-(241)Am-Be中子...紧凑型屏蔽装置及辐照器设计_何德东.pdf

第3 6卷 第1期2 0 2 3年2月同 位 素J o u r n a l o f I s o t o p e sV o l.3 6 N o.1F e b.2 0 2 32 4 1A m-B e中子源紧凑型屏蔽装置及辐照器设计何德东1,龚 克1,陈思远1,史广宇1,景士伟1,2(1.东北师范大学 物理学院,吉林 长春 1 3 0 0 2 4;2.中国原子能科学研究院,北京 1 0 2 4 1 3)摘要:2 4 1Am-B e中子源被广泛用于实验研究,为保护实验人员免受中子及射线照射,需要设计适当的屏蔽。利用蒙特卡罗方法计算中子透射不同材料后的能谱分布与剂量,优选各层屏蔽材料种类与厚度,设计一套2 4 1Am-B e中子源紧凑型屏蔽装置。装置由内而外采用钨+聚乙烯+含硼聚乙烯+不锈钢进行防护,外表面周围剂量当量率H*(1 0)低于1 0S v/h,满足辐射防护要求。同时对装置内部热中子、超热中子和快中子注量分布进行研究,确定装置快中子和热中子输出通道最佳位置。在辐照装置同时开放快中子和热中子通道进行实验测试时,需要设置距离大于1 3 0c m的控制区,以保障操作人员安全。关键词:2 4 1Am-B e中子源;蒙特卡罗方法;周围剂量当量;屏蔽中图分类号:T L 7 7 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-7 5 1 2(2 0 2 3)0 1-0 0 5 5-0 7收稿日期:2 0 2 1-0 7-3 0;修回日期:2 0 2 2-0 5-1 9通信作者:景士伟d o i:1 0.7 5 3 8/t w s.2 0 2 2.y o u x i a n.0 5 8D e s i g no fC o m p a c t S h i e l d i n gD e v i c ea n dI r r a d i a t o rB a s e do n2 4 1A m-B eN e u t r o nS o u r c eHED e d o n g1,G ONGK e1,CHE NS i y u a n1,S H IG u a n g y u1,J I NGS h i w e i1,2(1.S c h o o l o fP h y s i c s,N o r t h e a s tN o r m a lU n i v e r s i t y,C h a n g c h u n1 3 0 0 2 4,C h i n a;2.C h i n aI n s t i t u t eo fA t o m i cE n e r g y,B e i j i n g1 0 2 4 1 3,C h i n a)A b s t r a c t:T h e2 4 1Am-B en e u t r o ns o u r c e i sw i d e l yu s e d i ne x p e r i m e n t a l r e s e a r c h.P r o p e rs h i e l d i n gn e e d s t ob ed e s i g n e dt op r o t e c t e x p e r i m e n t e r s f r o mn e u t r o na n dg a mm ar a d i a-t i o n.T h ee n e r g ys p e c t r u md i s t r i b u t i o na n dd o s ev a l u eo fn e u t r o n st r a n s m i t t e dt h r o u g hd i f f e r e n tm a t e r i a l sw e r ec a l c u l a t e db yt h eM o n t eC a r l om e t h o dt oo p t i m i z et h et y p ea n dt h i c k n e s so fe a c hl a y e ro fs h i e l d i n gm a t e r i a l.Ac o m p a c ts h i e l d i n gd e v i c ef o r2 4 1Am-B en e u t r o ns o u r c ei sd e s i g n e d.T h ed e v i c ep r o t e c t i o na d o p t saf o u r-l a y e rc o m b i n a t i o no ft u n g s t e n+p o l y e t h y l e n e+b o r a t e dp o l y e t h y l e n e+s t a i n l e s ss t e e l.T h ed o s ee q u i v a l e n tr a t eH*(1 0)a r o u n d t h eo u t e r s u r f a c e i s l o w e r t h a n1 0S v/h,w h i c hm e e t s t h e r a d i a t i o np r o t e c t i o nr e q u i r e m e n t s.T h ef l u e n c ed i s t r i b u t i o no f t h e r m a ln e u t r o n,e p i t h e r m a ln e u-t r o na n df a s tn e u t r o ni nt h ed e v i c e i ss t u d i e dt od e t e r m i n et h eb e s to p e n i n gp o s i t i o no ft h e f a s t n e u t r o na n d t h e r m a l n e u t r o no u t p u t c h a n n e l o f t h i sd e v i c e.Wh e n t h e i r r a d i a t i o nd e v i c es i m u l t a n e o u s l yo p e n st h ef a s tn e u t r o na n dt h e r m a ln e u t r o nc h a n n e l sf o re x p e r i-m e n t a lt e s t i n g,i ti sn e c e s s a r yt os e tu pac o n t r o la r e aw i t had i s t a n c eg r e a t e rt h a n1 3 0c mt oe n s u r e t h es a f e t yo f t h ew o r k e r.K e yw o r d s:2 4 1Am-B en e u t r o ns o u r c e;M o n t eC a r l om e t h o d;a m b i e n td o s ee q u i v a l e n t;s h i e l d i n g 2 4 1Am-B e中子源具有体积小、结构紧凑、成本低、操作简单等优点,被广泛应用于教学、科学研究和工业应用领域1-3。2 4 1Am-B e源基于9B e(,n)1 2C反应可发射能量高达1 1 M e V中子,同时伴随发射来自2 4 1Am和1 2C*衰变产生的5 9.5k e V、4.4 3 8M e V射线。因此在符合辐射防护标准下储存和使用2 4 1Am-B e中子源必须对中子和射线进行屏蔽。中子屏蔽不易实现,防护设计时需要考虑材料的经济性、结构性与功能性等因素的影响。传统中子防护装置一般选用石蜡、水等低密度富氢材料进行单层填充屏蔽4,尽管可有效慢化快中子,降低装置表面中子剂量,但对射线的屏蔽能力不足。因此,国内外众多机构对2 4 1Am-B e中子源的屏蔽方案与辐照器设计进行持续优化。近年来,N a s r a b a d i等5设计具有双 中 子 输 出 通 道 的2 4 1Am-B e中子源辐照器。S a n t o s等2采用单层含硼聚乙烯设计科研与教学使用的2 4 1Am-B e中子源辐照器。B e d o g n i等6采用单层高密度聚乙烯设计测试中子探测器的2 4 1Am-B e中子源辐照器。B a l a s u n d a r等7利用2 4 1Am-B e中子源研究不同含硼质量分数聚乙烯的中子衰减特性。S a a d i等8采 用 新 型 屏 蔽 材 料 优 化 了N a s r a b a d i设计的2 4 1Am-B e中子源屏蔽及辐照装置。吴赫等9和王新光等1 0设计石油测井用2 4 1Am-B e中子源紧凑型多层屏蔽装置。可以看出具有多中子输出通道且能满足装置轻量与紧凑性一体化的设计逐渐成为发展趋势。本研究基于东北师范大学辐射技术研究所储存的1C i2 4 1Am-B e中子源,采用MC N P1 1软件计算不同材料的中子慢化和屏蔽效果,以优选材料设计具有多中子输出通道的2 4 1Am-B e源屏蔽装置。考虑到装置的操作人员主要是教师和 研 究 生(年 龄 高 于1 8岁),参 考I C R P-6 01 2将防护目标设置为屏蔽装置表面周围剂量当量率H*(1 0)低于1 0S v/h。该装置主要用于中子活化分析与中子剂量仪器校准,故提出以下设计目标:(1)装置表面周围剂量当量率必须低于1 0S v/h;(2)源中子使用方便,操作人员受辐照风险低;(3)提供多中子输出通道,且热中子通道中尽量降低超热中子、中能中子与快中子通量。1 模拟方法与系统模型1.1 模拟方法2 4 1Am-B e中子源能谱示于图1,中子产额为2.5 1 06n/s,数据来源于G B/T1 4 0 5 5.11 3-1 4。此外2 4 1Am-B e中子源伴随发射5 9.5k e V和4.4 3 8M e V射线。L i uZ h e n z h o u等1 5和A s g h a r等1 6分 别 给 出2 4 1Am-B e中 子 源4.4 3 8 M e V射线与中子发射比分别为0.5 7 50.0 4 8和0.5 9 60.0 1 7。为保守(或安全)设计,本研究选择0.5 9 6比率,即4.4 3 8M e V的射线产额为1.4 91 06s-1。图1 2 4 1A m-B e中子源能谱F i g.1 N e u t r o ne n e r g y s p e c t r u mo f t h e2 4 1A m-B e s o u r c e利用MC N P软 件 进 行 蒙 特 卡 罗 模 拟,2 4 1Am-B e源被模拟为从圆柱体空气室中心发射的各向同性点源。除剂量率计算外,在所有阶段将源模拟为中子源。研究中考虑的热中子、超热中子+中能中子和快中子能量范围分别是:0.5M e V5-6,8。如图2所示,采用I C R P-7 4射线注量-周围剂量65同 位 素 第3 6卷当量转换系数(H*(1 0)/)计算周围剂量当量率1 7。源模 拟 分 为 两 种 模 式,第 一 种 模 式,2 4 1Am-B e源被模拟为纯中子发射,用于估算装置表面中子剂量率及中子与物质作用产生的次级射线剂量率。第二种模式,2 4 1Am-B e源被模拟为4.4 3 8M e V单能光子点源,用于估算装置表面的初级射线剂量率。在模拟中没有考虑2 4 1Am伴随发射的5 9.5k e V射线,因为计算中所采用的屏蔽材料足以将其衰减到可忽略水平。模拟抽样粒子数为11 08,计算结果相对误差保持在0.5%以下。图2 I C R P-7 4中子和光子注量-剂量转换系数F i g.2 I C R P-7 4n e u t r o na n dp h o