CSNS通用粉末衍射谱仪的屏蔽设计 罗万居 中国科学院高能物理研究所东莞分部，东莞中子科学中心2016.09.22 第四届全国大型粒子加速器辐射防护学术研讨会 CSNS通用粉末衍射谱仪的屏蔽设计 罗万居 中国科学院高能物理研究所东莞分部，东莞中子科学中心2016.09.22

内容提要 一、通用粉末衍射谱仪(GPPD)概况 二、GPPD屏蔽设计策略与模型 三、GPPD模拟结果与分析 四、总结

通用粉末衍射谱仪(GPPD)概况 GPPD是CSNS第一期建设的三台谱仪之一，采用18号束线的退耦合窄化液氢慢化器，中子带宽 ∆ = 4.8 Å; L1 = 30 m; L2 = 1.4-2m，进行粉末衍射实验研究物质晶体结构与磁结构。 中子源强度从慢化器表面的13次方降到样品位置的7次方。 特点：束线与近邻束线夹角，左边8度，右边12度；6米处宽度分别为: 42cm和63cm；T0位于6.5米处，长：0.6米（6.25～7.85米），上75.0 cm，下30.0cm，左右各50.0 cm ；谱仪总长度约35.6米。 3

GPPD屏蔽设计策略与模型 设计标准按照最坏的情况下要求达到2.5uSv/hr以下； 对于前端空间狭窄的区域采取活动屏蔽体，方便二期谱仪的屏蔽设计； 针对谱仪长度大，蒙特卡罗模拟难以收敛的问题，采取优化源项，分割几何模型； 为了避免中子的直射泄漏，束线上采用折Z型通孔，散射室线路穿墙管采用S型通孔； 4

GPPD屏蔽设计策略与模型

GPPD屏蔽设计策略与模型 0 4 6 9 10.3 11.6 16 28 T0 closed T0 open T0 open T0 open

GPPD屏蔽设计策略与模型 10x10 cm2 surface source in a 2-degree cone 模拟计算的中子源项 Calculated via MCNPX Calculated via Vitess 10x10 cm2 surface source in a 2-degree cone 1.0 m from the moderator 1.44E+12 n/s at 500 kW

GPPD模拟结果与分析 GPPD 屏蔽计算 （混合材料 1-9m, T0 closed）

GPPD模拟结果与分析 GPPD 屏蔽计算 （6-9m, T0 closed） 屏蔽材料 最低高度要求 重混凝土 230 cm 普混凝土 低碳钢 280 cm 混合结构 215 cm 比较四种屏蔽材料（普通混凝土、重混凝土，低碳钢，以及普通混凝土与低碳钢混合）设置的屏蔽效果，证实普通混凝土与低碳钢混合结构屏蔽效果最佳。

GPPD模拟结果与分析 低碳钢与混凝土配比优化计算 T0上方当低碳钢厚度为45cm，普通混凝土为85cm时为最佳屏蔽选择。

GPPD模拟结果与分析 低碳钢与混凝土配比优化结果 Z(m) 低碳钢高度 普通混凝土厚度 屏蔽层 高/宽(cm) 上 下 两侧 6－9 95 25 45 115 90 210/205 9.0－10.8 130 160/140 10.8－12.1 12.1－14.0 120 100 14.0－18.0 20 65 100/100 18.0－21.0 15 60 90/90 21.0－24.0 50 55 80/85 24.0－27.0 70 85/100

GPPD模拟结果与分析 GPPD 屏蔽束线计算－辐射剂量分布图

GPPD模拟结果与分析 机械设计对GPP束线屏蔽参数的修改 距离慢化器位置Z(cm) 低碳钢厚度(cm) 普通混凝土厚度 (cm) 备注 上 下 左 右 高 左、右 600－625 105 75 83 95 90 120 215/215 T0关闭 625－785 45 60 785－850 850－1010 30 50 165/140 T0放开 1010－1200 15 1200－1215 1215－1400 20 125 100 1400－2400 25 70 105/100 2400－2700 10 125/125

GPPD模拟结果与分析

GPPD模拟结果与分析 散射室屏蔽模型

GPPD模拟结果与分析 散射室辐射剂量分布图(钆样品）

GPPD模拟结果与分析 散射室辐射剂量分布图（水样品）

GPPD模拟结果与分析 散射室辐射剂量分布图（锰样品）

GPPD模拟结果与分析 散射室辐射剂量分布图（无样品）

GPPD模拟结果与分析 散射室屏蔽参数结果 位置 低碳钢 普通混凝土 备注 前墙 —— 50 cm   侧墙 斜墙 楼板 55 cm 后墙 60 cm 切角等厚  Beam stop (x × y × z) 180×180×165 cm3 嵌入后墙 钢体(Inconel) 20×20×55 cm3 嵌入上一体 钢体空槽 20×20×20 cm3 BC4腔壁 Beam stop优化计算表明，低碳钢厚度选55 cm，配以适当厚度的普通混凝土是合适选择。 通过优化几何结构模型，比较不同材料及其配比的屏蔽效果，获得了GPPD束线屏蔽与散射室屏蔽的设计结果，采用一定厚度普通混凝土和低碳钢组合，可以将屏蔽体外的辐射剂量降低到安全值2.5uSv/hr以下.

GPPD模拟结果与分析 散射室门窗优化模拟 门窗是频繁活动的部件，设计轻灵小巧利于操作，因此进行优化计算十分必要。 外钢内聚乙烯 内钢外聚乙烯

GPPD模拟结果与分析 散射室屏蔽门窗参数确定 三明治结构 侧门 (cm) 天窗 (cm) 钢 5 含硼聚乙烯 15 20

GPPD模拟结果与分析 散射室墙壁各种线管穿墙孔 在散射室内部有许多电源、控制和抽气管需要穿过墙壁引入到控制室，需要在墙体内预留穿墙管，因此也会影响散射室墙的屏蔽效果，这需要优化设计，确保散射室外的辐射剂量控制在安全值范围内。

GPPD模拟结果与分析: 散射室穿墙孔对屏 原则 散射室穿墙孔位置尽量远离中子束线; S形孔道避免直射泄漏，孔径越大折弯越长； 在孔道对应的墙体补充等效屏蔽体； 在大S形转弯处涂上中子吸收材料。 散射室内接近天花板的水平面剂量分布图

GPPD模拟结果与分析: 散射室穿墙孔对屏蔽的影响 拐弯处涂1 mm B4C

GPPD模拟结果与分析: 散射室穿墙孔对屏 散射室右侧外部的剂量分布图

GPPD模拟结果与分析: 散射室穿墙孔对屏 散射室后墙外部的剂量分布图

总结 利用FLUKA软件全面模拟了GPPD谱仪的屏蔽物理设计。通过对模拟结果分析与比较，获得了优化几何结构并选取了优化材料配置，全面获得了GPPD束线及散射室的辐射屏蔽安全需求的屏蔽材料与几何结构等各项参数。建议束线屏蔽材料采用内层低碳钢，外层普通混凝土的搭配屏蔽结构。散射室各个部件如门、天窗以及中子垃圾桶等设计使用了复合的结构，包括使用低碳钢、含硼聚乙烯和普通混凝土等。这些配置既能使辐射剂量降低到安全值以下，同时也考虑了机械设计便利和节省经济成本等非物理因素。

致谢 本工作获得了东莞分部中子科学部梁天骄老师、殷雯老师、于全芝老师等人的指导与帮助，博士后研究人员沈飞、童剑飞老师、王松林老师、周斌老师等人的帮助，特此感谢； 本工作获得了GPPD谱仪组机械设计人员张久昶、罗平、康乐等人的帮助，在此一并致谢。 感谢东莞分部加速器技术部敬罕涛老师对如何高效使用FLUKA软件提供的帮助。

谢谢