擬計(jì)算中，在直線節(jié)末端截?cái)嚯娮拥膫鬏?，只讓氣體軔致輻射向線站下游傳輸，模擬中的直線節(jié)中殘余氣體壓力和成分會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，然后對(duì)殘余氣體設(shè)置進(jìn)行詳細(xì)的說明。

氣體軔致輻射的強(qiáng)度與電子的能量、流強(qiáng)、直線節(jié)的長度和真空度存在線性關(guān)系，為了增加反應(yīng)的概率和提高計(jì)算的效率，通常將直線節(jié)的氣體壓力設(shè)置為一個(gè)大氣壓，再將產(chǎn)生的氣體軔致輻射線性換 算 成 實(shí) 際 的 運(yùn) 行 工 況 下 對(duì) 應(yīng) 值［1，5-7］。 但 是Asano［8］在Spring8 光源上的研究表明，這種線性換算并非始終可行。多次庫倫散射和Moller 散射（入射電子和原子電子之間的碰撞）在低真空（1.013×102Pa）下可以忽略不計(jì)，但在大氣壓下卻是主要的相互作用。HEPS 正常運(yùn)行環(huán)境的真空度P0優(yōu)于1.33×10-7Pa，本文為增加計(jì)算效率，使用的氣體直線節(jié)的真空度Pc為1.013×102Pa，在后續(xù)的能譜以及劑量當(dāng)量的處理時(shí)，將模擬計(jì)算結(jié)果乘以系數(shù)η（η=P0/Pc）換算至1.33×10-7Pa真空下的相應(yīng)數(shù)值。

此外，殘余氣體的平均原子序數(shù)會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，模擬計(jì)算中殘余氣體成分參照了歐洲同步輻射光源（European Synchrotron Radiation Facility，ESRF）在儲(chǔ)存環(huán)能量6 GeV、流強(qiáng)200 mA、真空度1.33×10-7Pa條件下的測量結(jié)果［9］，平均原子序數(shù)為3.2，如表1所示。

表1 計(jì)算中使用的殘余氣體成分Table 1 Composition of the residual gas used in the simulation

圖3是直線節(jié)末端的氣體軔致輻射的能譜。光子能量在超過光核反應(yīng)的閾值時(shí)，會(huì)與照射到的物質(zhì)產(chǎn)生光核反應(yīng)中子（Photo-neutron）。根據(jù)入射光子的能量大小，光核反應(yīng)中子主要來自三種途徑［10］：巨共振衰變（入射光子能量10～30 MeV）、偽氘核效應(yīng)（入射光子能量50～300 MeV）、核內(nèi)級(jí)聯(lián)（入射光子能量大于140 MeV）。HEPS直線節(jié)產(chǎn)生的初級(jí)軔致輻射的能量遠(yuǎn)超于光核反應(yīng)的閾值，第一光學(xué)棚屋內(nèi)的軔致輻射阻擋器和棚屋需要考慮光核反應(yīng)中子的影響。

圖3 6 GeV電子在長6.072 m、真空度1.33×10-7 Pa直線節(jié)中產(chǎn)生的氣體軔致輻射能譜Fig.3 Gas bremsstrahlung spectrum produced by 6 GeV electrons in 6.072 m long straight section with 1.33×10-7 Pa vacuum degree

3 氣體軔致輻射散射

當(dāng)線站進(jìn)入工作模式時(shí)，安全光閘打開，中心光錐的氣體軔致輻射會(huì)隨著同步輻射到達(dá)光學(xué)棚屋，高能光子可以與其碰到的任何物體發(fā)生散射，產(chǎn)成次級(jí)軔致輻射。雖然沒有初級(jí)氣體軔致輻射那樣強(qiáng)烈，但次級(jí)軔致輻射會(huì)向各個(gè)方向傳播，當(dāng)初級(jí)軔致輻射被所截止后，次級(jí)軔致輻射的散射將是光學(xué)棚屋屏蔽的重點(diǎn)。氣體軔致輻射引起的散射光子和光核反應(yīng)中子同樣是使用FLUKA 軟件進(jìn)行計(jì)算，徐加強(qiáng)等［11］基于上海光源的BL09U 插入件線站對(duì)光核反應(yīng)中子進(jìn)行了FLUKA 計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量的對(duì)比，驗(yàn)證了FLUKA 處理軔致輻射散射問題的可靠性。

氣體軔致輻射散射模擬計(jì)算使用的幾何模型綜合考慮了圖2 所示的準(zhǔn)直器、狹縫、單色器以及BS等主要設(shè)備，F(xiàn)OE的一側(cè)利用鋸齒墻屏蔽輻射，另一側(cè)為25 mm厚鉛墻。將直線節(jié)中產(chǎn)生的氣體軔致輻射光子向線站下游輸運(yùn)，直線節(jié)的中心距離FOE的入口31.5 m，經(jīng)過一系列設(shè)備截止于BS上。然后使用FLUKA 的USRBIN 選項(xiàng)卡記錄FOE 內(nèi)的劑量當(dāng)量，然后通過AUXSCOR選項(xiàng)的AMB74轉(zhuǎn)換系數(shù)將結(jié)果轉(zhuǎn)換為周圍劑量當(dāng)量。

圖4（a）是FOE 束流平面（距地面1.2 m）的光子劑量率分布，氣體軔致輻射光子在準(zhǔn)直器后狹縫處產(chǎn)生前向性的散射，氣體軔致輻射的中心截止于BS，光子劑量率最大值發(fā)生在氣體軔致輻射的截止點(diǎn)，為6.4×104μSv·h-1，在經(jīng)過空氣和25 mm的棚屋鉛墻衰減之后，光子劑量率最大值衰減為0.17 μSv·h-1。圖4（b）是束流平面中子的劑量率分布，中子主要產(chǎn)生在準(zhǔn)直器、狹縫和BS處，中子劑量率最大值同樣發(fā)生在氣體軔致輻射的截止點(diǎn)，為9.1×103μSv·h-1，中子的劑量以BS 為熱點(diǎn)向四周衰減，但是可以看到，棚屋鉛墻對(duì)中子幾乎沒有起到屏蔽作用，棚屋鉛墻外的中子劑量率最大值仍然有2.80 μSv·h-1。由于FOE 的側(cè)墻外是同步輻射的用戶和工作人員可以活動(dòng)的場所，HEPS 對(duì)FOE 外的輻射安全限值是希望劑量率控制在2.5 μSv·h-1以下，而僅靠鉛墻很難對(duì)中子進(jìn)行有效的屏蔽，所以屏蔽措施還需進(jìn)一步優(yōu)化。

4 光核反應(yīng)中子能譜以及軔致輻射吸收器設(shè)計(jì)

使用射線追跡方法初步確定BS 的尺寸為250 mm×250 mm×300 mm 的鉛塊。使用FLUKA 的USRTRACK 選項(xiàng)統(tǒng)計(jì)不同角度內(nèi)的光子和中子能譜，粒子統(tǒng)計(jì)區(qū)域?yàn)榄h(huán)繞著BS 的環(huán)形區(qū)域，如圖5所示。

圖4 第一光學(xué)棚屋內(nèi)劑量率分布 (a)光子，(b)中子Fig.4 Distribution of dose equivalent rate in the FOE(a)Photon,(b)Neutron

圖5 FLUKA統(tǒng)計(jì)散射粒子能譜的區(qū)域(a)正視圖，(b)側(cè)視圖Fig.5 Spectrum scoring area of scattered particles in FLUKA simulation (a)Front view,(b)Side view

圖6（a）統(tǒng)計(jì)了0°～150°的散射光子能譜（150°～180°內(nèi)會(huì)統(tǒng)計(jì)到入射的軔致輻射光子），0°～90°內(nèi)的散射光子通量僅占17.8%，BS 很好地屏蔽了氣體軔致輻射產(chǎn)生的前向和側(cè)向的散射光子，但同時(shí)也產(chǎn)生了光核反應(yīng)中子。圖6（b）是0°～180°的中子的能譜，可以看出光核反應(yīng)中子以巨共振中子（0.1～5 MeV能量區(qū)間的中子）為主，占散射中子總通量的91%，由于BS本身有300 mm的厚度，入射方向（0°～90°）的中子部分沉積在鉛體內(nèi)，通量遠(yuǎn)小于側(cè)向及反射方向（90°～180°）的中子。

如果在FOE棚屋鉛墻處對(duì)中子進(jìn)行屏蔽，需要屏蔽較大的面積。從圖4（b）可以看出，中子熱點(diǎn)主要產(chǎn)生在BS 處，如果在源頭上加以優(yōu)化，在中子未向外傳播時(shí)將其屏蔽，可以大大減少FOE的屏蔽代價(jià)。含硼聚乙烯是在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用的中子屏蔽材料，聚乙烯是分子式為［C2H4］n的高含氫量的碳?xì)浠衔铮?dāng)氫原子與快中子發(fā)生彈性碰撞時(shí)，通過（n，γ）反應(yīng)將快中子慢化為慢中子，硼元素（10B）具有較高的慢中子吸收截面，可以通過（n，α）反應(yīng)吸收慢化的中子。物質(zhì)在慢化快中子和吸收慢中子后往往會(huì)伴隨著二次γ 輻射，氫原子慢化快中子反應(yīng)產(chǎn)生的二次γ 輻射能量為2.23 MeV，硼吸收慢中子產(chǎn)生能量為0.478 MeV 的γ 輻射以及容易被材料本身吸收的α 粒子。通過含硼聚乙烯的局部屏蔽，可以將中子的輻射轉(zhuǎn)化為很容易被棚屋的鉛墻屏蔽低能γ輻射。

圖6 不同角度的散射光子能譜(a)和中子能譜(b)Fig.6 Scattering photon(a)and neutron(b)spectrum at different angles

設(shè)計(jì)圖7 所示的含硼聚乙烯和鉛的屏蔽結(jié)構(gòu)，使用正面10 cm厚、側(cè)面7 cm厚含硼聚乙烯包在BS上，計(jì)算中使用的含硼聚乙烯的成分為92%的聚乙烯和8%的B4C。

圖7 含硼聚乙烯和鉛的組合屏蔽示意圖Fig.7 Schematic of the combined structure of boroncontaining polyethylene and lead

使用含硼聚乙烯和鉛組合屏蔽的BS后，第一光學(xué)棚屋束流平面的光子和中子劑量率分布如圖8所示，經(jīng)過含硼聚乙烯后中子劑量有明顯的衰減，F(xiàn)OE內(nèi)外的中子劑量均有降低，F(xiàn)OE 側(cè)墻外中子劑量率最大值下降到0.4 μSv·h-1，而屏蔽前后的光子輻射場變化從劑量率分布圖中看并不明顯。為了研究含硼聚乙烯對(duì)光核反應(yīng)中子吸收以及二次的γ 輻射，使用FLUKA 的USRTRACK 選項(xiàng)統(tǒng)計(jì)了屏蔽之后BS 吸收氣體軔致輻射厚在不同角度的光子和中子能譜，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9 所示。由于硼俘獲熱中子伴隨的0.478 MeV 的 γ 輻射，0.4～0.5 MeV 能量區(qū)間的光子通量有明顯的升高，是屏蔽前的296%，而0.5～5 MeV 之間的光子通量卻降低了30%，更高能量段的光子通量則變化不大。含硼聚乙烯對(duì)快中子有著明顯的慢化吸收作用，0.1～5 MeV 能量區(qū)間的巨共振中子通量比屏蔽前降低了96%，更高能量段的中子通量變化較小。

圖9 屏蔽后不同角度的光子能譜(a)和中子能譜(b)Fig.9 Photon(a)and neutron(b)spectrum at different angles after shielding

圖8 使用局部屏蔽后第一光學(xué)棚屋內(nèi)劑量當(dāng)量率分布(a)光子，(b)中子Fig.8 Distribution of dose equivalent rate in the FOE after using partial shielding (a)Photon,(b)Neutron

圖10 對(duì)比了氣體軔致輻射照射屏蔽前后兩種結(jié)構(gòu)的BS后光學(xué)棚屋（25 mm鉛墻）外的總劑量率，圖上數(shù)據(jù)點(diǎn)為FOE側(cè)墻外表面距地面1.2 m（束流平面）處的中子劑量率加上光子劑量率。BS 未屏蔽時(shí)，側(cè)墻外表面的最高點(diǎn)劑量率為2.8 μSv·h-1，當(dāng)使用含硼聚乙烯局部屏蔽后，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的劑量率下降到0.4 μSv·h-1，達(dá)到了HEPS的輻射劑量率安全標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

本文使用蒙特卡羅軟件FLUKA 對(duì)高能同步輻射光源光束線站前端區(qū)、第一光學(xué)棚屋以及線站主要設(shè)備建立計(jì)算模型，模擬計(jì)算了高能同步輻射光源正常運(yùn)行工況下，直線節(jié)上產(chǎn)生的氣體軔致輻射能譜，氣體軔致輻射在照射到第一光學(xué)棚屋的器件上產(chǎn)生散射。傳統(tǒng)的軔致輻射吸收器是鉛塊或鎢塊，氣體軔致輻射照射后會(huì)產(chǎn)生光核反應(yīng)中子，模擬計(jì)算表明：在高能同步輻射光源上光核反應(yīng)中子引起的輻射劑量不可忽略。根據(jù)軔致輻射光子和光核反應(yīng)中子的角分布設(shè)計(jì)鉛和含硼聚乙烯組合屏蔽，大大降低了第一光學(xué)棚屋內(nèi)外的中子劑量率，達(dá)到HEPS的輻射劑量率安全標(biāo)準(zhǔn)，為國內(nèi)外類似高能同步輻射裝置提供參考。