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第42卷增刊
2008年9月
原子能科学技术
Vo1.42,Supp1.
Sep.2008
Atomic Energy Science and Technology
FLUKA在永久磁铁辐射退磁实验模拟中的应用
邱 睿 ,李君利 ,毕 垒 ,李文茜 。 ,周婧劫
(1.清华大学工程物理系,北京 100084;2.粒子技术与辐射成像教育部重点实验室(清华大学),北京 100084;
3.高能辐射成像国防重点学科实验室,北京 100084)
摘要:利用FLUKA程序,对韩国浦项加速器实验室的2.5 GeV电子直线加速器辐射退磁实验系统进行
蒙特卡罗模拟,得到了永久磁铁处各种粒子(包括光子、电子、中子及质子)的能谱以及注量的空间分布。
根据实验中的束流强度,估算出永久磁铁所受的吸收剂量率和l MeV等效中子注量率分别为
18.7 Gy/s和6.37×10 cm ・S~。
关键词:蒙特卡罗方法;FLUKA程序;辐射退磁;电子直线加速器
中图分类号:TL99 文献标志码:A 文章编号:1000—6931(2008)so一0375—05
Application of FLUKA in Simulation of Radiation—Induced
Demagnetization Experiment of Permanent Magnet
QIU Rui ' ,LI Jun—li , ,BI Lei '。 ,LI Wen-qian ,。 ,ZHOU Jing—jie , ,。
(1.Department of Physics Engineering,Tsinghua University,Beijing 1 00084,China;
2.Key Laboratory of Particle&Radiation Imaging(Tsinghua University),Beijing 100084,China;
3.Ministry of Education Key Laboratory of High Energy Radiation Imaging Fundamental Science
for National Deferise,Beijing 100084,China)
Abstract:Monte—Carlo simulation of the radiation—induced demagnetization experiment
system with 2.5 GeV electron linear accelerator at Korea Pohang Accelerator Laborato—
ry(PAL)was carried out with FLUKA code.The spectra of various particles,inclu—
ding photon,electron,neutron and proton,and spatial distribution of fluence were
derived.Furthermore the absorbed dose rate and 1 MeV equivalent neutron fluence of
permanent magnet were estimated as 18.7 Gy/s and 6.37×10 cm一 ・s一 according to
the beam intensity in the experiment.
Key words:Monte—Carlo method;FLUKA code;radiation demagnetization;electron
accelerator
Nd Fe B型永久磁铁由于其优异的磁性
插入件中 引。插入件是第三代同步辐射装置
和第四代光源最重要的组成部分之一,由一组
能被广泛应用于加速器领域,其中,非常重要的
一
个应用是用于同步辐射装置和第四代光源的
极性交替按周期排列的永久磁铁组成嘲。
收稿日期:2008-06—30;修回日期:2008—08-20
基金项目:国家自然科学基金资助项目(10775084);高能质子加速器辐射防护关键问题研究资助项目
作者简介:邱睿(1981一),女,湖北枣阳人,博士后,辐射防护专业
376
Nd Fe B型永久磁铁具有较强的辐射敏感性,
而且长期处于高能电子加速器所产生的混合强
辐射环境中,极有可能遭受辐射损伤而导致退
磁,从而对其应用的系统造成影响甚至导致严
重的后果 ]。永久磁铁的辐射退磁效应是同
步辐射装置以及第四代光源的一个关键问题。
此外,永久磁铁的辐射退磁效应研究在空间科
学研究、核能利用开发、磁约束受控热核聚变研
究以及未来新概念武器和空间对抗等众多领域
均有强烈的需求背景和重要意义 。]。
从2O世纪80年代开始,国内外的研究者们
开始用不同的放射源对永久磁铁的辐射退磁效
应进行研究¨8 ¨。第三代同步辐射装置和第四
代光源的电子加速器均处于GeV量级的高能
段,在这一能量段的电子加速器领域,永久磁铁
的辐照效应研究却少有报道。因此,清华大学工
程物理系和韩国浦项加速器实验室一起合作,共
同开展高能电子加速器中永久磁铁辐射退磁效
应的研究,在2.5 GeV电子直线加速器上进行了
永久磁铁辐射退磁实验。由于永久磁铁所处的
辐射场非常强,永久磁铁所在位置的能谱、吸收
剂量率以及中子注量率等辐射物理量无法直接
测量得到,因此,本工作利用FLUKA程序,对该
辐射退磁实验系统进行蒙特卡罗模拟。
l 永久磁铁高能电子加速器辐射退磁
实验
1.1 实验装置
永久磁铁辐射损伤实验在韩国浦项加速器
实验室2.5 GeV电子直线加速器的隧道末端
实验区进行。2.5 GeV电子通过束流位置监测
器BPM(beam position monitor)入射在靶上,
Nd Fe—B型永久磁铁置于靶后8 mm处铝制的
支架上,电子束的几何中一1,正对磁铁的几何中
心(图1)。在电子入射前、后,分别用数字特斯
拉计(digital teslameter)沿y轴测量磁铁上方
的磁感应强度。
1.2 辐射物理分析
电子损失在铜块上会产生一系列次级粒
子。高能电子引发电磁簇射,从而产生大量且
能谱相当宽的韧致辐射光子及次级电子。韧致
辐射光子除了可以通过光电效应、康普顿效应
和电子对效应产生次级电子,还会因轫致辐射
原子能科学技术 第42卷
B
图1永久磁铁辐射退磁实验辐照装置示意图
Fig.1 Scheme of irradiation devices
in radiation demagnetization experiment
光子能量较高,达到或超过了光核反应的阈
能l_l ,产生中子、质子、a粒子等。
因此,高能电子加速器插入件中永久磁铁
所处的辐射环境是一个非常复杂的混合场,包
括大量能谱分布非常宽的光子及电子,还有一
定数量且能谱也相当宽的中子及质子。由于永
久磁铁所处的辐射场非常强,永久磁铁所在位
置的能谱、吸收剂量率以及中子注量率无法直
接测量得到,本工作利用FLUKA程序口 对该
辐射退磁实验系统进行了蒙特卡罗模拟。
2 FLUKA模拟计算
高能电子加速器辐射场模拟中所采用的几
何模型及材料设定基于永久磁铁辐射退磁实验
装置的真实结构和材料。靶的几何尺寸为
25 mm×100 mm×40 mm,材料为Cu,密度为
8.96 g/cm。。永久磁铁的材料组成设为
Nd Fe B,也就是只考虑Nd—Fe-B型永磁材料
的基本相,几何尺寸为12 mm×46 mm×
8 mm,密度为7.6 g/cm。。
入射电子束的相关参数采用韩国浦项加速器
实验室2.5 GeV电子直线加速器的参数。电子束
能量为2.5 GeV。电子束的脉冲形状在z、 方向
均呈高斯分布,半高宽分别为2.5和7.5 rnin。
3 计算结果
3.1 磁铁处粒子能谱
定义永久磁铁所处的辐射场,最重要的信
息就是永久磁铁所在区域的粒子类型及其能
量、注量以及空间分布等。因此,利用FI UKA
程序计算了S1表面上各种粒子的能谱,包括光
子、电子、质子和中子(图2)。图2中,计算结
果归一到1个初始入射电子的贡献。
增刊 邱睿等:FLUKA在永久磁铁辐射退磁实验模拟中的应用 377
不同的发展趋势:光子和电子数目不断增加,在
永久磁铁的右边界达到永久磁铁内部的最大
吕
o
值;中子和质子的注量均是先增大随后降低,在
永久磁铁的中心区域达到最大值。这清楚地体
现了电磁簇射在永久磁铁内部发展的过程。
3.3 吸收剂量
:
>
0
一
\
勰
利用FLUKA程序对永久磁铁内的能量
沉积及其空间分布进行了模拟计算。一个初始
电子在永久磁铁内的总能量沉积为2.69×
图2磁铁表面S1上各种粒子的能谱
Fig.2 Spectra of various particles
at magnet surface S1
10 GeV/cm。,转换为吸收剂量即为5.67×
10 。Gy。实验过程中,束流强度约为3.3×
10 S一,因此,可以估算出永久磁铁所受的剂
量率为18.7 Gy/s。
图4示出3个不同平面内能量沉积的二维
M
■——光子;●——质子;▲——中子;v——电子
由图2可见,在各个能段,光子的注量最
空间分布。这里,沉积能量归一到1个初始入
射电子的贡献。
在z轴方向上,能量沉积量逐渐增大,在
一
高,然后依次为电子、中子和质子。100 MeV
以上中子和质子能谱非常接近,应为准氘核过
程在光中子的产生机制中占主导地位的结果。
3.2 磁铁处粒子注量空间分布
8 mm处达到最大值,这与电磁簇射的发展
过程相一致。在x轴和Y轴方向上,能量沉积
通过模拟各种粒子在永久磁铁内部的输
运过程,得到各种粒子的注量在磁铁内部的
空间分布。图3为永久磁铁内部各种粒子注
量在y-z平面(z一0平面)内的空间分布。粒
子注量单位为cm
电子的贡献。
由图3可见,各种粒子的注量变化呈现出
注量/cm
45
12O
40 40
分别沿z一0和Y一0平面呈对称分布。与粒
子的注量分布类似,在cr-y平面上,能量沉积主
要集中在磁铁中心的一个椭圆形区域。
3.4 1 MeV等效中子注量
ASTM(Ameriean Society for Testing and
l
8
,即归一到1个初始入射
Materials)制定了标准ASTM E772—94,可将
具有不同能谱的中子注量折算到1 MeV等效
注量/cm~
0.O35
注量/cm
45
1O4}主量/cm一
0.030
35
3O
8O
1OO 35
10 30
0.025
l0
15
30
l 25
i
20
\
l 25
8差25
6
20
0.02o
l 20
^25
30
60 2O
0.O1 5
15 1 5
4O 1 5
4
10
0.010
10
35
40
1O
20
5 5
O.005
45
2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8
z}mm z|mm 2{film zfmm
图3各种粒子在永久磁铁y-z平面( —O)内的空间分布
Fig.3 Spatial distributions of particles in y-z(z—O)plane of permanent magnet
a——光子.b——电子;c——中子;d——质子
378 原子能科学技术 第42卷
中子注量l_】 。由于高能电子加速器所产生的
中子能谱非常宽(图2),相对于总的中子注量,
对质子和中子分别造成的1 MeV等效中
子注量进行求和,得到总的1 MeV等效中子注
量为1.93×10 cm_。。根据实验过程中束流
1 MeV等效中子注量能够更好地用于衡量辐
射效应,其定义公式为:
r∞
强度约为3.3×lO加S_。,可估算出永久磁铁所
受的1 MeV等效中子注量率为6.37×
(1) ——一
1 MeV
l(E)D(E)dE
q,1 MeV一 —
10 cm ・s。同时可看到,中子对总的
其中: (E)为中子的能谱;D(E)是能量为E的
中子对硅材料位移损伤的比释动能因子;D 、,
为1 MeV中子对硅材料位移损伤的比释动能
因子。ASTM E772—94标准给出了1O 。~
20 MeV中子的D(E),来源于P.J.Griffin
1 MeV等效中子注量的贡献占大多数,达到
85.4 。
另外,根据1 MeV等效中子注量的定义
(式(1))可以推出,能量为E的粒子所造成的
1 MeV等效中子注量为:
qll
q)(E)D(E)dE
E)一生 (2)
等 获得的数据。对于质子,利用文献[16],
也可将质子的注量等效为1 MeV中子注量。
利用FLUKA计算得到的质子和中子的
能谱以及质子和中子的位移损伤比释动能因
根据中子和质子的能谱以及它们相应的位
移损伤比释动能因子,计算得到了具有不同能
量E的粒子所造成的1 MeV等效中子注量
(图5)。
子,根据式(1)可以计算得到它们所对应的
1 MeV等效中子注量(表1)。计算结果归一到
1个初始入射电子的贡献。
表1 不同粒子造成的1 MeV等效中子注量
Table 1 1 MeV equivalent neutron fluence
由图5可见,在2.5 GeV电子加速器的辐
射场中,由不同能量的中子所造成的1 MeV等
效中子注量差别较大,相差4个数量级甚至更
多。其中,0.2~10 MeV能量段的中子造成的
contributed by different particles
1 MeV等效中子注量较大。相对于中子,不同
能量的质子造成的1 MeV等效中子注量差别
较小,尤其是10 MeV以下的质子;2 MeV以
下,质子造成的1 MeV等效中子注量变化比较
小,2 MeV以上不断增加在100 MeV左右达
到了最大值,并形成一个峰,之后逐渐降低。
沉积能量/(GeV・cm。)
12
1 0
10
g 8
6
4
沉积能量/(GcV・cm )
2
2 4 6 8
5 lO 15 20 25
’|mm
30 35 40 45
z/mm
沉积能量/(GeV・cm )
2
l 4
6
8
5 10 15 20 25 .30 35 40 45
y/mm
图4永久磁铁内部能量沉积分布
Fig.4 Distribution of energy deposition in permanent magnet
a—— z平面.b—— 平面;c— z平面
增刊 邱睿等:FLUKA在永久磁铁辐射退磁实验模拟中的应用 379
目
EfGeV
图5不同能量粒子造成的1 MeV等效中子注量
Fig.5 1 MeV equivalent neutron fluence
contributed by particles with different energy
■——质子;▲——中子
4 结论
本工作利用FLUKA程序,对该辐射退磁
实验的系统进行了蒙特卡罗模拟,对永久磁铁
所在的辐射场及相关辐射物理量进行了模拟计
算和分析。通过模拟高能电子在靶以及永久磁
铁中的输运过程,计算得到各种粒子包括光子、
电子、中子及质子的能谱以及通量的空间分布,
根据所得结果分析了电磁簇射在永久磁铁内的
发展情况。计算了1个初始电子所造成的永久
磁铁的吸收剂量和1 MeV等效中子注量,根据
实验中的束流强度,估算出吸收剂量率和
1 MeV等效中子注量率分别为18.7 Gy/s和
6.37×10 crn ・s-。。另外,对不同能量的粒
子所造成的1 MeV等效中子注量进行了计算
和分析,发现中子对总l MeV等效中子注量的
贡献达到85.4 ,其中,0.2~10 MeV能量段
的中子造成的1 MeV等效中子注量较大。
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