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、輻射裝置和輻射場所時，不僅要考慮保護(hù)涂層材料對輻射的影響，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。對于固定式的屏蔽裝置,成本是需考慮的重要因素之一。對于移動式射線檢測裝置、中子源裝置或空間有限的核設(shè)施等場所,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中子的慢化吸收研究已有很多報道本文采用蒙特卡羅粒子輸運(yùn)計(jì)算程序MCNP,對厚度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)測或比較所采用的材料對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程。將與屏蔽材料入射面相對的面定為透射面,計(jì)算模型見圖1。對入射中子實(shí)施跟蹤之后,分別記錄穿過透射面的中子數(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為每個入射粒子所引起的透射面的粒子透過幾率,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)入射子能量為對不同能量場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不同能量中子的透射系數(shù)與材料厚度的關(guān)系見圖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,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1MeV以下中子的透射系數(shù)下降較快,厚度大于5cm時,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,隨厚度增加,兩材料的透射系數(shù)下降的趨勢和幅度明顯加快,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。入射中子的能量對材料透射性能的影響也有些例外,例如對聚乙烯、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。總體看,對于1MeV及以下的中子,PE的防護(hù)性能較好;對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4個能量的入射中子的屏蔽效果。對1eV的中子,碳化硼對其的屏蔽效果最好,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,材料對中子屏蔽效果的順序發(fā)生變化。同一材料對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,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個量級,有些材料甚至不到一個量級,可見屏蔽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5MeV和14MeV中子的透射系數(shù)對聚乙烯的相對值。表1中,對5MeV中子,碳化硼含量為10%和30%時,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。這說明主體材料中加入功能添加劑,在滿足屏蔽材料結(jié)構(gòu)性的同時,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,須對材料的配方進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)輻射場的中子能量或能譜,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