GB∕T 39325-2020 超导回旋质子加速器辐射屏蔽规范

书书书犐犆犛２７．１２０．９９犉９１中华人民共和国国家标准犌犅／犜３９３２５—２０２０超导回旋质子加速器辐射屏蔽规范犛狆犲犮犻犳犻犮犪狋犻狅狀犳狅狉狉犪犱犻犪狋犻狅狀狊犺犻犲犾犱犻狀犵狅犳狊狌狆犲狉犮狅狀犱狌犮狋犻狀犵狆狉狅狋狅狀犮狔犮犾狅狋狉狅狀２０２０１１１９发布２０２１０６０１实施国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会发布书书书前　　言　　本标准按照ＧＢ／Ｔ１．１—２００９给出的规则起草。本标准由全国核能标准化技术委员会（ＳＡＣ／ＴＣ５８）提出并归口。本标准起草单位：合肥中科离子医学技术装备有限公司、中国科学院等离子体物理研究所。本标准主要起草人：宋云涛、徐坤、雷明准、陈永华、冯汉升、陆坤、李俊、丁开忠、刘璐、陈根、郑金星、魏江华、李实、杨庆喜、李君君、邢以翔、韩曼芬、黄漪。Ⅰ犌犅／犜３９３２５—２０２０超导回旋质子加速器辐射屏蔽规范１　范围本标准规定了超导回旋质子加速器机房屏蔽的一般要求、剂量率参考控制水平、屏蔽计算和辐射监测等要求。本标准适用于质子能量在７０ＭｅＶ～１０００ＭｅＶ范围内的超导回旋质子加速器的辐射屏蔽设计，也可用于质子能量在７０ＭｅＶ～１０００ＭｅＶ范围内的其他类型质子加速器的辐射屏蔽设计。２　规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。ＧＢ／Ｔ４９６０．５　核科学技术术语　辐射防护与辐射源安全ＧＢＺ／Ｔ２０２—２００７　用于中子外照射放射防护的剂量转换系数３　术语和定义ＧＢ／Ｔ４９６０．５界定的以及下列术语和定义适用于本文件。３．１超导回旋质子加速器　狊狌狆犲狉犮狅狀犱狌犮狋犻狀犵狆狉狅狋狅狀犮狔犮犾狅狋狉狅狀采用超导磁体提供恒定导向磁场，利用常频电场加速，质子束流沿着螺旋轨道运动的圆形加速器。３．２居留因子　狅犮犮狌狆犪狀犮狔犳犪犮狋狅狉犜辐射源在出束时间内，在区域内最大受辐照人员驻留的平均时间占出束时间的份额。３．３使用因子　狌狊犲犳犪犮狋狅狉犝初级辐射束（有用束）向某有用束屏蔽方向照射的时间占总照射时间的份额。３．４束流损失　犫犲犪犿犾狅狊狊质子束流在形成、加速、引出、输运过程中，与加速器系统部件相互作用所导致的束流强度与束流能量的部分损失或者全部损失。３．５次级中子　狊犲犮狅狀犱犪狉狔狀犲狌狋狉狅狀质子与物质相互作用产生的中子。　　注：一般情况下，次级中子包括级联中子和蒸发中子。１犌犅／犜３９３２５—２０２０３．６级联中子　犮犪狊犮犪犱犲狀犲狌狋狉狅狀质子与物质相互作用时，通过级联反应产生的中子。　　注：级联中子的能量最高可达入射质子的最高能量。３．７蒸发中子　犲狏犪狆狅狉犪狋犲犱狀犲狌狋狉狅狀质子与物质相互作用时，总中子产额中除级联中子以外的中子。　　注：蒸发中子的能量较低，通常在１０ＭｅＶ以下，分布为各向同性。３．８屏蔽透射因子　狊犺犻犲犾犱犻狀犵狋狉犪狀狊犿犻狊狊犻狅狀犳犪犮狋狅狉在某一点与辐射源之间有屏蔽和无屏蔽时，该点处辐射水平的比值。　　注：屏蔽透射因子的值越小，表示屏蔽效果越好。３．９天空散射辐射　狊犽狔狊犺犻狀犲狉犪犱犻犪狋犻狅狀穿透屏蔽室顶的辐射与室顶上方空气发生作用而散射到屏蔽室外某一定距离处的辐射。３．１０侧散射辐射　狊犻犱犲狊犮犪狋狋犲狉犲犱狉犪犱犻犪狋犻狅狀射入屏蔽室屋顶的辐射与屋顶屏蔽物质作用所产生的并穿出屋顶散射至屏蔽室屋顶所张立体角区域外的次级辐射。　　注：侧散射辐射所关心的位置为辐射源屏蔽室外一定距离处人员驻留的建筑物中高于屏蔽室屋顶的楼层。３．１１有效衰减长度　犲犳犳犲犮狋犻狏犲犪狋狋犲狀狌犪狋犻狅狀犾犲狀犵狋犺在非带电粒子辐射束射入某种材料的路径中，将辐射剂量（率）减少至１／ｅ所需的材料厚度。　　注：ｅ是自然常数。３．１２剂量率参考控制水平　犱狅狊犲狉犪狋犲狉犲犳犲狉犲狀犮犲犮狅狀狋狉狅犾犾犲狏犲犾根据辐射防护实际工作的需要，为开展辐射屏蔽设计而规定的某位置剂量率的控制水平。４　机房屏蔽的一般要求４．１　基本要求４．１．１　应结合超导回旋质子加速器（以下简称“质子加速器”）的规模、功率和用途，按相关规定确定剂量约束值。４．１．２　以剂量约束值为依据，对不同驻留区域的屏蔽进行设计，设计中应关注漏射、散射和次级射线散射的影响，并为内照射留出适当的安全裕量。４．１．３　按照质量保证要求进行安装和运行，防止运行中临时性条件变动带来的屏蔽缺损。４．１．４　在辐射屏蔽设计阶段，应考虑辐射防护管理和职业照射控制的辐射分区需求。４．２　屏蔽所考虑的环境条件４．２．１　质子加速器机房一般应设置在单独的建筑内或作为建筑物底层的一端，质子加速器系统中靶室和辅助机房的坐落位置应考虑周围环境与场所内驻留人员的状况及其可能的改变，并应根据相关安全要求确定所需屏蔽。４．２．２　在设计和评价质子加速器机房屋顶或靶室屋顶的屏蔽时，应充分考虑天空散射辐射和侧散射辐射对临近场所驻留人员的照射。２犌犅／犜３９３２５—２０２０４．３　质子加速器机房和靶室的布局要求４．３．１　控制室应独立于质子加速器机房设置。质子加速器系统中辅助机械、电气、水冷设备等可以与质子加速器主系统装置分离的设备，应尽量设置于质子加速器机房外。４．３．２　控制室、相邻靶室（多靶室系统中）等具有较大居留因子的用室，应尽量避开质子束可直接照射到的区域。４．３．３　根据场所空间和环境条件，确定机房或靶室进出口的屏蔽措施。机房进出口采用迷道设计时，迷道宽度应充分考虑安装与维护设备的通过。机房进出口采用防护门等非迷道式屏蔽手段时，应确保屏蔽的有效性和可靠性。４．４　缝隙、贯穿孔和其他薄弱环节的屏蔽考虑４．４．１　机房采用混凝土整体浇筑时，应采用合理的浇筑工艺，防止出现裂纹和过大的气孔。屏蔽墙体存在预留安装口时，安装口填充物与已浇筑混凝土的交接处应尽量避免出现贯穿直缝，并评估缝隙对屏蔽性能的影响。４．４．２　机房屏蔽体采用预制件（混凝土块或钢板）时，交接处应尽量避免出现贯穿直缝，并评估缝隙对屏蔽性能的影响。４．４．３　穿过屏蔽墙体的贯穿孔（包括通风、电气、水管等）应尽量避开控制台等人员高驻留区，并尽量采用多次弯折设计，控制孔道的辐射泄露。５　剂量率参考控制水平５．１　关注点的选取５．１．１　存在辐射源的房间屏蔽墙体外，距墙体外表面３０ｃｍ处，选择人员受照剂量可能最大的位置作为关注点。５．１．２　质子加速器机房和靶室上方已建、拟建的建筑物、临近建筑物的高度超过自辐射源点至质子加速器机房或靶室屋顶内表面边缘所张立体角区域内的高层建筑物中人员驻留处，选择人员受照剂量可能最大的位置作为关注点。５．１．３　选择公众成员可能受到明显照射的其他位置作为关注点。５．２　剂量率参考控制水平的确定屏蔽体外关注点的剂量率参考控制水平应结合年剂量约束值、质子加速器的出束时间、使用因子和关注点的居留因子确定。剂量率参考控制水平的确定方法参见附录Ａ。６　屏蔽计算６．１　屏蔽计算方法屏蔽计算应以剂量率参考控制水平为目标，综合考虑质子加速器参数、束流损失与辐射源、次级辐射，合理进行屏蔽体设计及计算。６．２　屏蔽计算应考虑的因素高能质子打靶会产生次级质子、次级中子和γ射线等。在最高质子能量情况下，质子加速器系统的屏蔽设计只需要考虑次级中子。在屏蔽计算时，应考虑质子加速器系统部件本身的屏蔽作用。３犌犅／犜３９３２５—２０２０６．３　质子相关参数质子相关参数包括：ａ）　质子束流损失与利用的位置和方向；ｂ）　质子的能量范围；ｃ）　质子的束流强度范围。６．４　多辐射源如果质子加速器系统中存在多个辐射源，在计算某一关注点的剂量（率）时，应同时考虑各个辐射源的贡献。６．５　次级中子源项估算能量为７０ＭｅＶ～１０００ＭｅＶ的质子打击中等或高原子序数材料的次级中子产额犙（犈）按公式（１）估算：犙（犈）＝６×（犈／犈０）０．６３×［１－ｅ－３．６×（犈／犈０）１．６］……………………（１）　　式中：犙（犈）———次级中子产额，无量纲；犈———入射质子能量，单位为兆电子伏（ＭｅＶ）；犈０———基准能量，１０００ＭｅＶ。次级中子的发射并不是各向同性的，距离打靶位置１ｍ处，次级中子注量Φ（犈，θ）沿角度的分布按公式（２）估算：Φ犈，θ（）＝犆Φ×１－ｅ－３．６×犈／犈０（）１．６θ／θ０＋４０／犈／犈槡０（）２……………………（２）　　式中：Φ（犈，θ）———次级中子注量，单位为每平方米（ｍ－２）；犆Φ———常数５０００，单位为每平方米（ｍ－２）；犈———入射质子能量，单位为兆电子伏（ＭｅＶ）；犈０———基准能量，１０００ＭｅＶ；θ———次级中子出射方向与质子束流入射方向的夹角，单位为度（°）；θ＝［０°，１８０°］；θ０———单位角度，１°。在没有屏蔽结构时，距离打靶位置１ｍ处，次级中子产生的周围剂量当量犎０（犈，θ）按公式（３）估算：犎０（犈，θ）＝犆犎×１－ｅ－３．６×犈／犈０（）１．６θ／θ０＋４０／犈／犈槡０（）２………………（３）　　式中：犎０（犈，θ）———周围剂量当量（以下简称“剂量”），单位为希沃特（Ｓｖ）；犆犎———常数２×１０－１０，单位为希沃特（Ｓｖ）；犈———入射质子能量，单位为兆电子伏（ＭｅＶ）；犈０———基准能量，１０００ＭｅＶ；θ———次级中子出射方向与质子束流入射方向的夹角，单位为度（°）；θ＝［０°，１８０°］；θ０———单位角度，１°。　　注：公式（３）由中子注量Φ（犈，θ）与注量剂量转换因子相乘得到，注量剂量转换因子保守取值为４×１０－１４Ｓｖ·ｍ２。束流强度为犐的质子束产生的次级中子剂量率按公式（４）估算：４犌犅／犜３９３２５—２０２０犎·０＝犎０×犐犲Ｉ×犆ｔ…………………………（４）　　式中：犎·０———次级中子剂量率，单位为希沃特每小时（Ｓｖ／ｈ）；犎０———单个质子产生的剂量，单位为希沃特（Ｓｖ）；犐———质子束流强度，单位为安培（Ａ）；犲Ｉ———基本电荷量，犲Ｉ＝１．６０×１０－１９Ｃ；犆ｔ———时间转换因子，犆ｔ＝３６００ｓ／ｈ。　　注：本标准中为了区别自然常数和基本电荷量，基本电荷量用犲Ｉ表示。６．６　屏蔽墙体后中子剂量率估算当关注点与打靶位置的距离远大于质子束流与材料相互作用区域的几何尺寸（大于７倍）时，可将靶视为点源。屏蔽墙体后某关注点Ｐ（见图１）的中子剂量率按公式（５）估算：犎·Ｐ＝犎·０×１０－犱ｅｆｆ犜犞犔×狉０狉Ｐ（）１．５…………………………（５）　　式中：犎·Ｐ———屏蔽墙体后点Ｐ的中子剂量率，单位为希沃特每小时（Ｓｖ／ｈ）；犎·０———次级中子剂量率，单位为希沃特每小时（Ｓｖ／ｈ）；犱ｅｆｆ———屏蔽墙体的有效厚度，有效厚度犱ｅｆｆ与墙体厚度犱１的关系为犱ｅｆｆ＝犱１／ｃｏｓα，单位为厘米（ｃｍ）；犜犞犔———屏蔽材料的十分之一值层，单位为厘米（ｃｍ）；狉０———单位距离，１ｍ；狉Ｐ———靶点到Ｐ点的距离，单位为米（ｍ）。　　注：一般地，某处剂量率与该位置和辐射源距离的平方相关，即指数数值为２。本式中，该指数数值取１．５，目的是为了保守估计房间墙体内壁对中子的反射作用。　　说明：１———靶点；２———质子束流入射方向；θ———次级中子出射方向与质子束流入射方向的夹角；α———次级中子出射方向与屏蔽墙体法线的夹角；犱１———屏蔽墙体的厚度；Ｐ———屏蔽墙体后某关注点。图１　屏蔽墙体的示范性描述５犌犅／犜３９３２５—２０２０　　犜犞犔的值与屏蔽材料、质子能量、次级中子出射方向与质子束流入射方向的相对角度有关，按公式（６）估算：犜犞犔＝犜犞犔０×１－０．８×ｅ－４×犈犈０（）×犳（θ）…………………………（６）　　式中：犜犞犔———十分之一值层，单位为厘米（ｃｍ）；犜犞犔０———质子能量为１０００ＭｅＶ时，材料对质子产生的次级中子的十分之一值层，单位为厘米（ｃｍ）取值，参见附录Ｂ；犈———入射质子能量，单位为兆电子伏（ＭｅＶ）；犈０———基准能量，１０００ＭｅＶ；θ———次级中子出射方向与质子束流入射方向的夹角，单位为度（°）；θ＝［０°，１８０°］；犳（θ）———角度