第四代同步辐射光源设施中光束线站点的辐射源分析

《Radiation Measurements》：Radiation Source Analysis of Beamline Stations at Fourth-Generation Synchrotron Light Facility

本研究针对第四代同步辐射光源中直道段的韧致辐射问题，开发了简化模型、ELEGANT-FLUKA耦合模型和气体韧致辐射模型，比较了能量谱、角分布及空间分布特征，发现简化模型低估固体韧致辐射达40%，并验证了耦合模拟在精确评估辐射剂量分布（H*(10)）和优化屏蔽设计中的必要性。

　　在现代高能物理研究中，同步辐射设施的辐射屏蔽设计是一项至关重要的任务。同步辐射光源作为科学研究的重要工具，其内部的电子束流在运行过程中会产生各种形式的辐射，其中最为关键的是由电子在储存环中运动引起的制动辐射（Bremsstrahlung）。这种辐射主要来源于两种机制：一是Touschek效应，二是与真空环境相关的效应。制动辐射可能从储存环的直线段传播至光束线站，从而对工作人员和设备构成潜在的辐射风险。随着第四代同步辐射光源的发展，这些辐射的特性变得更加复杂，传统的辐射源模型已难以准确描述其行为，因此需要更加精确和系统的分析方法。

在同步辐射设施中，实验大厅的辐射主要来自于电子在储存环内的运动所引发的制动辐射。根据不同的物理机制，制动辐射可以分为固体制动辐射和气体制动辐射。固体制动辐射是由于电子在储存环内偏离轨道，尤其是在Touschek效应的作用下，电子之间发生弹性碰撞，导致其纵向动量发生显著变化，从而可能脱离稳定相空间并撞击周围的组件，产生制动辐射。而气体制动辐射则与真空相关的效应有关，主要是电子与残余气体之间的相互作用，包括由非弹性碰撞产生的辐射以及由于电子损失而引发的辐射。

随着同步辐射光源技术的进步，特别是基于衍射极限储存环技术的第四代光源的出现，辐射屏蔽设计面临新的挑战。第四代光源由于束流尺寸的减小和Touschek效应的增强，整体束流损失显著增加。在这些设施中，束流损失主要集中在直线段，尽管这种集中程度并未显著超过第一代光源。对于单个光束线而言，Touschek效应的增强可以归因于束流横向和纵向发射度的降低，从而提高了束内库仑散射的概率。然而，要准确量化这种增强，需要考虑多种因素，包括非线性束流动力学、复杂的几何结构和磁场分布。因此，建立一个详细且真实的模拟框架对于评估Touschek效应在实际运行条件下的影响至关重要。

为了克服现有研究的局限性，本研究基于中国正在建设的合肥先进光源（HALF）中的代表性光束线BL09，开展了详细的模拟与分析。研究的目标是评估固体和气体制动辐射在第四代同步辐射光源光束线环境中的各自贡献，澄清使用简化模型时可能对固体制动辐射的低估问题，并实现一种更精确的评估方法，该方法整合了实际束流损失数据用于辐射屏蔽分析。本研究采用ELEGANT 2021.1.0软件对由Touschek效应引起的电子损失进行了真实模拟，并使用FLUKA 4.4.0软件对与真空相关散射过程产生的辐射进行了建模。此外，FLUKA还被用于系统分析所产生的辐射源。通过这些方法，本研究旨在为新一代同步辐射光源的精确辐射屏蔽设计提供理论基础。

合肥先进光源（HALF）作为第四代同步辐射光源，其设计参数体现了当前技术的最新发展。HALF运行在2.2 GeV的电子能量下，束流强度为350 mA，储存环周长为480米，束流寿命为1小时，注入效率为50%。储存环的真空腔采用圆形截面，内径为26毫米，外径为28毫米。整个储存环包含20个长直线段，这些直线段是束流损失的主要区域。因此，在进行辐射分析时，需要特别关注这些区域的特性。

为了分析不同机制产生的制动辐射对光束线站的影响，本研究在保守的运行条件下进行了模拟。这些条件代表了最不利的辐射暴露场景，包括储存环的满束流运行（350 mA）、6毫米插入装置间隙、安全快门和光子快门完全开启，以及狭缝开口设置为最大值。通过这些条件，研究者能够更准确地评估制动辐射对光束线站的影响。同时，为了更系统地分析这些辐射，本研究开发了一种定制的MGDRAW工具，用于模拟和分析不同机制产生的制动辐射在光束线站中的传播情况。

研究结果表明，固体和气体制动辐射都是光束线站中辐射水平的主要贡献者，各自表现出不同的空间和能谱特性。固体制动辐射主要来源于电子在储存环内的运动，特别是在直线段的散射过程中，其能量分布和角度分布呈现出一定的规律性。而气体制动辐射则主要与电子与残余气体的相互作用有关，其能量分布和角度分布则受到气体种类、密度和分布等因素的影响。通过比较三种模型在第一光学隔离装置上游壁面的辐射特性，研究者发现简化模型在估计固体制动辐射时存在显著偏差，这凸显了在第四代同步辐射光源光束线站的辐射模拟中，准确纳入电子损失信息的重要性，以实现可靠的辐射屏蔽评估。

此外，研究还评估了光学隔离装置周围的环境剂量当量分布，这些数据对于理解辐射在实验区域的传播路径和影响范围具有重要意义。环境剂量当量分布不仅反映了辐射源的强度和位置，还揭示了其在空间中的扩散情况。通过这些数据，研究者能够更全面地评估不同模型在实际运行条件下的适用性，并为未来的辐射屏蔽设计提供科学依据。

本研究的创新之处在于采用了耦合的ELEGANT-FLUKA模拟方法，这种方法能够更准确地模拟固体制动辐射的生成和传播过程。通过这种耦合方法，研究者不仅能够获得更精确的辐射数据，还能够更深入地理解不同机制之间的相互作用。这种方法在第四代同步辐射光源的辐射模拟中具有重要的应用价值，能够帮助设计者更有效地评估辐射水平，并制定相应的屏蔽措施。

在进行辐射模拟时，需要考虑多个因素，包括电子束流的运动轨迹、储存环的几何结构、磁场分布以及残余气体的种类和密度。这些因素共同影响了制动辐射的生成和传播。因此，建立一个综合的模拟框架，能够将这些因素整合在一起，对于准确评估辐射水平至关重要。通过这种方法，研究者能够更全面地了解不同机制对辐射的影响，并为未来的辐射屏蔽设计提供科学支持。

本研究的结论表明，在第四代同步辐射光源的光束线环境中，固体和气体制动辐射对辐射水平的贡献是不可忽视的。通过采用不同的模型进行分析，研究者发现简化模型在估计固体制动辐射时存在显著偏差，这提示在进行辐射模拟时，必须采用更精确的方法，以确保结果的可靠性。同时，本研究还发现，通过整合实际束流损失数据，可以更准确地评估不同机制对辐射的影响，并为未来的辐射屏蔽设计提供科学依据。

为了进一步提高研究的可信度，本研究还考虑了数据共享的问题。由于本研究未生成或分析任何数据集，因此数据共享不适用于本文。研究者表示，如果未来需要获取相关数据，可以随时联系他们。此外，研究者还声明，他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究成果。这些声明确保了研究的透明性和公正性。

在研究过程中，作者还使用了生成式人工智能（ChatGPT）来提高文章的可读性和语言表达。在使用该工具后，作者对内容进行了审阅和编辑，确保文章的质量。同时，作者强调，他们对文章内容负全责。这些信息表明，作者在撰写过程中充分利用了现代技术手段，以确保文章的科学性和准确性。

本研究的资助来自合肥先进光源预研项目，这为研究提供了必要的支持。通过这一项目，研究者能够获得先进的设备和资源，从而确保研究的顺利进行。此外，研究者还表达了对合肥光源（HLS）光束线组同事的感谢，他们提供了宝贵的技术支持，并对研究的改进做出了重要贡献。这些支持不仅提高了研究的效率，也增强了研究的深度和广度。

综上所述，本研究通过对合肥先进光源（HALF）代表性光束线BL09的详细模拟与分析，揭示了固体和气体制动辐射在第四代同步辐射光源光束线环境中的重要性。研究结果表明，简化模型在估计固体制动辐射时存在显著偏差，因此需要采用更精确的模拟方法，以确保辐射屏蔽设计的可靠性。通过整合实际束流损失数据，研究者能够更全面地评估不同机制对辐射的影响，并为未来的辐射屏蔽设计提供科学依据。这些发现不仅对同步辐射光源的设计和运行具有重要意义，也为相关领域的研究提供了新的思路和方法。