第五章-中子外照射的防护

1、 环境工程 Environmental Engineering第五章 中子外照射的防护 环境工程 Environmental Engineering1、中子的中子的分类分类包括冷中子、热包括冷中子、热中子、超热中子、共振中子。中子、超热中子、共振中子。热中子：与吸收物质原子处于热平衡状态，热中子：与吸收物质原子处于热平衡状态，能量为能量为0.0253eV，中子速度，中子速度2.2103m/s. 环境工程 Environmental Engineering放射性核素中子源放射性核素中子源加速器中子源加速器中子源反应堆中子源反应堆中子源等离子中子源等离子中子源中子源中子源一、分类一、分类1、按产生

2、方式、按产生方式 环境工程 Environmental Engineering2、按能谱、按能谱单能中子源单能中子源多能中子源多能中子源中子源中子源二、参数二、参数中子产额（中子发射率）中子产额（中子发射率）中子能谱中子能谱中子发射角分布中子发射角分布123 环境工程 Environmental Engineering一、放射性中子源放射性核素中子源放射性核素中子源（，n）反应中子源）反应中子源（，n）反应中子源）反应中子源自发裂变中子源自发裂变中子源价格便宜、价格便宜、易于制备与转移操作易于制备与转移操作中子发射各向同性中子发射各向同性尺寸小尺寸小优点优点缺点缺点产额低产额低易泄漏易泄漏产额

3、不断降低产额不断降低 环境工程 Environmental Engineering 环境工程 Environmental Engineering 环境工程 Environmental Engineering二、加速器中子源二、加速器中子源 1、加速器中子源、加速器中子源 利用被加速器加速的带电粒子轰击某些靶物质导致核反应产生的中子。 2、特点特点（能量）（能量） 与靶物质；带电粒子类型、能量；中子出射方向 3、加速器中子源产额加速器中子源产额 单位时间内由单位离子束流产生的中子数。单位时间内由单位离子束流产生的中子数。 环境工程 Environmental Engineering 类型： T(

4、d,n), D (d,n), 12C (d,n) 9Be (d,n), 7Li (d,n), 用在中子发生器与静用在中子发生器与静电加速器上产生的单能电加速器上产生的单能中子。中子。用在回旋加速器上产生用在回旋加速器上产生的复杂能谱的中子。的复杂能谱的中子。 环境工程 Environmental Engineering 中子的注量率计算：中子的产额。）：距靶距离（），加速器离子束流（: )90,0(:/10)90,0(.)90,0(24orymrAIroryIorsrsr 环境工程 Environmental Engineering三、反应堆中子源优点：中子数量优点：中子数量多，能谱宽多，能谱

5、宽缺点：装置结构大缺点：装置结构大、造价高、辐射、造价高、辐射安全问题安全问题 环境工程 Environmental Engineering第二节中子剂量的计算 一、中子与机体组织相互作用的特点 环境工程 Environmental Engineering二、中子剂量的计算二、中子剂量的计算1、比释动能的计算： 单能：K=fk. 谱分布的： dEdEEfdEEdEffdEEfEdEKEkEEtrEkkkEtrE/)(/)()()(平均比释动能因子：_kmfK 环境工程 Environmental EngineeringmmtrTtrTTmmtrTtrTKKDKK)/()/()/()/(：在带电

6、粒子平衡条件下 环境工程 Environmental Engineering中子在大块组织与小块组织的比释动能与吸收剂量中子在大块组织与小块组织的比释动能与吸收剂量是有很大区别的。是有很大区别的。在大块组织中中子的比释动能有三部分组成：在大块组织中中子的比释动能有三部分组成：1、中子给予反冲质子部分（、中子给予反冲质子部分（Kp）2、中子给予较重反冲核（反冲碳核、氮核、氧核）、中子给予较重反冲核（反冲碳核、氮核、氧核）的部分（的部分（KH）3、次级、次级射线给予电子的部分（射线给予电子的部分（K ）注注意意 环境工程 Environmental Engineering 环境工程 Environ

7、mental Engineering 2、剂量当量指数的计算、剂量当量指数的计算 1）单能辐射场中：）单能辐射场中： 2）谱分布的辐射场中）谱分布的辐射场中dEdEEfffdEEfHfHEnnHEnnHnHnHEnInHnIIIIII,/)()(子：平均剂量当量指数能因 环境工程 Environmental Engineering 环境工程 Environmental Engineering第三节 中子在屏蔽层中的减弱 一、屏蔽层内中子束的减弱原理一、屏蔽层内中子束的减弱原理 1、减弱的两个过程、减弱的两个过程 1）快中子与物质的非弹性散射与弹性散射，）快中子与物质的非弹性散射与弹性散射，使得

8、中子慢化变为热中子；使得中子慢化变为热中子； 2）热中子被物质俘获吸收。）热中子被物质俘获吸收。 环境工程 Environmental Engineering中能中子热中子快中子B B、GdGd、LiLi等元素等元素吸收（吸收（n,n, ），），（n,n, ）等等 非弹非弹 俘获俘获 W W、FeFe、C C、O O等等非弹散射非弹散射（n,nn,n ）H H弹性散射弹性散射（n,nn,n）中重元素共振散射中重元素共振散射PbPb、W W等元素等元素 吸收吸收屏蔽层中子屏蔽物理思路dnnneBPP)()(0 环境工程 Environmental Engineering 2、特点、特点 1）非弹

9、性散射具有阈值）非弹性散射具有阈值 2）中子发生了非弹性散射后能量会大幅降）中子发生了非弹性散射后能量会大幅降低低 3）弹性散射中，与中子碰撞的原子核越轻，）弹性散射中，与中子碰撞的原子核越轻，中子转移给反冲核的能量就越多；中子转移给反冲核的能量就越多；最好使用重的或较重的物质，通过非弹最好使用重的或较重的物质，通过非弹性散射使中子能量很快降低与原子核的第一激发能级性散射使中子能量很快降低与原子核的第一激发能级相应的能量以下，再利用含氢物质，通过弹性散相应的能量以下，再利用含氢物质，通过弹性散射使中子能量进一步降低到热能区射使中子能量进一步降低到热能区 环境工程 Environmental E

10、ngineering 4、吸收热中子的材料选择吸收热中子的材料选择 1）热中子吸收截面大的；）热中子吸收截面大的； 2）俘获辐射能量低的。）俘获辐射能量低的。为了减低俘获为了减低俘获辐射的屏蔽，辐射的屏蔽，在屏蔽层中添加在屏蔽层中添加10B、6Li 环境工程 Environmental Engineering二、中子流在屏蔽层中的减弱规律dnrrdrreBded00)(2)(1、宽束中子流：、窄束中子流： 环境工程 Environmental Engineering三、计算宽束中子的减弱的分出截面法 1、分出截面法的出发点：、分出截面法的出发点： 选择合适的屏蔽材料使得中子在屏蔽层中选择合适的

11、屏蔽材料使得中子在屏蔽层中一经散射便能在很短距离内迅速慢化并保一经散射便能在很短距离内迅速慢化并保证能在屏蔽层内被吸收。证能在屏蔽层内被吸收。 亦即：经历了散射作用的中子被有效地从亦即：经历了散射作用的中子被有效地从穿出屏蔽层的中子束中穿出屏蔽层的中子束中“分出分出”了，使穿了，使穿过屏蔽层的都是那些在屏蔽层内未经相互过屏蔽层的都是那些在屏蔽层内未经相互作用的中子。作用的中子。 环境工程 Environmental Engineering 1）条件： （1）屏蔽层足够厚 （2）屏蔽层中必须含铁、铅等中等重的或重的材料，能使入射的中子能量通过非弹性散射很快就降到1MeV； （3）屏蔽层内含有足够

12、的H，保证很短距离内，使中子的能量从1MeV降到热能。 环境工程 Environmental Engineering满足上述，则：iiRRRiAiRiRRARRRdIIdrrMQNMeHHe 602. 0602. 000或化学物，则如，屏蔽材料为混合物关系与微观分出截面宏观分出截面 环境工程 Environmental Engineering）（819. 0743. 0zZ) 8(125. 0565. 0zZ佐勒根据实验数据推出的估算裂变中佐勒根据实验数据推出的估算裂变中子谱平均分出截面的经验公式子谱平均分出截面的经验公式 66. 197.10)(9 . 0)(%90nHHRHREHHH与微观

13、总截面。微观分出截面分别表示屏蔽层中氢的、面的的分出截面法为其总截 环境工程 Environmental Engineering 自学： 四、宽束中子的透射曲线 五、十倍减弱厚度 环境工程 Environmental Engineering六、屏蔽中子的常用材料 1、屏蔽材料考虑的因素、屏蔽材料考虑的因素 1）屏蔽性能）屏蔽性能 2）结构性能）结构性能 3）稳定性能）稳定性能 4）经济成本）经济成本1、以一定的、以一定的Z值的材料值的材料2、存在、存在H，是中子能量降低到热能，是中子能量降低到热能3、掺与一定的、掺与一定的10B、9Li，吸收热，吸收热中子减少中子减少俘获的产生俘获的产生 环境

14、工程 Environmental Engineering 2、材料、材料 1）水）水 2）混凝土）混凝土 3）石蜡）石蜡 4）聚乙烯）聚乙烯 5）泥土）泥土 6）锂和硼）锂和硼 环境工程 Environmental Engineering第四节中子的屏蔽计算第四节中子的屏蔽计算 一、放射性核素中子源的屏蔽计算一、放射性核素中子源的屏蔽计算 中子发射率不强，所需屏蔽层也不太厚，中子发射率不强，所需屏蔽层也不太厚，可能存在散射，必须引入累积因子可能存在散射，必须引入累积因子Bn以便以便修正。修正。 一般对于厚度不小于一般对于厚度不小于20cm的水、石蜡、聚的水、石蜡、聚乙烯等含氢材料，乙烯等含氢材

15、料， Bn =5；铅；铅Bn =3.5；铁；铁 Bn =2.6 环境工程 Environmental Engineering：距离居留因子，：中子源产额，活度，面法，：屏蔽材料宏观分出截所以：即：可按下式：，所需的屏蔽层厚度要使注量率减低到rqsBqyAcmRrqAyBRdrqAyBqBeqeBddLnLnLnrRdLRdnrrL111 -2200.4ln14)( 环境工程 Environmental Engineering 环境工程 Environmental Engineering 环境工程 Environmental Engineering二、加速器中子源的屏蔽计算 加速器中子源的屏蔽计算：靶室墙、屋顶厚度中寻找屏蔽层厚度。从附图量核反应的加速粒子的能的核反应类型及激发该能量或产生中子后，根据初级中子束的计算出：相应的中子透射系数为满足计算：对于初级中子束的屏蔽3432108 . 2108 . 2)(024240nLnLnIqrHHrqdH 环境工程 Environmental Engineering13. 512. 5)/10log(,.10.1010/ 110/ 11810181810218218及表查图：的个数所对应的十倍减弱厚度然后计算出相应厚度的查出与时，先从附图中如果计算出的：nddnndcmSvcmSvnnn 环境工程 Envir