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)中建立縱向電場對電子束進行加速的一種諧振式加速器，其應用領域覆蓋面廣，因此其退役帶來的感生放射性問題顯得尤為重要。
　　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，同時也是一臺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，它主要由預注入器（主要

2、包括柵控電子槍、預聚束器、聚束腔以及一個3m均勻加速節(jié)）、八個3m均勻加速節(jié)（每兩個3m均勻加速節(jié)組成一個6m均勻加速區(qū)段）和五個束流測量段組成，總長為35.128m。其加速過程為:電子由電子槍打出后在五段加速管中按特定能量逐級加速到200 MeV，然后注入到電子儲存環(huán)中慢加速到800 MeV。總體設計時考慮到電離輻射對周圍環(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，長度

3、超過140m（不包括輸運線隧道）。因此，這種布局結(jié)構(gòu)能夠很好地解決NSRLLinac在運行期間對周圍環(huán)境產(chǎn)生的輻射安全問題。
　　2012年5月，該電子直線加速器因升級改造而退役。加速器的退役帶來了諸如龐大裝置的處理、被嚴重活化的結(jié)構(gòu)材料需要存放多久才能去活化等一系列問題。目前，國內(nèi)暫沒有這種大型電子直線加速器退役處理的經(jīng)驗，相關(guān)數(shù)據(jù)十分缺乏，對其深入開展感生放射性研究具有十分現(xiàn)實重要的意義。
　　對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)的核反應造成的。其產(chǎn)生機理是由于電子與結(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，隨后生成的中子和介子又引發(fā)核反應。對于200 MeV電子直線加速器而言，其感生放射性的產(chǎn)生是由光核反應主導的。
　　正是基于以上理論，本文主要開展了以下工作:
　　對電子直線加速器結(jié)構(gòu)材

5、料的感生放射性進行了相關(guān)分析，并根據(jù)材料中所含的元素，對200 MeV電子直線加速器可能產(chǎn)生的放射性核素種類進行了預測;同時使用熱釋光劑量計對運行中的直線加速器不同能量段進行了能量損失測量;在停機后，對隧道內(nèi)各點感生放射性輻射劑量率進行了相關(guān)測量。并對實驗室工作區(qū)域及周圍環(huán)境進行了輻射現(xiàn)狀監(jiān)測，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庫周圍環(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，在其運行

6、期間以及退役后的不同時間節(jié)點，使用HPGe伽馬譜儀對其產(chǎn)生的放射性核素進行了實測。
　　本文使用FLUKA程序?qū)υ撾娮又本€加速器進行了一系列的模擬計算。具體包括:不同能量加速段產(chǎn)生的核素種類問題，模擬計算結(jié)果與實測結(jié)果較為吻合，有力地說明了蒙特卡洛模擬方法可以應用于感生放射性核素的預測研究之中。并對不同能量段刮束器處的電子、γ射線、中子等源項強度和分布情況進行了模擬，以此來說明刮束器在阻擋丟失電子、保護加速腔方面的重要作用;同時，

7、根據(jù)刮束器中光子分布，來推斷核素分布情況。最終說明了刮束器在加速器設計中和輻射防護方面的重要性。
　　由于60Co的半衰期較長，隨著時間的推移，刮束器中剩下的光核反應產(chǎn)物主要為60Co。生成該核素的光核反應為63Cu(γ，n2p)60Co，反應閾值為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行了切片，并使用HPGe伽馬譜儀對每一切片中的60Co含量進行了實測。同時使用FLUKA程

8、序?qū)喕蟮哪Ｐ瓦M行了模擬計算，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)果與實測結(jié)果符合得很好，說明蒙特卡洛方法能夠很好地解決感生放射性問題。同時深度與閾值光子數(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)系問題。此外，根據(jù)實測結(jié)果進行了衰減計算，給出了每一銅切片移出核廢物庫的解控時間。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)實測結(jié)果與模擬結(jié)果，將NSRL Linac上產(chǎn)生的放