MONTE CARLO CALCULATIONS OF PHOTON AND NEUTRON DOSESAROUND SPRING-8 ELECTRON BEAM DUMPS
Nobuteru Nariyama
Japan Synchrotron Radiation Research Institute1-1-1 Kouto, Sayo, Hyogo, 679-5198

Abstract
Photon and neutron doses around the L2 and L3 electron beam dumps in SPring-8 were calculated with a Monte
Carlo code FLUKA. In the calculations, 1-GeV electrons were incident to each dump. For the L2 dump, the doses at theexit of the penetration holes for Synchrotron and L3BT were the critical points to set the additional shields when thesafety interlock system was updated. The results were compared with the experimental values, and neutrons from the L2dump were found to contribute by 20% and 33% to the neutron doses at the exit of the holes in Synchrotron and L3BT,
respectively. For the photon doses, other loss points were dominant sources.

SPring-8 電子ビームダンプ周りの光子および中性子線量モンテカルロ解析
L2 ダンプは電子源から 1GeV に加速された電子が 直 に 入 射 さ れ る ダ ン プ で あ る 。 91cmφ の 鉄 に
SPring-8 では 2010 年 10 月より、加速器安全イン 29.5cmφの孔が開いている(Fig.2 左)。Fig.1 の Li 内
ターロックシステムが「運転モード管理」から「エ の赤四角の位置にあり、入射部から約 150m 離れてリア管理」に移行された [1]。これは、全エリアをリ いる。シンクロトロン、L3BT、ニュースバルに輸ニアック(Li)、シンクロトロン(Sy)、蓄積リング(SR)、 送される電子はこの手前で左右に分岐され、その分L3、ニュースバル(NS)の５つに区分し(Fig.1)、エリ 岐線が Li と Sy 及び L3 エリア境界のコンクリート
ア毎に独立して RF、電子入射の許可を出すことに 遮蔽体を貫く孔の出口を基準値以下に抑える必要が特色がある。したがって、従来は運転中、人が立ち あった。孔の直径は、シンクロトロン側で 25cm、入れなかったエリア、たとえば、線形加速器のみが L3 側で 30cm と 50cm の２段ダクトである。計算で運転中の場合、シンクロトロンや L3 ビームトラン は、線形加速器中流から最下流のその貫通孔までのスポート内に人が立ち入れるようにする必要が生じ 線量分布を求めた。

1.

はじめにた。線量が基準値を超えていれば、追加遮蔽を施す必要が生じ、その設計のためには加速器内の線源強度分布が必要となる。そこで、2009 年 7 月から 12月にかけて、L2 および L3 ダンプ入射時の加速器収納部内の線量分布測定を実施したところ、貫通孔出口２カ所においてγ線線量が、１ヶ所において中性子線量が基準値を超えることが明らかになった。そこで、線量分布の測定値に基づき、局所遮蔽を施した [2]。線量分布は、複数箇所でのロスの重ね合わせになっており、正確にシミュレーションできるダンプ部からの寄与がわかれば、他からの成分、たとえばシケイン等からの寄与もおよそ推測することが可能になる。そこで、今回、L2 および L3 ダンプに加速電子が入射したときの周辺の光子および中性子線量分布を、モンテカルロコードを用いて計算した。
実験値との比較とあわせて報告する。

2.

計算方法

計算には光核反応による中性子発生を取り扱えるFLUKA コード(Ver. 2011.2.11)を用いた[3]。Flair(Ver.
0.9-7)ユーザーインターフェイス [4] 上において入力データを作成し、計算実行と結果の出力を行った。
OS は Fedora16(64 ビット)である。Intel Xeon の４コアを用いた並列計算を実施し、γ 線および中性子線量当量を各々計算した。

Fig.1: Five areas defined in the updated safety interlock
system: linac, synchrotron, storage ring, L3BT and New
SUBARU. The red squares denote L2 and L3 dumps.
L3 ダンプは、L3 ビームトランスポート(BT)内の終端に位置し（Fig.1）、水平から下 30 度方向に向けた床下にある(Fig.2 右)。厚さ 45cm の鉄で囲まれている。計算では、1GeV 電子ダンプ入射時の、ダンプ付近の室内から最下流出口までの線量を計算した。
測定時は 1GeV、10pps、40ns で運転され、L2 ダン プ へ の 電 子 数 が 3.35×1015 個 、 L3 ダ ン プ へ は1.75×1015 個であった[2]。これは１週間に許可された量の各々1/17、1/2.1 である。

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良く一致したが、γ線は他のロスによるものと結論づけられる。

Fig.2: L2 (left) and L3 (right) dumps.

3.

結果、考察

3.1

L2 ダンプ貫通孔

L2 ダンプ付近の光子および中性子線量分布の計算結果を Fig.3 に示す。床から 140cm のビーム高さの値で、単位は 10-12Sv/electron である。光子は前方性がかなり強く、同時にダンプの開口から上流方向にも指向性をもって放出されていることがわかる。
一方、中性子の方はもっと等方に近い分布をしている。計算値は、シンクロトロン貫通孔出口で 40Sv、
L3 貫通孔出口で 11Sv であった。ほぼ中性子の寄与による。同図ではγ線が L3 側に出ているように見えるが、モンテカルロ法であるので乱数によりた
またまカウントされたもので統計誤差の範囲内に入るほど弱い。
測定値はシンクロトロン貫通孔出口でγ線が1150Sv、中性子が 200Sv、L3 貫通孔出口でγ線
がSv、中性子が 33Sv であった。レムカウン
ターの測定値は 2～3Sv とずっと小さく、これはスペースの関係上、孔から少し離れた場所に設置した Fig.3: Photon (upper) and neutron (bottom) dose
dump.
ためと考えられる。上記の値を示したバブル検出器 distributions at the beam height around L2 beam
Theunitsofthedoseandthepositions
arepSv/eandcm.
は、孔出口近傍に設置した。Sy、L3 各々の中性子に関しては、ダンプからの寄与にプラスして、シケイン等における電子ロスからの高エネルギーＸ線による発生中性子が影響したと考えられる。光子線量も測定値の方がずっと高く、これも 30m 手前にあるシケイン付近のγ線量が高いことから、その寄与によると判断できる。シンクロトロン側はγ線、中性子とも基準値を越えていたため、貫通孔手前に鉛16cm とポリエチレン 10cm、貫通孔上にポリエチレ
ン 10cm の局所遮蔽をそれぞれ設置した。設置後の線量は、γ線が 65Sv、中性子が 14Sv まで減少した(定格換算)。これは運転状態により多少、変動する。
ダ ン プ 横 の シ ン ク ロ ト ロ ン 内 の 壁 で 中 性 子 が Fig.4: Calculated photon and neutron fluence emitted
13Sv ほどある(Fig.3)。レムカウンターによる実測 from iron to air. The X-axis denotes the energy (GeV) and
値も 2.4Sv であった。
Y-axis shows the fluence (particles/cm2).
線形加速器内部では、ダンプ真横のシンクロトロン側壁でγ線が 1.1mSv、中性子が 57mSv となった。
Fig.4 にダンプ鉄から空気中に放出される光子と一方、測定値はγ線が 36mSv、中性子が 48mSv で 中性子のスペクトル計算結果を示す。光子は、制動あ る 。 貫 通 孔 入 口 で は 、 計 算 は Sy 側 が γ 線 放射線の典型的なスペクトルであり、中性子は光核0.70mSv、中性子 14mSv あり、L3 側がγ線 0.39mSv、 反応による発生中性子から減速されたスペクトルで中性子 16mSv であった。一方、測定値は Sy 側がγ ある。数十 keV 付近に見える上下ピークは、鉄の断線 26mSv 、 中 性 子 17mSv で あ り 、 L3 側 が γ 線 面積の構造に対応したものである。
10mSv、中性子 42mSv であった。中性子は測定値と- 806 -3.2

L2 ダンプ手前

Fig.5 に線形加速器下流部全域の光子および中性子線量分布を示す。光子の場合、ほとんどダンプから上流方向へ指向性をもって放出され、脇に外れ迷路付近に来る場合は少ないことがわかる。一方、中性子はダンプ付近の減衰が若干大きいこと、脇にもかなり飛んで来ることが特徴である。光子、中性子とも構造支持用の２本の柱が、偶然、一定の遮蔽の役割を発揮している。計算値は、X=-50m, Y=-4m の位置でγ線が 10Sv、中性子が 34Sv であった。一方、測定値はγ線が 1100Sv、中性子が 800Sv とずっと高いため、これはダンプからの寄与ではないと判断される。X=-50m, Y=-15m（扉前）位置の計算
値は十分低く、測定値もγ線が 40Sv であった。
これらの線量は、それより上流部の例えばシケインでのロスによるものと考えられる。
Fig.5 の高さ方向の積分範囲は Fig.3 の 24cm（貫通孔の径に対応）に比べて 120cm と広いため、統計誤差が小さくなっており、ダンプ真横のシンクロトロン側にて粒子がカウントされている。しかし、線量値としては十分小さい。

ンプ開口方向の斜め上上流方向と真上へ強く放出されており、中性子はトンネルの前後にも良く散乱されている。ダンプの真上に厚さ 5cm の鉄板が置かれており、これが局所的な遮蔽体としてγ線、中性子の線量分布に影響を与えている。天井部では中性子の方が線量が高く、天井部内側でγ線が 0.28mSv、中性子が 15mSv あり、外側は無視できる量であった。サーベイメータによる測定値も、外側でγ線0.7Sv/h に対し、中性子は 1.54Sv/h あった。

Fig.6: Elevation views of the photon (upper) and neutron(bottom) dose distributions around L3 dump.

Fig.5: Photon (upper) and neutron (bottom) dose
distributions at the beam height in the linac tunnel.

3.3

L3 ダンプ周り

L3 ダンプ付近の光子および中性子線量分布をFig.6 に示す。立面図である。光子、中性子ともダ平面分布図を Fig.7 に示す。高さ方向の積分範囲により、最大値の位置は必ずしもダンプ位置と一致していない。ダンプ真横の側壁内側では、γ線が0.33mSv、中性子が 8.5mSv であった。一方、測定値
は、γ線が 35mSv、中性子が 1.3mSv である。中性子はダンプからの寄与が有意にあったと考えられる
が、γ線はダンプからではなく、上流からのロスによると考えられる。ビームライン延長上の壁上で、γ線が 2.1Sv、中性子が 19Sv である。これは測定値であるγ線 1.5mSv、中性子が測定限界(100Sv)以下と比べると、γ線量がかなり低い。ダンプからの放射線ではなく、上流でのロスによるγ線と思われる。

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[2] N. Nariyama, S. Suzuki, Y. Tsuduki, and M. Ohkita,
SPring-8 Document A 2010-003 (2010).
[3] A. Ferrari, P.R. Sala, A. Fassò, and J. Ranft, "FLUKA: amulti-particle transport code" CERN-2005-10 (2005),
INFN/TC_05/11, SLAC-R-773.
[4] V.Vlachoudis, "FLAIR: A Powerful But User Friendly
Graphical Interface For FLUKA" Proc. Int. Conf. on
Mathematics, Computational Methods & Reactor Physics,
Saratoga Springs, New York, 2009.

Fig.7: Plans of the photon (upper) and neutron (bottom)
dose distributions at the beam height in the downstream ofL3 dump.

4.

まとめ

モンテカルロ計算コードを用いて、1GeV 電子のL2 および L3 ダンプ入射時のγ線および中性子線量分布を計算した。L2 ダンプからの中性子は貫通孔出口の線量に有意に影響していることが示された。
これは、ダンプ周りの中性子線量分布測定値から予測されていたことが確認されたことになり、設置したポリエチレン遮蔽が一定の役割を担っていることの裏付けとなった。しかし他の場所ではシケイン等からの寄与が大きいことが確かめられた。L3BT についても、γ線量については、ダンプからの寄与よりは、スリットや偏向電磁石等でのロスによる寄与の方が大きい。こうした線源は、運転状態により線量がかなり左右されるため、今回のように複数回、実測して線源の特性を押さえておくことが遮蔽追加に有効であった。

参考文献[1] C. Saji, et al., “Upgrade of accelerator radiation safetysystem for SPring-8 (2)”, Proceedings of the 8th AnnualMeeting of Particle Accelerator Society of Japan, Tsukuba,Aug. 1-3, 2011.

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