钨、镍组合及钨镍合金的辐射屏蔽性能模拟

韩仲武 栾伟玲 韩延龙 张 衍 吴国章

钨、镍组合及钨镍合金的辐射屏蔽性能模拟

韩仲武1栾伟玲1韩延龙1张 衍2吴国章2

1（承压系统与安全教育部重点实验室，华东理工大学 机械与动力工程学院 上海 200237）2（华东理工大学 材料科学与工程学院 上海 200237）

核救灾机器人对核事故现场救援和灾后处理具有重要意义，而核救灾机器人的电子器件易因受γ射线照射而失效，材料屏蔽的方法可提高电子器件的耐辐射性能。本文综合考察了Ni-W、W-Ni及钨镍合金三种复合结构模型的屏蔽性能。采用蒙特卡罗方法分别计算了不同材料厚度、元素体积比和屏蔽层数下三种模型的γ射线透射能谱。结果发现：采用Ni-W或钨镍合金方式的屏蔽效果较好，特别是在低能范围(0−0.6 MeV)优势更加明显。钨含量增加后三种模型的屏蔽结果趋近。同时，层数变化和辐照源为单向面源或单向点源对屏蔽结果影响不大。

γ射线，屏蔽材料，蒙特卡罗方法

核事故中的γ射线具有很强的穿透能力，极易使电子器件发生电离损伤导致器件性能产生不可恢复的失效[1]。在核环境中，对辐射敏感的材料和器件进行屏蔽性保护是提高电子系统工作可靠性的有效方法。常用的屏蔽γ射线的材料为铅，然而铅有毒性、不耐高温、机械强度低。某些复合材料具有较高的机械强度、能屏蔽多种射线，可成为很好的替代铅的辐射屏蔽材料。对γ射线的屏蔽性能参数一般通过实验测试或者计算机模拟得到。然而实验方法受限于实验室的条件参数，且高辐射剂量时的测试成本高。基于蒙特卡罗(MC)方法的MCNP[2]程序可以对材料的屏蔽参数进行模拟计算，既可节省制作材料和实验的物质和时间成本，又能迅速建立筛选材料的方案，提高工作效率。

复合材料具有结合各种基体材料的优越性、实现综合性能提升的优点。目前对于材料组合屏蔽已有一些研究结果，例如：林卿等[3]建立了Pb-Fe和Fe-Pb的模型，得到了重轻元素组合优于轻重组合的结论，与传统理论[4]相反。陈辛[5]通过实验方法将钨、镍合金与铅的屏蔽性能作对比，发现钨、镍合金对γ射线的吸收远高于传统屏蔽材料铅，而且在同样的屏蔽效果下，钨镍合金的厚度仅为铅的2/3。Ivanov[6]制备了钨硼聚乙烯复合材料，随着钨和碳化硼的含量增加，复合材料屏蔽性能提高，抗拉强度和弹性模型都有所增加。

文献检索表明，钨和镍都具有较好的γ射线屏蔽性能。本文旨在对比研究钨镍组合及合金的屏蔽性能差异，建立镍前钨后、钨前镍后及钨镍合金三种材料组合模型，通过三种模型的透射率和透射能谱获得材料的屏蔽性能。研究结果对于指导屏蔽材料的选材和结构设计具有指导意义。

1 模型建立

本文使用商业软件MCNP4C，采用单能同向2cm×2 cm面源γ射线垂直入射到20 cm×20 cm的长方体平板上，记录透过平板后的射线数，计算得到透射率、透射能谱。由于核事故产生的γ射线能量0−1.48 MeV不等[7]，本文选取1 MeV作为射线的平均强度，并采用单能同向点源和面源作为辐射源的对比。模拟时每次γ射线数设为108个。三种屏蔽结构及透射性能计算如图1所示，由面源发射同向γ射线，计算透射到材料后面的γ射线数，即可得到透射率。由于放射源与材料之间设置为真空，光子在入射材料之前不会发生任何效应，故放射源与材料之间的距离对计算结果无影响。

选用三种屏蔽材料模型：模型1为镍前钨后(Ni-W)组合，即Ni靠近辐射源，W在Ni后面。模型2为钨前镍后(W-Ni)组合，即W靠近辐射源。模型3为钨镍合金(Alloy)。三种模型中W和Ni的体积比从1:1变化到5:1，对应钨镍合金密度分别为14.1 g·cm−3、15.8 g·cm−3、16.7 g·cm−3、17.3 g·cm−3、17.6 g·cm−3。模型1、2中钨层的密度为19.35g·cm−3，镍层密度为8.9 g·cm−3。三种模型的断面尺寸均为20 cm×20 cm，总厚度为1 cm (表1)。

图1 蒙特卡罗计算模型(a)及三种屏蔽结构模型(b)的示意图Fig.1 Schematic diagram of simulation models (a) and three shielding models (b).

表1 三种模型的钨、镍材料厚度（总厚度为1 cm）Table 1 Thickness of W, Ni layer in three models (total thickness for each sample is 1 cm).

2 透射率计算结果

图2显示光子入射到三种模型后透射率计算结果。当W和Ni的体积比为1:1时，W-Ni组合的透射光子数(图2(a))最多，即入射能量与光子数相同的情况下，透射率越大，屏蔽效果越差。Ni-W组合和Alloy的屏蔽效果相差不多。为证明上述结论的普适性，模拟了W、Ni体积比从2:1−5:1的透射率，如图2(b)−(e)所示，得到了相近的结果：三种模型中W-Ni组合透射率最大，屏蔽效果最差，Ni-W组合屏蔽效果稍好于Alloy。

图2 1 MeV能量光子入射后三种模型的透射率比较 (a−e) W:Ni的体积比分别为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1Fig.2 Transmission of three models under 1 MeV photon. (a−e) Volume ratios of W and Ni are 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1.

针对Ni-W组合和W-Ni组合开展进一步对比研究。设K为(Ni-W组合透射率)/(W-Ni组合透射率)。K值越小，则材料的透射光子数之比越大，屏蔽性能相差越大。从图3可见，当体积比保持不变时，材料总厚度增加，K值减小。以体积比1:1为例，厚度为0.5 cm时，K为0.975；厚度为3 cm时，K为0.799，即模型厚度越大时，采用Ni-W组合的屏蔽性能优势越明显。当两种模型厚度相同时，随着体积比增大，K值减小。以总厚度3 cm为例，体积比为1:1时K为0.799，体积比为5:1时K为0.898。即W、Ni体积比越大，Ni-W组合与W-Ni组合的屏蔽性能差距越小。故轻质的材料靠近辐射源，重质的材料远离辐射源，这样的组合方式更有利于提高屏蔽效果。

保持W、Ni体积比为1:1，建立了Ni-W重复排列为4、8和16层的模型，并将多层模型和模型3进行对比研究，结果示于图4(a)。图4(b)中计算了总厚度分别为1.0 cm、1.5 cm和2.0 cm时不同层数Ni-W模型及Alloy的透射率。研究结果发现层数变化对透射率的影响很小。

图3 不同体积比的Ni-W组合与W-Ni组合的K值变化情况Fig.3 K value of Ni-W and W-Ni combination of different volume ratio.

图4 Ni-W组合及合金透射率随厚度(a)和层数(b)的变化情况Fig.4 Relation between transmission and thickness (a) and number of layers (b) of Ni-W combination and alloy.

3 透射能谱分析

3.1 辐射源为面源

透射能谱是指经过屏蔽材料后透射出的光子的能量分布，通过透射能谱可直观得到不同能量范围内光子的数量分布，从而针对射线谱的情况进行材料的组合设计，提高防护能力。本文分别模拟了体积比和辐射能量变化时的透射能谱。图5为1 MeV光子入射后W、Ni体积比为1:1，模型厚度分别为1 cm、2 cm、3 cm、4 cm的透射能谱。可见，屏蔽材料厚度增加对能谱图变化趋势影响甚小。图5中左侧波峰(0.059−0.069 MeV)对应的能量为W的特征X射线。相同厚度的材料中，虽然W-Ni组合中W的弱吸收区（特征X射线能量范围）得到了补偿，但W-Ni组合的康普顿坪(0.08−1 MeV)要明显高于Ni-W组合和Alloy。可能由于Ni-W组合中W在后层可以有效地吸收Ni中散射出的低能光子，而合金中W、Ni平均分布的形式也使W能吸收部分从Ni中散射出的光子。若Ni在后层，Ni对散射光子吸收能力差，导致不能有效吸收W中散射出的光子，这是W-Ni组合透射率大、屏蔽性能差的原因。

图5 不同厚度三种屏蔽模型的透射能谱 (a) 1 cm，(b) 2 cm，(c) 3 cm，(d) 4 cmFig.5 Energy spectrum of three models with different thicknesses of 1 cm (a), 2 cm (b), 3 cm (c), 4 cm (d).

图6 考察了三种模型W、Ni体积比分别为2:1、3:1、4:1、5:1的透射能谱。与图5相似，随着W、Ni体积比增加，W-Ni组合与另外两种模型透射率之差减小，即三种模型的屏蔽性能差距减小。为量化结果，计算了三种模型W、Ni体积比分别为1:1、3:1、5:1的总透射率和透射光子能量在0.1−0.2 MeV内的数量，结果列于表2。在该能量范围内，W、Ni体积比为1:1时，Ni-W组合透射光子数是W-Ni组合的12%，3:1时为23%，5:1时为33%。对应上述体积比，合金材料透射光子数分别是W-Ni组合的13%、26%和37%。说明随着复合材料中W含量的增加，三种模型透射光子数的差距减小，屏蔽性能趋近。可见，对于γ射线来说，重金属元素W对于屏蔽效果起着决定性的作用。

表2 不同W、Ni体积比三种模型的透射光子数对比（归一化后）Table 2 Transmission comparison of three models with different volume ratios.

图6 W、Ni体积比不同时三种屏蔽模型的透射能谱 (a) 2:1，(b) 3:1，(c) 4:1，(d) 5:1Fig.6 Energy spectra of three models with different volume ratios of 2:1 (a), 3:1 (b), 4:1 (c), 5:1 (d).

3.2 辐射源为点源

将γ射线源改为单向点源，建立与面源相同的模型，模拟结果如表3所示。结果表明：使用单向点源和单向面源对模拟结果几乎无影响。点源与面源透射光子数最大的差别出现在厚度为2.5 cm的Ni-W组合中。二者透射率分别为0.216和0.215，仅相差0.47 %。虽然源的形式不同，但MCNP运算过程中是逐一跟踪单个光子的运动，即点源和面源放射出的光子与材料发生各种效应（光电效应、康普顿效应、电子对效应）的概率是相同的。故模拟屏蔽材料透射率和透射能谱时采用两种放射源均是可行的。

3.3 屏蔽效果分析

三种模型的对比研究发现：采用轻-重元素组合或合金的方式对γ射线的屏蔽效果较好。合金的力学性能通常优于组合屏蔽，但合金的加工成本高、工艺复杂，制备材料的投入成本往往较大。因此，轻-重材料复合的方式显然更有优势。由于层数变化对屏蔽性能的影响极小，因此从节约成本和减少工艺复杂性的角度考虑，可以采用单层复合的结构。

表3 点源与面源作为辐射源的透射率对比（W、Ni两种材料的体积比为1:1）Table 3 Transmission comparison of point source and disc one (volume ratio of W and Ni was kept as 1:1).

4 结语

本文建立了Ni-W组合、W-Ni组合及W-Ni合金三种γ射线屏蔽材料模型，分别计算了厚度、体积比和层数不同情况下各模型的透射率和透射能谱，对比研究了它们的屏蔽性能，发现Ni-W组合的屏蔽性能最好，合金次之，W-Ni组合最差，说明轻-重元素组合屏蔽效果优于重-轻元素组合屏蔽的方式。对比三种模型透射能谱发现W-Ni组合的康普顿坪高于其余两种模型，高出能量范围集中在0−0.6 MeV，这是其屏蔽性能略差的原因。随着钨含量的增加，W-Ni组合的屏蔽效果趋近于Ni-W组合。Ni-W模型层数变化的研究发现层数增加对屏蔽性能的影响不大。

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7 樊明武. 核辐射物理基础[M]. 广东: 暨南大学出版社, 2010

FAN Mingwu. The foundation of nuclear radiation physics[M]. Guangdong: Jinan University Press, 2010

CLC TL77

Simulation study on radiation shielding capability of tungsten nickel combination and their alloys

HAN Zhongwu1LUAN Weiling1HAN Yanlong1ZHANG Yan2WU Guozhang2
1(Key Laboratory of Pressure System and Safety, Ministry of Education, School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)
2(School of Materials Science and Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

Background: Nuclear disaster rescue robots are of earnest desire for on-site rescue and post processing. The electronic devices of robots are quite sensible to operation condition, which could be suddenly destroyed by the γ-ray. Shielding is one of the effective methods that can enhance the anti-radiation properties of the protected content. Purpose: This paper sets up three types of combination models, W-Ni, Ni-W and their alloys, aiming at the protection effect towards γ-ray. Methods: The transmission and energy spectrum under γ-ray were simulated on the models with various thicknesses, W:Ni volume ratios and layer numbers based on Monte Carlo method. Results and Conclusion: Ni-W and alloys showed better shielding performance than the W-Ni, especially at short wave range (0−0.6 MeV). The increase of W amount weakened the difference among the three models. Less variation was found with layer numbers and the unidirectional disc source or point one.

γ-ray, Shielding materials, Monte Carlo method

TL77

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.010204

国家重点基础研究发展计划(No.2013CB035505)资助

韩仲武，男，1987年出生，2010年毕业于东北石油大学，现为华东理工大学硕士研究生，研究方向为辐射防护

栾伟玲，E-mail: luan@ecust.edu.cn

2014-08-17，

2014-11-01