D_T中子源快中子照相準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、D-T 中子源快中子照相準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)竇海峰唐 彬吳 洋（中國(guó)工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所 綿陽(yáng) 621900）摘要 減少散射中子對(duì)成像質(zhì)量的影響是快中子照相的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文采用 MCNP 程序完成了 D-T 中子源快中子照相準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)具有很好的中子散射屏蔽效果，能夠?qū)?shí)驗(yàn)室墻壁的散射中子數(shù) 量降低一個(gè)量級(jí)，大大減少了成像的對(duì)比度失真；同時(shí)，能夠增加約 20%的中子源強(qiáng)，提高了成像速度。 關(guān)鍵詞 快中子照相，散射中子，D-T 中子源，準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)中圖分類號(hào) TL99快中子照相(FNR)具有很高的穿透能力，可用于檢測(cè)復(fù)合材料中輕、重元素的分布，也可用于大 鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2、的缺陷檢查、航空器件的銹蝕檢測(cè)、 考古文物的分析以及爆炸物的檢查等。由于快中子 能輕易穿透高 Z 材料與內(nèi)部的低 Z 材料反應(yīng)，美國(guó) 核安全部(NNSA)把 FNR 列為評(píng)價(jià)核武庫(kù)安全的重要手段1,2。快中子散射(包括樣品散射和環(huán)境散射)是影響 快中子成像質(zhì)量的主要因素3 。由于實(shí)驗(yàn)所用的 D-T 中子源近似為各向同性分布源，大量的源中子 會(huì)經(jīng)過與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)裝置及實(shí)驗(yàn)室墻壁的散射到達(dá)轉(zhuǎn) 換屏，這部分散射中子對(duì)快中子照相的結(jié)果影響很大。本文主要采用蒙特卡洛方法分析了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境對(duì)快中子的散射46，初步完成了快中子照相屏蔽裝 置設(shè)計(jì)。1FNR 散射分析設(shè)為 20 cm×12 cm 的圓柱狀

3、238U 樣品，實(shí)驗(yàn) 室空間為 16 m×16 m×3.5 m，墻壁混凝土密度為 2.3 t/m3，靶點(diǎn)位于實(shí)驗(yàn)室平面中心，距地面 1.5 m，距 屋頂 2 m；源物距 2 m，物屏距 1 m。起始中子數(shù)為6.8×1010 n·s1·sr1，對(duì)有、無(wú)實(shí)驗(yàn)室墻壁進(jìn)行模擬分 析，所得屏中心點(diǎn)各能區(qū)中子的歸一化計(jì)數(shù)見表 1。表 1 有、無(wú)實(shí)驗(yàn)室墻壁時(shí)相對(duì)中子計(jì)數(shù)比較Table 1 Comparison of neutron number with or without the wall of the lab.能區(qū) Energies /MeV00.10

4、.111223344556674.93×1071.95×109783.72×1096.39×10101.79×1072.34×108894.34×1092.69×10109.05×1086.98×1099105.36×1091.96×10107.04×1083.28×10910111.03×1081.03×10103.79×1082.21×10911121.94×1081.81×1092.53&#

5、215;1081.29×10912132.1×1082.33×1092.69×1081.22×10913141.18×1071.14×1071.34×1081.15×109Total1.12×1061.62×107有墻壁 With wall無(wú)墻壁 No wall能區(qū) Energies /MeV有墻壁 With wall無(wú)墻壁 No wall由 MCNP 程序7模擬分析，一個(gè)源中子透射樣品的概率(相對(duì)中子計(jì)數(shù))為 5.09×108。表 1 結(jié)果表 明，實(shí)驗(yàn)室墻壁的散射可使到達(dá)屏

6、位置的中子計(jì)數(shù) 提高將近一個(gè)量級(jí)；實(shí)驗(yàn)室墻壁散射中子經(jīng)過多次 散射，有約 1/2 處于 1 MeV 以下，可通過合適的介 質(zhì)進(jìn)行吸收。為降低環(huán)境散射對(duì)快中子成像的影響，須有快 中子屏蔽裝置：在加速器靶點(diǎn)位置加準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)，中國(guó)工程物理研究院科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金(2008B0103002)資助減小中子源向?qū)嶒?yàn)室空間的輻射；在成像系統(tǒng)處加成像裝置屏蔽系統(tǒng)，降低散射中子到達(dá)成像屏位置 的數(shù)量(圖 1)。2準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)FNR 準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)的功能，一是提高樣品位置 中子注量率；二是對(duì)中子束準(zhǔn)直；三是降低散射中第一作者：竇海峰，男，1979 年出生，助理研究員，2005 年于中國(guó)工程物理研究院獲碩士學(xué)位，

7、從事反應(yīng)堆物理及核技術(shù)應(yīng)用收稿日期：2010-04-15，修回日期：2010-07-25第 10 期竇海峰等：D-T 中子源快中子照相準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)755子對(duì)成像質(zhì)量的影響，即散射中子盡可能低，也能降低環(huán)境劑量水平。在熱中子能區(qū)，熱中子準(zhǔn)直器 內(nèi)層材料就可很好吸收準(zhǔn)直角之外的熱中子而有良 好的準(zhǔn)直效果。然而，14 MeV 中子與物質(zhì)主要發(fā) 生散射反應(yīng)，吸收截面非常低。因此，快中子準(zhǔn)直 屏蔽裝置內(nèi)層須為快中子的反射層，以提高中子源 強(qiáng)(現(xiàn)有加速器產(chǎn)額一般均較低，僅 1010 n/sec/sr，快 中子照相的信噪比低，這是目前快中子照相的技術(shù) 難點(diǎn)之一8)。反應(yīng)截面較小，無(wú)毒，價(jià)格低廉，且易于加

8、工。第二層材料選澤含硼聚乙烯作為慢化材料，也能吸收 部分中子。第三層材料選擇碳化硼。最后一層材料 是鉛板(或者鉛橡膠)，屏蔽中子產(chǎn)生的次級(jí) 射線。圖 2 不同材料反射層反射中子能譜Fig.2 Neutron energy spectra of different materials as a neutron reflector.圖 1 FNR 屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematics of the shielding system for FNR.準(zhǔn)直屏蔽裝置分為四層(圖 1)，第一層為反射效 果較好(散射截面較大、吸收截面較小、散射后中子 能量變化較小)的材料；第二層為慢化快中子能

9、力較 強(qiáng)的材料，慢化穿透第一層的中子；第三層材料主 要吸收經(jīng)過充分慢化、能量較低的中子；最后一層 材料為 Pb，屏蔽前三層的中子核反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí) 射線。2.1材料選擇用 MCNP 程序模擬了鈹、硼、銅、鈾、鐵、鎢、 鉛、石墨等材料對(duì)中子的反射效率，計(jì)算限定中子 穿透率均為 5%，對(duì)應(yīng)的材料厚度分別為 4.636、16.66、44.075、17.8、17.27、18.93、25.63、17.6 cm。 計(jì)算采用 14 MeV 各向同性分布源。各種材料層的 反射中子能譜見圖 2。在 1314 MeV 能區(qū)，反射中 子相對(duì)份額較高的材料依次是石墨、鐵、硼和銅。 其中，鐵和銅的反射中子能量在 1 Me

10、V 之內(nèi)的份額 較高，而石墨和硼反射層的反射中子在 513 MeV 能量區(qū)間的份額較高。圖 3 為穿透過來(lái)的中子能譜。穿透重金屬反射 層的中子主要處于 12 MeV，快中子慢化效果好。 第一層材料穿透過來(lái)的中子分布在 2 MeV 以下份 額較高的依次是鎢、鈾、銅和鐵，穿透中子能譜相 對(duì)偏軟，有利于后層材料的進(jìn)一步慢化吸收。綜合考慮，選擇鐵作為準(zhǔn)直器第一層材料。鐵 產(chǎn)生 1314 MeV 反射中子數(shù)量較高，非彈性散射中 子能量主要在 2 MeV 以下，便于慢化吸收。其(n,)圖 3 穿透各種材料的中子分布能譜Fig.3 Energy spectra of neutrons penetrating

11、 different materials.2.2結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)2.2.1鐵反射層長(zhǎng)度 在理論上，源物距增加可提高準(zhǔn)直比，成像效果好，但由于目前源產(chǎn)額及成像設(shè)備的性能局限性， 在 D-T 加速器上的試驗(yàn)表明5，增加源物距并未獲 得更好的圖像。本文的源物距為 50 cm(對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)目 標(biāo)視場(chǎng)直徑 30 cm 的裝置空間角為 10.2º)。在準(zhǔn)直角范圍內(nèi)到達(dá)樣品處的中子數(shù)與無(wú)反射層時(shí)到達(dá)樣品處的中子數(shù)的比值，稱為中子增益。 由圖 4，準(zhǔn)直角 2.58°的 14 MeV 快中子增益最大； 其次是 2.58°5.14°準(zhǔn)直角的 14 MeV 快中子增益， 為 15%2

12、1%；而 5.14°10.2°準(zhǔn)直角的 14 MeV 快 中子增益均<5%，說明散射中子的向前份額較大， 且 5.14°之外的增益較小，則準(zhǔn)直角5.14°即可。756核技術(shù)第 33 卷圖 4 反射層對(duì) 14 MeV(a)及 514 MeV(b)中子增益Fig.4 The gain factor of 14 MeV (a) and 514 MeV neutrons (b) vs length of the Fe reflector.圖 4 中，準(zhǔn)直長(zhǎng)度<30 cm 時(shí)，準(zhǔn)直角2.58°和2.58°5.14°準(zhǔn)直角的

13、 14 MeV 快中子增益隨準(zhǔn)直長(zhǎng) 度增加，而 5.14°10.2°準(zhǔn)直角的 14 MeV 快中子增 益隨準(zhǔn)直長(zhǎng)度增加而減??；準(zhǔn)直長(zhǎng)度達(dá) 30 cm 后， 快中子增益均趨平緩。因此，鐵反射層長(zhǎng)度為 30 cm。對(duì)絕大多數(shù)材料，共振區(qū)能量上限都低于 5MeV，能量為 5 MeV 以上的快中子與物質(zhì)反應(yīng)截面 變化不大，對(duì)中子穿透能力影響較小。而且能量較 低的中子反應(yīng)截面較高，F(xiàn)NR 圖像對(duì)比度較好。所 以實(shí)驗(yàn)時(shí) D-T 快中子源中帶有反射層，以便獲得的 圖像將會(huì)更清晰。裝置出口中子出射角分布情況見圖 5。以準(zhǔn)直 出射方向?yàn)閰⒖挤较?，與準(zhǔn)直方向越接近的單位弧 度空間角內(nèi)中子注量率

14、越高，說明準(zhǔn)直效果較理想。2.2.2 鐵反射層厚度鐵反射層長(zhǎng)度為 30 cm，不同厚度反射層、不 同角度范圍內(nèi) 14 MeV 中子數(shù)、單位立體角內(nèi) 14MeV 中子數(shù)見圖 6，其中，A 后數(shù)字為反射層厚度(cm)。散射到準(zhǔn)直器出口的 14 MeV 中子數(shù)隨反射 層厚度增加，但準(zhǔn)直角在 10.2°內(nèi)的散射中子份額變 化很小。故散射層厚度對(duì)反射中子數(shù)量的影響較小。圖 5 鐵反射層出口單位弧度內(nèi)中子數(shù)分布Fig.5 Neutron distribution in unit solid angle at exit of the Fe reflector.圖 6 不同角度范圍內(nèi)(a)和單位立體

15、角內(nèi)(b)的 14 MeV 中子數(shù)，A 后數(shù)字為反射層厚度(cm)Fig.6 14 MeV neutron number in the different solid angles (a) and in unit solid angle (b).Reflectors of different thicknesses (e.g. A5 represents 5 cm) were simulated.第 10 期竇海峰等：D-T 中子源快中子照相準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)757考慮整個(gè)裝置其余各層的慢化、屏蔽所作的進(jìn)一步分析如圖 7 所示，其中 E 后數(shù)字表示該段能區(qū) 能量上限(MeV)，第一項(xiàng)圖例“EE”

16、表示能量上限 為 0.05 eV。隨著反射層厚度增加，14 MeV 中子數(shù) 量劇減，反射層厚度達(dá) 25 cm 時(shí)趨于平緩，穿透中 子數(shù)相對(duì)值約為 6.6；反射層厚度再增加，穿透反 射層的總中子數(shù)劇減，能量小于 2 MeV 的中子占全 部穿透中子的 85%左右。故鐵反射層厚度為 25 cm。2.2.3含硼聚乙烯慢化層厚度 準(zhǔn)直器鐵反射層厚度為 25 cm，在不同厚度的含硼聚乙烯慢化層下，穿透中子分布的模擬結(jié)果見 表 2 及圖 8。經(jīng)鐵材料非彈性散射后，中子能量降 至 2 MeV 以下，它們?cè)诤鹁垡蚁﹥?nèi)進(jìn)一步慢化。 隨著含硼聚乙烯慢化層厚度的增加，各能區(qū)的中子 數(shù)減小，低能區(qū)中子因與硼核吸收而數(shù)

17、量減小趨勢(shì) 較大。根據(jù)慢化層慢化模擬效果，慢化層厚度為 25 cm。圖 7不同厚度鐵反射層的穿透中子的相對(duì)通量，E 后數(shù)字表示該段能區(qū)能量上限(MeV)The flux of 14 MeV neutrons penetrating Fe reflector ofFig.7different thicknesses. The number after E represents the uplimit (in MeV) of the energy region, and EE=0.05 MeV.表 2 不同厚度含硼聚乙烯慢化層的穿透中子分布Table 2 Distribution of the n

18、eutrons penetrating boracic polyethylene moderator of different thicknesses.51015202530354045厚度 Thickness/cm3.71×1034.61×1028.052.10×1031.03×10220.31.19×1034.14×10328.96.81×1042.24×10330.43.89×1041.33×10329.22.20×1048.07×10427.31.25×10

19、44.92×10425.57.15×1052.98×10424.04.08×1051.82×10422.514 MeV總量 Total份額 Ratio /%2.2.4碳化硼吸收層厚度準(zhǔn)直器鐵反射層厚度和含硼聚乙烯慢化層厚度 均為 25 cm，模擬分析穿透中子的分布隨碳化硼吸 收層厚度變化(表 3)。表 3 不同厚度碳化硼屏蔽效果Table 3 Shielding effect of B4C of different thicknesses.能區(qū)吸收截面低于低能區(qū)吸收截面。B4C 厚度每增加 5 cm，相對(duì)中子計(jì)數(shù)減少約 1/2。若準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)須

20、將實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的中子數(shù)降低 5 個(gè)量級(jí)，B4C厚度應(yīng)為 30 cm。厚度 Thickness /cm14 MeV總量 Total3.22×1041.49×1046.85×1053.09×1051.40×1056.24×1062.74×1061.17×1061.26×1037.54×1044.41×1042.49×1041.37×1047.38×1053.92×1052.06×105510152025303540圖 8 穿透中子比較(第一

21、、二層效果)Fig.8 The neutron penetration from the Fe or FeCH2reflector and the moderator of boron-containing polyethylene.由表 3，隨著 B4C 厚度的增加，各能區(qū)的穿透中子數(shù)減小，14 MeV 中子數(shù)減小趨勢(shì)較大，而高758核技術(shù)第 33 卷約比前面來(lái)的中子數(shù)低兩個(gè)量級(jí)，故背面屏蔽層的厚度可低于其他方向的屏蔽層。圖 9 給出了該 FNR 屏蔽裝置起作用后中子轉(zhuǎn)換屏位置的中子能量分布 情況，并與有墻與無(wú)墻時(shí)的該位置中子能量分布作 了比較。表 5 則給出了這三種條件下的中子計(jì)數(shù)。2.3

22、準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)效果在該準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)出口處，在準(zhǔn)直角為 2.58° 的中子源強(qiáng)分布如表 4 所示。14 MeV 中子源強(qiáng)比 無(wú)準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)時(shí)增加約 20%，如計(jì)入 514 MeV 能區(qū)的中子，則增益效果更為明顯。表 4 有、無(wú)準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)源強(qiáng)比較Table 4 Neutron source intensity (in 104) with or without shielding collimator system.準(zhǔn)直屏蔽 Collimator1314MeV514 MeV014 MeV有 Yes無(wú) No6.0745.0496.2497.3323成像裝置屏蔽系統(tǒng)準(zhǔn)直屏蔽裝置的外圍中子強(qiáng)度雖

23、能降低 5 個(gè)量級(jí)，但實(shí)驗(yàn)樣品也會(huì)將快中子強(qiáng)度降低 4 個(gè)量級(jí)， 加上準(zhǔn)直角對(duì)源強(qiáng)的減弱效果，實(shí)驗(yàn)室散射對(duì)快中 子成像的影響依然很大。增設(shè)成像裝置屏蔽，方可 降低實(shí)驗(yàn)室墻壁散射對(duì)成像質(zhì)量的影響。在環(huán)境散射分析中，由轉(zhuǎn)換屏背面來(lái)的中子數(shù)圖 9 實(shí)驗(yàn)室墻壁及屏蔽裝置對(duì) FNR 散射中子的影響Fig.9 Effect of the walls and shielding system on flux of the scattered neutrons.表 5 三種實(shí)驗(yàn)條件下中子計(jì)數(shù)比較Table 5 Comparison of neutron number in three experimental

24、 condition.模擬情況 Simulation conditions有墻壁 With walls無(wú)墻壁 No wall有屏蔽裝置 With shielding1.12×1065.09×1081.07×1061.62×1075.09×1081.11×1073.09×1075.09×1082.58×107中子總計(jì)數(shù) Total neutrons透射中子計(jì)數(shù) Penetrated neutrons散射中子計(jì)數(shù) Scattered neutrons在無(wú)墻情況下，經(jīng)樣品散射到達(dá)屏位置的相對(duì)中子計(jì)數(shù)為 1.11

25、×107，有墻壁散射時(shí)，相對(duì)散射中 子計(jì)數(shù)達(dá)到 1.07×106，上升一個(gè)量級(jí)，安裝屏蔽裝 置后相對(duì)散射中子計(jì)數(shù)下降約 4 倍(2.58×107)，此 時(shí)，經(jīng)屏蔽裝置到達(dá)轉(zhuǎn)換屏位置的環(huán)境散射中子的 相對(duì)計(jì)數(shù)約為 1.47×107，基本與樣品自身散射數(shù)量 相當(dāng)，環(huán)境散射對(duì) FNR 成像質(zhì)量的影響大為降低。4中子源場(chǎng)分布及劑量分析經(jīng)上述準(zhǔn)直屏蔽及成像裝置屏蔽，源物距分別 為 1 m(視場(chǎng) 20 cm)和 2 m(視場(chǎng) 40 cm)的 FNR 視場(chǎng) 內(nèi)中子源強(qiáng)分布見圖 10。成像視場(chǎng)內(nèi)中子分布較均 勻，滿足 FNR 對(duì)源中子分布的要求。模擬計(jì)算表明， 無(wú)準(zhǔn)直屏

26、蔽系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室墻外側(cè)及中子源準(zhǔn)直方向 實(shí)驗(yàn)室外側(cè)中子和光子輻射劑量水平分別為 26.70 和 225.9 Sv/h；準(zhǔn)直屏蔽后分別為 5.39×103 和0.336 Sv/hr，均低于個(gè)人輻照劑量限值 2.5 Sv/h。圖 10視場(chǎng)內(nèi)中子源強(qiáng)分布Fig.10Distribution of incident neutrons intensity in the eye shot.5結(jié)論為降低環(huán)境散射對(duì)成像質(zhì)量的影響，并降低實(shí) 驗(yàn)人員的輻射劑量水平，本文設(shè)計(jì)了 FNR 準(zhǔn)直屏蔽 系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)能降低實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的散射水平，使其 基本達(dá)到與樣品自身散射中子數(shù)量相當(dāng)?shù)某潭龋档?10 期竇海峰等：

27、D-T 中子源快中子照相準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)759低了 CCD 暗電流，提高了成像質(zhì)量；該準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)能夠提升樣品位置 14 MeV 中子強(qiáng)度約 20%， 提高了 FNR 成像速度；采用該設(shè)計(jì)，成像視場(chǎng)內(nèi)中 子源分布均勻，滿足照相要求。為進(jìn)一步降低實(shí)驗(yàn)室散射中子水平，可考慮如 下措施：(1) 實(shí)驗(yàn)環(huán)境無(wú)大面積散射物體，減少環(huán)境散 射，如把實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)立在空曠地方；(2) 選擇產(chǎn)額高、準(zhǔn)直性良好的快中子源，可 同時(shí)解決環(huán)境散射和中子源準(zhǔn)直問題；(3) 相當(dāng)部分的散射中子能量低于 1 MeV，設(shè) 計(jì)具有閾值的快中子轉(zhuǎn)換屏，能減少樣品散射對(duì)成 像質(zhì)量的影響。參考文獻(xiàn)3Ambrosi R M, Watter

28、son J I W, Kala B R K. Nucl InstrMeth Phys Res B, 1998, 139: 286292Frank Dietrich, James Hall, Clint Logan. AIP Conf Proc,1997, 392: 837840Rahmanian H, Ambrosi R M, WattersonJ I W. Nucl InstrMeth Phys Res A, 2002, 477: 378382Matsubayashi Masahito, Hibiki Takashi, KaichiroMishima, et al. Nucl Instr M

29、eth Phys Res A, 2004, 533:481490Briesmeister J F. MCNP A General Monte Carlo N-Particle Transport Code: LA-12625-MR. USA: LANL, 1997唐 彬, 周長(zhǎng)庚, 霍和勇, 等. 中國(guó)科學(xué)(G 輯: 物理學(xué)、力學(xué)、天文學(xué)), 2009, (8): 13301336TANG Bin, ZHOU Changgen, HUO Heyong, et al. Science in China Series G: Physics, Mechanics & Astronomy, 2009, (8): 13301336456781Kim