高能粒子加速器輻射屏蔽設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用

高能粒子加速器輻射屏蔽設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用2024年9月20日內(nèi)容高能粒子加速器及輻射場(chǎng)介紹1232.1SHIELD11和屏蔽設(shè)計(jì)方法介紹2.2SXFEL和SAPT實(shí)例應(yīng)用主體屏蔽設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用迷道屏蔽設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用3.1屏蔽設(shè)計(jì)方法介紹3.2SXFEL和SAPT實(shí)例應(yīng)用4總結(jié)國內(nèi)高能粒子加速器整體發(fā)展情況早期1950~1960三大加速器建設(shè)期1980~1990大規(guī)模建設(shè)期自1999下一代建設(shè)或規(guī)劃第1臺(tái)質(zhì)子靜電加速器第1臺(tái)電子直線加速器蘇聯(lián)引進(jìn)北京質(zhì)子同步加速器蘭州重離子加速器合肥同步輻射光源上海光源中國散裂中子源BEPC-IINSRL-II自由電子激光(第四代光源)ADS強(qiáng)流重離子加速器環(huán)形Higgs工廠加速器中微子束。。?；A(chǔ)研究工業(yè)能源高能物理核物理醫(yī)學(xué)

治療質(zhì)子治療軟X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置(SXFEL)SoftX-rayFreeElectronLaserTestFacility第四代光源：SXFEL上海光源注入器能量(MeV)134重復(fù)頻率(Hz)10束團(tuán)電荷量(nC)0.5直線段能量(GeV)0.84能散(%,rms)≤0.15束團(tuán)長(zhǎng)度(ps,FWHM)≤1.0波蕩器波長(zhǎng)(nm)8.8峰值功率(MW)≥100脈沖長(zhǎng)度(fs)100~200直線加速器段波蕩器段加速器組成及輻射屏蔽系統(tǒng)束損假設(shè)：LINAC及波蕩器段1%，廢束桶100%電子加速器隧道內(nèi)（廢束桶附近）輻射場(chǎng)中伽瑪和中子能譜情況SXFEL輻射場(chǎng)特征巨共振中子：由光核反應(yīng)產(chǎn)生中子（0.1～20MeV）高能中子：高能光子引起的強(qiáng)子級(jí)聯(lián)過程（>100MeV）中能中子：偽氘核反應(yīng)（20~100MeV）直接光子：逃逸出靶的光子（0.1～20MeV）間接光子：產(chǎn)生于高能中子在靶中慢化過程（>20MeV）首臺(tái)國產(chǎn)質(zhì)子治療示范裝置(SAPT)ShanghaiAdvancedProtonTherapyFacilitySAPT加速器和治療系統(tǒng)組成加速器系統(tǒng)注入能量：7MeV引出能量范圍：70~250MeV環(huán)周長(zhǎng)：24.6m最大引出電荷12.8nC(8.0

1010p/spill)升能時(shí)間：0.7秒重復(fù)頻率：0.1～0.5Hz帶束工作時(shí)間：7小時(shí)/天治療系統(tǒng)1個(gè)固定束治療室+1個(gè)固定束實(shí)驗(yàn)室+1個(gè)旋轉(zhuǎn)束治療室每個(gè)治療室工作負(fù)荷各1/3病人每人每次照射時(shí)間2分鐘，照射劑量2Gy/分鐘每治療室?guī)ぷ鲿r(shí)間：1.2小時(shí)/天束流損失假設(shè)注入器、同步環(huán)B0鐵20%E0銅70%B1~B8鐵4.4%/點(diǎn)引出、高能輸運(yùn)線E1銅10%H1鐵1.5%H2鐵1.5%H3鐵1.5%治療室T1眼部治療線鉭70%人體組織30%T2固定治療線人體組織100%T3旋轉(zhuǎn)治療線人體組織100%不同區(qū)域質(zhì)子能量分配也差別較大治療倉外伽瑪和中子能譜和劑量貢獻(xiàn)曲線SAPT輻射場(chǎng)特征屏蔽體外總劑量：中子為主要?jiǎng)┝控暙I(xiàn)（95%）屏蔽體外中子劑量：能量0.1MeV~10MeV為主要?jiǎng)┝控暙I(xiàn)（~70%），其主要源項(xiàng)為高能級(jí)聯(lián)中子屏蔽體外伽瑪劑量：能量1MeV~7MeV為主要?jiǎng)┝控暙I(xiàn)（~60%），

主體屏蔽設(shè)計(jì)方法電子加速器SHIELD11建立輻射屏蔽模型，確定電子束流、靶體、屏蔽體、探測(cè)點(diǎn)之間方位關(guān)系根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)靶模型的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到5大射線類型的劑量值根據(jù)管理限值要求計(jì)算得到優(yōu)化屏蔽厚度···巨共振中子中能中子···注入器到直線加速段2區(qū)域主體屏蔽墻設(shè)計(jì)電子能量段MeV平均流強(qiáng)e/h束損率%厚度m到墻面距離m位置解析法結(jié)果μSv/hFluka結(jié)果μSv/h5002.25E+141.01001.5左側(cè)墻0.720.342.25E+141.0704.5右側(cè)墻0.760.372.25E+141.0802.2頂板1.841.03解析法結(jié)果比Fluka結(jié)果更為保守*頂板上居留因子為1/4質(zhì)子rΘ參考點(diǎn)Z-axis入射粒子質(zhì)子加速器模型+半經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合法建立模型，MC模擬計(jì)算質(zhì)子束與靶體相互作用后不同角度的輻射源項(xiàng)建立模型，MC模擬計(jì)算中子在普通混凝土內(nèi)的衰減系數(shù)經(jīng)驗(yàn)解析方法得到符合設(shè)計(jì)限值的屏蔽厚度質(zhì)子能量出射角度輻射源項(xiàng)(Svm2/p)衰減長(zhǎng)度(gcm-2)250MeV0－10°1.60×10-1410820－30°5.37×10-1510340－50°1.92×10-159260－70°8.48×10-168080－90°3.11×10-1672130－140°3.72×10-1658SAPT同步環(huán)主體屏蔽粒子能量及時(shí)間分配對(duì)應(yīng)參考?jí)w位置墻體厚度計(jì)算值(m)推薦厚度(m)解析法劑量率(μSv/h)Fluka劑量率(μSv/h)質(zhì)子5%@250MeV35%@150MeV60%@70MeV上側(cè)墻2.452.50.450.19右側(cè)墻2.352.40.480.35下側(cè)墻2.352.44.451.90頂板1.301.33.641.30*下側(cè)墻外居留因子為0

頂板上居留因子為1/4解析法結(jié)果也比Fluka結(jié)果更為保守計(jì)算得到符合設(shè)計(jì)限值的屏蔽厚度，并采用MC軟件模擬驗(yàn)證

迷道設(shè)計(jì)方法散射源點(diǎn)處劑量當(dāng)量率H0的MC模擬計(jì)算建立模型，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算迷道內(nèi)散射劑量的衰減電子&質(zhì)子加速器模型+半經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合法中子伽瑪SXFEL波蕩器段迷道劑量衰減情況

解析法結(jié)果Fluka計(jì)算結(jié)果點(diǎn)位中子伽瑪中子伽瑪總劑量率迷宮內(nèi)口H012231985122319853853第一反射H1344317340415855第二反射H25.950.168.562.2710.84第三反射H30.170.010.510.330.84第四反射H41.2E-032.5E-051.3E-34E-41.7E-3H0r0r1H1H2H3H4r2r3r4解析法中劑量在迷道內(nèi)衰減快，主要原因是未考慮透射部分劑量貢獻(xiàn)電子加速器輻射場(chǎng)中伽瑪劑量貢獻(xiàn)比重較大，經(jīng)過迷道劑量衰減后中子劑量貢獻(xiàn)比例大劑量率隨迷道路徑衰減曲線(H0→H3)不管是解析法還是Fluka結(jié)果都可以明顯發(fā)現(xiàn)，在迷道內(nèi)伽瑪比中子衰減速度更快輻射場(chǎng)分布SAPT治療室迷道劑量衰減情況中子劑量率迷道口處第一次反射第二次反射第三次反射H0(μSv/h)r0r1H1(μSv/h)A2r2H2(μSv/h)A3r3H3(μSv/h)解析法5376.99.516156.01.9052.40.11Fluka結(jié)果537——136——3.21——0.44解析法中劑量在迷道內(nèi)衰減快，主要原因是未考慮透射部分劑量貢獻(xiàn)劑量率隨迷道路徑衰減曲線(H0→H3)主要貢獻(xiàn)為中子，伽瑪劑量貢獻(xiàn)很?。▇5%）解析法與Fluka模擬方法中第一個(gè)彎折的劑量衰減還是有較大差別，實(shí)際上需要考慮迷道口與源項(xiàng)之間的方位問題輻射場(chǎng)分布主體屏蔽設(shè)計(jì)：利用SHIELD11或解析法得到的屏蔽結(jié)果比MC模擬結(jié)果更為保守迷道設(shè)計(jì)：解析法中劑量衰減比MC模擬方法要快，