不同材料的中性透射性能研究

不同材料的中性透射性能研究

在設(shè)計(jì)裝飾、輻射裝置和輻射場(chǎng)所時(shí)，不僅要考慮保護(hù)涂層材料對(duì)輻射的影響，還要考慮涂層材料的體積、重量、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和總成本等。對(duì)于固定式的屏蔽裝置,成本是需考慮的重要因素之一。對(duì)于移動(dòng)式射線(xiàn)檢測(cè)裝置、中子源裝置或空間有限的核設(shè)施等場(chǎng)所,以最少的材料重量和最小的占用空間達(dá)到屏蔽效果的最大化,是防護(hù)設(shè)計(jì)的基本要求。中子的屏蔽防護(hù),常采用混凝土、石蠟和金屬等作為主體材料,并經(jīng)常在主體材料中加入中子慢化吸收劑等功能添加劑。一些常用屏蔽材料對(duì)中子的慢化吸收研究已有很多報(bào)道本文采用蒙特卡羅粒子輸運(yùn)計(jì)算程序MCNP,對(duì)厚度1–40cm的多種主體材料和功能添加劑,從熱中子到20MeV系列能量的中子進(jìn)行系統(tǒng)的透射模擬計(jì)算,獲得不同厚度、不同材料和不同能量中子的大量透射數(shù)據(jù),由這些數(shù)據(jù)可預(yù)測(cè)或比較所采用的材料對(duì)不同能量中子的屏蔽效果,為屏蔽體的設(shè)計(jì)和屏蔽材料的選用提供參考。1計(jì)算方法1.1mcmp程序MCNP1.2入射子預(yù)測(cè)模型及劑量用量透射系數(shù)本文用MCNP程序?qū)θ肷渲凶拥哪芰?、位置以及方向進(jìn)行抽樣,以模擬具有一定能量的平行中子束垂直入射靶材料的物理過(guò)程。將與屏蔽材料入射面相對(duì)的面定為透射面,計(jì)算模型見(jiàn)圖1。對(duì)入射中子實(shí)施跟蹤之后,分別記錄穿過(guò)透射面的中子數(shù)。透射中子的粒子注量除以入射中子的粒子注量為注量透射系數(shù)。將粒子注量換算為劑量或劑量當(dāng)量即可得到劑量透射系數(shù)或劑量當(dāng)量透射系數(shù),用式(1)–(3)表示。本文結(jié)果與討論中給出的皆為劑量當(dāng)量透射系數(shù)。其中,F1為每個(gè)入射粒子所引起的透射面的粒子透過(guò)幾率,F11為F1與劑量轉(zhuǎn)換因子的乘積;F21為F1與劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換因子的乘積;R1為劑量轉(zhuǎn)換因子;R2為劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換因子模擬計(jì)算采用的屏蔽材料為面積1m×1m的平板模型,材料厚度1–40cm,入射中子垂直入射到材料入射面,束流截面與材料入射面大小相同。F1的計(jì)算誤差小于10%,在此誤差之內(nèi),當(dāng)F1的值小于1×101.3東南角子液體質(zhì)入射子能量為對(duì)不同能量場(chǎng)條件下不同材料的中子的透射情況進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究,選取0.025eV–20MeV共13個(gè)入射中子能量。計(jì)算的屏蔽材料為聚乙烯、水和混凝土三種非金屬主體材料,鐵、銅和鉛三種金屬主體材料,碳化硼和氧化釓兩種功能添加劑,以及聚乙烯-碳化硼復(fù)合材料。2結(jié)果與討論2.1材料的中性透射系數(shù)厚度六種主體材料對(duì)不同能量中子的透射系數(shù)與材料厚度的關(guān)系見(jiàn)圖2。隨著主體材料厚度的增加,中子透射系數(shù)低降;同一材料厚度增加時(shí),不同能量中子透射系數(shù)的降低幅度不同。比較圖2(a–f)可發(fā)現(xiàn),聚乙烯對(duì)1MeV以下中子的透射系數(shù)下降較快,厚度大于5cm時(shí),0.025eV–1MeV中子的透射系數(shù)隨厚度增加而下降的幅度基本相同,且曲線(xiàn)斜率都較大。水的中子透射系數(shù)也隨厚度增加而下降,下降幅度小于聚乙烯。鐵和銅對(duì)0.5MeV以上的中子的透射系數(shù)隨厚度增加而下降的幅度較緩,兩材料的下降幅度基本一致。但是,在中子能量小于100eV時(shí),隨厚度增加,兩材料的透射系數(shù)下降的趨勢(shì)和幅度明顯加快,尤其是熱中子和1eV中子。此外,當(dāng)厚度增至某一數(shù)值,透射系數(shù)變化出現(xiàn)“反轉(zhuǎn)”,即由能量低透射系數(shù)較低變?yōu)槟芰康屯干湎禂?shù)較高。如聚乙烯厚度小于約15cm,0.5MeV的透射系數(shù)大于0.1MeV的;厚度大于約15cm,0.5MeV的透射系數(shù)卻小于0.1MeV的;銅等材料在100eV–0.1MeV能量段也有明顯“反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。入射中子的能量對(duì)材料透射性能的影響也有些例外,例如對(duì)聚乙烯、水和混凝土,能量最小的1eV中子和熱中子,透射系數(shù)卻非最小?？傮w看,對(duì)于1MeV及以下的中子,PE的防護(hù)性能較好;對(duì)0.025eV和1eV,鐵和銅的中子防護(hù)性能好;能量大于1MeV后,隨能量提高透射系數(shù)增大,即使主體材料厚度增加,屏蔽性能提高的也較慢。2.2材料入射中性能量對(duì)材料透射系數(shù)的影響圖3(a–d)給出了不同材料以及碳化硼和氧化釓功能添加劑對(duì)4個(gè)能量的入射中子的屏蔽效果。對(duì)1eV的中子,碳化硼對(duì)其的屏蔽效果最好,其次為氧化釓,由于1cm碳化硼的透射系數(shù)小于1×10隨著入射中子能量的增加,材料對(duì)中子屏蔽效果的順序發(fā)生變化。同一材料對(duì)不同能量的中子的透射系數(shù)有顯著差別,如圖3(a)中,銅、鐵和氧化釓對(duì)1eV中子的透射系數(shù)低于其他材料,屏蔽性能較好;由圖3(b),它們對(duì)0.5MeV中子的屏蔽性能則不如聚乙烯、水和碳化硼。當(dāng)入射中子能量為5MeV時(shí),聚乙烯、銅和碳化硼的透射系數(shù)低于其他材料。厚度小于22cm,銅的透射系數(shù)最低,屏蔽能力最強(qiáng);厚度大于22cm,聚乙烯的屏蔽能力最強(qiáng)。但厚度達(dá)30cm,各種材料的透射系數(shù)都大于1×10當(dāng)入射中子能量達(dá)20MeV,銅的透射系數(shù)低于其他材料,屏蔽能力最強(qiáng),其次是碳化硼和鐵;厚度達(dá)30cm,圖3(d)中只有銅和碳化硼的透射系數(shù)小于0.1,40cm厚材料的中子透射系數(shù)降低不到2個(gè)量級(jí),有些材料甚至不到一個(gè)量級(jí),可見(jiàn)屏蔽20MeV的中子很困難。2.3mev材料的透射系數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中,中子屏蔽體一般采用主體材料或主體材料與功能添加劑混合,形成復(fù)合結(jié)構(gòu)材料或多種材料的組合結(jié)構(gòu),以達(dá)到防護(hù)效果的最大化,同時(shí)還可保持屏蔽材料的結(jié)構(gòu)性。表1列出了厚度為10cm的四種材料對(duì)5MeV和14MeV中子的透射系數(shù)對(duì)聚乙烯的相對(duì)值。表1中,對(duì)5MeV中子,碳化硼含量為10%和30%時(shí),兩種復(fù)合材料的透射系數(shù)均小于聚乙烯和碳化硼,即它們的屏蔽性能優(yōu)于聚乙烯和碳化硼。對(duì)14MeV中子,兩種復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的透射系數(shù)小于聚乙烯,但大于碳化硼。這說(shuō)明主體材料中加入功能添加劑,在滿(mǎn)足屏蔽材料結(jié)構(gòu)性的同時(shí),還有利于屏蔽能力的優(yōu)化提高。為在某一中子能量或某中子能譜范圍內(nèi)取得良好的中子屏蔽效果,須對(duì)材料的配方進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)輻射場(chǎng)的中子能量或能譜,選擇適宜的主體材料或主體材料與功能添加劑混合;也可用MCNP程序?qū)Σ煌牧线M(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算,對(duì)主體材料或主體材料與共混材料進(jìn)行組合,優(yōu)選最佳組合結(jié)構(gòu),從而使防護(hù)材料獲得寬能譜中子束流的優(yōu)異屏蔽能力。3慢化中日+固身吸收中日中子屏蔽效果的計(jì)算,涉及多個(gè)變量。計(jì)算結(jié)果表明,材料厚度大,透射系數(shù)小,高能中子的透射系數(shù)隨材料厚度的增加降低的較慢;中子能量大透射系數(shù)大;但透射系數(shù)的變化也存在能量低透射系數(shù)較低變?yōu)槟芰康屯干湎禂?shù)較高的現(xiàn)象。不同能量的中子用不同材料或采用主體材料與