高能粒子加速器辐射屏蔽设计方法和应用

高能粒子加速器辐射屏蔽设计方法和应用2024年9月20日内容高能粒子加速器及辐射场介绍1232.1SHIELD11和屏蔽设计方法介绍2.2SXFEL和SAPT实例应用主体屏蔽设计方法及应用迷道屏蔽设计方法及应用3.1屏蔽设计方法介绍3.2SXFEL和SAPT实例应用4总结国内高能粒子加速器整体发展情况早期1950~1960三大加速器建设期1980~1990大规模建设期自1999下一代建设或规划第1台质子静电加速器第1台电子直线加速器苏联引进北京质子同步加速器兰州重离子加速器合肥同步辐射光源上海光源中国散裂中子源BEPC-IINSRL-II自由电子激光(第四代光源)ADS强流重离子加速器环形Higgs工厂加速器中微子束。。。基础研究工业能源高能物理核物理医学

治疗质子治疗软X射线自由电子激光试验装置(SXFEL)SoftX-rayFreeElectronLaserTestFacility第四代光源：SXFEL上海光源注入器能量(MeV)134重复频率(Hz)10束团电荷量(nC)0.5直线段能量(GeV)0.84能散(%,rms)≤0.15束团长度(ps,FWHM)≤1.0波荡器波长(nm)8.8峰值功率(MW)≥100脉冲长度(fs)100~200直线加速器段波荡器段加速器组成及辐射屏蔽系统束损假设：LINAC及波荡器段1%，废束桶100%电子加速器隧道内（废束桶附近）辐射场中伽玛和中子能谱情况SXFEL辐射场特征巨共振中子：由光核反应产生中子（0.1～20MeV）高能中子：高能光子引起的强子级联过程（>100MeV）中能中子：伪氘核反应（20~100MeV）直接光子：逃逸出靶的光子（0.1～20MeV）间接光子：产生于高能中子在靶中慢化过程（>20MeV）首台国产质子治疗示范装置(SAPT)ShanghaiAdvancedProtonTherapyFacilitySAPT加速器和治疗系统组成加速器系统注入能量：7MeV引出能量范围：70~250MeV环周长：24.6m最大引出电荷12.8nC(8.0

1010p/spill)升能时间：0.7秒重复频率：0.1～0.5Hz带束工作时间：7小时/天治疗系统1个固定束治疗室+1个固定束实验室+1个旋转束治疗室每个治疗室工作负荷各1/3病人每人每次照射时间2分钟，照射剂量2Gy/分钟每治疗室带束工作时间：1.2小时/天束流损失假设注入器、同步环B0铁20%E0铜70%B1~B8铁4.4%/点引出、高能输运线E1铜10%H1铁1.5%H2铁1.5%H3铁1.5%治疗室T1眼部治疗线钽70%人体组织30%T2固定治疗线人体组织100%T3旋转治疗线人体组织100%不同区域质子能量分配也差别较大治疗仓外伽玛和中子能谱和剂量贡献曲线SAPT辐射场特征屏蔽体外总剂量：中子为主要剂量贡献（95%）屏蔽体外中子剂量：能量0.1MeV~10MeV为主要剂量贡献（~70%），其主要源项为高能级联中子屏蔽体外伽玛剂量：能量1MeV~7MeV为主要剂量贡献（~60%），

主体屏蔽设计方法电子加速器SHIELD11建立辐射屏蔽模型，确定电子束流、靶体、屏蔽体、探测点之间方位关系根据标准靶模型的经验公式计算得到5大射线类型的剂量值根据管理限值要求计算得到优化屏蔽厚度···巨共振中子中能中子···注入器到直线加速段2区域主体屏蔽墙设计电子能量段MeV平均流强e/h束损率%厚度m到墙面距离m位置解析法结果μSv/hFluka结果μSv/h5002.25E+141.01001.5左侧墙0.720.342.25E+141.0704.5右侧墙0.760.372.25E+141.0802.2顶板1.841.03解析法结果比Fluka结果更为保守*顶板上居留因子为1/4质子rΘ参考点Z-axis入射粒子质子加速器模型+半经验公式结合法建立模型，MC模拟计算质子束与靶体相互作用后不同角度的辐射源项建立模型，MC模拟计算中子在普通混凝土内的衰减系数经验解析方法得到符合设计限值的屏蔽厚度质子能量出射角度辐射源项(Svm2/p)衰减长度(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同步环主体屏蔽粒子能量及时间分配对应参考墙体位置墙体厚度计算值(m)推荐厚度(m)解析法剂量率(μSv/h)Fluka剂量率(μSv/h)质子5%@250MeV35%@150MeV60%@70MeV上侧墙2.452.50.450.19右侧墙2.352.40.480.35下侧墙2.352.44.451.90顶板1.301.33.641.30*下侧墙外居留因子为0

顶板上居留因子为1/4解析法结果也比Fluka结果更为保守计算得到符合设计限值的屏蔽厚度，并采用MC软件模拟验证

迷道设计方法散射源点处剂量当量率H0的MC模拟计算建立模型，采用经验公式计算迷道内散射剂量的衰减电子&质子加速器模型+半经验公式结合法中子伽玛SXFEL波荡器段迷道剂量衰减情况

解析法结果Fluka计算结果点位中子伽玛中子伽玛总剂量率迷宫内口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解析法中剂量在迷道内衰减快，主要原因是未考虑透射部分剂量贡献电子加速器辐射场中伽玛剂量贡献比重较大，经过迷道剂量衰减后中子剂量贡献比例大剂量率随迷道路径衰减曲线(H0→H3)不管是解析法还是Fluka结果都可以明显发现，在迷道内伽玛比中子衰减速度更快辐射场分布SAPT治疗室迷道剂量衰减情况中子剂量率迷道口处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结果537——136——3.21——0.44解析法中剂量在迷道内衰减快，主要原因是未考虑透射部分剂量贡献剂量率随迷道路径衰减曲线(H0→H3)主要贡献为中子，伽玛剂量贡献很小（~5%）解析法与Fluka模拟方法中第一个弯折的剂量衰减还是有较大差别，实际上需要考虑迷道口与源项之间的方位问题辐射场分布主体屏蔽设计：利用SHIELD11或解析法得到的屏蔽结果比MC模拟结果更为保守迷道设计：解析法中剂量衰减比MC模拟方法要快，