同步輻射光源屏蔽研究現(xiàn)狀課件

1、同步輻射光源輻射屏蔽學(xué)習(xí)報告匯報人：劉平成導(dǎo)師：王慶斌1目錄 同步輻射光源 同步輻射光源的輻射源項及相關(guān)研究 束流損失 氣體軔致輻射 同步輻射 參考文獻(xiàn)2同步輻射光源 同步輻射是速度接近光速的相對論帶電粒子在磁場中運(yùn)動方向改變時，沿軌道切線方向發(fā)射的電磁輻射。3三代同步輻射裝置 第一代 兼用光源，“寄生”地利用從彎轉(zhuǎn)磁鐵引出的同步輻射。 第二代 電子儲存環(huán)是專門為同步輻射而設(shè)計，發(fā)射度降低，主要從彎轉(zhuǎn)磁鐵引出同步輻射，開始使用部分插入件提高光源的強(qiáng)度和能量范圍。 第三代 極低電子束發(fā)射度，大量使用插入件。有利于用波蕩器等插入件引出高亮度、 部分相干的準(zhǔn)單色光，光譜亮度比第二代裝置提高幾個數(shù)量級

2、。4第三代的高能光源歐洲同步輻射裝置ESRF美國APS光源日本SPring-85輻射防護(hù)工作的主要內(nèi)容 線站屏蔽措施是多重的，既有起屏蔽和隔離作用外圍線站的棚屋，還有準(zhǔn)直吸收器、 安全光閘等輻射安全設(shè)備。 對同步輻射光有效屏蔽的真空管道和器件腔體也應(yīng)考慮在內(nèi)。6同步輻射裝置中的輻射源項 儲存環(huán)內(nèi)電子的束流損失 大于 100Me V 的高能電子加速器束流損失后與靶相互作用，會導(dǎo)致電磁級聯(lián)簇射。 軔致輻射和高能中子的分布則具有朝前向的特點(diǎn)，能量越高，這一特點(diǎn)越為顯著，特別是軔致輻射，它的分布前沖更明顯。 因此，在同步輻射裝置中，軔致輻射是正向屏蔽中應(yīng)考慮的主要成分，而中子往往是側(cè)向屏蔽中應(yīng)考慮的主

3、要成分。7束流損失的相關(guān)研究 2001年，在 Spring8 的線站屏蔽設(shè)計時，Y.Asano 認(rèn)為設(shè)計線站的前端區(qū)域束流閘、白光棚屋和光子阻擋器時，要考慮束流損失導(dǎo)致的光子中子甚至介子的輻射影響；而設(shè)計實驗棚屋和棚屋內(nèi)的束流閘時則不需要考慮束流損失的影響1。 2011年，ASAI J, HIRAYAMA H.等人在加拿大的CLS 光源在處理束流損失影響時，基于一定束損假設(shè)，讓電子入射到薄的銅靶上，計算損失電子后產(chǎn)生的軔致輻射對下游線站的影響2,3。8束流損失的相關(guān)研究 CLS 光源在處理束流損失影響時的計算29同步輻射裝置中的輻射源項 氣體軔致輻射 當(dāng)快速運(yùn)動的電子通過物質(zhì)時，由于受到原子核

4、外庫侖場的作用速度突然降低，這時電子能量一部分或全部轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)能量的電磁輻射。 同步輻射光源的電子能量遠(yuǎn)大于空氣的臨界能量 150Me V。因此束流在儲存環(huán)真空管道內(nèi)運(yùn)行時，會與真空系統(tǒng)中的殘余氣體分子發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的軔致輻射，這是光束線站最主要的輻射源。10同步輻射裝置中的輻射源項11軔致輻射的相關(guān)研究 經(jīng)驗表達(dá)式是建立在模擬計算基礎(chǔ)上面，在處理軔致輻射的直接屏蔽計算中使用，但難以處理軔致輻射散射問題。 蒙特卡羅（Monte-Carlo，MC）方法是解決軔致輻射的一種較為理想的計算方法。 殘余氣體軔致輻射的模擬計算中，通常設(shè)置為一定能量的電子穿過一段氣體柱，在氣體柱尾端截斷電子的傳輸，余

5、下的軔致輻射輻射光子就是主要研究對象殘余氣體的軔致輻射。12軔致輻射的相關(guān)研究 1993-1999年， P. K. Job 等研究人員在 APS 光束線站上，采用了 EGS 模擬計算軔致輻射沖擊厚靶。確定線站上輻射安全器件如準(zhǔn)直吸收器、束流閘等的厚度，運(yùn)用雙晶單色儀的晶片的靶模型對軔致輻射的散射，來計算確定光學(xué)棚屋的厚度。 這種屏蔽設(shè)計模式成為 APS 線站設(shè)計的指導(dǎo)手冊4。13軔致輻射的相關(guān)研究 1994年，P.K.Job 在 APS屏蔽設(shè)計中5 ，用EGS4模擬了從初級軔致輻射的產(chǎn)生后入射到一定厚度鉛和鎢內(nèi)的粒子輸運(yùn)過程，讓軔致輻射打靶散射，在四周設(shè)置屏蔽體，屏蔽體外包裹人體組織用于劑量率

6、的評價。14軔致輻射的相關(guān)研究 2006年, LIU J C, FASSO A等人在SSRL的Spear3線站的升級中用經(jīng)驗公式法進(jìn)行初級軔致輻射的屏蔽計算，散射的屏蔽設(shè)計上和 APS 的方法一樣，使用FLUKA 軟件，計算了不同厚度銅靶產(chǎn)生的光子和中子劑量6 。15軔致輻射的相關(guān)研究 Spear3線站計算軔致輻射散射的方法與 APS 一樣，計算了不同散射角的劑量率6。16軔致輻射的相關(guān)研究 2004 到2011 年 J.Asai 等人在 CLS 光束線站的的屏蔽設(shè)計中也一直沿用 APS 方法，使用 EGS4 模擬計算進(jìn)行屏蔽設(shè)計7。17軔致輻射的相關(guān)研究 2014年，上海光束線站BLI 8U

7、 軔致輻射屏蔽研究中，徐加強(qiáng)、夏曉彬等人用FLUKA軟件模擬計了蛋白質(zhì)微晶結(jié)構(gòu)光束線(BLl8U)線站因軔致輻射的散射和光中子引起的輻射劑量率分布，析了因狹縫開孔尺寸、儲存環(huán)內(nèi)流強(qiáng)的變化所引起的輻射劑量變化 8。18同步輻射裝置中的輻射源項 同步輻射 在第三代光源上，根據(jù)同步光源的來源不同，為三類：彎鐵 (Bending Magnet) 光源，扭擺器(Wiggler)光源和波蕩器(Undulator)光源。 同步輻射的屏蔽主要是計算其所產(chǎn)生的同步輻射 X射線的強(qiáng)度和對 X射線的屏蔽計算。19同步輻射屏蔽的相關(guān)研究 同步輻射源項的大小與產(chǎn)生的同步輻射的插入件和彎鐵有關(guān)，與每條光束線的調(diào)制和使用情

8、況有關(guān)。因此不同線站的同步輻射光性能不同，需要具體線站具體分析。 許多三代光源選用 STAC08 軟件進(jìn)行同步輻射的屏蔽設(shè)計，如 Spear3，Spring8等。 其解析計算過程主要是通過兩步實現(xiàn)： 第一步是計算同步輻射在波蕩器、搖擺器和彎鐵內(nèi)產(chǎn)生的同步輻射光譜； 第二步是計算同步輻射光載濾波片、鏡面等光學(xué)設(shè)備以及屏蔽體內(nèi)的衰減。由此計算在棚屋屏蔽墻外的劑量。20同步輻射屏蔽的相關(guān)研究 2001年，Asano 在 Spring8 線站的屏蔽設(shè)計中，使用了 STAC08 計算模擬同步輻射的屏蔽10。計算模型見下圖。21同步輻射屏蔽的相關(guān)研究 2004年，J. C. Liu, A. Fasso,

9、A. 等人基于SSRL的bending beamline 和wiggler beamline，對比驗證了STAC08、EGS4、FLUKA的計算結(jié)果。EGS4和FLUKA彼此一致， STAC8計算更快但保守，STAC8通常高估劑量當(dāng)量2-3倍。22同步輻射屏蔽的相關(guān)研究 2013年，William，Panakkal 等人在NSLS-II (National Synchrotron Light Source II) 實驗線站的屏蔽計算中，用EGS4模擬了安全閘對同步輻射及軔致輻射的屏蔽11。23參考文獻(xiàn)1 Y.ASANO, A Study on Radiation Shielding and S

10、afety Analysis for Synchrotron Radiation Beamline M. Japan Atomic Energy Research Institute 2001. 2 ASAI J, HIRAYAMA H. Dose estimates for an insertion device beamline with a tapered absorber at the Canadian Light Source J. Radiation Measurements, 2011, 46(4): 418-424. 3 ASAI J, WYSOKINSKI T W, SMIT

11、H S, et al.Radiological considerations for POE-1 photon shutters, collimators and beam stops of the Biomedical Imaging and Therapy beamline at the Canadian Light Source J. NuclInstrum Meth A, 2008, 585(1-2): 1-11. 4 JOB P K. Guidelines for Beamline and Front-End Radiation Shielding Design at the Adv

12、anced Photon Source J.ANL/APS/TB-44, 2005.24參考文獻(xiàn)5 Job P K, Haeffner D R, Shu D. Bremsstrahlung scattering calculations for the beam stops and collimators in the APS insertion-device beamlinesJ. P, 1994.6 LIU J C, FASSO A, KHATER H, et al. Generic radiation safety design for SSRL synchr

13、otron radiation beamlines J. Radiation Measurements, 2006, 41(S156-S62. 7 ASAI J, HIRAYAMA H. Radiation shielding from secondary gas bremsstrahlung for the first optics enclosure at the Canadian Light Source J. Nucl Instrum Meth A, 2004, 527(3): 264-272. 8 徐加強(qiáng)，夏曉彬，盛尹祥子，秦銳芳，張冬，費(fèi)平安，姚明，劉嗣鑫，上海光源BL18U線站軔致輻射劑量的計算與測量，核技術(shù).9 Y.ASANO, A Study on Radiation Shielding and Safety Analysis for Synchrotron Radiation Beamline M. Japan Atomic Energy Research Institute 2001. 25參考文獻(xiàn)10 Y.ASANO, A Study on Radiation Shielding and Safety Analysis for Synchrotron Radiation