中子管屏蔽优化研究.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering60随着中子管技术的逐渐发展与突破，中子屏蔽也至关重要1-3。中子管是把离子源、加速系统、靶和气压调节系统全部真空密封在一支陶瓷管内，构成一支结构紧凑的真空器件中子管的工作原理主要为：吸氘热子在施加一定的电流时释放氘气，氘气在离子源的作用下产生的氘离子，经加速电压轰击在氚靶上，与靶中的氚发生核反应，释放 14MeV 快中子;经加速电压轰击在氘靶上，与靶中的氘发生核反应，释放 2.4MeV 快中子。当中子与人体发生作用时，它可以使造血器官衰竭、消化系统损伤、中枢神经损伤，还可以造成恶性肿瘤、白血病、白内障等，中子辐射还会产生遗传效应4。为保障工作人员不受中子辐照，需要对工作的中子管进行屏蔽。含硼聚乙烯是一种含有大量氢原子及硼原子的碳氢化合物，是目前最常用的中子屏蔽材料。含硼聚乙烯含氢量可达 7.921022原子/cm35,6，是一种很好的快中子慢化及热中子吸收材料。中子在物质中与氢核不断发生弹性碰撞而损失能量，最终慢化为热中子，热中子在物质中被硼原子吸收7。本文为研究含硼聚乙烯屏蔽快中子最佳厚度，采用蒙特卡洛方法 MCNP 软件8,9对不同厚度的含硼聚乙烯进行模拟分析，得到最佳含硼聚乙烯屏蔽厚度。通过实验分析最佳屏蔽厚度的含硼聚乙烯对中子管的屏蔽效果。1 含硼聚乙烯模拟分析1.1 模型建立建立如图 1 所示的模拟计算模型，模型由中子源、不同厚度的含硼聚乙烯构成。分别计算中子源经过不同厚度的含硼聚乙烯后中子计数。图 1 所示的每层含硼聚乙烯厚度为 1cm，分别计算 1-12cm、14cm、16cm、18cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm 厚 度下的含硼聚乙烯对快中子的屏蔽效果。采用 MNCP 软件自带的 F2 计数卡片，计算不同厚度含硼聚乙烯表面中子通量。1.2 模拟分析通过 MCNP 软件对不同厚度的含硼聚乙烯进行模拟计算分析得到如图 2 所示的计算结果。结果表明：随着含硼聚乙烯厚度的逐渐增加，屏蔽效果越来越好，当达到一定的屏蔽厚度时，继续增加含硼聚乙烯厚度对屏蔽效果贡献不大。当屏蔽厚度达到 30-40cm 时继续增加厚度，相对中子计数变化不大。综合屏蔽效果与经济性考虑，含硼聚乙烯厚度选为 30-40cm。为验证 30-40cm 厚的含硼聚乙烯屏蔽后的中子辐照危害，采用如下公式计算不同含硼聚乙烯厚度下的中子剂量当量。中子管屏蔽优化研究刘国财张培旭占勤*（中国原子能科学研究院 北京市 102413）摘要：本文为研究中子屏蔽效果，通过蒙特卡洛方法采用 MCNP 软件分析研究了含硼聚乙烯对快中子的屏蔽效果，优化了含硼聚乙烯的厚度，得到含硼聚乙烯屏蔽的最佳厚度为 30cm。并计算得到 30cm 厚的含硼聚乙烯外表面 2m 处的中子剂量当量为 0.022mSv/h。搭建以中子管为中子源，以 He-3 中子计数管为探测器，对 30cm 厚的含硼聚乙烯进行屏蔽实验。结果表明：正常工作的中子管经过 30cm 厚的含硼聚乙烯后中子计数几乎为 0，表明 30cm 厚的聚乙烯可以屏蔽正常工作的中子管产生的中子。关键词：中子屏蔽；MCNP；含硼聚乙烯；蒙特卡洛方法图 1：屏蔽计算模型电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering61 式中：H*(10)为中子周围剂量当量，i第 i 个能量区间的中子注量，H*(10)i/i为第 i 个区间的平均归一化为单位中子注量的中子周围的剂量当量（转换因子）10。计算结果如图 3 所示，结果表明 30cm 厚的含硼乙烯屏蔽后剂量当量为 3.7mSv/h，40cm 厚含硼聚乙烯为 2.3mSv/h。经计算中子在 2m 空气中衰减 164 倍。因此 30cm 厚的含硼聚乙烯经过屏蔽后再经过 2m 空气衰减，剂量当量能达到 0.022mSv/h，符合安全剂量标准为0.025mSv/h。图 2：不同厚度含硼聚乙烯屏蔽计数图 3：不同厚度含硼聚乙烯厚度屏蔽后剂量当量电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering622 含硼聚乙烯屏蔽实验2.1 实验准备为保证工作人员接受辐射剂量符合国家要求，对优化后的 30cm 厚的含硼聚乙烯进行中子屏蔽实验。该实验主要包含氘氘中子管、He-3 计数管 3、30cm 厚的含硼聚乙烯。其中氘氘中子管为产生快中子器件，He-3 计数管为测量中子计数的探测器，含硼聚乙烯为屏蔽中子的屏蔽材料。其中，3 个 He-3 管分别探测不同位置处的中子计数，如图 2b 所示，2 号 He-3 管为探测中子管内部未经屏蔽的中子计数，如图 5 所示 1 号和 3 号 He-3 管为测量经过含硼聚乙烯屏蔽后的中子计数。含硼聚乙烯总厚度为 30cm，由三块 10cm 的含硼聚乙烯板组成。分别在不同的中子产额下对内部的 He-3 管（2 号He-3 管）及外部的两个 He-3 管（1 号 He-3 管和 3 号He-3 管）进行计数分析。2.2 实验结果分析两次不同产额下的中子屏蔽实验结果如图 6 所示，图 4：屏蔽实验场地内部结构图 5：屏蔽实验场地外部结构图 6：两次屏蔽实验 He-3 计数管结果电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering63图 6 横坐标为时间纵坐标为相对中子计数。两次实验随着时间增加逐渐增加中子产额，且第二次实验中子产额要高于第一次实验中子产额，分别对两次实验过程中的He-3 管进行中子计数。通过两次不同中子产额下的中子屏蔽实验，He-3计数管计数结果表明：第一次实验屏蔽中 2 号 He-3 计数管随着时间逐渐增加表明中子产额逐渐增加，但是第一次实验屏蔽中 1号 He-3 计数管和 3 号 He-3 计数管相对中子计数几乎为0，结果表明 30cm 厚的含硼聚乙烯能完全屏蔽中子管在该产额下的中子。第二次实验屏蔽中 2 号 He-3 计数管随着时间逐渐增加表明中子产额逐渐增加，相比于第一次实验产额更高。第二次实验屏蔽中 1 号 He-3 计数管和 3 号 He-3计数管相对中子计数几乎为 0，更高产额下的中子源，30cm 厚的含硼聚乙烯仍能完全屏蔽。结果表明 30cm 厚的含硼聚乙烯能屏蔽正常工作中的中子管产生的中子。3 结论文章对不同厚度的含硼聚乙烯进行屏蔽优化分析，并对优化后的结果进行计算分析，最后采用实验方法对优化后的含硼聚乙烯进行屏蔽实验，得到以下结论：（1）采用 MCNP 软件计算得到含硼聚乙烯厚度越厚屏蔽效果越佳，但是屏蔽厚度超过 30cm 后屏蔽效果不明显。（2）综合屏蔽效果及经济性，含硼聚乙烯的最佳厚度为 30-40cm 之间。（3）中子经过 30cm 的含硼聚乙烯并在 2m 空气中衰减后剂量当量为 0.022mSv/h，符合安全剂量标准为0.025mSv/h，因此 30cm 厚含硼聚乙烯能正常屏蔽快中子。（4）实验表明，经过 30cm 厚的含硼聚乙烯屏蔽后的中子计数几乎为 0，验证了 30cm 厚含硼聚乙烯能屏蔽正常工作的中子管产生的中子。参考文献1 Marshall J H,Zumberge J F.On-line Measurements of Bulk Coal Using Prompt Gamma Neutron Activation AnalysisJ.Nucl.Geophys,1989,3(4):445.2 Khelifi R,Idiri Z,Omari L,et al.Prompt Gamma Neutron Activation Analysis of Bulk Concrete Samples with an Am-Be Neutron SourceJ.Applied Radiation and Isotopes,1999,51(9)-13.3 陈伯显,何景烨,刘建成.中子感生瞬发 射线煤多元素分析研究 J.核电子学与探测技术,1996,000(001):6-12.4 段志凯,郭万龙,刘建功.中子辐射生物效应研究进展 J.辐射防护通讯,2008,28(5):19-22.5 张丹枫,赵兰才主编.辐射防护技术与管理电离辐射防护技术与管理 M.第一卷.南宁:广西民族出版社,2003:856 Laurensf T.Subramaniam CK,Joanne DS,et al.Noncoro-nary applications of cardiac multi detector row computedtomographyJ.JACC Cardiovascular Imaging,2008,1(1)94-106.7 潘翔,林志凯,潘俊.峰 5%含硼聚乙烯屏蔽快中子的实验研究与分析 J.中国辐射卫生,2013,22(4).8 张磊,贾铭椿,龚军军.基于 MCNP 的快速计算 射线质量衰减系数的方法研究 J.海军工程大学学报,2018,10,30(5):106-111.9 http:/ GBZ/T 183-2006 电离辐射与防护常用量和单位.作者简介刘国财（1992-），男，天津市人。助理研究员。研究方向为氚技术及应用。张培旭（1982-），男，河北省辛集市人。大学本科学历，高级工程师。研究方向为核电子学。占勤（1983-）（通讯作者），男，湖北省人。研究员。研究方向为氢同位材料及应用。