第7章 中子的外照射防护

1、1第7章 中子的外照射防护7.1、中子辐射源7.2、中子剂量计算7.3、中子在屏蔽层的减弱规律、中子在屏蔽层的减弱规律7.4、中子屏蔽计算、中子屏蔽计算2放射性核素中子源放射性核素中子源加速器中子源反应堆中子源等离子体中子源7.1、中子辐射源中子源注意事项：往往伴有 辐射。37.1.1 放射性核素中子源优点：优点： 发出的中子基本各向同性；发出的中子基本各向同性； 源的尺寸小；源的尺寸小； 价格便宜。价格便宜。缺点：缺点： 产额小，且随时间减弱；产额小，且随时间减弱； 易形成污染。易形成污染。放射性核素中子源有三种，即：放射性核素中子源有三种，即：(，n)反应中子源；反应中子源；(，n)反应反

2、应中子源；自发裂变中子源。中子源；自发裂变中子源。前二种是利用放射性核素衰变时发出前二种是利用放射性核素衰变时发出的的粒子或粒子或光子轰击一定的靶物质光子轰击一定的靶物质，通过，通过(，n)或或(，n)核反应核反应产生中子。产生中子。 4表7.1 放射性核素中子源的特性靶核靶核名称名称放射放射性核性核素素反应反应类型类型半衰期半衰期T 1/2中子中子最大最大能量能量MeV中子中子平均平均能量能量MeV中子产额中子产额y,10-6S-1Bq-1中子源发射率中子源发射率为为106 s-1,距离距离1m处的处的照射照射量率量率,10-7Ckg-1h-1中子中子能谱能谱伴随伴随辐射辐射BeBe Be

3、Be Be Be Be Be24Na124Sb210Po226Ra238Pu239Pu241Am(,n)(,n)(,n)(,n)(,n)(,n)(,n)15.0h60.4d138.4d1620a87.75a24390a432a10.8713.0811.310.7411.50.830.0294.24.04.54.14.53.515.1467.640554.143.254.13.761041.331040.1031551.294.392.58单能单能单能单能连续连续连续连续连续连续连续连续连续连续非常强非常强非常强非常强很低很低很低很低低低低低低低57.1.1 放射性核素中子源 许多重原子核都具有

4、许多重原子核都具有自发裂变自发裂变而发射中子的特而发射中子的特性。天然重核性。天然重核(如如U、Th)发生自发裂变的几率很发生自发裂变的几率很小，不宜用作中子源。目前可供实用的自发裂变小，不宜用作中子源。目前可供实用的自发裂变中子源只有中子源只有252Cf。表。表7.2列出了列出了252Cf自发裂变中自发裂变中子源的主要物理特性。子源的主要物理特性。6表7.2 252Cf自发裂变中子源的物理特性衰衰 变变 方方 式式衰变几率衰变几率96.8自发裂变几率自发裂变几率3.2半半 衰衰 期期衰变的衰变的Td2.73a自发裂变的自发裂变的Tef85.5a总的总的T 1/22.659a自发裂变中子产额，

5、自发裂变中子产额，s-1 g-12.32106 ，MeV2.13 ，中子，中子/自发裂变自发裂变3.76发射率，发射率，s-1 g-11.3107在空气中在空气中1m处的剂量率处的剂量率（无屏蔽情况）（无屏蔽情况）中子，中子，Sv h-1 g-124，Gy h-1 g-11.4fs,nE77.1.2 加速器中子源加速器中子源 加速器中子源是加速器中子源是利用被利用被加速器加速器加速的带电粒子加速的带电粒子轰击某些靶物质轰击某些靶物质导致核反应产生中子导致核反应产生中子的。的。这种中这种中子源的特点是，可以通过改变靶物质种类和带电子源的特点是，可以通过改变靶物质种类和带电粒子类型，调节带电粒子的

6、能量和中子的出射方粒子类型，调节带电粒子的能量和中子的出射方向来获得不同能量的中子向来获得不同能量的中子。加速器中子源所用的。加速器中子源所用的加速器过去多为低能加速器，例如密封管型中子加速器过去多为低能加速器，例如密封管型中子发生器、高压倍加器、静电加速器、回旋加速器发生器、高压倍加器、静电加速器、回旋加速器和电子直线加速器等。被加速的带电粒子，有电和电子直线加速器等。被加速的带电粒子，有电子、质子、氘核、氚核、子、质子、氘核、氚核、粒子等。目前，已有粒子等。目前，已有高能重离子加速器中子源，并且发展非常迅速。高能重离子加速器中子源，并且发展非常迅速。8加速器中子源二种应用较多的核反应式：

7、MeVHendD27. 33MeVHendT586.174 T(d,n) T(d,n)4 4HeHe反应的优点反应的优点是中子能量高（是中子能量高（101030MeV30MeV），即使），即使氘核氘核能能量低到量低到0.1MeV0.1MeV，通过，通过T(d,n)T(d,n)4 4HeHe反应也能获反应也能获得接近得接近14MeV14MeV的单能中的单能中子。子。97.2、中子剂量的计算、中子剂量的计算7.2.1 中子与机体组织相互作用的特点中子与机体组织相互作用的特点 考虑中子与组成人体组织的元素间的相互作用。在机体组织中，按重量百分比计，氢、碳、氮、氧四种元素占整个人体重量的95%以上，按

8、原子数计，氢原子数占人体原子总数的60%以上。元素相 互 作 用氢弹性散射辐射俘获H（n，）D碳弹性散射非弹性散射C（n，n3）和C（n，n）Be反应氮弹性散射非弹性散射N（n，p）C，N（n，d）C，N（n，t）C，N（n，）B，N（n，2）Li和N（n，2n）N反应氧弹性散射非弹性散射O（n，）C和O（n，p）N反应表7.5 中子在机体组织中发生的重要的相互作用107.2.2 中子剂量的计算中子剂量的计算1. 比释动能计算KfK式中EftrK/为中子比释动能因子。 据此，可以通过对辐射场实测或计算得到中子注量，并从附表3查得与中子能量相对应的fK值，便可算出中子的比释动能K 附表31111

9、比释动能因子：用于计算K/KtrfE(/)(/)trtrKE 不带电粒子与物质相互作用，入射粒子总能量中平均有多少能量转移为次级带电粒子的动能 -用质能转移系数 tr /度量附表3第三章 辐射剂量学中使用的量和单位127.2.2 中子剂量的计算中子剂量的计算 如果已知中子辐射场中某种物质(m)的比释动能Km，则在同一点上受到照射的一小块组织(T)的比释动能KT mmtrTtrTTKKD/吸收剂量：式中，(tr/)T、(tr/)m分别是物质m和组织T的质能转移系数。在满足带电粒子平衡条件，相关组织的中子吸收剂量即为 mmtrTtrTKK/13中子注量 到 当量剂量 换算因子2. 当量剂量计算单能

10、：nHnfH,连续谱：dEEfHnHEnII)(,nHf,14表7.6 中子辐射权重因子WR，中子当量剂量换算因子fHi，n和对应的剂量率限值为10Sv/h 的中子注量率值 En，MeV辐射权重因子辐射权重因子WR当量剂量换算因子当量剂量换算因子f Hi，n10-15 Svm2中子注量率中子注量率LCm-2s-1 2.510-8 110-7 110-6 110-5 110-4 110-3 110-2 110-1 510-1 1 2 5 10 20 50210Po-B En2.8210Po-Be En4.2226Ra-Be En4.0239Pu-Be En4.1241Am-Be En4.5252

11、Cf源源 En2.132222222 7.4 11 10.6 9.3 7.8 6.8 6.0 5.0 8.0 7.5 7.3 7.5 7.4 9.15 1.068 1.157 1.263 1.208 1.157 1.029 0.992 5.78719.8432.6839.6840.6540.8542.7445.54 33.1 35.5 34.5 35.2 39.5 33.21260.1240.1219.9230.0240.1270.0280.0 48.00 14.00 8.608 7.000 6.832 6.800 6.500 6.100 8.400 7.840 8.040 7.880 7.0

12、40 8.3642. 当量剂量计算nHnfH,15167.3、中子在屏蔽层中的减弱规律、中子在屏蔽层中的减弱规律7.3.1 减弱原理减弱原理第一步：快中子通过与物质的非弹性散射和弹性散射，慢化成热中子；第二步：热中子被物质俘获吸收。首先用重或较重的物质，通过非弹性散射使中子首先用重或较重的物质，通过非弹性散射使中子能量很快降到与原子核第一激发能级能量以下；能量很快降到与原子核第一激发能级能量以下；然后，再利用含氢物质，通过弹性散射使中子能然后，再利用含氢物质，通过弹性散射使中子能量降到热能区。量降到热能区。177.3、中子在屏蔽层中的减弱规律、中子在屏蔽层中的减弱规律7.3.1 减弱原理减弱原

13、理 虽然热中子能被各种物质所吸收，但并不是任何物质都适宜用来吸收热虽然热中子能被各种物质所吸收，但并不是任何物质都适宜用来吸收热中子的。因为许多物质吸收热中子后，常伴有高能的俘获中子的。因为许多物质吸收热中子后，常伴有高能的俘获辐射。因此，辐射。因此，在在选择吸收热中子的材料时应选择对热中子吸收截面大、俘获选择吸收热中子的材料时应选择对热中子吸收截面大、俘获辐射能量低的辐射能量低的那些材料，这样便于对俘获那些材料，这样便于对俘获辐射的屏蔽。辐射的屏蔽。为了减少或避免热中子吸收过程为了减少或避免热中子吸收过程中产生的俘获中产生的俘获辐射，可在屏蔽层中加入适最的辐射，可在屏蔽层中加入适最的10B和

14、和6Li，因为这两种核素，因为这两种核素吸收热中子的截面特别大吸收热中子的截面特别大(10B为为3837b和和6Li为为910b)，而且产生的是，而且产生的是(n，)反应，此反应放出的主要是外照射防护中常可忽略的反应，此反应放出的主要是外照射防护中常可忽略的粒子。虽然粒子。虽然10B吸收吸收热中子后还伴有热中子后还伴有辐射，但其能量很低，易于屏蔽。辐射，但其能量很低，易于屏蔽。 在快中子的非弹性散射和热中子被吸收的过程中，都会产生次级在快中子的非弹性散射和热中子被吸收的过程中，都会产生次级辐射。辐射。对这些对这些辐射仍然可用前述的辐射仍然可用前述的辐射的屏蔽方法进行屏蔽。辐射的屏蔽方法进行屏蔽

15、。在实际的屏蔽设在实际的屏蔽设计中，为慢化快中子已使用了不少中等重量以上的材料，它们对次级计中，为慢化快中子已使用了不少中等重量以上的材料，它们对次级辐射辐射已具有相当的屏蔽能力，因此，屏蔽体在防护中子的过程中往往也足以减弱已具有相当的屏蔽能力，因此，屏蔽体在防护中子的过程中往往也足以减弱或屏蔽掉这些次级或屏蔽掉这些次级辐射。辐射。 187.3.2 减弱规律197.3.3计算宽束中子减弱的分出截面法计算宽束中子减弱的分出截面法原理：原理：通过屏蔽材料的选择使得中子经散射通过屏蔽材料的选择使得中子经散射就很快被吸收，穿过屏蔽层的都是未经相互作用就很快被吸收，穿过屏蔽层的都是未经相互作用的中子。的

16、中子。满足简单的指数规律207.3.3计算宽束中子减弱的分出截面法计算宽束中子减弱的分出截面法 分出截面法的基本出发点在于：分出截面法的基本出发点在于：选择合适的屏蔽材料选择合适的屏蔽材料使得中子在屏蔽层中一经散射便能使得中子在屏蔽层中一经散射便能在很短的距离内迅速在很短的距离内迅速慢化并保证能在屏蔽层内慢化并保证能在屏蔽层内被吸收被吸收。也就是说，那些经历。也就是说，那些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了散射作用的中子被有效地从穿出屏蔽层的中子束中“分出分出”了，使了，使穿过屏蔽层的都是那些在屏蔽层内未经相互作用的中子。在这种情况下，即使是宽束中子，它。在这种情况下，即使是

17、宽束中子，它在在屏蔽层中的减弱屏蔽层中的减弱也能也能满足简单的指数规律满足简单的指数规律。 21屏蔽材料必须满足的条件：屏蔽材料必须满足的条件：（1）屏蔽层足够厚，使得在屏蔽层后面的当量剂量 主要是 由中子束中一组贯穿能力最强的中子的贡献所致。 （2）屏蔽层含像铁、铅之类的重材料，通过非弹性散射将中子能量很快降到1MeV以下；（3）屏蔽层内含有足够的氢，在很短距离内，将中子能量从1MeV降到热能，然后被吸收。22上述条件满足时：上述条件满足时：式中， 、 和 、 分别是设置屏蔽层前、后在辐射场中屏蔽厚度为d处的注量率或当量剂量率； 。drrRedn0B)(dIIReHHn0B宏观分出截面0nn

18、H0H23表7.10 对于裂变中子的宏观分出截面材 料普通土含水10石墨1.54普通混凝土水石蜡聚乙烯铁R，cm-10.0410.07850.0890.1030.1180.1230.1576原子量10，宏观分出截面：58. 021. 0AR247.3.4 计算宽束中子的透射曲线 中子辐射透射系数nn单位中子注量在屏蔽体后造成的剂量当量，单位Svcm2。： 中子透射比 中子减弱倍数nK中子辐射场中某点， 有屏蔽体时的吸收剂量率(或当量剂量率)与没有屏蔽体时的吸收剂量率(或当量剂量率)之比 25计算宽束中子的十倍减弱厚度中子的十倍减弱厚度1/10是使沿入射束方向的中子注量率减少到原来的1/10的屏

19、蔽体厚度。 26 (3)屏蔽中子的常用材料屏蔽中子的常用材料 屏蔽材料的选择和材料厚度的确定应依据辐射防护最优化原则，综合考虑材料的屏蔽性能、结构性能、稳定性能，以及经济成本等几个因素。 根据前面介绍的中子与物质相互作用规律可知，对于几MeV以上的快中子，屏蔽体中必须含有一定数量的原子序数在中等以上的元素，以便通过非弹性散射使快中子能量迅速地降下来。 同时屏蔽材料中也必须含有适当数量的轻元素，尤其是氢。表7.12列出了某些常用屏蔽材料中的含氢量。27有的资料给出8.151022。有的资料给出8.31022。材材 料料化化 学学 组组 成成含氢量，原子含氢量，原子cm-3水水石石 蜡蜡聚聚 乙乙 烯烯聚聚 氯氯 乙乙 烯烯有有 机机 玻玻 璃璃石石 膏膏高高 岭岭 土土92聚乙烯聚乙烯8B4CH2OC30H62（CH2）n（CH2CHCl）n（C4H8O2）nCaSO42H2OAl2O32SiO22H2O（CH2）nB4C6.710227. 8710227.9210224.11022 5.710223.2510222.4210227.681022表7.12 常用屏蔽材料中的含氢量28水：含氢量大，既