高能電子直線加速器(NSRL Linac)感生放射性研究.pdf

1、電子直線加速器作為一種帶電粒子加速器，是利用高頻微波功率在行波或駐波加速結(jié)構(gòu)中建立縱向電場(chǎng)對(duì)電子束進(jìn)行加速的一種諧振式加速器，其應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋面廣，因此其退役帶來(lái)的感生放射性問(wèn)題顯得尤為重要。
　　合肥光源(HLS)始建于1989年，主要由200 MeV電子直線加速器和800MeV電子儲(chǔ)存環(huán)組成。其中，200 MeV電子直線加速器是該裝置的注入器，同時(shí)也是一臺(tái)為核物理及其他研究提供電子束流的高能電子直線加速器，它主要由預(yù)注入器（主要

2、包括柵控電子槍、預(yù)聚束器、聚束腔以及一個(gè)3m均勻加速節(jié)）、八個(gè)3m均勻加速節(jié)（每?jī)蓚€(gè)3m均勻加速節(jié)組成一個(gè)6m均勻加速區(qū)段）和五個(gè)束流測(cè)量段組成，總長(zhǎng)為35.128m。其加速過(guò)程為:電子由電子槍打出后在五段加速管中按特定能量逐級(jí)加速到200 MeV，然后注入到電子儲(chǔ)存環(huán)中慢加速到800 MeV。總體設(shè)計(jì)時(shí)考慮到電離輻射對(duì)周圍環(huán)境和人體的影響，該直線加速器建在地下隧道內(nèi)，周圍有3.5 m以上的土壤屏蔽層，隧道截面為3.5 m×3 m，長(zhǎng)度

3、超過(guò)140m（不包括輸運(yùn)線隧道）。因此，這種布局結(jié)構(gòu)能夠很好地解決NSRLLinac在運(yùn)行期間對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的輻射安全問(wèn)題。
　　2012年5月，該電子直線加速器因升級(jí)改造而退役。加速器的退役帶來(lái)了諸如龐大裝置的處理、被嚴(yán)重活化的結(jié)構(gòu)材料需要存放多久才能去活化等一系列問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)暫沒(méi)有這種大型電子直線加速器退役處理的經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)數(shù)據(jù)十分缺乏，對(duì)其深入開(kāi)展感生放射性研究具有十分現(xiàn)實(shí)重要的意義。
　　對(duì)于電子直線加速器而言，與

4、質(zhì)子、離子加速器不同，不管電子能量的大小如何，其核反應(yīng)截面都極小，即電子加速器上所產(chǎn)生的感生放射性并不是由于電子與介質(zhì)的核反應(yīng)造成的。其產(chǎn)生機(jī)理是由于電子與結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生軔致輻射，生成的高能光子（Ephoton＞10MeV）與介質(zhì)發(fā)生光核反應(yīng)，隨后生成的中子和介子又引發(fā)核反應(yīng)。對(duì)于200 MeV電子直線加速器而言，其感生放射性的產(chǎn)生是由光核反應(yīng)主導(dǎo)的。
　　正是基于以上理論，本文主要開(kāi)展了以下工作:
　　對(duì)電子直線加速器結(jié)構(gòu)材

5、料的感生放射性進(jìn)行了相關(guān)分析，并根據(jù)材料中所含的元素，對(duì)200 MeV電子直線加速器可能產(chǎn)生的放射性核素種類進(jìn)行了預(yù)測(cè);同時(shí)使用熱釋光劑量計(jì)對(duì)運(yùn)行中的直線加速器不同能量段進(jìn)行了能量損失測(cè)量;在停機(jī)后，對(duì)隧道內(nèi)各點(diǎn)感生放射性輻射劑量率進(jìn)行了相關(guān)測(cè)量。并對(duì)實(shí)驗(yàn)室工作區(qū)域及周圍環(huán)境進(jìn)行了輻射現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)，主要包括:直線加速器隧道周圍環(huán)境γ劑量率和拆除部件存放倉(cāng)庫(kù)周圍環(huán)境的γ劑量率;土壤、地表水、氣溶膠的總α、總β和中子累積劑量。除此之外，在其運(yùn)行

6、期間以及退役后的不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)，使用HPGe伽馬譜儀對(duì)其產(chǎn)生的放射性核素進(jìn)行了實(shí)測(cè)。
　　本文使用FLUKA程序?qū)υ撾娮又本€加速器進(jìn)行了一系列的模擬計(jì)算。具體包括:不同能量加速段產(chǎn)生的核素種類問(wèn)題，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合，有力地說(shuō)明了蒙特卡洛模擬方法可以應(yīng)用于感生放射性核素的預(yù)測(cè)研究之中。并對(duì)不同能量段刮束器處的電子、γ射線、中子等源項(xiàng)強(qiáng)度和分布情況進(jìn)行了模擬，以此來(lái)說(shuō)明刮束器在阻擋丟失電子、保護(hù)加速腔方面的重要作用;同時(shí)，

7、根據(jù)刮束器中光子分布，來(lái)推斷核素分布情況。最終說(shuō)明了刮束器在加速器設(shè)計(jì)中和輻射防護(hù)方面的重要性。
　　由于60Co的半衰期較長(zhǎng)，隨著時(shí)間的推移，刮束器中剩下的光核反應(yīng)產(chǎn)物主要為60Co。生成該核素的光核反應(yīng)為63Cu(γ，n2p)60Co，反應(yīng)閾值為18.86～28MeV。本文為了得到刮束器中60Co含量與深度的關(guān)系，將第四加速段處的刮束器進(jìn)行了切片，并使用HPGe伽馬譜儀對(duì)每一切片中的60Co含量進(jìn)行了實(shí)測(cè)。同時(shí)使用FLUKA程

8、序?qū)?jiǎn)化后的模型進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到了刮束器中不同深度處的閾值范圍內(nèi)光子數(shù)與60Co含量。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果符合得很好，說(shuō)明蒙特卡洛方法能夠很好地解決感生放射性問(wèn)題。同時(shí)深度與閾值光子數(shù)的關(guān)系能夠從根本上很好地解釋深度與60Co含量的關(guān)系問(wèn)題。此外，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了衰減計(jì)算，給出了每一銅切片移出核廢物庫(kù)的解控時(shí)間。并將此切片模擬方法推廣到其他能量段的刮束器退役處理中。
　　根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果，將NSRL Linac上產(chǎn)生的放