第七章 中子的防护.ppt

1 中子的防护 主讲 崔莹 2 第七章中子的防护 象 射线一样 中子是一种穿透力很强的间接电离粒子 它在物质中的减弱是一个复杂的物理过程 在屏蔽计算时一般应该考虑这些物理过程 然而其中数据尚不完全清楚 中子源发出的中子都是快中子 在屏蔽层中主要通过弹性散射和非弹性散射损失能量 最后被物质吸收 主要放出 射线 因此中子的屏蔽除了要考虑快中子的减弱过程和吸收过程外 还要考虑 射线的屏蔽 本章主要介绍中子屏蔽的基本原理及一般教学 科研 医疗等部门常用的同位素中子源和中子发生器的有关屏蔽问题 3 复习中子与物质的相互作用 按能量区分的中子种类 慢中子0 103eV 中能中子 快中子 相对论中子 中子按能量的划分并不严格 各文献之间略有差别 4 复习中子与物质的相互作用 1 中子源 反应堆中子源 强中子源 中子能量范围0 18MeV 加速器中子源 能在很宽能量范围内产生单能中子束 同位素中子源 体积小 价钱便宜 使用方便 5 中子由不同的过程产生 能量覆盖较大的范围 像光子一样 中子没有电荷 不会与轨道电子发生作用 中子在物质中可以不发生任何作用而输运很远的距离 中子通过以下几种机制与原子核的核子发生作用 复习中子与物质的相互作用 2 中子与物质的相互作用 1 弹性散射 n n 2 非弹性散射 n n 3 辐射俘获 n 4 带电粒子的发射 5 裂变 n f 6 复习中子与物质的相互作用 2 中子与物质的相互作用 1 弹性散射 n n 弹性散射分为势散射和复合核散射两种 原子核内能不变势散射是中子受核力场作用发生的散射 中子未进入核内 而是发生在核外面 复合核散射是中子进入核内形成复合核 而后放出中子 弹性散射是慢化中子的最重要的过程 保留了总动能 中子损失的能量E转移到了反冲粒子 最大能量转移发生在对头碰撞时 弹性散射截面取决于能量和材料 7 复习中子与物质的相互作用 2 中子与物质的相互作用 1 弹性散射 n n 结论 轻元素 特别是氢 可以作为良好的快中子减速剂 在中子的中能范围内 弹性散射是中子能量损失的主要方式 同时随着中子能量的降低 氢的弹性散射截面很快变大 当中子和氢发生弹性散射时没能很快的降低到热能范围 在中子防护中 常选用含氢物质和原子量小的物质作为快中子的减速剂 8 复习中子与物质的相互作用 2 中子与物质的相互作用 2 非弹性散射 n n 非弹性散射分为直接相互作用过程和形成复合核过程直接作用过程是入射中子和靶核的核子发生非常短时间的相互作用 约10 22 10 21秒 复合核过程是入射中子进入靶核形成复合核 在形成复合核过程中入射中子和核子发生较长时间的能量交换 约10 20 10 15秒 最终靶核将放出一个动能较低的中子而处于激发态 9 复习中子与物质的相互作用 2 中子与物质的相互作用 2 非弹性散射 n n 非弹性散射的发生和入射中子的能量有关 在阈值以上 随着中子能量的增加 非弹性散射的截面变大靶核的第一激发能级愈低 愈容易发生非弹性散射 重核的第一激发能级比轻核的第一激发能级低 快中子 0 5MeV 与重核相互作用时 与弹性散射相比 非弹性散射占优势 在中子屏蔽层中 往往掺入重元素或用金属与减速剂组成交替屏蔽 10 复习中子与物质的相互作用 2 中子与物质的相互作用 3 辐射俘获 n 中子射入靶核后 与靶核形成激发态的复合核 然后复合核通过发射一个或几个 光子而回到基态 不再发射其他粒子 此过程叫辐射俘获 也称 n 反应 这时中子被靶核吸收 辐射俘获反应截面仅和中子能量有关 在在低能区除共振区外 其反应截面一般随变化 11 复习中子与物质的相互作用 2 中子与物质的相互作用 4 带电粒子的发射 原子核吸收中子而发射出带电粒子 如质子 粒子 的核反应 叫作发射带电粒子的核反应 例如慢中子引起的 n 和 n p 反应 5 裂变反应 n f 有集中重核 如等 当他们俘获一个中子后 可分裂为两个交情的原子核 伴随着放出2 3个中子及200MeV左右的巨大能量 这就是核裂变反应 即 n f 反应 12 第七章中子的防护 对中子的屏蔽 出了反应堆 高能加速器 克级以上的252Cf中子源需要进行较为复杂的计算外 一般小型的同位素中子源 中子放射器多采用较为简单的计算方法 如以实验为基础的分出截面法 张驰长度法 实验曲线法等 中子源发出的中子都是快中子 在屏蔽层中主要通过弹性散射和非弹性散射损失能量 最后被物质吸收 主要放出 射线 因此中子的屏蔽除了要考虑快中子的减弱过程和吸收过程外 还要考虑 射线的屏蔽 13 一 分出截面的概念 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 分出截面法和张弛长度法时快中子屏蔽的半经验方法 这些方法最初是为适应反应堆屏蔽计算需要而建立起来的 由于计算方便 有一定精度 除用于反应堆屏蔽计算外 目前广泛地用于各类同位素中资源的屏蔽估算 当用某一阈探测器 测量通过某一含氢屏蔽层后的快中子注量率时 由于散射使快中子的能量降低到阈值一下 或者通过散射偏离原来的束而不能到达探测器 尽管这些中子可能仍然是快中子 然而都不能被阈探测器探测到 表明这些中子已经从能量高于阈值的 群 中分出去了 分出截面就是表示中子通过单位厚度的材料时 从高于某一阈值的中子群中分出来进入能量较低的中子群的几率 故可用中子从某一能量的中子群中分出几率的概念来考虑中子的衰减 并用分出截面来计算快中子在屏蔽层中的减弱 分出截面可以通过实验测量 也可以通过理论计算 14 一 分出截面的概念 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 1 实验测量的分出截面 实验测量裂变谱中子分出截面原理如图所示 在水箱内表面放置一单向裂变中子平面源 探测器在P点离源的距离为r 在探测器和源之间放置一块待研究的材料平板 厚度为t 在P点测得的快中子剂量率为 15 当水层的最小厚度为45 60厘米时 用这种装置测量的分出截面与平板的厚度无关 这是因为P点的中子谱基本上达到了平衡 平板的插入对P点的中子谱的平衡并无影响 的值可通过查表得到 一 分出截面的概念 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 1 实验测量的分出截面 实验测量裂变谱中子分出截面原理如图所示 在水箱内表面放置一单向裂变中子平面源 探测器在P点离源的距离为r 在探测器和源之间放置一块待研究的材料平板 厚度为t 在P点测得的快中子剂量率为 水箱中无平板时 离源 r t 处的中子计量率 被研究材料的宏观分出截面 16 一 分出截面的概念 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 1 实验测量的分出截面 在某些屏蔽和反应堆材料中 中子的宏观分出截面 17 一 分出截面的概念 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 1 实验测量的分出截面 当原子质量MA 12时 裂变中子在材料中的微观分出截面可用如下经验公式计算 除非常轻的元素外 上述公式对均匀介质的计算值比对非均匀介质的计算值小5 10 18 一 分出截面的概念 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 1 实验测量的分出截面 一些元素的微观分出截面 1靶 10 28米2 19 一 分出截面的概念 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 2 理论计算的分出截面 采用实验测量的分出截面时 使用条件和测量条件相似 不然 会造成很大误差 实际上 某些中子源的谱并非裂变谱 有些则是单能中子源 屏蔽材料也并不象实验那样成层状分布 因而实验值的应用受到局限 如果能在理论上建立分出截面与中子能量的关系 则分出截面的应用会更为方便 20 一 分出截面的概念 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 2 理论计算的分出截面 对于能量为E 兆电子伏 的快中子在某一特定材料中的宏观分出截面 可用下述近似式计算 能量为E的快中子的宏观总截面 厘米 1 能量为E的快中子的宏观弹性散射截面 厘米 1 宏观弹性散射角余弦的平均值 表示弹性散射角分布中向前散射的部分 21 一 分出截面的概念 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 2 理论计算的分出截面 当中子源具有谱分布时 对于能谱平均的分出截面 由下式计算 中子源能谱的微分分布 无中材料存在时 在厚度为 r t 的含氢介质中的中子剂量 种材料板厚 中子能量下限 22 一 分出截面的概念 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 2 理论计算的分出截面 公式 仅适用于氢以外核素的分出截面的计算 氢的分出截面等于其总截面的0 9倍 即 R H 0 9 H R H H分别表示屏蔽层中氢的微观分出截面和微观总截面 H可用下面的经验公式计算 式中E0为中子能量 单位为MeV 在能区1 5MeV 20MeV 上式计算值的准确度为2 23 一 分出截面的概念 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 3 化合物 混合物的宏观分出截面 宏观分出截面和微观分出截面的关系如下 物质的密度 克 厘米3 核素的原子量 0 602 是阿伏伽德罗常数NA与10 24的乘积 1靶 10 24cm2 24 一 分出截面的概念 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 3 化合物 混合物的宏观分出截面 宏观分出截面和微观分出截面的关系如下 混合物的密度 克 厘米3 第i种核素所占的重量百分比 第i种核素的微观分出截面 靶 第i种核素的原子量 25 二 计算快中子屏蔽的分出截面法 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 1 快中子在含氢介质中的减弱 分出截面法不仅适用于含氢材料或以含氢材料 含氢量 0 3 为后衬的屏蔽 在一定的限制条件下亦可以用于非含氢材料的屏蔽计算 1 均匀含氢介质 当屏蔽体中的含氢材料和其他重组分均匀混合时 各向同性点源的快中子在屏蔽体中的剂量减弱可用下式计算 上式的适用条件是 源和探测点之间含氢介质应有最小的厚度Rmin 使介质中的中子谱达到平衡 这个最小的屏蔽厚度一般与中子能量 所探测的中子能量下限及起分出作用的材料有关 快中子在等效体密度纯氢介质中的计量减弱函数 源的中子发射率 中子 秒 阿伏伽德罗常数 NA 6 0225 1023摩尔 1 源与探测点间屏蔽体的厚度 26 二 计算快中子屏蔽的分出截面法 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 1 快中子在含氢介质中的减弱 对于裂变谱中子 当探测下限为Ec 0 33MeV时 含氢介质的最小厚度可按氢的质量厚度为4 5 6克 厘米2确定 当Ec 1MeV时 Rmin 3 其中 为张驰长度 fDH Ri值可采用实验测量值 也可采用理论计算值 当用理论计算值时 fDH用下式计算 中子的注量对剂量的转换因子 西弗 单位注量 屏蔽层中能量为E0的中子对氢的宏观总截面 厘米 1 注量积累因子 27 式中包括屏蔽层中所有核素的微观分出截面 但对氢则取微观总截面 二 计算快中子屏蔽的分出截面法 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 1 快中子在含氢介质中的减弱 注量积累因子 表示由于氢的向前散射作用而形成的散射中子的积累 积累因子B用下式计算 对具有谱分布S E0 的各向同性点源 在离源r处的剂量当量率用下式计算 28 二 计算快中子屏蔽的分出截面法 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 1 快中子在含氢介质中的减弱 2 多层屏蔽的情况 如果源中子为单能中子 用化合物 混合物宏观分出截面进行计算 若源中子为有谱分布S E0 的各向同性点源 那么在能量为E0到E0 dE0间的中子 在离源r处的中子微分剂量当量率为 上式积分得 29 二 计算快中子屏蔽的分出截面法 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 2 快中子在非含氢介质中的减弱 在实际工作中 由于对工艺结构及使用条件的限制 往往要求采用某些比较轻的材料 作为中子的慢化剂 在以非含氢介质作慢化剂的均匀介质内的某一点 到各向同性单能点源的距离r大于几个自由程的范围内 能量大于某一阈能的快中子注量率可表示为 源的中子发射率 中子 秒 快中子屏蔽层中的宏观分出截面 厘米 1 初始积累因子 表示能量大于阈能的中子由于向前散射而引起的中子注量率的累积 30 二 计算快中子屏蔽的分出截面法 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 2 快中子在非含氢介质中的减弱 能量En 1 5MeV的中子初始累积因子 某些单能中子的B值列于下表中 在缺乏数据的情况下 可取B 5 31 二 计算快中子屏蔽的分出截面法 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 2 快中子在非含氢介质中的减弱 上式的使用条件 当材料的原子量MA27时 快中子的能量下限Ec 3MeV 当离点源的距离r 3 时 这时分出截面法和张驰长度法相同 值不随距离而变化 可采用在水介质中的测量值 如果点源具有谱分布 将能量相近的中子分组 分别计算每组快中子在介质中的减弱 然后迭加得注量为 32 二 计算快中子屏蔽的分出截面法 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 2 快中子在非含氢介质中的减弱 对单能各向同性点源进行多层屏蔽组合屏蔽时 快中子的注量率可表示为 式中及分别表示第i层屏蔽材料的宏观分出截面和厚度 这个初始注量率积累因子B 应取轻材料的初始积累因子 33 三 张弛长度法 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 中子在介质中的注量率或剂量率减弱e倍的长度称为张弛长度 用 表示 若屏蔽层的组成均匀 在一定的屏蔽厚度内 其张弛长度近似为常数 因此 中子在屏蔽层内减弱可用张弛长度的指数规律来描述 各向同性点源的中子发射率 中子 秒 初始注量率累计因子 源至探测点的距离 厘米 能量为E0的中子在ri 1至ri段内的张弛长度 厘米 1 34 三 张弛长度法 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 若整个屏蔽层内的张弛长度为常数 则有 t为屏蔽层的厚度 厘米 当屏蔽层时由几种材料的混合物组成时 混合物的张弛长度用下式计算 密度为 i的第i种组成元素的张弛长度 第i种组成元素在屏蔽层中的密度 35 三 张弛长度法 第一节快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法 对于张弛长度法的应用的说明 1 用张弛长度法计算的中子注量率 包括了散射中子和未经散射的中子 其概括的能量范围决定于张弛长度和积累因子适用的能量范围 2 从中子在物质中的减弱曲线看 初始积累因子表示偏离指数形式的程度 在含氢的非均匀介质中 当屏蔽层厚度t 3 时 减弱曲线基本上按e t 变化 取B 1 若屏蔽层厚度在3个平均自由程 t 3 以内 应考虑积累因子 在非含氢介质的情况下 即使在离源较远的参考点处 也应考虑积累因子 各种材料的反应堆谱或裂变中子的张驰长度有表可查 36 第二节同位素中子源的屏蔽 一类是移动式的屏蔽容器和各种用途的辐照设备 安全要求 除一般运输容器外 经常使用的中子源 经屏蔽后 在工作点的计量当量率不得超过2 5 10 2毫西弗 小时 并按国家规定取两倍的安全系数 屏蔽材料 除固定式外 通常可用饱和硼酸水溶液 含1 2 硼的石蜡 掺有B4C的丁苯橡胶 聚乙烯 含氢量约为1 的混凝土等 具有强 本底的中子源 则应考虑两层屏蔽 内层用铅吸收 射线 外层用石蜡等屏蔽中子 同位素中子源用途甚广 屏蔽方式一般分为两类 一类是固定式屏蔽 此类屏蔽较为简单 把源直接安装在地下 利用泥土 沙石做屏蔽材料 37 第二节同位素中子源的屏蔽 一 常用同位素中子源的种类和特性 目前常使用的是镭 铍源和钋 铍源 镅 铍源亦逐步扩大应用 一些中子源的特性 38 第二节同位素中子源的屏蔽 一 常用同位素中子源的种类和特性 目前常使用的是镭 铍源和钋 铍源 镭 铍源的缺点是 本底强 而且产生放射性氡气 故防护时 除重点考虑 射线的屏蔽外 还要注意防止氡气漏出产生内照射的危害 钋 铍源基本上是纯中子源 当源的活度小时 对钋 铍源主要考虑中子屏蔽 理想的同位素中子源 不产生有害气体 寿命长 产额高 比放 单位体积的中子产额 大 39 第二节同位素中子源的屏蔽 二 同位素中子源的屏蔽计算 另一种方法是各种核反应中子源 他们发射的中子对氢的平均微分分出截面近似取 R 1靶 然后用下式估算 1 分出截面法 除作为工程设计而需要精确计算外 一般可采用较为简单的经验公式或近似方法计算 一种方法是知道源在某屏蔽材料中的宏观分出截面可直接用下式计算 40 第二节同位素中子源的屏蔽 二 同位素中子源的屏蔽计算 1 分出截面法 计量当量率 毫西弗 小时 源的中子发射率 中子 秒 离源的距离 米 在屏蔽材料中的中子减弱因子 中子注量率 剂量当量率转换因子 即1中子 秒2 秒相当于1 3 10 7毫西弗 小时 41 第二节同位素中子源的屏蔽 二 同位素中子源的屏蔽计算 1 分出截面法 一些常用屏蔽材料的中子减弱因子 t为屏蔽层厚度 厘米 42 第二节同位素中子源的屏蔽 二 同位素中子源的屏蔽计算 1 分出截面法 在进行屏蔽估算时 如果屏蔽材料中氢原子数的含量占40 以上 则该屏蔽材料的减弱因子 为在水中的减弱因子f的e指数上乘以此材料每体积中所含的氢原子数与每单位体积水中所含原子数之比 一些屏蔽材料中的含氢量 43 第二节同位素中子源的屏蔽 二 同位素中子源的屏蔽计算 1 分出截面法 例题 已知钋 铍源的中子发射率为3 53 107中子 秒 如用石蜡屏蔽后 离源0 5米处的中子注量率 9 104中子 米2 秒 求石蜡屏蔽层的厚度 解 已知条件如下 1 S 3 53 107中子 秒 2 R 0 5米 3 En max 10 87MeV 4 2MeV 4 屏蔽材料为石蜡 MA 27 能量下限取作1 5MeV 5 石蜡为含氢材料 氢含量NH 8 15 1026原子 厘米3 碳含量NC 4 07 1026原子 厘米3 6 查表得碳的微观分出截面为0 81靶 需要的公式有 44 第二节同位素中子源的屏蔽 二 同位素中子源的屏蔽计算 1 分出截面法 例题 将中子发射率为发射率为5 107中子 秒的镅 铍源 装入壁厚为0 25米厚的聚乙烯屏蔽容器中 求离源0 3米处的计量当量率 解 求离源0 3米处的计量当量率 根据剂量当量率公式 1 S 5 107中子 秒 2 R 0 3米 3 聚乙烯中氢原子含量大于40 相对水的含氢比为 8 3 1022 6 7 1022 1 24 45 第二节同位素中子源的屏蔽 二 同位素中子源的屏蔽计算 2 查图法 剂量减弱系数fD 下图给出了镅 铍源与钚 铍源在水 石蜡等屏蔽材料中的减弱曲线 镅 铍源中子穿过水 聚乙烯屏蔽层时 剂量减弱系数fD和屏蔽层厚度的关系 厚度 厘米 半径 厘米 若干含氢材料对锎 252 钚 铍及锑 铍中子源的中子剂量率减弱曲线 每单位粒子注量的剂量当量率率 46 解 设屏蔽后 在P点的容许剂量当量率为2 5 10 2毫西弗 小时 剂量换算因子dH 3 95 10 14西弗 中子 米2 R 0 5米减弱系数 由fD d曲线图中插图可得水的屏蔽层厚度d 第二节同位素中子源的屏蔽 二 同位素中子源的屏蔽计算 2 查图法 例题 如图 安装一个中子发射率为发射率为3 2 107中子 秒的镅 铍源 P点离源的距离R为0 5米 用查图法求水的屏蔽层厚度d 47 第二节同位素中子源的屏蔽 二 同位素中子源的屏蔽计算 2 查图法 例题 用水屏蔽中子发射率为3 2 107中子 秒的钚 铍中子源 其他条件同上一例题 用查图法求水的屏蔽层厚度d 解 R 0 5米 S 3 2 107中子 秒 在P点的容许剂量当量率为2 5 10 2毫西弗 小时则每单位中子注量的剂量当量率为 由表中可查得所需水的屏蔽厚度d 48 第二节同位素中子源的屏蔽 三 裂变中子源252Cf的屏蔽计算