孟憲芳 郭廣水 張 龍 秦培中 孫 超 馬慧玲 曾心苗 王連才

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慢化球探測器組合法測試中子屏蔽性能應(yīng)用

孟憲芳 郭廣水 張 龍 秦培中 孫 超 馬慧玲 曾心苗 王連才

（北京市射線應(yīng)用研究中心 輻射新材料北京市重點實驗室 北京 100015）

隨著核技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，中子屏蔽材料得到越來越廣泛的應(yīng)用，而目前國內(nèi)外還沒有測試中子屏蔽性能的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。為了探索一種簡單可行、能夠在較寬中子能量范圍內(nèi)測試材料屏蔽性能的方法，本文對3He正比計數(shù)管、計數(shù)管外包鎘及計數(shù)管外包不同直徑的聚乙烯(Polyethylene, PE)慢化球共12個模型進(jìn)行了MCNP (Monte Carlo N Particle Transport Code)模擬計算，得到一種慢化球探測器組合測試方法，使測試能夠在1×10?5?1.25MeV能量范圍內(nèi)有較一致的響應(yīng)。利用這種方法測試了2cm和4cm厚PE對252Cf中子的透射率，與多球譜儀解譜法得到的結(jié)果在±1.0%內(nèi)相吻合，對幾種材料的測試結(jié)果也符合不同類型材料對中子的屏蔽規(guī)律，證實了這種簡易組合測試方法的可行性。

慢化球探測器，中子屏蔽性能，中子透射率

隨著核能、核技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域的利用，針對中子防護(hù)的屏蔽材料應(yīng)運而生，例如：聚乙烯、含硼聚乙烯、鉛硼聚乙烯、特種混凝土[1]等。中子不帶電，幾乎不和原子的電子相互作用，只能和原子核相互作用，發(fā)生彈性散射、非彈性散射、俘獲反應(yīng)、以及(n,2n)、(n,3n)等多種核反應(yīng)。對于中子屏蔽，在宏觀上表現(xiàn)為被材料吸收一部分中子，透射一部分中子，透射出的中子占總中子的份額，即為材料的中子透射率。中子透射率定義為：

式中：(t)為穿透樣品的連續(xù)譜中子的中子數(shù)；(0)為源中子的中子數(shù)[2?4]。中子透射率可以反映一定厚度的某種屏蔽材料對某中子場的屏蔽性能，為中子屏蔽材料的研發(fā)配方篩選或工程材料的選擇提供參考。測試儀器可以用中子譜儀、中子長計數(shù)器、慢化球探測器[5]等，均要求探測器盡量在較寬的中子能區(qū)內(nèi)有較好的能量響應(yīng)。

通過測試中子能譜，可以在較寬的中子能量范圍內(nèi)較準(zhǔn)確地表征中子透射率。但是要想得到中子場中某一位置的中子能譜，需要用10個慢化球參與測試，測試設(shè)備和解譜方法繁雜。本工作擬通過MCNP (Monte Carlo N Particle Transport Code)模擬計算，篩選兩個合適直徑慢化球分別與3He正比計數(shù)管組合構(gòu)成慢化球探測器進(jìn)行測試，然后將得到的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，既能拓寬中子響應(yīng)能量，又能快速便捷地測試材料中子屏蔽性能。

1 MCNP模擬計算

1.1 模型創(chuàng)建

慢化球探測器由一支3He正比計數(shù)管和10個聚乙烯慢化球組成。慢化球直徑分別為6.35 cm、7.62cm、8.89 cm、10.16 cm、12.70 cm、15.24 cm、20.32 cm、25.40 cm、30.48 cm、38.10 cm，3He正比計數(shù)管為英國Centronic公司生產(chǎn)的SP9球形3He正比計數(shù)管，不銹鋼球殼外徑為33mm，壁厚為0.5mm，內(nèi)充700kPa的3He氣體（氣體成分包括99.95%3He、0.05%4He和120kPa的氪氣）。在測試過程中，在3He正比計數(shù)管外邊分別加不同直徑的聚乙烯慢化球組成慢化球探測器，測試中子產(chǎn)生的累積計數(shù)，所以模擬計算時也是以這樣的方式創(chuàng)建計算模型，如圖1所示。

圖1 MCNP計算模型 Fig.1 MCNP calculation model.

1.2 計算結(jié)果

計算模型包括3He管、3He管包1mm厚鎘片及3He管分別加10個慢化球，共計12種。中子能量從9.441×10?10?18.84MeV細(xì)分為206個能段，利用MCNP程序?qū)Ω鞣N慢化球探測器的中子能量響應(yīng)進(jìn)行模擬計算，中子響應(yīng)曲線如圖2所示。

圖2 慢化球探測器中子能量響應(yīng)曲線 Fig.2 Neutron energy response curves of combined moderation sphere detectors.

由圖2可知，不同模型對不同能量的中子有各自的響應(yīng)曲線，有的偏重低能區(qū)，有的偏重高能區(qū)，在實際測試中就表現(xiàn)為某種探測器對不同能量的中子探測效率不同，在中子能量變化較大的中子場中測試時，就會產(chǎn)生較大的誤差。為了拓寬中子測試能量范圍，假設(shè)對中子場中同一點僅用兩個不同的慢化球探測器分別測試，然后將測試結(jié)果進(jìn)行整合處理得到中子透射率。這種慢化球探測器組合法有可能彌補(bǔ)中子能量響應(yīng)不均衡的缺陷，起到拓寬中子測試能量的作用。利用模擬計算得到的每一種慢化球探測器中子響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩組合，得到新的中子響應(yīng)曲線，圖3中僅列出了4種較典型的響應(yīng)曲線。

由以上4種中子響應(yīng)曲線可知，如果某兩種配合方式對中子的能量響應(yīng)相差太大，組合后就不會得到較平的能量響應(yīng)曲線。圖3(a)、(b)、(c)組合在較寬的能量范圍內(nèi)中子響應(yīng)明顯不同，只有圖3(d)中10.16cm和15.24cm慢化球組合后，在1×10?5?1.25MeV較寬的能量范圍內(nèi)有較平坦的中子響應(yīng)曲線，本實驗就選擇了這種組合方式進(jìn)行實驗測試。

2 實驗

2.1 實驗條件

實驗用252Cf中子源產(chǎn)生裂變中子，中子發(fā)射率為8.8×107s?1。中子源置入由聚乙烯和鉛硼聚乙烯為基材做成的屏蔽體中[6]，在中子源與后端的準(zhǔn)直孔產(chǎn)生中子場，也可以通過在準(zhǔn)直孔中加不同厚度的慢化體形成不同能量的中子場。為了減少中子散射影響，使用輕質(zhì)臺架安置探測器，用影錐體扣除地板、墻壁等周邊環(huán)境產(chǎn)生的散射中子。探測系統(tǒng)所用的前置放大器、高壓電源、單道脈沖放大器和計數(shù)器均為美國阿美特克公司(ORTEC)組合電子學(xué)插件，實驗框圖如圖4所示。

圖4 中子透射率實驗測試框圖 Fig.4 Diagram of neutron transmittance test.

2.2 實驗方法

在上述中子場中，用多球譜儀分別測試無樣品時和加2cm厚PE時的中子場，通過解譜軟件得到上述兩種中子譜，計算PE在1×10?5?1.25MeV的能量范圍內(nèi)的透射率D。然后將3He管分別加10.16cm和15.24cm慢化球得到的測試數(shù)據(jù)整合處理。不加材料時的場強(qiáng)凈計數(shù)分別為01和02，加PE材料時的場強(qiáng)凈計數(shù)1和2。因為探測器計數(shù)為中子累積響應(yīng)相關(guān)量，所以可以假定為：(0)=01+02，(t)=1+2，最后通過式(1)可以得到中子透射率()。

3 結(jié)果與討論

3.1 測試結(jié)果

在252Cf準(zhǔn)直中子場中，不加樣品和加2cm和4cm厚PE樣品時，多球譜儀的解譜結(jié)果如圖5所示，計算1×10?5?1.25MeV的能量范圍內(nèi)PE的中子透射率。利用圖3中4種組合得到的中子透射率結(jié)果分別為a、b、c和d，分別與進(jìn)行比對，結(jié)果如表1所示。同時，利用圖3(d)慢化球探測器組合方法測試了鐵(Fe)、含硼聚乙烯(B-PE)、鉛硼聚乙烯(Pb-B-PE)等幾種相同厚度材料的中子透射率，如表2所示。

表1 中子透射率測試結(jié)果比較 Table 1 Comparison of neutron transmittance test results.

3.2 討論

由表1可知，在1×10?5?1.25MeV能量范圍內(nèi)，慢化球組合法測試的PE的中子透射率與多球譜儀在±1.0%以內(nèi)相吻合，說明通過慢化球探測器組合法測試中子透射率，可以拓展對中子的能量測試范圍。另外，從中子屏蔽機(jī)理來講，氫元素主要通過彈性散射慢化中子，鉛和鐵元素主要通過非彈性散射慢化中子，且前者更容易使快中子損失能量，10B元素對低能中子有較大的吸收截面[7?8]。從表2測試的相同厚度不同材料的中子透射率來看，含硼聚乙烯對中子的屏蔽效果最好，鉛硼聚乙烯中由于添加了高原子序數(shù)的鉛元素，中子屏蔽能力會有所下降，F(xiàn)e元素中子屏蔽效果最差，符合材料對中子的屏蔽性能規(guī)律。

4 結(jié)語

通過MCNP模擬計算與多球譜儀實際測試比對，說明利用慢化球探測器組合法能夠拓寬對中子的能量響應(yīng)范圍，可以較便捷地使探測效率在較寬的能量范圍內(nèi)保持一致，提高中子透射率測試的精確度。通過對幾種常見材料的中子屏蔽性能實測比較，說明這種慢化球探測器組合法可以在更寬的中子能量范圍內(nèi)評價材料對中子的屏蔽性能。

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Neutron shielding property test with combination detection method based on moderation sphere detectors

MENG Xianfang GUO Guangshui ZHANG Long QIN Peizhong SUN Chao MA Huiling ZENG Xinmiao WANG Liancai

(Beijing Research Center for Radiation Applications, Beijing Radiation Materials Key Laboratory, Beijing 100015, China)

Background: With the development of nuclear technique, neutron shielding materials have been used widely in many fields. Up to now, there is still no standard test method for neutron shielding property both at home and abroad. Purpose: This study aims to find an easy and feasible way to test the shielding effectiveness of materials in a wide range of neutron energy. Methods: Models for3He proportional counter cooperating together with polyethylene (PE) moderating spheres of different diameters were calculated using MCNP (Monte Carlo N Particle Transport Code) and the neutron transmittance of some materials was tested. Results: The combination detection method by using moderating sphere detectors has consistent response in a wide range of neutron energy from 1×10?5MeV to 1.25MeV. The article tested the neutron transmittance of 2cm- and 4cm-thick PE plates for252Cf neutrons. The results coincide with multi-sphere spectrometer within ±1.0% and the ordinary shielding rules of different type materials for neutrons. Conclusion: The method is validated to be feasible and simple to neutron shielding.

Moderation sphere detector, Neutron shielding property, Neutron transmittance

MENG Xianfang, male, born in 1972, graduated from Guangxi University with a master’s degree in 2009, major in nuclear technology applications

TL816.3

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.050201

孟憲芳，男，1972年出生，2009年于廣西大學(xué)獲碩士學(xué)位，原子核物理專業(yè)

2016-01-15，

2016-03-17