[科普中国]-加速器屏蔽

加速器屏蔽设计的目的是为了进一步确保辐照过程中人员的人身安全， 对辐照加速器小车系统迷宫入口设计一种光电联锁系统。该光电联锁系统根据小车具体结构采用 28 组光电开关多点分布组合设计，设置于辐照加速器屏蔽室入口处，具有检测到非特定特征小车或物体进入屏蔽室时发出报警信号的功能。为辐射、化学危害，核能利用等提供有力的安全保障和技术支持，对设备的操作便捷性、 场地安全性有重要指导意义。

概念加速器屏蔽是在建造加速器之前首先要进行辐射防护设计，对由于电子直线加速器产生的高能射线(主要是X射线) 进行屏蔽，在合理的情况下使其对环境的影响降到尽量低的水平。屏蔽房间内的辐射源产生的高能光子穿透屋顶后和大气中的物质(主要是氮气、氧气) 作用，被散射回地面，即为空间散射，这会导致在与房间一定的距离处仍出现较大辐射剂量，图1所示为空间散射的示意图。

9 MeV行波电子直线加速器屏蔽设计与评价研究背景随着加速器的广泛应用，要求对加速器的辐射及其防护问题有全面、清晰的了解，以设计合理的屏蔽防护。用解析法和经验公式计算辐射物理问题，难于模拟实际过程，结果误差大，只能采用偏于保守的结果。由于计算机技术的发展，Monte Carlo法(随机抽样方法 )提供了良好的模拟计算工具。EGS4 ( Electron Gamma Shower Version 4.0)是一个用 Monte Carlo方法模拟电子、光子在介质中输运过程的通用计算程序。利用它对海关大型集装箱检测系统用的 9 MeV行波电子直线加速器的机头和机房屏蔽进行了计算和辐射模拟分析，并分别与经验公式计算数据和实测数据进行了比较，分析了个别参考点上计算值与实测值偏差大的原因。应用 EGS4程序模拟计算加速器机房的辐射水平与实测数值符合得较好，为今后同类问题的设计与评价提供了良好的计算工具。

9 MeV行波电子直线加速器及屏蔽要求9 MeV 行波电子直线加速器是海关大型集装箱快速检测系统的重要组成部分。海关大型集装箱检测系统主要包括产生强穿透本领的高能X射线源、高分辨率大型X射线阵列探测器及图像处理系统。直线加速器用于加速电子打靶产生轫致辐射，X射线束被准直成薄的扇面状。对该装置有用的 X射线只是加速器运行时所产生的射线的一小部分，其余无用的X射线都要加以屏蔽。加速器屏蔽的要求取决于很多因素：如加速器的类型，被加速粒子的种类，粒子束的能量和强度，靶和屏蔽的材料，以及机房结构及布局等。

加速器的机头屏蔽要求在X 射线的非应用方向，即准直器以外的方向上泄漏辐射的剂量率低于主射线束中心(即 0°方向 )剂量率的1‰。本加速器的机头屏蔽系统结构如图2所示，它由一系列铅饼组成。正常运行后经北京市卫生防疫站检测，结果表明，辐射的泄漏率小于0.4‰。

为了加速器的产业化，实现批量生产，清华同方核技术公司密云集装箱检测设备生产基地加速器制造车间共建有四个加速器生产调试机房，每年可生产调试加速器10～ 12台。加速器机房呈2-2对称式结构，每侧的两个机房又是对称的。机房的墙体为钢筋混凝土结构，主墙厚度为1.5～2 m。机房的平面布置如图3所示，图中只画出了一侧的两个机房。机房的屏蔽设计要求：在一个机房中加速器开机调试时，所有的工作人员和机房外公众成员所受的剂量当量率在合理的尽可能低的水平。

运用EGS4程序模拟计算的方法和结果在国外，EGS4的应用非常广泛，有许多专门的EGS研究机构，在我国EGS的应用才起步。理论上应用EGS4可模拟计算任何几何形状下的辐射物理问题。加速器机头铅屏蔽系统的尺寸约为0.5 m，而加速器机房的尺寸为10m量级，故可按几何关系分两步模拟。第一步，模拟计算加速器机头屏蔽系统。电子束流呈高斯分布轰击钨靶产生X射线，X射线达到工作区成为主射线或经过铅屏蔽系统形成小部分泄漏射线。在应用 EGS4程序作模拟计算时，以电子束流中心线为Z轴，与Z轴垂直的平面为XY平面，束流刚进入屏蔽区的位置为原点建立坐标系。

由于加速器机房的几何尺寸很大(10 m量级)，使用普通方法模拟计算加速器机房屏蔽系统的性能时，计算机处理的计算量太大，在计算时间上是不可接受的。为此，必须通过优化计算程序，减小计算量以缩短计算时间。可归纳出下面三个优化计算程序的方法。

（1）对粒子能量的筛选。EGS4程序中有一个由用户自己定义的参数—— 粒子的抛弃能量。当粒子的能量降低到某一值以下时，该粒子对计算结果已经没有影响了，用户定义此参数告诉 EGS4模拟计算程序计算中不用再考虑该粒子了。粒子的抛弃能量可以依据用户的物理模型而修改。在物理模型的允许范围内，选定粒子的抛弃能量越高，程序将减少对大量低能粒子的模拟，模拟计算的时间就越少，但同时也牺牲了模拟计算的准确度。在设计物理模型时要慎重考虑。

（2）分步骤计算。分步骤计算有一个最大好处是可以改变粒子的权重。这是优化计算程序最常用的方法。它可以在增加少量计算量的基础上增加很大的等效模拟量。分步骤计算另外带来的好处有：①模拟计算程序大为简化；②便于检查各个步骤的计算结果，物理意义明确。

（3）分区域模拟。在模拟计算机房屏蔽系统时，由于机房结构复杂，X射线发射方向单一，主射线占了很大比例，泄漏射线只有0.4‰左右，而我们通常最关心的恰是泄漏射线所对应区域的机房屏蔽性能。为了得出有效的模拟计算结果，可以在不同的区域设定不同的粒子权重，这就是分区域模拟的基本思想。计算物理模型按区域模拟划分为三块：①主射线的透射；②主射线的反射；③泄漏射线的模拟。将各个区域模拟的结果叠加起来得到总体的模拟结果。1

电子加速器屏蔽室空间散射的蒙特卡罗计算加速器屏蔽室的结构不一，采用通常的经验公式计算只能给出一个很粗略的估计，不利于辐射防护的最优化。而蒙特卡罗方法能够逼真的描述复杂的三维空间粒子输运问题，非常适合空间散射问题的模拟计算。空间散射计算属于深穿透问题，直接模拟的方法计算量非常的大，必须采用分步计算与一些方差缩减技巧，在可以接受的计算时间内得到比较精确的结果。

模拟时采用的技巧计算空间散射在地面引起的剂量大小，须从加速器出口处的电子打靶产生X射线开始，统计X射线的分布及其穿透屋顶引起的空间散射剂量率，对整个过程进行模拟计算。直接模拟整个过程是很难实现的。由于空间散射问题计算的几何尺寸在百米量级，整个辐射过程的射线剂量率从Gy/min量级衰减到10-9Gy/min 的量级，要使统计结果的相对误差小于5%，模拟的粒子数目在1012量级，对于微机速度根本无法达到。为缩减模拟计算的时间，必须改进模拟计算的方法。下面是实际计算时使用的方法技巧。

（1）粒子能量和几何空间的截止

定义光子和电子的截止能量，当粒子能量低于截止能量后，认为对结果没有影响，抛弃此粒子不再模拟。对于空间散射问题，不可能也不必要将实际的几何空间内所有的物质都详尽描述，根据实际空间散射主要发生的区域，确定计算的最大几何空间及此空间内的主要物质，超出此空间的粒子也抛弃不再计算。MCNP4B( General Monte Carlo N-Particle Transport Code Version 4B)中提供相应的卡( card)定义截止能量和空间。

（2）分步计算

空间散射问题计算量大，单步计算要求的抽样粒子数太多，并且将大量的时间浪费在电子打靶问题上( 计算电子输运问题比计算光子输运问题慢很多)，很难给出合理的结果。采用分步计算方法可以大大减少计算量，提高计算精度。

计算时分两步模拟：第一步，模拟电子打靶产生光子，利用 MCNP4B 程序中的 f1计数器，记录产生的光子能谱、飞行方向和起始位置的概率，作为第二步计算的新的光子源。第二步利用第一步计算的结果，从打靶后的光子开始模拟，计算出空间散射引起的剂量。

（3）方差缩减技巧的应用

空间散射关心的是透过屋顶的光子和大气作用的问题，但是分步计算第二步将大量的时间花在光子和墙壁、前端铅屏蔽等作用的计算上，为改善抽样效果使用MCNP 4B中提供的分裂和俄国轮盘赌技巧。此项技巧通过设置不同区域的重要性实现( MCNP 4B 中的 imp卡)。不同区域重要性代表对不同区域的关心程度。对于关心的区域设置高的重要性，不关心的区域设置较低的重要性。模拟时光子从低重要性区进入高重要性区后的光子分裂成 N( N 即为粒子进入前后的区域重要性之比) 个光子，每个光子权重为原来的1/N，这样在非重要区域计算的粒子数目减少，在重要性区域由于分裂技巧的应用抽样的粒子数目大大增加，而最终的统计平均值不受影响。合理运用分裂技巧可以在初始抽样粒子数较少的情况下得到较小的统计误差。

（4）点通量计算的指向概率法

对于空间散射问题光子到达一个点(或者小球体)概率是非常之小的，直接记录通过点(或球)的光子数来计算通量根本无法实现。论文中采用蒙特卡罗软件MCNP 4B 中提供的f5计数器记录点(或球)通量。其处理的方法为指向概率法，此方法可有效的降低方差，给出合理的结果。

用 MCNP 模拟计算的全过程MCNP( General Monte Carlo N-Particle Transport Code) 程序是美国 Los Alamos 实验室开发的、通用目的、连续能量、一般几何、依赖于时间的耦合中子/光子/电子的大型蒙特卡罗粒子输运程序，具有强大的几何能力，丰富的方差缩减技巧以及丰富的截面数据，被称为“超级蒙特卡罗程序”。

从加速器出来的高能电子，轰击靶产生的X射线状态，这是第一步计算解决的问题。在这一步中，统计打靶后出来的光子能谱，飞行方向和位置分布。以便为建立第二步计算所需要的抽样光子源作准备。对于空间散射问题，电子打靶产生 X 射线，可以认为是一个点源，光子的起始位置固定。因此统计出了光子能谱和飞行方向谱，便可以建立抽样光子源代替电子打靶产生光子的计算，进入第二步模拟阶段。

屏蔽室外围有很多的建筑房间，如控制室等。考虑到在用MCNP 4B 模拟计算时全部描述是非常困难的，因此只考虑临近八角厅的几处房间，建立计算模型时均认为房间是长方体状，外围房间的尺寸不再赘述。此步计算选取的光子和电子截止能量为0.1MeV。

研究结论1)采用分步计算的方法，合理利用蒙特卡罗方差缩减技巧，可以在短时间内得出较为准确的空间散射剂量率结果，是解决这类深穿透问题的一个好方法。

2)对于复杂空间散射问题计算采用经验公式结果不够准确，用蒙特卡罗方法计算得到的空间散射剂量值比较符合实际。用蒙特卡罗方法计算空间散射，对于以后改进加速器屏蔽室结构设计，做到辐射防护的最优化等都有极大的参考价值。2

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学