不同材料对中子射线的屏蔽效果研究

朱奇健

(福建省辐射环境监督站,福建 福州 350013)

0 引言

随着核科学技术应用的发展,中子在活化分析、照相技术、辐射育种、测井等方面得到了广泛应用[1-3],因此,对中子的防护显得十分重要和迫切。从中子的屏蔽角度而言,中子与物质相互作用可以分为两个过程,首先是快中子与物质发生相互作用,快中子速度降低至热中子,然后是热中子被物质俘获,从而完成对中子的屏蔽[4-5]。在快中子到热中子的作用过程,以及热中子被俘获吸收的过程均会产生次级γ射线。因此,在对中子的防护过程中还需考虑对次级γ辐射的防护。

按照中子的产生方式,常见的中子源可以分为反应堆中子源、加速器中子源、同位素中子源以及等离子体中子源四类[6-7]。考虑到中子能谱的展宽、中子产额,以及产生中子的可控程度等因素,目前科研及实际工作中最常用的是加速器中子源。氘氚(D-T)和氘氘(D-D)聚变反应中子发生器是重要的加速器中子源,可广泛应用于核数据测量、核聚变堆基础研究等方面[8-9]。

从中子屏蔽角度出发,中子与屏蔽体发生相互作用主要是非弹性散射和弹性散射。非弹性散射过程的发生具有阈能,而一般规律是原子核越重,第一激发态能级越低。因此,快中子更易与中等质量数以上的原子核发生非弹性散射损失能量。当中子能量降低到小于非弹性散射阈能时就靠弹性散射来降低能量;在弹性散射过程中,与中子相碰撞的原子核越轻,中子转移给反冲核的能量就越多。因此,中子与氢核发生弹性散射时转移给氢核的能量最多,氢是最好的中子慢化材料。

综上,对于能量在若干MeV以上的快中子的防护,屏蔽体中必须含有一定数量的中等原子序数的元素用来将快中子快速降低至热中子,同时还必须含有一定数量的轻元素对热中子进行吸收。根据以上需求,并结合经济适用性,常见的用于中子屏蔽的材料有混凝土、聚乙烯、石蜡、水[10-11]。本文主要利用以上四种屏蔽材料对D-D中子发生器产生的2.5MeV的中子射线进行屏蔽计算。通过对穿过一定厚度屏蔽层的中子能谱及γ能谱进行模拟分析,评价四种常用材料对中子的屏蔽效果。

1 仿真建模

本文基于蒙特卡洛方法,采用MNCP软件进行建模计算。图1给出了计算中采用的模型,主要包括源项、屏蔽材料、探测器三部分。源项采用常用的D-D中子发生器,产生的中子平均能量为2.5MeV,通量为1×109n/s。屏蔽材料垂直于源项入射方向放置,距离源项50mm,材料为方形板状结构,厚度为50mm,初始尺寸为100mm×100mm×50mm。探测器与屏蔽材料平行放置,置于屏蔽材料后10mm的位置处,尺寸为50mm×50mm×10mm。

图1 仿真建模

仿真建模过程中采用的四种屏蔽材料化学组成或元素组成如表1所示。其中,石蜡、聚乙烯和水给出了完整的分子式,混凝土材料给出了组成元素成分及各元素质量占比。

表1 屏蔽材料的化学组成或元素组成

2 模拟结果及分析

2.1 中子能谱模拟

根据建立的仿真模型,对混凝土、聚乙烯、石蜡和水四种常用的中子屏蔽材料进行计算。图2～图5分别为入射中子能量为2.5MeV时,穿过50mm厚不同屏蔽材料后的中子能谱。

由图2可知,2.5MeV中子经过混凝土屏蔽层后,在2.5MeV附近形成了一个很高的峰,中子通量达到2×107n/s量级,在低于2.5MeV的能量段内未形成其他峰。

图2 经过混凝土屏蔽后的中子能谱

由图3可知,2.5MeV中子射线经过聚乙烯屏蔽层后,出射中子能谱在2.5MeV附近达到峰值,中子通量由入射的1×109n/s减弱到了1×107n/s;在0.025MeV附近也出现了一个较弱的峰,中子通量达到106n/s;低于2.5MeV的其余能量范围内,中子通量基本保持在104～105n/s。

图3 经过聚乙烯屏蔽后的中子能谱

由图4可知,2.5MeV中子射线经过石蜡屏蔽层后,出射中子能谱与穿过相同厚度聚乙烯屏蔽层的中子能谱几乎完全一致,也是在2.5MeV附近达到峰值,在0.025MeV附近也出现了一个较弱的峰;低于2.5MeV的其余能量范围内,中子通量基本保持在很低的水平。

图4 经过石蜡屏蔽后的中子能谱

由图5可知,2.5MeV中子射线经过水屏蔽层后,出射中子能谱与穿过相同厚度聚乙烯、石蜡屏蔽层的中子能谱大致保持一致。在2.5MeV附近形成的峰要稍高于聚乙烯和石蜡的出射中子峰,而在0.025MeV附近形成的热中子峰要稍低于聚乙烯和石蜡的热中子峰。这可能是聚乙烯和石蜡的组成成分均只有C和H,而水的组成成分中有O元素的存在,导致出射中子谱的不同。但水和聚乙烯、石蜡对2.5MeV中子的屏蔽效果没有太大区别,出射中子谱分布保持高度一致。以上结果说明,聚乙烯、石蜡和水这三种材料对热中子的屏蔽效果欠佳,实际应用中可在屏蔽材料中增加适量的10B或6Li等热中子吸收截面较大的核素[12]。

图5 经过水屏蔽后的中子能谱

对比图2～图5可以看出,聚乙烯、石蜡和水对中子的屏蔽效果大致一样,而混凝土对中子的屏蔽效果与其他三种材料差别较大。与聚乙烯、石蜡和水相同的是,中子经过混凝土屏蔽层后,在2.5MeV附近也形成了一个很高的峰,中子通量达到2×107n/s,但该峰值是其他三种材料出射中子峰值的2倍,说明混凝土对中子的屏蔽效果不及其他三种材料。与聚乙烯、石蜡和水不同的是,中子经过混凝土屏蔽层后,在低能部分热中子段(0.025MeV左右)并未形成峰。这可能是由于50mm的混凝土材料对热中子起到了很好的屏蔽作用,在0.025MeV左右未形成热中子峰,而50mm厚的混凝土对快中子的屏蔽效果不及相同厚度的其他三种材料,导致了更多初始能量为2.5MeV的中子穿过屏蔽层。

2.2 γ能谱模拟

对2.5MeV中子经过四种屏蔽材料后的γ能谱进行了仿真模拟,结果如图6所示。

图6 经过混凝土、聚乙烯、石蜡、水四种

由图6可知,经过聚乙烯、石蜡、水这三种屏蔽材料后,中子与屏蔽材料相互作用产生的γ射线在2.23MeV左右形成一个很高的峰,其他能量的γ光子占比很少。而混凝土材料的情况与其他三种材料不同,在2.23MeV附近并未形成γ峰,而是在1.8MeV附近及0.8～1.2MeV能量段内形成多个峰。以上结果说明混凝土材料对较高能量的γ射线有很好的屏蔽作用,将中子与混凝土相互作用产生的γ射线能量从2.23MeV左右降低到了2MeV以下,从而导致在1.8MeV附近及0.8～1.2MeV能量段内形成多个γ峰。

以上结果也说明,石蜡、聚乙烯、水这三种材料单独使用进行中子屏蔽会产生γ辐射危害,在实际的中子源项屏蔽作业必须考虑对次级γ射线的屏蔽。而混凝土虽然在屏蔽中子方面性能不及这三种材料,但在屏蔽次级γ射线方面的能力是优于这三种材料的。因此,在实际屏蔽设计中,可以考虑将混凝土与这三种材料中的一种进行组合,形成组合屏蔽材料,既能满足对中子的有效屏蔽,又能兼顾对次级γ射线的屏蔽。

2.3 多种屏蔽材料组合仿真模拟

通过以上模拟结果分析可知,聚乙烯、石蜡和水三种材料对中子的屏蔽效果基本一致。因此,本文从三种材料中选取了聚乙烯,将聚乙烯和混凝土组合形成新的中子屏蔽材料。

为方便对比,本文控制组合材料总厚度为50mm,改变聚乙烯和混凝土二者的厚度来模拟其出射中子能谱和γ能谱。由于中子经过聚乙烯、石蜡和水这些相对较轻的材料后会形成较强的次级γ射线,而混凝土材料对γ射线的屏蔽效果较佳。因此,选择将聚乙烯置于中子源一侧,混凝土置于探测器一侧,使中子先穿过较轻屏蔽材料后再得到较重的混凝土的屏蔽。出射中子能谱及次级γ射线能谱的具体结果见图7、图8。

由图7可知,在低于2.5MeV的中子能量范围内,随着聚乙烯厚度的增加,出射中子计数率也在逐步增加,在0.025MeV左右,聚乙烯厚度越厚,出射中子计数率增加幅度越大;在2.5MeV的能量下,随着聚乙烯厚度增加,出射中子计数率逐步降低。以上结果说明,聚乙烯材料对中子的屏蔽效果要优于混凝土。

图7 不同厚度组合材料下的中子能谱

由图8可知,随着混凝土厚度的增加,在2.23MeV的能量处形成的γ峰会逐渐降低。而在低于2.23MeV的能量下,随着聚乙烯厚度的增加,其余的峰会逐渐降低。以上结果说明,聚乙烯能降低相对较低能量的γ射线占比,混凝土能降低较高能量的γ射线占比。因此,组合采用聚乙烯和混凝土两种屏蔽材料可以大幅降低次级γ射线的影响。

图8 不同厚度组合材料下的γ能谱

以上模拟结果表明,聚乙烯一类的轻质中子屏蔽材料对中子主束的屏蔽效果优于混凝土,而对与中子相互作用后形成的次级γ射线的屏蔽效果不及混凝土,二者组合使用可以有效屏蔽中子和γ射线对环境及人类的危害。

3 结论

本文基于蒙特卡洛方法,采用MCNP仿真软件,利用2.5MeV的D-D中子源对聚乙烯、石蜡、水、混凝土四种常用中子屏蔽材料的屏蔽性能进行了建模计算,通过对模拟计算结果的分析,得到以下结论:

①聚乙烯、水和石蜡因其密度接近,化学组成成分相近,对2.5MeV中子的屏蔽效果基本一致。聚乙烯和石蜡的组成元素中均只含有C和H,而水中除C和H外还含有O元素,导致屏蔽后的出射中子能谱略有差异。

②混凝土因其化学组成中含有较多的重元素,因此,对2.5MeV中子的屏蔽效果与聚乙烯、水和石蜡不同。出射中子能谱中的热中子占比相对其他三种材料较低,次级γ能谱显示混凝土对γ射线的屏蔽效果要优于其他三种材料。这是因为混凝土中的重元素对次级γ射线起到了充分的屏蔽作用。

③在实际中子源项的屏蔽设计中,考虑混凝土和聚乙烯、水、石蜡中的一种或几种进行组合,可以有效屏蔽热中子及快中子成分。同时,可以很好地对次级γ射线进行屏蔽,减少中子和γ射线对环境及人类的危害。

④使用聚乙烯、水和石蜡对中子源项进行屏蔽时,考虑在材料中加入适量的10B、6Li等热中子吸收截面较大的核素,以实现对热中子的有效屏蔽。