高能粒子加速器輻射屏蔽設計方法和應用

高能粒子加速器輻射屏蔽設計方法和應用2024年9月20日內容高能粒子加速器及輻射場介紹1232.1SHIELD11和屏蔽設計方法介紹2.2SXFEL和SAPT實例應用主體屏蔽設計方法及應用迷道屏蔽設計方法及應用3.1屏蔽設計方法介紹3.2SXFEL和SAPT實例應用4總結國內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期1980~1990大規(guī)模建設期自1999下一代建設或規(guī)劃第1臺質子靜電加速器第1臺電子直線加速器蘇聯(lián)引進北京質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強流重離子加速器環(huán)形Higgs工廠加速器中微子束。。?；A研究工業(yè)能源高能物理核物理醫(yī)學

治療質子治療軟X射線自由電子激光試驗裝置(SXFEL)SoftX-rayFreeElectronLaserTestFacility第四代光源：SXFEL上海光源注入器能量(MeV)134重復頻率(Hz)10束團電荷量(nC)0.5直線段能量(GeV)0.84能散(%,rms)≤0.15束團長度(ps,FWHM)≤1.0波蕩器波長(nm)8.8峰值功率(MW)≥100脈沖長度(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：LINAC及波蕩器段1%，廢束桶100%電子加速器隧道內（廢束桶附近）輻射場中伽瑪和中子能譜情況SXFEL輻射場特征巨共振中子：由光核反應產(chǎn)生中子（0.1～20MeV）高能中子：高能光子引起的強子級聯(lián)過程（>100MeV）中能中子：偽氘核反應（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）首臺國產(chǎn)質子治療示范裝置(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：24.6m最大引出電荷12.8nC(8.0

1010p/spill)升能時間：0.7秒重復頻率：0.1～0.5Hz帶束工作時間：7小時/天治療系統(tǒng)1個固定束治療室+1個固定束實驗室+1個旋轉束治療室每個治療室工作負荷各1/3病人每人每次照射時間2分鐘，照射劑量2Gy/分鐘每治療室?guī)ぷ鲿r間：1.2小時/天束流損失假設注入器、同步環(huán)B0鐵20%E0銅70%B1~B8鐵4.4%/點引出、高能輸運線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旋轉治療線人體組織100%不同區(qū)域質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曲線SAPT輻射場特征屏蔽體外總劑量：中子為主要劑量貢獻（95%）屏蔽體外中子劑量：能量0.1MeV~10MeV為主要劑量貢獻（~70%），其主要源項為高能級聯(lián)中子屏蔽體外伽瑪劑量：能量1MeV~7MeV為主要劑量貢獻（~60%），

主體屏蔽設計方法電子加速器SHIELD11建立輻射屏蔽模型，確定電子束流、靶體、屏蔽體、探測點之間方位關系根據(jù)標準靶模型的經(jīng)驗公式計算得到5大射線類型的劑量值根據(jù)管理限值要求計算得到優(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)域主體屏蔽墻設計電子能量段MeV平均流強e/h束損率%厚度m到墻面距離m位置解析法結果μSv/hFluka結果μSv/h5002.25E+141.01001.5左側墻0.720.342.25E+141.0704.5右側墻0.760.372.25E+141.0802.2頂板1.841.03解析法結果比Fluka結果更為保守*頂板上居留因子為1/4質子rΘ參考點Z-axis入射粒子質子加速器模型+半經(jīng)驗公式結合法建立模型，MC模擬計算質子束與靶體相互作用后不同角度的輻射源項建立模型，MC模擬計算中子在普通混凝土內的衰減系數(shù)經(jīng)驗解析方法得到符合設計限值的屏蔽厚度質子能量出射角度輻射源項(Svm2/p)衰減長度(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間分配對應參考墻體位置墻體厚度計算值(m)推薦厚度(m)解析法劑量率(μSv/h)Fluka劑量率(μSv/h)質子5%@250MeV35%@150MeV60%@70MeV上側墻2.452.50.450.19右側墻2.352.40.480.35下側墻2.352.44.451.90頂板1.301.33.641.30*下側墻外居留因子為0

頂板上居留因子為1/4解析法結果也比Fluka結果更為保守計算得到符合設計限值的屏蔽厚度，并采用MC軟件模擬驗證

迷道設計方法散射源點處劑量當量率H0的MC模擬計算建立模型，采用經(jīng)驗公式計算迷道內散射劑量的衰減電子&質子加速器模型+半經(jīng)驗公式結合法中子伽瑪SXFEL波蕩器段迷道劑量衰減情況

解析法結果Fluka計算結果點位中子伽瑪中子伽瑪總劑量率迷宮內口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衰減快，主要原因是未考慮透射部分劑量貢獻電子加速器輻射場中伽瑪劑量貢獻比重較大，經(jīng)過迷道劑量衰減后中子劑量貢獻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結果都可以明顯發(fā)現(xiàn)，在迷道內伽瑪比中子衰減速度更快輻射場分布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結果537——136——3.21——0.44解析法中劑量在迷道內衰減快，主要原因是未考慮透射部分劑量貢獻劑量率隨迷道路徑衰減曲線(H0→H3)主要貢獻為中子，伽瑪劑量貢獻很?。▇5%）解析法與Fluka模擬方法中第一個彎折的劑量衰減還是有較大差別，實際上需要考慮迷道口與源項之間的方位問題輻射場分布主體屏蔽設計：利用SHIELD11或解析法得到的屏蔽結果比MC模擬結果更為保守迷道設計：解析法中劑量衰減比MC模擬方法要快，