Радиационные поля и защита в условиях экспериментального электрон-позитронного ускорительно-накопительного комплекса Чудаев, Владимир Яковлевич

Введение к работе

Актуальность темы. Ускорительно - накопительные комплексы УНК), использующие метод встречных пучков, за последние десяти-іетия стали одним из основных и наиболее эффективных экспериментальных инструментов физики элементарных частиц. В то же время ілектрон-позитронньїе 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 тела, 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 и 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-іую физическую и методическую основу для оперативного проекти-ювания системы радиационной защиты (СРЗ) электрон-позитронного хкорительно-накопительного комплекса.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведены расчёты угловой зависимости ослабления дозы тормоз-гого излучения мегавольтного диапазона из лёгких мишеней (Л/, Fe) за-цитой из бетона, железа и свинца. Это обеспечивает основу для приня-ия более адекватных проектных решений защиты во многих типичных ірактических 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 поглощенны* доз электронно-фотонного ливневого излучения (ЭФЛИ) внутри фантома из полимстилметакрилата. Получены угловые характеристик поля излучения для мишеней больших радиусов; показано, что при ра диусе мишени, превышающем 12 см, основным фактором, определяюшда 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 ацнй, 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 проблеї и практическом проектировании защит большинства наиболее круг ных экспериментальных установок, созданных в Институте ядерно физики СО РАН на протяжении последних более чем двух десятиле 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 залит, позволял более обоснованно подходить к формированию структуры радиационного контроля как в целом по Институту, так и в случаях спеціально создаваемых дозиметрических систем для отдельных установок, і частности, при разработке автоматизированной системы радиацион-юго мониторирования для ВЭПП-3 и ВЭПП-4-

Предварительный анализ радиационных проблем для рассчитанного іа перспективу проекта ВПЭПП также проводился с использованием ре-іультатов представляемой работы.

Накопленный опыт используется в настоящее время при проектиро-іании 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 v-фабрикии проектирующейся Сг-фабрики,и экспериментальный ал для работы с пучками синхротронного излучения ВЭПП-4-

Полученные результаты могут быть использованы при проектирова-ши 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-познтронных '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 (А1, Fe), 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-юграмм, 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, знерируемого при осевой бомбардировке длинной цилиндрической ми-іени из железа электронами высокой энергии. Рассчитано энергетическо-гловое распределение ливневого фотонного излучения при восьми углах

к пучку первичных электронов для мишени радиусом в одну радиационную единицу длины. Для пяти углов рассчитаны и эксперцмептальпс измерены величины глубинных поглощённых доз электронно-фотонногс ливневого излучения в фантоме, расположешюм на некотором удалении от мишени. Установлено, что в области больших углов кривые глубинных доз имеют вблизи передней поверхности фантома довольно резкиіі пик, обусловленный значительным вкладом в дозу заряженных частш (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 углоБЫ 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 нзл> 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 nej вичному пучку электронов и одиннадцати значений толщин зашиті представлены в виде кривых, удобных для анализа радиационной of становки на действующих объектах и для проектного использовали Представлены также кривые, описывающие ослабление боковой бетої ной защитой излучений линейного однородного источника с такими я 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 < Е_кр < 200 кэВ, 4 < Z < 92,10^і < К < 10¹⁵, соответствен»:

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

8. Анализ прохождения высокоэпергетнческого тормозного излучения но каналам вывода СИ с учётом их угловой апертуры, начальной колли-иацин 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 на 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.