[科普中國]-加速器屏蔽

加速器屏蔽設計的目的是為了進一步確保輻照過程中人員的人身安全， 對輻照加速器小車系統(tǒng)迷宮入口設計一種光電聯(lián)鎖系統(tǒng)。該光電聯(lián)鎖系統(tǒng)根據(jù)小車具體結構采用 28 組光電開關多點分布組合設計，設置于輻照加速器屏蔽室入口處，具有檢測到非特定特征小車或物體進入屏蔽室時發(fā)出報警信號的功能。為輻射、化學危害，核能利用等提供有力的安全保障和技術支持，對設備的操作便捷性、 場地安全性有重要指導意義。

概念加速器屏蔽是在建造加速器之前首先要進行輻射防護設計，對由于電子直線加速器產(chǎn)生的高能射線(主要是X射線) 進行屏蔽，在合理的情況下使其對環(huán)境的影響降到盡量低的水平。屏蔽房間內(nèi)的輻射源產(chǎn)生的高能光子穿透屋頂后和大氣中的物質(zhì)(主要是氮氣、氧氣) 作用，被散射回地面，即為空間散射，這會導致在與房間一定的距離處仍出現(xiàn)較大輻射劑量，圖1所示為空間散射的示意圖。

9 MeV行波電子直線加速器屏蔽設計與評價研究背景隨著加速器的廣泛應用，要求對加速器的輻射及其防護問題有全面、清晰的了解，以設計合理的屏蔽防護。用解析法和經(jīng)驗公式計算輻射物理問題，難于模擬實際過程，結果誤差大，只能采用偏于保守的結果。由于計算機技術的發(fā)展，Monte Carlo法(隨機抽樣方法 )提供了良好的模擬計算工具。EGS4 ( Electron Gamma Shower Version 4.0)是一個用 Monte Carlo方法模擬電子、光子在介質(zhì)中輸運過程的通用計算程序。利用它對海關大型集裝箱檢測系統(tǒng)用的 9 MeV行波電子直線加速器的機頭和機房屏蔽進行了計算和輻射模擬分析，并分別與經(jīng)驗公式計算數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)進行了比較，分析了個別參考點上計算值與實測值偏差大的原因。應用 EGS4程序模擬計算加速器機房的輻射水平與實測數(shù)值符合得較好，為今后同類問題的設計與評價提供了良好的計算工具。

9 MeV行波電子直線加速器及屏蔽要求9 MeV 行波電子直線加速器是海關大型集裝箱快速檢測系統(tǒng)的重要組成部分。海關大型集裝箱檢測系統(tǒng)主要包括產(chǎn)生強穿透本領的高能X射線源、高分辨率大型X射線陣列探測器及圖像處理系統(tǒng)。直線加速器用于加速電子打靶產(chǎn)生軔致輻射，X射線束被準直成薄的扇面狀。對該裝置有用的 X射線只是加速器運行時所產(chǎn)生的射線的一小部分，其余無用的X射線都要加以屏蔽。加速器屏蔽的要求取決于很多因素：如加速器的類型，被加速粒子的種類，粒子束的能量和強度，靶和屏蔽的材料，以及機房結構及布局等。

加速器的機頭屏蔽要求在X 射線的非應用方向，即準直器以外的方向上泄漏輻射的劑量率低于主射線束中心(即 0°方向 )劑量率的1‰。本加速器的機頭屏蔽系統(tǒng)結構如圖2所示，它由一系列鉛餅組成。正常運行后經(jīng)北京市衛(wèi)生防疫站檢測，結果表明，輻射的泄漏率小于0.4‰。

為了加速器的產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)批量生產(chǎn)，清華同方核技術公司密云集裝箱檢測設備生產(chǎn)基地加速器制造車間共建有四個加速器生產(chǎn)調(diào)試機房，每年可生產(chǎn)調(diào)試加速器10～ 12臺。加速器機房呈2-2對稱式結構，每側的兩個機房又是對稱的。機房的墻體為鋼筋混凝土結構，主墻厚度為1.5～2 m。機房的平面布置如圖3所示，圖中只畫出了一側的兩個機房。機房的屏蔽設計要求：在一個機房中加速器開機調(diào)試時，所有的工作人員和機房外公眾成員所受的劑量當量率在合理的盡可能低的水平。

運用EGS4程序模擬計算的方法和結果在國外，EGS4的應用非常廣泛，有許多專門的EGS研究機構，在我國EGS的應用才起步。理論上應用EGS4可模擬計算任何幾何形狀下的輻射物理問題。加速器機頭鉛屏蔽系統(tǒng)的尺寸約為0.5 m，而加速器機房的尺寸為10m量級，故可按幾何關系分兩步模擬。第一步，模擬計算加速器機頭屏蔽系統(tǒng)。電子束流呈高斯分布轟擊鎢靶產(chǎn)生X射線，X射線達到工作區(qū)成為主射線或經(jīng)過鉛屏蔽系統(tǒng)形成小部分泄漏射線。在應用 EGS4程序作模擬計算時，以電子束流中心線為Z軸，與Z軸垂直的平面為XY平面，束流剛進入屏蔽區(qū)的位置為原點建立坐標系。

由于加速器機房的幾何尺寸很大(10 m量級)，使用普通方法模擬計算加速器機房屏蔽系統(tǒng)的性能時，計算機處理的計算量太大，在計算時間上是不可接受的。為此，必須通過優(yōu)化計算程序，減小計算量以縮短計算時間?？蓺w納出下面三個優(yōu)化計算程序的方法。

（1）對粒子能量的篩選。EGS4程序中有一個由用戶自己定義的參數(shù)—— 粒子的拋棄能量。當粒子的能量降低到某一值以下時，該粒子對計算結果已經(jīng)沒有影響了，用戶定義此參數(shù)告訴 EGS4模擬計算程序計算中不用再考慮該粒子了。粒子的拋棄能量可以依據(jù)用戶的物理模型而修改。在物理模型的允許范圍內(nèi)，選定粒子的拋棄能量越高，程序?qū)p少對大量低能粒子的模擬，模擬計算的時間就越少，但同時也犧牲了模擬計算的準確度。在設計物理模型時要慎重考慮。

（2）分步驟計算。分步驟計算有一個最大好處是可以改變粒子的權重。這是優(yōu)化計算程序最常用的方法。它可以在增加少量計算量的基礎上增加很大的等效模擬量。分步驟計算另外帶來的好處有：①模擬計算程序大為簡化；②便于檢查各個步驟的計算結果，物理意義明確。

（3）分區(qū)域模擬。在模擬計算機房屏蔽系統(tǒng)時，由于機房結構復雜，X射線發(fā)射方向單一，主射線占了很大比例，泄漏射線只有0.4‰左右，而我們通常最關心的恰是泄漏射線所對應區(qū)域的機房屏蔽性能。為了得出有效的模擬計算結果，可以在不同的區(qū)域設定不同的粒子權重，這就是分區(qū)域模擬的基本思想。計算物理模型按區(qū)域模擬劃分為三塊：①主射線的透射；②主射線的反射；③泄漏射線的模擬。將各個區(qū)域模擬的結果疊加起來得到總體的模擬結果。1

電子加速器屏蔽室空間散射的蒙特卡羅計算加速器屏蔽室的結構不一，采用通常的經(jīng)驗公式計算只能給出一個很粗略的估計，不利于輻射防護的最優(yōu)化。而蒙特卡羅方法能夠逼真的描述復雜的三維空間粒子輸運問題，非常適合空間散射問題的模擬計算。空間散射計算屬于深穿透問題，直接模擬的方法計算量非常的大，必須采用分步計算與一些方差縮減技巧，在可以接受的計算時間內(nèi)得到比較精確的結果。

模擬時采用的技巧計算空間散射在地面引起的劑量大小，須從加速器出口處的電子打靶產(chǎn)生X射線開始，統(tǒng)計X射線的分布及其穿透屋頂引起的空間散射劑量率，對整個過程進行模擬計算。直接模擬整個過程是很難實現(xiàn)的。由于空間散射問題計算的幾何尺寸在百米量級，整個輻射過程的射線劑量率從Gy/min量級衰減到10-9Gy/min 的量級，要使統(tǒng)計結果的相對誤差小于5%，模擬的粒子數(shù)目在1012量級，對于微機速度根本無法達到。為縮減模擬計算的時間，必須改進模擬計算的方法。下面是實際計算時使用的方法技巧。

（1）粒子能量和幾何空間的截止

定義光子和電子的截止能量，當粒子能量低于截止能量后，認為對結果沒有影響，拋棄此粒子不再模擬。對于空間散射問題，不可能也不必要將實際的幾何空間內(nèi)所有的物質(zhì)都詳盡描述，根據(jù)實際空間散射主要發(fā)生的區(qū)域，確定計算的最大幾何空間及此空間內(nèi)的主要物質(zhì)，超出此空間的粒子也拋棄不再計算。MCNP4B( General Monte Carlo N-Particle Transport Code Version 4B)中提供相應的卡( card)定義截止能量和空間。

（2）分步計算

空間散射問題計算量大，單步計算要求的抽樣粒子數(shù)太多，并且將大量的時間浪費在電子打靶問題上( 計算電子輸運問題比計算光子輸運問題慢很多)，很難給出合理的結果。采用分步計算方法可以大大減少計算量，提高計算精度。

計算時分兩步模擬：第一步，模擬電子打靶產(chǎn)生光子，利用 MCNP4B 程序中的 f1計數(shù)器，記錄產(chǎn)生的光子能譜、飛行方向和起始位置的概率，作為第二步計算的新的光子源。第二步利用第一步計算的結果，從打靶后的光子開始模擬，計算出空間散射引起的劑量。

（3）方差縮減技巧的應用

空間散射關心的是透過屋頂?shù)墓庾雍痛髿庾饔玫膯栴}，但是分步計算第二步將大量的時間花在光子和墻壁、前端鉛屏蔽等作用的計算上，為改善抽樣效果使用MCNP 4B中提供的分裂和俄國輪盤賭技巧。此項技巧通過設置不同區(qū)域的重要性實現(xiàn)( MCNP 4B 中的 imp卡)。不同區(qū)域重要性代表對不同區(qū)域的關心程度。對于關心的區(qū)域設置高的重要性，不關心的區(qū)域設置較低的重要性。模擬時光子從低重要性區(qū)進入高重要性區(qū)后的光子分裂成 N( N 即為粒子進入前后的區(qū)域重要性之比) 個光子，每個光子權重為原來的1/N，這樣在非重要區(qū)域計算的粒子數(shù)目減少，在重要性區(qū)域由于分裂技巧的應用抽樣的粒子數(shù)目大大增加，而最終的統(tǒng)計平均值不受影響。合理運用分裂技巧可以在初始抽樣粒子數(shù)較少的情況下得到較小的統(tǒng)計誤差。

（4）點通量計算的指向概率法

對于空間散射問題光子到達一個點(或者小球體)概率是非常之小的，直接記錄通過點(或球)的光子數(shù)來計算通量根本無法實現(xiàn)。論文中采用蒙特卡羅軟件MCNP 4B 中提供的f5計數(shù)器記錄點(或球)通量。其處理的方法為指向概率法，此方法可有效的降低方差，給出合理的結果。

用 MCNP 模擬計算的全過程MCNP( General Monte Carlo N-Particle Transport Code) 程序是美國 Los Alamos 實驗室開發(fā)的、通用目的、連續(xù)能量、一般幾何、依賴于時間的耦合中子/光子/電子的大型蒙特卡羅粒子輸運程序，具有強大的幾何能力，豐富的方差縮減技巧以及豐富的截面數(shù)據(jù)，被稱為“超級蒙特卡羅程序”。

從加速器出來的高能電子，轟擊靶產(chǎn)生的X射線狀態(tài)，這是第一步計算解決的問題。在這一步中，統(tǒng)計打靶后出來的光子能譜，飛行方向和位置分布。以便為建立第二步計算所需要的抽樣光子源作準備。對于空間散射問題，電子打靶產(chǎn)生 X 射線，可以認為是一個點源，光子的起始位置固定。因此統(tǒng)計出了光子能譜和飛行方向譜，便可以建立抽樣光子源代替電子打靶產(chǎn)生光子的計算，進入第二步模擬階段。

屏蔽室外圍有很多的建筑房間，如控制室等。考慮到在用MCNP 4B 模擬計算時全部描述是非常困難的，因此只考慮臨近八角廳的幾處房間，建立計算模型時均認為房間是長方體狀，外圍房間的尺寸不再贅述。此步計算選取的光子和電子截止能量為0.1MeV。

研究結論1)采用分步計算的方法，合理利用蒙特卡羅方差縮減技巧，可以在短時間內(nèi)得出較為準確的空間散射劑量率結果，是解決這類深穿透問題的一個好方法。

2)對于復雜空間散射問題計算采用經(jīng)驗公式結果不夠準確，用蒙特卡羅方法計算得到的空間散射劑量值比較符合實際。用蒙特卡羅方法計算空間散射，對于以后改進加速器屏蔽室結構設計，做到輻射防護的最優(yōu)化等都有極大的參考價值。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學