基本介紹
概念,設計與評價,計算法則,
概念
加速器禁止是在建造加速器之前首先要進行輻射防護設計，對由於電子直線加速器產生的高能射線(主要是X射線) 進行禁止，在合理的情況下使其對環境的影響降到儘量低的水平。禁止房間內的輻射源產生的高能光子穿透屋頂後和大氣中的物質(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較大輻射劑量，圖1所示為空間散射的示意圖。
圖 1 透過屋頂的空間散射示意圖
設計與評價
研究背景
隨著加速器的廣泛套用，要求對加速器的輻射及其防護問題有全面、清晰的了解，以設計合理的禁止防護。用解析法和經驗公式計算輻射物理問題，難於模擬實際過程，結果誤差大，只能採用偏於保守的結果。由於計算機技術的發展，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、光子在介質中輸運過程的通用計算程式。利用它對海關大型貨櫃檢測系統用的 9 MeV行波電子直線加速器的機頭和機房禁止進行了計算和輻射模擬分析，並分別與經驗公式計算數據和實測數據進行了比較，分析了個別參考點上計算值與實測值偏差大的原因。套用 EGS4程式模擬計算加速器機房的輻射水平與實測數值符合得較好，為今後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禁止要求
9 MeV 行波電子直線加速器是海關大型貨櫃快速檢測系統的重要組成部分。海關大型貨櫃檢測系統主要包括產生強穿透本領的高能X射線源、高解析度大型X射線陣列探測器及圖像處理系統。直線加速器用於加速電子打靶產生軔致輻射，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生的射線的一小部分，其餘無用的X射線都要加以禁止。加速器禁止的要求取決於很多因素：如加速器的類型，被加速粒子的種類，粒子束的能量和強度，靶和禁止的材料，以及機房結構及布局等。
圖2 加速器機頭禁止系統 (單位: mm )
加速器的機頭禁止要求在X 射線的非套用方向，即準直器以外的方向上泄漏輻射的劑量率低於主射線束中心(即 0°方向 )劑量率的1‰。本加速器的機頭禁止系統結構如圖2所示，它由一系列鉛餅組成。正常運行後經北京市衛生防疫站檢測，結果表明，輻射的泄漏率小於0.4‰。
為了加速器的產業化，實現批量生產，清華同方核技術公司密雲貨櫃檢測設備生產基地加速器製造車間共建有四個加速器生產調試機房，每年可生產調試加速器10～ 12台。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。機房的牆體為鋼筋混凝土結構，主牆厚度為1.5～2 m。機房的平面布置如圖3所示，圖3中只畫出了一側的兩個機房。機房的禁止設計要求：在一個機房中加速器開機調試時，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儘可能低的水平。
圖3 加速器機房平面圖 (單位: cm)
運用EGS4程式模擬計算的方法和結果
在國外，EGS4的套用非常廣泛，有許多專門的EGS研究機構，在我國EGS的套用才起步。理論上套用EGS4可模擬計算任何幾何形狀下的輻射物理問題。加速器機頭鉛禁止系統的尺寸約為0.5 m，而加速器機房的尺寸為10m量級，故可按幾何關係分兩步模擬。第一步，模擬計算加速器機頭禁止系統。電子束流呈高斯分布轟擊鎢靶產生X射線，X射線達到工作區成為主射線或經過鉛禁止系統形成小部分泄漏射線。在套用 EGS4程式作模擬計算時，以電子束流中心線為Z軸，與Z軸垂直的平面為XY平面，束流剛進入禁止區的位置為原點建立坐標系。
由於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禁止系統的性能時，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，必須通過最佳化計算程式，減小計算量以縮短計算時間。可歸納出下面三個最佳化計算程式的方法。
（1）對粒子能量的篩選。EGS4程式中有一個由用戶自己定義的參數—— 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沒有影響了，用戶定義此參數告訴 EGS4模擬計算程式計算中不用再考慮該粒子了。粒子的拋棄能量可以依據用戶的物理模型而修改。在物理模型的允許範圍內，選定粒子的拋棄能量越高，程式將減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。這是最佳化計算程式最常用的方法。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模擬計算程式大為簡化；②便於檢查各個步驟的計算結果，物理意義明確。
（3）分區域模擬。在模擬計算機房禁止系統時，由於機房結構複雜，X射線發射方向單一，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域的機房禁止性能。為了得出有效的模擬計算結果，可以在不同的區域設定不同的粒子權重，這就是分區域模擬的基本思想。計算物理模型按區域模擬劃分為三塊：①主射線的透射；②主射線的反射；③泄漏射線的模擬。將各個區域模擬的結果疊加起來得到總體的模擬結果。
計算法則
加速器禁止室的結構不一，採用通常的經驗公式計算只能給出一個很粗略的估計，不利於輻射防護的最最佳化。而蒙特卡羅方法能夠逼真的描述複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。空間散射計算屬於深穿透問題，直接模擬的方法計算量非常的大，必須採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得到比較精確的結果。
模擬時採用的技巧
（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，當粒子能量低於截止能量後，認為對結果沒有影響，拋棄此粒子不再模擬。對於空間散射問題，不可能也不必要將實際的幾何空間內所有的物質都詳盡描述，根據實際空間散射主要發生的區域，確定計算的最大幾何空間及此空間內的主要物質，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太多，並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。採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，模擬電子打靶產生光子，利用 MCNP4B 程式中的 f1計數器，記錄產生的光子能譜、飛行方向和起始位置的機率，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，從打靶後的光子開始模擬，計算出空間散射引起的劑量。
（3）方差縮減技巧的套用
空間散射關心的是透過屋頂的光子和大氣作用的問題，但是分步計算第二步將大量的時間花在光子和牆壁、前端鉛禁止等作用的計算上，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。此項技巧通過設定不同區域的重要性實現( MCNP 4B 中的 imp卡)。不同區域重要性代表對不同區域的關心程度。對於關心的區域設定高的重要性，不關心的區域設定較低的重要性。模擬時光子從低重要性區進入高重要性區後的光子分裂成 N( N 即為粒子進入前後的區域重要性之比) 個光子，每個光子權重為原來的1/N，這樣在非重要區域計算的粒子數目減少，在重要性區域由於分裂技巧的套用抽樣的粒子數目大大增加，而最終的統計平均值不受影響。合理運用分裂技巧可以在初始抽樣粒子數較少的情況下得到較小的統計誤差。
（4）點通量計算的指向機率法
對於空間散射問題光子到達一個點(或者小球體)機率是非常之小的，直接記錄通過點(或球)的光子數來計算通量根本無法實現。論文中採用蒙特卡羅軟體MCNP 4B 中提供的f5計數器記錄點(或球)通量。其處理的方法為指向機率法，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) 程式是美國 Los Alamos 實驗室開發的、通用目的、連續能量、一般幾何、依賴於時間的耦合中子/光子/電子的大型蒙特卡羅粒子輸運程式，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據，被稱為“超級蒙特卡羅程式”。
從加速器出來的高能電子，轟擊靶產生的X射線狀態，這是第一步計算解決的問題。在這一步中，統計打靶後出來的光子能譜，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。對於空間散射問題，電子打靶產生 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生光子的計算，進入第二步模擬階段。
禁止室外圍有很多的建築房間，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)採用分步計算的方法，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)對於複雜空間散射問題計算採用經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，對於以後改進加速器禁止室結構設計，做到輻射防護的最最佳化等都有極大的參考價值。
