Радиационные поля и защита в условиях экспериментального электрон-позитронного ускорительно-накопительного комплекса тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера СО РАН

Р Г Б ОД

1 3 КШ На правах рукописи

ЧУДАЕВ Владимир Яковлевич

РАДИАЦИОННЫЕ ПОЛЯ И ЗАЩИТА В УСЛОВИЯХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОННОГО УСКОРИТЕЛЬНО-НАКОПИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1996

Работа выполнена в ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН"

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Сычев — доктор технических наук,

Борис Сергеевич Московский радиотехнический

институт РАН

Хазин — кандидат физ.-мат. наук, ГНЦ РФ

Борис Исаакович "Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН"

Ведущая организация: Московский инженерно-физический

институт.

Защита диссертации состоится " 34. " 1996 г. в

" " часов на заседании диссертационного совета Д.002.24.02 при ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН".

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ "ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН".

Автореферат разослан -А^ 1996 г.

Ученый секретарь ^-

диссертационного совета академик / У № б.В. Чириков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ускорительно - накопительные комплексы УНК), использующие метод встречных пучков, за последние десяти-гетия стали одним из основных и наиболее эффективных экспериментальных инструментов физики элементарных частиц. В то же время ¡лектрон-позитронные УНК довольно быстро приобрели как бы и "вто->ую профессию". Параллельно с реализацией основных программ фи-;ики высоких энергий они начали использоваться как генераторы мощ-1ых пучков синхротронного излучения (СИ), которое является эффективном инструментом для широкого круга фундаментальных и прикладных исследований в самых различных областях науки (физика твердого гела, молекулярная биология, химия, геология, спектроскопия, метроло-ия, экология и др.).

Наиболее широкие перспективы применения СИ для исследователь-:ких и технологических целей связываются в настоящее время с соору-кением специализированных накопителей, параметры и конструкция которых оптимизируются в соответствии с их назначением как генераторов Ж

Рост контингента лиц, занятых на электрон-позитронных УНК фун-[аментальными н прикладными исследованиями, и грядущее техноло-'ическое использование СИ требуют внимательного отношения к разработке вопросов радиационной защиты на такого рода объектах.

Цель настоящей работы состояла в теоретическом и экспериментальном изучении радиационных полей, генерируемых пучками уско->енных электронов в условиях УНК, получении и накоплении та-:ой информации, которая могла бы составить минимально необходи-*ую физическую и методическую основу для оперативного проекти-ювания системы радиационной защиты (СРЗ) электрон-позитронного 'скорительно-накопительного комплекса.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведены расчёты угловой зависимости ослабления дозы тормоз-юго излучения мегавольтного диапазона из лёгких мишеней (Л/, Ре) за-цитой из бетона, железа и свинца. Это обеспечивает основу для приня-■ия более адекватных проектных решений защиты во многих типичных [рактических ситуациях.

2. В достаточно общем виде проанализировано развитие электронно-ютонного каскада в среде в угловой и энергетической переменных. В

широком диапазоне углов рассчитано энергетическо-угловое распределение ливневого фотонного излучения при осевой бомбардировке электронами высокой энергии длинной цилиндрической мишени из железа радиусом в одну радиационную единицу длины. Рассчитаны и экспериментально измерены для этого случая величины глубинных поглощении) доз электронно-фотонного ливневого излучения (ЭФЛИ) внутри фантома из полимспилметакрилата. Получены угловые характеристик! поля излучения для мишеней больших радиусов; показано, что при ра диусе мишени, превышающем 12 см, основным фактором, определяют^ поле эквивалентной дозы в широком диапазоне углов, становятся фото нейтроны.

3. Рассчитано ослабление бетонной защитой эквивалентной дозы из лучений, выходящих из упомянутой в п.2 мишени, для условий нормаль ного и наклонного падения на защиту.

4. Предложена методика оценки поглощённой дозы прямого пучка СР н её ослабления слоями материалов. Проведены расчёты и эксперимен тальные измерения дозного поля рассеянного низкоэнергетичного СИ Покг-зано, что значительный вклад в поверхностную дозу рассеянное излучения при геометриях рассеяния, характерных для аварийных ситу аций, вносят фотоны с энергией 5-11 кэВ.

5. Выполнен анализ прохождения высокоэнергетичного тормозного из лучения по каналам вывода СИ с учётом их угловой апертуры, начально коллимации и действия скрепера, позволяющий сформулировать исход ные данные для физического расчёта защиты от этого фактора. Пред ложена простая приближённая методика оценки параметров защитны элементов каналов вывода и станций СИ.

Практическая ценность работы. Результаты, получаемые в ход выполнения работы, использовались при анализе радиационных пробле] и практическом проектировании защит большинства наиболее круг ных экспериментальных установок, созданных в Институте ядерно физики СО РАН на протяжении последних более чем двух десятил< тий. Сюда, прежде всего, относятся защитные сооружения комплексе ВЭПП-3 и ВЭПП-4, реконструированные внутренние защиты зала ко\ плекса ВЭПП-2М, защитные решения экспериментальных залов дл работ с пучками синхротронного излучения накопителей ВЭПП-2М ВЭПП-3, защищенные стенды для отработки и испытаний мощных В генераторов и резонаторов для накопителей, а также защищенные стенд для наладки и испытаний сильноточных мегавольтных ускорителе] предназначенных для использования в народном хозяйстве.

Опыт, приобретаемый в процессе проектирования радиационных за-цпт, позволял более обоснованно подходить к формированию структуры радиационного контроля как в целом по Институту, так и в случаях спе-¿иалыю создаваемых дозиметрических систем для отдельных установок, 5 частности, при разработке автоматизированной системы радиацион-юго мониторирования для ВЭЛЛ-З и ВЭЛП-4.

Предварительный анализ радиационных проблем для рассчитанного 1а перспективу проекта ВПЭЛЛ также проводился с использованием ре-ультатов представляемой работы.

Накопленный опыт используется в настоящее время при проектиро-)ании и создании систем радиационной защиты для двух крупных объ-:ктов, сооружаемых в Институте. Это новый инжекционный комплекс 1ЯФ, предназначенный для надёжного обеспечения электронами и по-итронами высоких энергий действующего коллайдера ВЭПП-4, строя-цейся ^-фабрикии проектирующейся Сг-фабрики,и экспериментальный ал для работы с пучками синхротронного излучения ВЭПЛ-4-

Полученные результаты могут быть использованы при проектирова-иш СРЗ ускорителей электронов мегавольтного диапазона и электрон-юзитронных ускорительно-накопительных комплексов, а также для ана-шза радиационной обстановки на таких объектах.

На защиту выносятся следующие результаты работы:

1. Общий анализ радиационных факторов на электрон-позитронных 'ПК с энергией в несколько ГэВ.

2. Графическое представление алгоритма проектирования системы адиационной защиты для условий электрон-позитронного УПК.

3. Расчёт ослабления доз тормозного излучения из лёгких мнше-ей (Л/, Ре), облучаемых пучками электронов мегавольтного диапа-эна, за защитой из бетона, железа и свинца, выполненный с учё-ом энергетическо-углового распределения излучения, выходящего из [ишени. В целях удобства практического использования полученных езультатов при проектировании, последние представлены в виде но-:ограмм, пригодных для оценки толщины защиты в произвольном на-равлении по отношению к первичному пучку электронов, падающих на ишень.

4. Расчётное и экспериментальное исследование радиационного поля, оперируемого при осевой бомбардировке длинной цилиндрической ми-[ени из железа электронами высокой энергии. Рассчитано энергетическо-гловое распределение ливневого фотонного излучения при восьми углах

к пучку первичных электронов для мншени радиусом в одну радиационную единицу длины. Для пяти углов рассчитаны и экспериментально измерены величины глубинных поглощённых доз электронно-фотонногс ливневого излучения в фантоме, расположенном на некотором удалении от мишени. Установлено, что в области больших углов кривые глубинных доз имеют вблизи передней поверхности фантома довольно резкий пик, обусловленный значительным вкладом в дозу заряженных части! (е±) с энергией несколько МэВ. При малых же углах определяющим фактором в формировании дозного поля является тормозное излучение высо кой энергии, вследствие чего максимум дозы смещается вглубь фантома (См. ниже описание третьей главы и Рис. 1 и 2). Оценены уг;ювъь характеристики поля излучения для мишеней радиусом 6 и 12 см. Пока зано, что для мишеней несколько большего радиуса основным фактором определяющим поле излучения в широком диапазоне углов, станозятс: фотонейтроны.

5. Расчёт ослабления бетонной защитой эквивалентной дозы излу чений, выходящих из упомянутой выше мишени (п.4), для условий нор мального и наклонного падения на защиту. Учёт вклада многократн рассеянной компоненты излучения в случае фотонного ливневого изл> чения осуществлялся с помощью известных литературных данных п факторам накопления, в случае же фотонейтронов использованы предлс женные автором приближённые аналитические выражения. Результат: численных расчётов, проведённых для девяти углов по отношению к nef вичному пучку электронов и одиннадцати значений толщин защи'п представлены в виде кривых, удобных для анализа радиационной of становки на действующих объектах и для проектного использованп Представлены также кривые, описывающие ослабление боковой бето) ной защитой излучений линейного однородного источника с такими а спектрально-угловыми характеристиками на элементах его длины, ч: и для мишени п.4.

6. Методика оценки поглощённой дозы прямого пучка СИ и её осл бления слоями материалов. Результаты расчёта интегралов, необход мыхдля вычисления дозы в воде при начальной фильтрации эквивален ной 0,1 г/см2 #20, и зависимостей кратностей ослабления от толщш слоя для 14 веществ оформлены в виде графического атласа, обесг чивающего возможность интерполяции во всём рассмотренном диаг зоне критических энергий, атомных номеров и кратностей ослаблен (0,1 кэВ < Екр < 200 кэВ, 4 <Z< 92,101 < К < W15, соответствен»:

7. Расчётные оценки и экспериментальные измерения поля рассеянного низкоэнергетичпого СИ.

8. Анализ прохождения высокоэпергетпческого тормозного излучения но каналам вывода СИ с учётом их угловой апертуры, начальной колли-«ацпн и действия скрепера; приближённая методика оценки параметров защитных элементов каналов вывода и станций СИ.

Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-11] и докладывались на семинарах Комиссии "Радиационная защита и работа в условиях высокого уровня радиации" Научного совета АН СССР по проблемам ускорения заряженных частиц (Одесса, 1975; Новосибирск, 1976; Дубна, 1979,1989; Харьков, 1984; Протвино, 1975, 1977, 1991), а также па девятом и двенадцатом Всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1984 и 1990 гг.).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения и содержит 239 страниц машинописного текста, в том числе 54 рисунка, 14 таблиц и список литературы из 101 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, даётся общая характеристика радиационной обстановки на электрон-позитронных УНК, излагается краткое содержание диссертации и приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации рассматривается общий алгоритм проектирования системы радиационной защиты от внешнего излучения применительно к условиям электрон-позитронного УНК. Кратко обсуждаются цели, проблемы оптимизации, вопросы последовательности этапов проектирования, выбора планировочно-конструктивного решения защиты, выбора защитных материалов и связанные с этим вопросы физического расчёта защиты. Приведены некоторые оценки, касающиеся трудоёмкости создания банка физической информации, позволяющего осуществлять оперативное проектирование СРЗ от излучения, обусловленного взаимодействием с мишенями пучков электронов с энергией в диапазоне от нескольких десятков МэВ до нескольких десятков ГэВ. Обсуждаются источники неопределённостей в результатах прогнозирования радиационных полей, выполняемого на стадии проектирования СРЗ, и методы

демпфирования возможных отрицательных последствий этих неопределённостей. Обсуждается роль защитных измерений.

Вторая глава посвящена оценкам дозных полей и защиты от тормозного излучения пучков электронов мегавольтного диапазона. Приводят« также экспериментальные данные по радиационным полям, обусловленным излучением ускоренных автоэмиссионных электронов, для некоторых конкретных ВЧ резонаторов.

В третьей главе рассматривается формирование радиационных полей, генерируемых при взаимодействии пучков электронов высокой энергии с массивными мишенями. Проанализировано развитие электронно фотонного ливня в среде в угловой и энергетической переменных. Ко личественные данные по энергетическо-угловому распределению внеш него фотонного излучения представлены для длинной цилиндрическое железной мишени радиусом в одну радиационную единицу длины. Н; Рис. 1 настоящего реферата приведены, в качестве примера, энергетиче ские спектры фотонного излучения для углов 90 и 150 градусов.

Представлены расчётные и пкспериментально измеренные величинь глубинных поглощённых доз электронно-фотонного ливневого излучени; внутри фантома, размещённого на некотором удалении от мишени, в за висимости от угла к первичному пучку падающих на мишень электроно (Рис. 2).

Оценены угловые характеристики поля излучения для мишеней боль ших радиусов.

При различных углах к первичному пучку электронов рассчитан ослабление бетонной защитой дозы фотонного ливневого излучения и фс тонейтронов, выходящих из мишени. Расчёты проведены как для услови нормального падения этих излучений на защиту, так и при наклонна их падении на боковой бетонный барьер, расположенный параллельн падающему на мишень пучку электронов.

Глава IV посвящена оценкам радиационных полей первичного и ра( сеянного синхротронного излучения. Приводятся основные расчётные сс отношения для оценки дозы в прямом пучке СИ и её ослабления в ра: личных материалах. Зависимости необходимых дозовых интегралов о Екр даны в графическом виде. В виде номограмм представлены кратнс сти ослабления для ряда материалов. Обсуждается возможность испол] зования полученных результатов для грубой оценки доз и защиты с рассеянного СИ. Более адекватные расчётные и экспериментальные х; рактеристики поля рассеянного синхротронного излучения представлен для конкретного примера.

В главе V рассматриваются вопросы радиационной защиты при работе с выведенными пучками синхротронного излучения. Обсуждается роль коллимации каналов вывода СИ и скреперной защиты в уменьшении поступления высокоэнергетического тормозного излучения на территорию экспериментальной (технологической) станции. Выполнены количественные оценки такого поступления в зависимости от угловой апертуры канала. На примере 2,5-ГэВного накопителя даются априорные оценки вблизи станции уровней электронно-фотонного ливневого излучения и фотонейтронов, обусловленных взаимодействием поступающего тормозного излучения с оборудованием станции, а также оценки мощностей доз прямого и рассеянного СИ. Формулируются количественные требования к элементам защиты станций и каналов. На основе проведённого анализа сделан прогноз возможных последствий аварийного облучения персонала из-за несанкционированных изменений (нарушений) в принятой системе радиационной защиты. Даются рекомендации по улучшению противо аварийной безопасности комплекса и станций.

В заключении перечислены основные результаты работы.

Список опубликованных по теме диссертации работ приводится ниже.

1. Протопопова Г.М., Чудаев В.Я. Защита от тормозного излучения электронных ускорителей с энергией 0,5-3 МэВ. - Новосибирск, 1969. - 37 с. - (Препринт / Ин-т ядерн. физики СО АН СССР; 275).

2. Приходько В.П., Чудаев В.Я. Некоторые оценки доз и защиты от излучений электронов высокой энергии. - Новосибирск, 1974.- 44 с. - (Препринт /Ин-т ядерн. физики СО АН СССР; 74-35).

3. Приходько В.П., Чудаев В.Я. Оценки радиационной опасности на ВЭПП-4. - Новосибирск, 1976. - 40 с. - (Препринт / Ин-т ядерн. физики СО АН СССР; 76-68).

4. Краткие сведения по дозиметрии и защите от ионизирующих излучений: Отчёт / АН СССР, Сиб. отделение, ИЯФ. - Новосибирск, 1977. - 127 с. - Исполн.: Г.М. Протопопова, В.Я.Чудаев.

5. Баркова В. Г., Чудаев В. Я. Угловые распределения электронно-фотонной компоненты ливня из массивной железной мишени и глубинные дозы. - Новосибирск, 1979. - 54 с. - (Препринт / Ин-т ядерн. физики СО АН СССР; 79-73).

6. Баркова В. Г., Чудаев В.Я. Защита от тормозного излучения из легких мишеней (0,5-3 МэВ). - Новосибирск, 1981. - 29 с. - (Препринт / Ин-т ядер«, физики СО ЛИ СССР; 81-78).

7. Бабурин В.Г., Баркова В.Г., Чудаев В.Я. Номограммы для оценки дозы от прямых пучков сипхротр очного излучения и ее ослабления в различных материалах. — Новосибирск, 1982. - 34 с. — (Препринт / Ин-т ядерн. физики СО АН СССР; 82-108).

8. Баркова В. Г., Корябкин О.М., Репков A.B., Чудаев В.Я. Автоматизированная система непрерывного радиационного контроля электрон-позитронного ускорительно-накопительного комплекса ВЭПП-4. Цели, подходы, детекторы // Труды девятого Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1984. -Дубна, 1985. Т.2. - С.318-324.

9. Баркова В. Г., Чудаев В.Я. Ослабление бетонной защитой эквивалентной дозы ливневого фотонного излучения и фотонейтронов, испускаемых из массивной железной мишени. - Новосибирск, 1989 - 54 с. - (Препринт ] Ин-т ядерн. физики СО АН СССР; 89-105 ).

10. Панченко В.Е., Баркова В.Г., Лысенко А.П., Рачкова В.В., Чудаег

B. Я. Методическая проработка структуры РОО и nyлъmoвoi типовой станции ТНК. - Отчёт / АН СССР, Сиб. Отделение ИЯФ; рук. Скринский А. Н. - N гр. 01890067964. - Новосибирск 1990. 81 с.

11. Корябкин О. М-, Репков А. В., Чудаев В.Я. Автоматизирован пая система непрерывного радиационного контроля в ИЯФ СС АН СССР// Труды двенадцатого Всесоюзного совещания по уско рителям заряженных частиц, Дубна, 1990. - Дубна, 1992. - Т.2. -

C.317-320.

10

<0° , ы д ю1

к, МэЬ

ю2

Рис.1. Энергетнческо-угловое распределение энергии фотонного излучения, выходящего из длинной цилиндрической железной мишени при ее осевой бомбардировке электронами с энергией То = 232 МэВ. Результаты нормированы на один первичный электрон, падающий на мишень. Кривые - полуаналитический расчет:

--без учета комптоновского рассеяния тормозных фотонов и без учета

аннигиляционного излучения; ---с учетом однократного комптоновского рассеяния, но без учета аннигиляционного излучения;

_ с учетом однократного комптоновского рассеяния тормозных и ан-

нигиляционных фотонов; ||||| расчет методом Монте-Карло; вертикальный размер штриховки соответствует 9(1 ± 1/\/лГ), где: 3 - среднее по элементу Дк • ДП значение 3(1-,То, (?0); N - число фотонов, зарегистрированных при счете в элементе Ак • ДЙ; - элемент телесного угла. См. текст.

Рис.2. Глубинные дозы от ливневого излучения, выходящего из мишени, в зависимости от угла к пучку первичных электронов. Сплошные кривые - дозы от фотонного излучения (полуаналитический расчет). Точки - экспериментальные значения суммарной дозы от фотонов и заряженных частиц. Все результаты условно приведены к расстоянию 1 м от эффективного центра мишени. Размеры фантома 40 х 40 х 57 см3, значения доз относятся к точкам, лежащим вблизи его продольной оси.