(n,γ)反应实验研究中的中子屏蔽设计

用射线全吸收型装置(Gamma-ray Total Absorption Facility,GTAF),可以对中子俘获反应截面进行高精度测量。为了降低实验本底,实验中需要对源中子进行准直和屏蔽,还要对被样品散射的中子进行吸收以减少它们进入探测器后所形成的干扰。采用MCNP对中子的准直器、屏蔽体和中子吸收体进行了模拟设计,中子准直屏蔽体材料选用含硼聚乙烯(BC4 的质量分数为3%) 和铅。准直孔直径为13 mm,长度为500mm,经准直后样品处中子束斑坪顶直径为21 mm。中子吸收体材料选用聚乙烯和碳化硼,吸收体球壳内腔半径30 mm,聚乙烯壳层厚度60 mm,碳化硼壳层厚度10 mm,被样品散射的中子经吸收体后衰减93.7%。Neutron capture cross section can be measured by Gamma-ray Total Absorption Facility (GTAF) with high precision. To reduce the background of experiments, the neutron source must be collimated and shielded, and the neutrons scattered from the sample must be absorbed to minimise interference after they go into the detector. The shield, collimator and absorber were simulated and designed with MCNP code. Boron-ontainingpolyethylene with 3% BC4 and lead are used as the materials for the neutron collimator and shield. The diameter of the collimating aperture is 13 mm, and the length of the collimator is 500 mm. After being collimated, the diameter of neutron beam plateau at the sample position is 21 mm. The neutron absorber is made of polyethylene and BC4, and the thickness of polyethylene shell and BC4 shell are 60 and 10 mm, respectively. The simulated result shows that neutrons scattered from the sample can decay 93.7% through the neutron absorber.     

氧化镁中子过滤器研究

核电厂反应堆乏燃料水池格架材料在生产和使用过程中需要对其中子吸收性能进行监测和检测,针对这两方面需求,研制了乏燃料水池格架B₄C＿Al材料的中子吸收性能检测设备。为了降低检测过程中超热中子本底的影响,考虑采用氧化镁超热中子过滤器滤除超热中子。对10和5 cm氧化镁单晶的中子透射率与宏观总截面进行了理论计算,对慢化体表面中子成分进行蒙特卡罗模拟计算并开展实验测量。实验结果表明,10 cm氧化镁对采用8 cm聚乙烯慢化后的²⁵²Cf中子源的中子透射率为60.16%,相对镉比值比未加10 cm氧化镁时提高了93.85%,证明常温下采用氧化镁单晶做B₄C＿Al检测装置的超热中子过滤器是可行的。     

铝基碳化硼材料中子屏蔽性能的蒙特卡罗模拟

采用蒙特卡罗方法, 运用MCNP4C程序研究了碳化硼含量20%–40%、中子能量200 eV–15 keV、材料厚度0.3–2 cm对B₄C/Al复合材料中子屏蔽性能的影响. 结果表明: 碳化硼含量与中子透射系数呈一次线性下降关系; 同含量的碳化硼, B₄C/Al材料的中子屏蔽效果要大大优于聚乙烯碳化硼材料; 在等厚度条件下, 模拟试样B20等的中子屏蔽效果要优于水、铜、混凝土等常规屏蔽材料; 材料厚度与中子透射系数呈指数下降关系, 且单位厚度的增加对中子透射系数改变很大; 含硼量对热中子透射系数影响很大; 在热中子能区, 中子每单位能量的变化对中子透射系数改变较大; 在慢中子能区, 中子每单位能量的变化对中子透射系数改变很小. 关键词： 中子透射系数 蒙特卡罗 铝基复合材料 碳化硼     

乏燃料贮运用铝基碳化硼复合材料的屏蔽性能计算

采用蒙特卡罗方法, 利用MCNP程序计算了在中子能量为0.5–20 MeV, ²³⁵U核热中子裂变源条件下, 厚度为3–9 cm、碳化硼含量5%–15%的铝基碳化硼复合材料在空气、水、200–1400 ppm (1 ppm=10^-6) 硼酸溶液介质中的中子透射系数. 结果表明: B₄C/Al复合材料的透射系数随碳化硼含量和材料厚度的增加而减少, 随中子能量的升高而增大, 而硼酸浓度的改变对中子透射系数影响不大. B₄C/Al复合材料在水中比硼酸中更能发挥其屏蔽效果, 在空气中屏蔽特性显现出“反转”现象, 中子能量高于5 MeV时透射系数几乎没有变化. 在裂变源条件下的B₄C/Al复合材料中子透射系数均比稳定源20 MeV 低. 介质的中子屏蔽效果是硼酸溶液>水> 空气, 水介质的中子透射系数与介质厚度呈指数下降关系, 裂变源和稳定源条件下分别近似为e^-0.71x和e^-0.669x, x为厚度(cm). 关键词： 蒙特卡罗 乏燃料设备 中子吸收材料 4C/Al')" href="#">B₄C/Al     

B4C_Al材料中子吸收性能检测设备研制

当前基于燃耗信任制的乏燃料密集贮存方式,对乏燃料水池格架中子吸收材料的可靠性和有效性,都提出了更高的要求。在格架材料生产和使用过程中需要对其中子吸收性能(硼含量)进行无损检测和监测,针对这两个方面的需求,我们研制了核电厂乏燃料水池格架B₄C_Al中子吸收材料检测设备。该检测设备主要由中子源(3枚252Cf放射源)、中子探测器(10个锂玻璃组成的探测阵列)、中子屏蔽准直和慢化系统等组成,通过测量中子透射率来推算待测样板上各个测量点的10B面密度,从而达到对于乏燃料水池贮存格架材料B₄C_Al合金硼含量的无损检测。使用该套设备进行了两种B₄C_Al合金20 cm×30 cm悬挂样片的检测,结果可靠。该B₄C_Al材料中子吸收性能检测设备为国内首创,推动了我国含硼中子吸收材料的无损检测研究,能为核电厂乏燃料水池的临界安全监测提供有力保障。     

HL-2A中子相机屏蔽系统模拟

利用蒙特卡罗模拟程序,建立了HL-2A中子相机蒙特卡罗粒子输运(MCNP)物理模型,对D-D聚变中子和γ射线的屏蔽进行了模拟计算。对石蜡碳酸锂混合物、聚乙烯、铅和316L不锈钢4种常用中子慢化吸,收剂组成的屏蔽层材料的屏蔽效果进行了对比。计算结果表明,石蜡碳酸锂混合物和铅组合是中子相机的最佳屏蔽层材料,其中石蜡碳酸锂混合物用于慢化吸收中子,铅用于屏蔽中子和γ射线。此外,利用MCNP模拟计算得到了屏蔽中子和γ射线所需的屏蔽厚度,以及准直管的中子散射率。     

241Am-Be中子参考辐射的蒙特卡罗模拟研究

研究用于校准场所中子剂量监测仪表的241Am-Be中子参考辐射场计量特性。采用蒙特卡罗方法模拟了空气自由中子参考辐射(FRNR),GB/T 14055规定的最小尺寸中子参考辐射(SRNR)和实际中子参考辐射(ARNR)中不同检验点处中子周围剂量当量率、散射中子占比和能谱分布特征。研究结果表明,空气对FRNR中的剂量率和能谱分布影响小,近似为理想中子参考辐射;采用5%含硼聚乙烯作屏蔽的最小尺寸SRNR可减少热中子,降低散射中子占比,影锥法不适用于小尺寸中子参考辐射中对散射中子的修正;ARNR中的散射中子更少、占比更低,影锥法所得散射中子占比与理论值基本一致。     

无损检测用15MeV电子直线加速器主束内光中子剂量的测量与MC模拟计算

通过实验和模拟计算研究了无损检测用15MeV电子直线加速器X射线主束内的中子剂量. 加速器采用了铜复合靶和钨加含硼聚乙烯的屏蔽结构, 能够有效地减少光中子的产生, 中子产额在1/1000n/γ以下. 但由于主束内光子剂量很大, 中子的绝对强度也不容忽视. 针对加速器周围强X射线脉冲辐射场的特点, 采用了被 动型的中子剂量测量方法, 加速器正常工作情况下, 使用CR-39片和双电离室测量了等中心处中子对X射线的剂量当量比率, 分别为0.19mSv/Gy X-ray和0.060mSv/Gy X-ray. 利用MCNP5模拟计算了实验相应点的中子对X射线的剂量当量比率, 为0.092mSv/Gy X-ray, 与实验测量结果在数量级上一致. 加速器主射束上D_n/D_γ<1/1000,小于辐射防护标准对中子泄漏剂量的规定值, 从而验证了屏蔽结构的安全性.     

聚乙烯和铝组合壳体的反照中子测量

在聚乙烯和铝组合壳体上测量反照中子，检验数值模拟计算方法和程序。建立了3种组合装置，即等厚聚乙烯壳和铝壳组合，不等厚聚乙烯壳和铝壳组合，铝壳。D-T聚变中子由K-400中子发生器产生。中子屏蔽体由铁和含氢慢化吸收体组成。采用铀核裂变法测量反照中子。中子探测器为小型平板贫化铀和浓缩铀裂变室。探测器放在屏蔽体后面的铁球壳水平赤道方向上的不同测点上测量。贫化铀中的^235U同位素采用迭代方法扣除。实验大厅的散射中子本底采用实验屏蔽法和数值模拟计算结合的方法扣除。     

基于蒙特卡罗方法的中子屏蔽材料设计

基于蒙特卡罗粒子输运程序MCNP,设计了一种强度高、密度低、具有优异中子屏蔽性能的新型玻璃纤维/B4C/环氧树脂复合材料,模拟计算了镅-铍（Am-Be）中子源产生中子对该材料的透射率;研究了该材料的中子屏蔽性能与传统屏蔽材料的差异以及不同B4C质量分数对该材料的屏蔽性能影响;根据模拟结果分析了该材料对不同能区中子（慢中子、中能中子、快中子）具有的不同屏蔽性能。研究发现:B4C质量分数为10%的该种新型玻璃纤维/B4C/环氧树脂复合材料的中子屏蔽性能,尤其是慢中子屏蔽性能较传统的含硼聚乙烯和Al-B4C合金材料更为优异;但随着B4C质量分数的增大,屏蔽性能提升不明显。结果验证了蒙特卡罗方法用于中子屏蔽材料优化设计的可行性。     

反应堆235U裂变源辐射防护材料的优化设计

以热中子反应堆²³⁵U裂变源为辐射源,利用MCNP程序对其能谱进行模拟并研究其辐射防护,结果表明对²³⁵U裂变源所发射的能量高于3MeV的瞬发中子,重金属具有良好的屏蔽效果,而对于能量低于1MeV的中子,轻氢材料的防护效果更好;W/LiH,W/B₄C,TiH₂/W三种复合材料当质量比满足：W：LiH=19：1,W：B₄C=9：1,W：TiH₂=3：1时材料的屏蔽效果最佳;通过遗传算法结合MCNP模拟,得到W/TiH₂/B₄C,TiH₂/Cu/Gd,TiH₂/B₄C/Gd三种复合材料的最优组分配比,源每次裂变产生的粒子穿过这三种材料后在等效组织中造成的剂量当量率（10^-11Sv·h^-1）与材料厚度呈指数下降关系,三种材料分别可近似为1.071exp（-0.187 8x）,1.077exp（-0.166 2x）和1.608exp（-0.171 9x）,x为材料厚度（cm）.     

2.45 MeV小型D-D中子管准直屏蔽结构设计

为获取小角度出射的单能中子源,采用蒙特卡罗软件对小型D-D中子管产生的能量为2.45 MeV的4立体角中子源进行了准直屏蔽结构设计。准直屏蔽结构分为准直器和捕获穴,准直器采用铁+含硼聚乙烯+铅的三层过滤结构,用于屏蔽照射野外杂散中子,捕获穴主要功能是增加反方向中子的弹性散射次数,从而降低出射束低能散射中子的比例。通过MCNP模拟得到了准直器各层材料的最佳厚度和出射孔尺寸以及捕获穴最佳结构。经验证,中子照射野处2.45 MeV的中子通量比照射野外大三个量级,中子照射野处低能中子通量比2.45 MeV的中子通量低一个量级,墙壁外总剂量率（中子+）在2.5 Gy/h以下。该研究对于小角度单能中子源的快速获取具有一定的实用价值,获取的中子源可用于中子剂量仪器有效性检验、中子监测仪性能测试等方面的研究。     

基于D-T紧凑型中子源的快中子照相准直屏蔽体设计及中子束特性模拟研究

中子照相是一种重要的无损检测技术,它能用于火工产品、毒品和核燃料元件等的检测。基于紧凑型D-T中子发生器,完成了一个用于快中子照相的准直屏蔽体系统（BSA）的物理设计。根据D-T中子源的能谱和角分布建立了中子源模型,采用MCNP4C蒙特卡罗程序,模拟了准直屏蔽体系统中中子和γ射线的输运,准直中子束相对于单位源中子的中子注量可以达到9.30×10-6 cm-2,准直中子束中主要是能量大于10 MeV的快中子;在设置的样品平面直径14 cm的照射视野范围,准直束中子注量的不均匀度为4.30%,准直束中中子注量与γ注量的比值为17.20,中子通量和中子注量比值J/Φ为0.992,说明准直中子束有好的平行性;准直屏蔽体外的泄露中子注量率与准直束中子注量率相比降低了2个量级。所设计的准直屏蔽体能满足快中子照相的要求。Neutron radiography is an important nondestructive testing technique. It can be used to detect the explosive devices, drug and the nuclear fuel element, etc. A beam-shaping-assembly (BSA) based on a compact D-T neutron generator is designed for fast neutron radiography in this paper. D-T neutron source model is constructed based on the neutron energy spectrum and angular distribution data. The transportation of neutron and γ-ray in the BSA is simulated using MCNP4C code. The neutron fluence of the collimated neutron beam with respect to the neutron source of the unit source is 9.30×10-6 cm-2. The collimated neutron beams is mainly fast neutrons with energies greater than 10 MeV. In the irradiation field range with a diameter of 14 cm, the neutron fluence uniformity of the collimated beam is 4.3%, the ratio of the neutron fluence to the gamma fluence in the collimated beam is 17.20, and the neutron flux and the neutron fluence ratio (J/Φ) is 0.992 which indicates that the collimated neutron beam has good parallelism. The leakage neutron fluence in outside of BSA is two orders of magnitude lower than that of the collimated neutron beam. The designed BSA can meet the need of fast neutron radiography.     

用于BNCT-SPECT的帕维亚TRIGA MARK II反应堆热柱优化设计

针对坐落于意大利帕维亚大学的TRIGA Mark II反应堆热柱结构进行优化设计,从而满足面向硼中子俘获治疗(BNCT)的单光子发射计算机断层成像(SPECT)研究要求。为提高计算效率并减小统计误差,对比分析使用SSW/SSR方法与直接使用反应堆为源项时热柱内照射位置处中子能谱,其结果基本一致,从而验证了SSW/SSR方法的可靠性。为在该反应堆开展BNCT中SPECT实验,热柱中子束需准直为笔形束。对比分析四种热柱优化方案下束流口处及探测器处热中子和光子通量:40 cm长石墨(射束口5 cm3 cm);0.5 cm厚硼包裹40 cm长石墨(射束口5 cm3 cm);30 cm长天然锂聚乙烯(射束口直径4 cm);30 cm长天然锂聚乙烯(20 cm长射束口直径5 cm,5 cm长射束口直径4 cm,5 cm长射束口直径2 cm)。结果显示,射束口处热中子通量分别为1.05108,2.52107,6.08107和5.10 107 #/(cm2s)。综合考虑中子准直效果及光子污染,方案三具有最优性能。为后续进行BNCT-SPECT理论和实验研究提供了基础,从而有效促进BNCT剂量准确评估方法的研究进程。     

PGNAA系统中D-T中子管的慢化装置优化设计

为了提高PGNAA系统中D-T中子管的中子慢化效率,获得更高的热中子产额,借助蒙特卡罗模拟,确定了以铅为中子反射层、5个聚乙烯层和铅层相互交替作为中子慢化层、碳化硼含量为3%的含硼聚乙烯作为中子吸收层以及铅作为γ屏蔽层的中子慢化装置模型。针对中子产额为3×107 n/s 的D-T中子管,该慢化装置输出面低于5 eV中子通量可达5.28×106 n/s,占总中子通量的30.8%,有效提高了中子慢化效率。经过验证模拟结果能够满足实验要求。To improve the moderating efficiency of D-T Neutron Generator in PGNAA system, and get higher thermal neutron yield, the Monte Carlo code MCNP was used to optimize the moderation setup. The lead was selected as neutron reflector and gamma absorber, 5 polyethylene layers and 4 lead layers constituted the neutron moderator and 3% boron-doping polyethylene was selected as neutron absorber. For the yield of 3107 n/s D-T Neutron Generator, this moderation setup can provide a yield of lower than 5 eV of 5.28106 n/s, accounting for 30.8% of total neutron yield, dramatically improves the moderating efficiency. It is proved that the simulation results can satisfy the requirement of PGNAA system by preliminary experimental verification.     

光电倍增管对14 MeV脉冲中子的直照响应

 采用ING-103型DPF脉冲中子源产生的14.1 MeV脉冲中子对EMI两个不同型号的光电倍增管EMI-9815B和EMI-9850B进行了直照实验。针对DPF脉冲中子源产生中子脉冲的同时也会产生X射线脉冲的特点,采取了飞行时间法及吸收衰减法来消除X射线对中子脉冲的干扰。利用中子及X射线速度的差异,将光电倍增管放置在离源较远的测点位置,测得了X射线脉冲和中子脉冲时间上错开的双峰波形。通过在辐射通道内添加5 cm厚的铅吸收体有效地抑制了X射线峰,在离源较近的测量位置测到了干净的脉冲中子波形。根据实测波形,得到的光电倍增管EMI-9815B和EMI-9850B中子直照灵敏度分别为10^-13与10^-15量级,该结果与理论计算结果在量级上一致。     

半导体器件单粒子效应的加速器模拟实验

 着重描述了应用加速器开展半导体器件的单粒子效应实验研究的方法。采用金箔散射法可以降低加速器束流几个量级，从而满足半导体器件单粒子效应实验的要求。研制的弱流质子束流测量系统和建立的质子注量均匀性测量方法解决了质子注量的准确测量问题。实验测得静态随机存取存储器的质子单粒子翻转截面为10^-7 cm²·bit^-11量级，单粒子翻转重离子LET阈值为4～8MeV·cm²/mg，重离子单粒子翻转饱和截面为10^-7 cm²·bit^-1量级。