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

在设计装饰、辐射装置和辐射场所时，不仅要考虑保护涂层材料对辐射的影响，还要考虑涂层材料的体积、重量、结构稳定性和总成本等。对于固定式的屏蔽装置,成本是需考虑的重要因素之一。对于移动式射线检测装置、中子源装置或空间有限的核设施等场所,以最少的材料重量和最小的占用空间达到屏蔽效果的最大化,是防护设计的基本要求。中子的屏蔽防护,常采用混凝土、石蜡和金属等作为主体材料,并经常在主体材料中加入中子慢化吸收剂等功能添加剂。一些常用屏蔽材料对中子的慢化吸收研究已有很多报道本文采用蒙特卡罗粒子输运计算程序MCNP,对厚度1–40cm的多种主体材料和功能添加剂,从热中子到20MeV系列能量的中子进行系统的透射模拟计算,获得不同厚度、不同材料和不同能量中子的大量透射数据,由这些数据可预测或比较所采用的材料对不同能量中子的屏蔽效果,为屏蔽体的设计和屏蔽材料的选用提供参考。1计算方法1.1mcmp程序MCNP1.2入射子预测模型及剂量用量透射系数本文用MCNP程序对入射中子的能量、位置以及方向进行抽样,以模拟具有一定能量的平行中子束垂直入射靶材料的物理过程。将与屏蔽材料入射面相对的面定为透射面,计算模型见图1。对入射中子实施跟踪之后,分别记录穿过透射面的中子数。透射中子的粒子注量除以入射中子的粒子注量为注量透射系数。将粒子注量换算为剂量或剂量当量即可得到剂量透射系数或剂量当量透射系数,用式(1)–(3)表示。本文结果与讨论中给出的皆为剂量当量透射系数。其中,F1为每个入射粒子所引起的透射面的粒子透过几率,F11为F1与剂量转换因子的乘积;F21为F1与剂量当量转换因子的乘积;R1为剂量转换因子;R2为剂量当量转换因子模拟计算采用的屏蔽材料为面积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,束流截面与材料入射面大小相同。F1的计算误差小于10%,在此误差之内,当F1的值小于1×101.3东南角子液体质入射子能量为对不同能量场条件下不同材料的中子的透射情况进行比较系统的研究,选取0.025eV–20MeV共13个入射中子能量。计算的屏蔽材料为聚乙烯、水和混凝土三种非金属主体材料,铁、铜和铅三种金属主体材料,碳化硼和氧化钆两种功能添加剂,以及聚乙烯-碳化硼复合材料。2结果与讨论2.1材料的中性透射系数厚度六种主体材料对不同能量中子的透射系数与材料厚度的关系见图2。随着主体材料厚度的增加,中子透射系数低降;同一材料厚度增加时,不同能量中子透射系数的降低幅度不同。比较图2(a–f)可发现,聚乙烯对1MeV以下中子的透射系数下降较快,厚度大于5cm时,0.025eV–1MeV中子的透射系数随厚度增加而下降的幅度基本相同,且曲线斜率都较大。水的中子透射系数也随厚度增加而下降,下降幅度小于聚乙烯。铁和铜对0.5MeV以上的中子的透射系数随厚度增加而下降的幅度较缓,两材料的下降幅度基本一致。但是,在中子能量小于100eV时,随厚度增加,两材料的透射系数下降的趋势和幅度明显加快,尤其是热中子和1eV中子。此外,当厚度增至某一数值,透射系数变化出现“反转”,即由能量低透射系数较低变为能量低透射系数较高。如聚乙烯厚度小于约15cm,0.5MeV的透射系数大于0.1MeV的;厚度大于约15cm,0.5MeV的透射系数却小于0.1MeV的;铜等材料在100eV–0.1MeV能量段也有明显“反转”现象。入射中子的能量对材料透射性能的影响也有些例外,例如对聚乙烯、水和混凝土,能量最小的1eV中子和热中子,透射系数却非最小。总体看,对于1MeV及以下的中子,PE的防护性能较好;对0.025eV和1eV,铁和铜的中子防护性能好;能量大于1MeV后,随能量提高透射系数增大,即使主体材料厚度增加,屏蔽性能提高的也较慢。2.2材料入射中性能量对材料透射系数的影响图3(a–d)给出了不同材料以及碳化硼和氧化钆功能添加剂对4个能量的入射中子的屏蔽效果。对1eV的中子,碳化硼对其的屏蔽效果最好,其次为氧化钆,由于1cm碳化硼的透射系数小于1×10随着入射中子能量的增加,材料对中子屏蔽效果的顺序发生变化。同一材料对不同能量的中子的透射系数有显著差别,如图3(a)中,铜、铁和氧化钆对1eV中子的透射系数低于其他材料,屏蔽性能较好;由图3(b),它们对0.5MeV中子的屏蔽性能则不如聚乙烯、水和碳化硼。当入射中子能量为5MeV时,聚乙烯、铜和碳化硼的透射系数低于其他材料。厚度小于22cm,铜的透射系数最低,屏蔽能力最强;厚度大于22cm,聚乙烯的屏蔽能力最强。但厚度达30cm,各种材料的透射系数都大于1×10当入射中子能量达20MeV,铜的透射系数低于其他材料,屏蔽能力最强,其次是碳化硼和铁;厚度达30cm,图3(d)中只有铜和碳化硼的透射系数小于0.1,40cm厚材料的中子透射系数降低不到2个量级,有些材料甚至不到一个量级,可见屏蔽20MeV的中子很困难。2.3mev材料的透射系数在实际应用中,中子屏蔽体一般采用主体材料或主体材料与功能添加剂混合,形成复合结构材料或多种材料的组合结构,以达到防护效果的最大化,同时还可保持屏蔽材料的结构性。表1列出了厚度为10cm的四种材料对5MeV和14MeV中子的透射系数对聚乙烯的相对值。表1中,对5MeV中子,碳化硼含量为10%和30%时,两种复合材料的透射系数均小于聚乙烯和碳化硼,即它们的屏蔽性能优于聚乙烯和碳化硼。对14MeV中子,两种复合结构材料的透射系数小于聚乙烯,但大于碳化硼。这说明主体材料中加入功能添加剂,在满足屏蔽材料结构性的同时,还有利于屏蔽能力的优化提高。为在某一中子能量或某中子能谱范围内取得良好的中子屏蔽效果,须对材料的配方进行优化设计根据辐射场的中子能量或能谱,选择适宜的主体材料或主体材料与功能添加剂混合;也可用MCNP程序对不同材料进行结构模拟计算,对主体材料或主体材料与共混材料进行组合,优选最佳组合结构,从而使防护材料获得宽能谱中子束流的优异屏蔽能力。3慢化中日+固身吸收中日中子屏蔽效果的计算,涉及多个变量。计算结果表明,材料厚度大,透射系数小,高能中子的透射系数随材料厚度的增加降低的较慢;中子能量大透射系数大;但透射系数的变化也存在能量低透射系数较低变为能量低透射系数较高的现象。不同能量的中子用不同材料或采用主体材料与