基于硅酸盐钆掺杂的紧凑热中子准直器仿真模拟及性能研究

李 达，刘永德，杨丽芳，郭 靓，刘立坤，周志波

(1.国家核安保技术中心，北京 102401；2.中国原子能科学研究院，北京 102413)

近年来，国内外高度关注核安保工作。国际社会自2010年以来，先后召开了4届全球核安保峰会，均聚焦核材料安全、防核扩散、防核恐怖行为等问题[1]。我国创建核工业60多年来，对核及放射性材料一直实施严格管控，保持着良好的核安保记录。伴随着我国核事业快速发展，核设施建设不断增加，核材料及放射源数量不断增多，核安保风险日益增大。打击非法贩卖和盗窃核材料，加强国境口岸和大型公众活动等核安保技术手段已尤为重要。基于中子与特殊核材料，如铀和钚，发生核反应，对裂变中子进行成像，已逐渐成为一种有效应对被屏蔽核材料非法转运的检测手段[2-5]，其中，基于热中子的检测和成像技术[3-5]，由于热中子与特殊核材料较大的反应截面，具备检测下限低的特点和优势，在核材料非法转运检测方面具有重要应用。为提高该检测和成像系统的热中子通量和空间分辨，需对慢化后的热中子进行准

直。本文提出一种基于含钆(Gd)玻璃纤维面板结构的新型中子准直器，并利用蒙特卡罗方法对其进行仿真模拟，以深入理解其性能和优化设计。

1 新型中子准直器研发

1.1 核材料与热中子的反应

铀、钚易裂变材料吸收1个中子后，复合核处于激发态，发生退激，通过放出γ射线(辐射俘获)或裂变为两个独立原子核放出中子的方式回到稳定态。对其放出的中子总数、双重中子数和三重中子数进行成像，可评估被遮盖容器内核材料的分布、质量等物理性质。表1列出了铀、钚3种易裂变核素的一些核常数(其中，1 b=10-28m2)。

表1 3种易裂变核素的核常数[6]Table 1 Nuclear constant of three fissile nuclides[6]

根据表1所列的铀、钚核材料与中子的反应截面，使用热中子作为铀、钚核材料成像的诱发源，成像效果最好。

传统热中子成像技术大多依托反应堆中子源[7-8]，但由于反应堆中子源建造成本高，实验资源有限[9]，限制了该项技术的快速发展。近年来，加速器中子源技术逐渐成熟，通过慢化加速器产生的快中子可获得品质良好的热中子，因此，基于加速器中子源的热中子成像技术发展迅速[3-5,10-11]，已逐渐成为当前热中子成像的主流技术。

1.2 中子管

中子管为一种便携式中子射线装置，只在开机时产生中子，因此，用其作为被遮蔽核材料成像的放射源，核辐射风险小，且便于核材料中子成像系统的移动使用。使用中子管作为中子源，对隐蔽核材料进行成像具有很高的实用性。商用中子管的一般特征为中子能量14 MeV，中子产额107～109，束斑<20 mm[12]，寿命4 000 h。

为达到较好的裂变材料成像效率，一般需将中子管产生的14 MeV快中子慢化至0.025 eV热中子水平。慢化后的中子准直比差，直接影响中子成像系统的成像质量。为得到高分辨图像，需使用准直器对慢化后的热中子进行准直。

1.3 硅酸盐钆掺杂狭缝型中子准直器

准直器的设计直接影响中子束的特性参数，进而影响成像质量。准直器有很多种，如圆管型、多束圆管型、多束平板型和发散型[13]。在过去几十年中，Soller狭缝型的中子准直器被广泛应用于散射中子的准直[14]。这类准直器的基本思想是将高中子吸收系数的材料与高中子透射系数的材料通过一定的工艺制成一系列的狭缝或阵列。影响该准直器性能的主要参数是高中子吸收材料的吸收率、高中子透射材料的透射率、透射中子的准直性。当高吸收材料和高透射材料固定后，透射材料的长宽比和吸收材料与透射材料的面积比、分布结构是直接影响准直器性能的因素。该类准直器的当前趋势之一是引入高精度的紧凑结构，如硅晶片。

基于此，通过北方夜视公司开发了一种基于硅酸盐钆掺杂的紧凑纤维面板结构，用于热中子准直。该结构的主体由1组皮玻璃与芯玻璃材料不同的纤维玻璃阵列构成，是微通板生产过程中的中间产品，生产成本低。该纤维面板是由芯玻璃和皮玻璃拉制而成。芯玻璃的主要成分是SiO2、B2O3、La2O3等，皮玻璃的主要成分是SiO2、B2O3、Na2O、Cs2O、BaO、Gd2O3、Bi2O3、Al2O3、TiO2。其中，芯玻璃构成材料对于热中子的吸收截面较小，可作为热中子准直器的透射层；而皮玻璃中含有Gd核素，其对于热中子的吸收截面很大，作为准直器吸收层。具体几何尺寸列于表2。

表2 准直器物理参数Table 2 Parameter of collimator

该准直器主要通过皮玻璃中的Gd核素吸收不满足准直比的中子。Gd核素与中子发生的核反应如下：

157Gd+n→158Gd+γ+7.94 MeV

155Gd+n→156Gd+γ+8.54 MeV

2 准直器模拟仿真

使用Geant4程序构建热中子源模型、中子准直器物理模型及计数模型，对该准直器的透射率、均匀性等参数进行计算分析。

2.1 热中子源模型

构建0.4 mm×0.4 mm的平面中子源，出射中子能量设置为0.025 eV。为提高计算效率，缩短计算时间，对中子源发射的中子进行偏倚抽样。设置中子源与准直器相距24 cm，则发射中子在0～actan 0.001 7角度范围内均匀分布，保证中子发射角度覆盖准直器前表面，如图1所示。

图1 中子源与准直器位置Fig.1 Positions of neutron source and collimator

2.2 准直器建模

准直器为重复结构，为减少计算时间，取长1.2 mm、宽1.2 mm、厚1.2 mm的结构单元作为准直器的几何模型。该结构单元包含直径为10 μm的芯玻璃组10 000个(100×100)。芯玻璃间充满皮玻璃材料。计算用几何模型如图2所示。

图2 模拟计算的准直器几何模型的纵向截面(a)和横截面(b)Fig.2 Longitudinal section (a) and cross section (b) of collimator geometric model

由于计算模型中体元较多，计算速度慢。为优化计算，提高计算效率，基于Geant4程序中计算粒子径迹与几何体是否相交的分级计算过程，设计多层嵌套结构(图3)，减少判断次数，在计算10 000个粒子数时，速度提升20倍。

在准直器前、后端设置面探测器，以便得到粒子空间分布与计数的相关信息。在准直器前、后端设置真空探测器单元作为计数区，以便记录中子的位置、方向等信息。

图3 多层嵌套建模示意图Fig.3 Grading function of Geant4

2.3 计算结果

基于建立的模型，计算该准直器皮/芯玻璃材料对中子的吸收与透射、准直器的总透射率以及准直器对中子均匀性的影响。

1) 皮/芯玻璃材料对中子的吸收与透射

图4a为未经准直器的中子分布，横坐标为距准直器模型圆心的距离，纵坐标为中子计数，计数呈连续分布，中心0.0 mm处中子计数为

1.8×104。图4b为经准直器后的中子分布，呈离散分布，离散点均为皮玻璃材质，中心0.0 mm处中子计数为7.0×103。从图4b可看出，经准直器后，皮玻璃处的中子计数基本被降为0，这是由于皮玻璃将散射中子基本完全吸收，准直器中心处的中子计数降至无准直器时的38.89%。

2) 准直器透射率

图5a、b分别为芯玻璃心间距12 μm时准直器前和准直器后的中子计数二维空间分布。由图5可知，无准直器时，中子计数为9 999 999，加入芯玻璃间距为12 μm的准直器后，中子计数降为2 419 812，中子总透射率为24.20%。为评估芯玻璃心间距对准直器透射率的影响，分别计算了间距14、16 μm的中子计数，结果列于表3。

由表3可知，随着芯玻璃心间距的增大，准直器的中子透射率逐渐降低。分析出现这种情况的原因是芯玻璃间隙填充了含Gd的皮玻璃材料。随着皮玻璃材料的增加，Gd核素的含量增加，中子透射率降低。实际应用中可通过调节芯玻璃心间距来优化准直器性能。

图4 准直前(a)和准直后(b)中子分布Fig.4 Neutron distribution at front (a) and behind (b) of collimator

图5 准直前(a)和准直后(b)的中子计数Fig.5 Neutron counts at front (a) and behind (b) of collimator

表3 不同芯玻璃心间距对准直器透射率的影响Table 3 Effect of different distances of core glass on transmittance

3) 中子均匀性

为评估经过该准直器中子分布的均匀性，将准直前后中子矩形平面源区域(0.4 mm×0.4 mm)分为100×100的计数区间，模拟计算每个计数区间的中子数，用颜色深浅表征计数区间的中子计数，得到图6。经计算可知，经该准直器准直后，中子分布方差由6.51×107降为3.72×105，中子均匀度提高175倍。使用经该准直器准直的中子源进行成像，成像均匀性会得到较大提高。

图6 准直前(a)和准直后(b)中子源区域计数分布Fig.6 Neutron uniformity at front (a) and behind (b) of collimator

3 结论与建议

通过对计算数据的分析，得出以下结论。

1) 芯玻璃直径固定为10 μm、芯玻璃心间距为12、14、16 μm时，沿中子入射方向的中子透过率分别为24.20%、17.13%、12.62%。分析准直器中子透过率较低的原因可能有两个：一是皮玻璃材料中Gd含量较高；二是准直器结构的芯玻璃孔隙较小。

2) 当成像中子源固定时，可通过优化芯玻璃心间距改变中子的透过率，进而达到调整中子通量的目的，从而满足成像对比度和曝光时间的要求。鉴于皮玻璃材料较高的中子吸收率，该类准直器更适宜用于高中子通量成像。当中子源中子通量较低时，可考虑加长曝光时间保证成像质量。

3) 从出射中子角度的方差变化量可知，经过准直器的中子源，其离散程度减小至原中子的1/175，均匀性显著提高，成像均匀性可得到较大提升。