同步辐射光源屏蔽研究现状课件

1、同步辐射光源辐射屏蔽学习报告汇报人：刘平成导师：王庆斌1目录 同步辐射光源 同步辐射光源的辐射源项及相关研究 束流损失 气体轫致辐射 同步辐射 参考文献2同步辐射光源 同步辐射是速度接近光速的相对论带电粒子在磁场中运动方向改变时，沿轨道切线方向发射的电磁辐射。3三代同步辐射装置 第一代 兼用光源，“寄生”地利用从弯转磁铁引出的同步辐射。 第二代 电子储存环是专门为同步辐射而设计，发射度降低，主要从弯转磁铁引出同步辐射，开始使用部分插入件提高光源的强度和能量范围。 第三代 极低电子束发射度，大量使用插入件。有利于用波荡器等插入件引出高亮度、 部分相干的准单色光，光谱亮度比第二代装置提高几个数量级

2、。4第三代的高能光源欧洲同步辐射装置ESRF美国APS光源日本SPring-85辐射防护工作的主要内容 线站屏蔽措施是多重的，既有起屏蔽和隔离作用外围线站的棚屋，还有准直吸收器、 安全光闸等辐射安全设备。 对同步辐射光有效屏蔽的真空管道和器件腔体也应考虑在内。6同步辐射装置中的辐射源项 储存环内电子的束流损失 大于 100Me V 的高能电子加速器束流损失后与靶相互作用，会导致电磁级联簇射。 轫致辐射和高能中子的分布则具有朝前向的特点，能量越高，这一特点越为显著，特别是轫致辐射，它的分布前冲更明显。 因此，在同步辐射装置中，轫致辐射是正向屏蔽中应考虑的主要成分，而中子往往是侧向屏蔽中应考虑的主

3、要成分。7束流损失的相关研究 2001年，在 Spring8 的线站屏蔽设计时，Y.Asano 认为设计线站的前端区域束流闸、白光棚屋和光子阻挡器时，要考虑束流损失导致的光子中子甚至介子的辐射影响；而设计实验棚屋和棚屋内的束流闸时则不需要考虑束流损失的影响1。 2011年，ASAI J, HIRAYAMA H.等人在加拿大的CLS 光源在处理束流损失影响时，基于一定束损假设，让电子入射到薄的铜靶上，计算损失电子后产生的轫致辐射对下游线站的影响2,3。8束流损失的相关研究 CLS 光源在处理束流损失影响时的计算29同步辐射装置中的辐射源项 气体轫致辐射 当快速运动的电子通过物质时，由于受到原子核

4、外库仑场的作用速度突然降低，这时电子能量一部分或全部转变为连续能量的电磁辐射。 同步辐射光源的电子能量远大于空气的临界能量 150Me V。因此束流在储存环真空管道内运行时，会与真空系统中的残余气体分子发生相互作用而产生的轫致辐射，这是光束线站最主要的辐射源。10同步辐射装置中的辐射源项11轫致辐射的相关研究 经验表达式是建立在模拟计算基础上面，在处理轫致辐射的直接屏蔽计算中使用，但难以处理轫致辐射散射问题。 蒙特卡罗（Monte-Carlo，MC）方法是解决轫致辐射的一种较为理想的计算方法。 残余气体轫致辐射的模拟计算中，通常设置为一定能量的电子穿过一段气体柱，在气体柱尾端截断电子的传输，余

5、下的轫致辐射辐射光子就是主要研究对象残余气体的轫致辐射。12轫致辐射的相关研究 1993-1999年， P. K. Job 等研究人员在 APS 光束线站上，采用了 EGS 模拟计算轫致辐射冲击厚靶。确定线站上辐射安全器件如准直吸收器、束流闸等的厚度，运用双晶单色仪的晶片的靶模型对轫致辐射的散射，来计算确定光学棚屋的厚度。 这种屏蔽设计模式成为 APS 线站设计的指导手册4。13轫致辐射的相关研究 1994年，P.K.Job 在 APS屏蔽设计中5 ，用EGS4模拟了从初级轫致辐射的产生后入射到一定厚度铅和钨内的粒子输运过程，让轫致辐射打靶散射，在四周设置屏蔽体，屏蔽体外包裹人体组织用于剂量率

6、的评价。14轫致辐射的相关研究 2006年, LIU J C, FASSO A等人在SSRL的Spear3线站的升级中用经验公式法进行初级轫致辐射的屏蔽计算，散射的屏蔽设计上和 APS 的方法一样，使用FLUKA 软件，计算了不同厚度铜靶产生的光子和中子剂量6 。15轫致辐射的相关研究 Spear3线站计算轫致辐射散射的方法与 APS 一样，计算了不同散射角的剂量率6。16轫致辐射的相关研究 2004 到2011 年 J.Asai 等人在 CLS 光束线站的的屏蔽设计中也一直沿用 APS 方法，使用 EGS4 模拟计算进行屏蔽设计7。17轫致辐射的相关研究 2014年，上海光束线站BLI 8U

7、 轫致辐射屏蔽研究中，徐加强、夏晓彬等人用FLUKA软件模拟计了蛋白质微晶结构光束线(BLl8U)线站因轫致辐射的散射和光中子引起的辐射剂量率分布，析了因狭缝开孔尺寸、储存环内流强的变化所引起的辐射剂量变化 8。18同步辐射装置中的辐射源项 同步辐射 在第三代光源上，根据同步光源的来源不同，为三类：弯铁 (Bending Magnet) 光源，扭摆器(Wiggler)光源和波荡器(Undulator)光源。 同步辐射的屏蔽主要是计算其所产生的同步辐射 X射线的强度和对 X射线的屏蔽计算。19同步辐射屏蔽的相关研究 同步辐射源项的大小与产生的同步辐射的插入件和弯铁有关，与每条光束线的调制和使用情

8、况有关。因此不同线站的同步辐射光性能不同，需要具体线站具体分析。 许多三代光源选用 STAC08 软件进行同步辐射的屏蔽设计，如 Spear3，Spring8等。 其解析计算过程主要是通过两步实现： 第一步是计算同步辐射在波荡器、摇摆器和弯铁内产生的同步辐射光谱； 第二步是计算同步辐射光载滤波片、镜面等光学设备以及屏蔽体内的衰减。由此计算在棚屋屏蔽墙外的剂量。20同步辐射屏蔽的相关研究 2001年，Asano 在 Spring8 线站的屏蔽设计中，使用了 STAC08 计算模拟同步辐射的屏蔽10。计算模型见下图。21同步辐射屏蔽的相关研究 2004年，J. C. Liu, A. Fasso,

9、A. 等人基于SSRL的bending beamline 和wiggler beamline，对比验证了STAC08、EGS4、FLUKA的计算结果。EGS4和FLUKA彼此一致， STAC8计算更快但保守，STAC8通常高估剂量当量2-3倍。22同步辐射屏蔽的相关研究 2013年，William，Panakkal 等人在NSLS-II (National Synchrotron Light Source II) 实验线站的屏蔽计算中，用EGS4模拟了安全闸对同步辐射及轫致辐射的屏蔽11。23参考文献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, 2005.24参考文献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 徐加强，夏晓彬，盛尹祥子，秦锐芳，张冬，费平安，姚明，刘嗣鑫，上海光源BL18U线站轫致辐射剂量的计算与测量，核技术.9 Y.ASANO, A Study on Radiation Shielding and Safety Analysis for Synchrotron Radiation Beamline M. Japan Atomic Energy Research Institute 2001. 25参考文献10 Y.ASANO, A Study on Radiation Shielding and Safety Analysis for Synchrotron Radiation