《中子的防护》PPT课件.ppt

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1、中子的防护,主讲：崔 莹,第七章 中子的防护,象射线一样，中子是一种穿透力很强的间接电离粒子。它在物质中的减弱是一个复杂的物理过程，在屏蔽计算时一般应该考虑这些物理过程。然而其中数据尚不完全清楚。,中子源发出的中子都是快中子，在屏蔽层中主要通过弹性散射和非弹性散射损失能量，最后被物质吸收，主要放出射线。因此中子的屏蔽除了要考虑快中子的减弱过程和吸收过程外，还要考虑射线的屏蔽,本章主要介绍中子屏蔽的基本原理及一般教学、科研、医疗等部门常用的同位素中子源和中子发生器的有关屏蔽问题,复习 中子与物质的相互作用,按能量区分的中子种类：,慢中子 0-103eV,中能中子,快中子,相对论中子,中子按能量的

2、划分并不严格，各文献之间略有差别。,复习 中子与物质的相互作用,1.中子源：,反应堆中子源：强中子源，中子能量范围0-18MeV,加速器中子源：能在很宽能量范围内产生单能中子束,同位素中子源：体积小，价钱便宜，使用方便,中子由不同的过程产生，能量覆盖较大的范围像光子一样，中子没有电荷，不会与轨道电子发生作用。中子在物质中可以不发生任何作用而输运很远的距离。中子通过以下几种机制与原子核的核子发生作用：,复习 中子与物质的相互作用,2.中子与物质的相互作用：,（1）.弹性散射（n，n）（2）.非弹性散射（n，n）（3）.辐射俘获（n，）（4）.带电粒子的发射（5）.裂变（n，f）,复习 中子与物质

3、的相互作用,2.中子与物质的相互作用：,（1）.弹性散射（n，n）,弹性散射分为势散射和复合核散射两种 原子核内能不变势散射 是中子受核力场作用发生的散射（中子未进入核内，而是发生在核外面）。复合核散射是中子进入核内形成复合核，而后放出中子。,弹性散射是慢化中子的最重要的过程：保留了总动能 中子损失的能量E转移到了反冲粒子 最大能量转移发生在对头碰撞时 弹性散射截面取决于能量和材料,复习 中子与物质的相互作用,2.中子与物质的相互作用：,（1）.弹性散射（n，n）,结论：轻元素（特别是氢）可以作为良好的快中子减速剂在中子的中能范围内，弹性散射是中子能量损失的主要方式，同时随着中子能量的降低，氢

4、的弹性散射截面很快变大，当中子和氢发生弹性散射时没能很快的降低到热能范围。在中子防护中，常选用含氢物质和原子量小的物质作为快中子的减速剂,复习 中子与物质的相互作用,2.中子与物质的相互作用：,（2）.非弹性散射（n，n）,非弹性散射分为直接相互作用过程和形成复合核过程直接作用过程 是入射中子和靶核的核子发生非常短时间的相互作用（约10-22-10-21秒）复合核过程 是入射中子进入靶核形成复合核，在形成复合核过程中 入射中子和核子发生较长时间的能量交换（约10-20-10-15秒）,最终靶核将放出一个动能较低的中子而处于激发态,复习 中子与物质的相互作用,2.中子与物质的相互作用：,（2）.

5、非弹性散射（n，n）,非弹性散射的发生和入射中子的能量有关。在阈值以上，随着中子能量的增加，非弹性散射的截面变大靶核的第一激发能级愈低，愈容易发生非弹性散射，重核的第一激发能级比轻核的第一激发能级低快中子（0.5MeV）与重核相互作用时，与弹性散射相比，非弹性散射占优势,在中子屏蔽层中，往往掺入重元素或用金属与减速剂组成交替屏蔽,复习 中子与物质的相互作用,2.中子与物质的相互作用：,（3）.辐射俘获(n,),中子射入靶核后，与靶核形成激发态的复合核，然后复合核通过发射一个或几个光子而回到基态，不再发射其他粒子，此过程叫辐射俘获，也称(n,)反应。这时中子被靶核吸收。,辐射俘获反应截面仅和中子

6、能量有关。在在低能区除共振区外，其反应截面一般随 变化,复习 中子与物质的相互作用,2.中子与物质的相互作用：,（4）.带电粒子的发射,原子核吸收中子而发射出带电粒子（如质子，粒子）的核反应，叫作发射带电粒子的核反应，例如慢中子引起的（n,）和（n,p）反应。,（5）.裂变反应（n，f）,有集中重核，如 等，当他们俘获一个中子后，可分裂为两个交情的原子核，伴随着放出2-3个中子及200MeV左右的巨大能量，这就是核裂变反应，即（n，f）反应。,第七章 中子的防护,对中子的屏蔽，出了反应堆、高能加速器、克级以上的252Cf中子源需要进行较为复杂的计算外，一般小型的同位素中子源、中子放射器多采用较

7、为简单的计算方法，如以实验为基础的分出截面法、张驰长度法、实验曲线法等。,中子源发出的中子都是快中子，在屏蔽层中主要通过弹性散射和非弹性散射损失能量，最后被物质吸收，主要放出射线。因此中子的屏蔽除了要考虑快中子的减弱过程和吸收过程外，还要考虑射线的屏蔽,一.分出截面的概念,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,分出截面法和张弛长度法时快中子屏蔽的半经验方法。这些方法最初是为适应反应堆屏蔽计算需要而建立起来的。由于计算方便，有一定精度，除用于反应堆屏蔽计算外，目前广泛地用于各类同位素中资源的屏蔽估算。,当用某一阈探测器，测量通过某一含氢屏蔽层后的快中子注量率时，由于散射使快中子的能量降低到

8、阈值一下，或者通过散射偏离原来的束而不能到达探测器。尽管这些中子可能仍然是快中子，然而都不能被阈探测器探测到，表明这些中子已经从能量高于阈值的“群”中分出去了。分出截面就是表示中子通过单位厚度的材料时，从高于某一阈值的中子群中分出来进入能量较低的中子群的几率。故可用中子从某一能量的中子群中分出几率的概念来考虑中子的衰减，并用分出截面来计算快中子在屏蔽层中的减弱。分出截面可以通过实验测量，也可以通过理论计算。,一.分出截面的概念,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,1.实验测量的分出截面,实验测量裂变谱中子分出截面原理如图所示：,在水箱内表面放置一单向裂变中子平面源，探测器在P点离源的距

9、离为r，在探测器和源之间放置一块待研究的材料平板，厚度为t，在P点测得的快中子剂量率为：,当水层的最小厚度为4560厘米时，用这种装置测量的分出截面与平板的厚度无关。这是因为P点的中子谱基本上达到了平衡，平板的插入对P点的中子谱的平衡并无影响。的值可通过查表得到,一.分出截面的概念,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,1.实验测量的分出截面,实验测量裂变谱中子分出截面原理如图所示：,在水箱内表面放置一单向裂变中子平面源，探测器在P点离源的距离为r，在探测器和源之间放置一块待研究的材料平板，厚度为t，在P点测得的快中子剂量率为：,水箱中无平板时，离源（r-t）处的中子计量率；被研究材料的

10、宏观分出截面,一.分出截面的概念,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,1.实验测量的分出截面,在某些屏蔽和反应堆材料中，中子的宏观分出截面,一.分出截面的概念,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,1.实验测量的分出截面,当原子质量MA12时，裂变中子在材料中的微观分出截面可用如下经验公式计算：,除非常轻的元素外，上述公式对均匀介质的计算值比对非均匀介质的计算值小5-10%。,一.分出截面的概念,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,1.实验测量的分出截面,一些元素的微观分出截面（1靶10-28米2）,一.分出截面的概念,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,2.理论

11、计算的分出截面,采用实验测量的分出截面时，使用条件和测量条件相似，不然，会造成很大误差。实际上，某些中子源的谱并非裂变谱，有些则是单能中子源，屏蔽材料也并不象实验那样成层状分布，因而实验值的应用受到局限。如果能在理论上建立分出截面与中子能量的关系，则分出截面的应用会更为方便。,一.分出截面的概念,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,2.理论计算的分出截面,对于能量为E（兆电子伏）的快中子在某一特定材料中的宏观分出截面，可用下述近似式计算：,能量为E的快中子的宏观总截面（厘米-1）；能量为E的快中子的宏观弹性散射截面（厘米-1）；宏观弹性散射角余弦的平均值，表示弹性散射角分布中向前 散射

12、的部分。,一.分出截面的概念,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,2.理论计算的分出截面,当中子源具有谱分布时，对于能谱平均的分出截面，由下式计算：,中子源能谱的微分分布无中材料存在时，在厚度为（r-t）的含氢介质中的中子剂量种材料板厚中子能量下限,一.分出截面的概念,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,2.理论计算的分出截面,公式：,仅适用于氢以外核素的分出截面的计算。氢的分出截面等于其总截面的0.9倍，即：R(H)=0.9 H，R(H)，H分别表示屏蔽层中氢的微观分出截面和微观总截面。H可用下面的经验公式计算。,式中E0为中子能量，单位为MeV。在能区1.5MeV20MeV

13、，上式计算值的准确度为2,一.分出截面的概念,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,3.化合物、混合物的宏观分出截面,宏观分出截面和微观分出截面的关系如下：,物质的密度（克/厘米3）；核素的原子量。,0.602 是阿伏伽德罗常数NA与10-24的乘积（1靶10-24cm2）,一.分出截面的概念,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,3.化合物、混合物的宏观分出截面,宏观分出截面和微观分出截面的关系如下：,混合物的密度（克/厘米3）；第i种核素所占的重量百分比；第i种核素的微观分出截面（靶）；第i种核素的原子量。,二.计算快中子屏蔽的分出截面法,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长

14、度法,1.快中子在含氢介质中的减弱,分出截面法不仅适用于含氢材料或以含氢材料（含氢量0.3%）为后衬的屏蔽，在一定的限制条件下亦可以用于非含氢材料的屏蔽计算。,（1）均匀含氢介质：当屏蔽体中的含氢材料和其他重组分均匀混合时，各向同性点源的快中子在屏蔽体中的剂量减弱可用下式计算：,上式的适用条件是：源和探测点之间含氢介质应有最小的厚度Rmin，使介质中的中子谱达到平衡。这个最小的屏蔽厚度一般与中子能量、所探测的中子能量下限及起分出作用的材料有关。,快中子在等效体密度纯氢介质中的计量减弱函数；源的中子发射率（中子/秒）；阿伏伽德罗常数（NA=6.02251023摩尔-1）；源与探测点间屏蔽体的厚度

15、。,二.计算快中子屏蔽的分出截面法,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,1.快中子在含氢介质中的减弱,对于裂变谱中子，当探测下限为Ec0.33MeV时，含氢介质的最小厚度可按氢的质量厚度为4.56克/厘米2确定。当Ec1MeV时，Rmin3，其中为张驰长度。,fDH，Ri值可采用实验测量值，也可采用理论计算值，当用理论计算值时，fDH用下式计算：,中子的注量对剂量的转换因子（西弗/单位注量）；屏蔽层中能量为E0的中子对氢的宏观总截面（厘米-1）；注量积累因子,式中 包括屏蔽层中所有核素的微观分出截面，但对氢则取微观总截面。,二.计算快中子屏蔽的分出截面法,第一节 快中子屏蔽的分出截面法

16、和张弛长度法,1.快中子在含氢介质中的减弱,注量积累因子：表示由于氢的向前散射作用而形成的散射中子的积累。积累因子B用下式计算：,对具有谱分布S(E0)的各向同性点源，在离源r处的剂量当量率用下式计算：,二.计算快中子屏蔽的分出截面法,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,1.快中子在含氢介质中的减弱,（2）多层屏蔽的情况：如果源中子为单能中子，用化合物、混合物宏观分出截面进行计算，若源中子为有谱分布S(E0)的各向同性点源，那么在能量为E0到E0dE0间的中子，在离源r处的中子微分剂量当量率为：,上式积分得：,二.计算快中子屏蔽的分出截面法,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,

17、2.快中子在非含氢介质中的减弱,在实际工作中，由于对工艺结构及使用条件的限制，往往要求采用某些比较轻的材料，作为中子的慢化剂，在以非含氢介质作慢化剂的均匀介质内的某一点，到各向同性单能点源的距离r大于几个自由程的范围内，能量大于某一阈能的快中子注量率可表示为：,源的中子发射率（中子/秒）；快中子屏蔽层中的宏观分出截面（厘米-1）；初始积累因子，表示能量大于阈能的中子由于向前散射 而引起的中子注量率的累积,二.计算快中子屏蔽的分出截面法,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,2.快中子在非含氢介质中的减弱,能量En1.5MeV的中子初始累积因子,某些单能中子的B值列于下表中，在缺乏数据的情

18、况下，可取B5,二.计算快中子屏蔽的分出截面法,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,2.快中子在非含氢介质中的减弱,上式的使用条件：当材料的原子量MA27时，快中子的能量下限Ec3MeV当离点源的距离r3时，这时分出截面法和张驰长度法相 同，值不随距离而变化，可采用在水介质中的测量值。,如果点源具有谱分布,将能量相近的中子分组，分别计算每组快中子在介质中的减弱，然后迭加得注量为：,二.计算快中子屏蔽的分出截面法,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,2.快中子在非含氢介质中的减弱,对单能各向同性点源进行多层屏蔽组合屏蔽时，快中子的注量率可表示为：,式中 及 分别表示第i层屏蔽材料

19、的宏观分出截面和厚度。这个初始注量率积累因子B，应取轻材料的初始积累因子。,三.张弛长度法,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,中子在介质中的注量率或剂量率减弱e倍的长度称为张弛长度，用表示。若屏蔽层的组成均匀，在一定的屏蔽厚度内，其张弛长度近似为常数，因此，中子在屏蔽层内减弱可用张弛长度的指数规律来描述：,各向同性点源的中子发射率（中子/秒）；初始注量率累计因子；源至探测点的距离（厘米）；能量为E0的中子在ri+1至ri段内的张弛长度（厘米-1）,三.张弛长度法,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,若整个屏蔽层内的张弛长度为常数，则有：,t为屏蔽层的厚度（厘米）；当屏蔽层时由

20、几种材料的混合物组成时，混合物的张弛长度用下式计算：,密度为i的第i种组成元素的张弛长度；第i种组成元素在屏蔽层中的密度；,三.张弛长度法,第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法,对于张弛长度法的应用的说明：,（1）用张弛长度法计算的中子注量率，包括了散射中子和未经散射的中子，其概括的能量范围决定于张弛长度和积累因子适用的能量范围；（2）从中子在物质中的减弱曲线看，初始积累因子表示偏离指数形式的程度。在含氢的非均匀介质中，当屏蔽层厚度t3时，减弱曲线基本上按e-t/变化，取B=1；若屏蔽层厚度在3个平均自由程（t3）以内，应考虑积累因子。在非含氢介质的情况下，即使在离源较远的参考点处，也应

21、考虑积累因子。,各种材料的反应堆谱或裂变中子的张驰长度有表可查。,第二节 同位素中子源的屏蔽,一类是移动式的屏蔽容器和各种用途的辐照设备。,安全要求，除一般运输容器外，经常使用的中子源，经屏蔽后，在工作点的计量当量率不得超过2.510-2毫西弗/小时，并按国家规定取两倍的安全系数,屏蔽材料：除固定式外，通常可用饱和硼酸水溶液、含1.2%硼的石蜡、掺有B4C的丁苯橡胶、聚乙烯、含氢量约为1%的混凝土等；具有强本底的中子源，则应考虑两层屏蔽，内层用铅吸收射线，外层用石蜡等屏蔽中子,同位素中子源用途甚广，屏蔽方式一般分为两类：一类是固定式屏蔽，此类屏蔽较为简单（把源直接安装在地下，利用泥土、沙石做屏

22、蔽材料）；,第二节 同位素中子源的屏蔽,一.常用同位素中子源的种类和特性,目前常使用的是镭-铍源和钋-铍源，镅-铍源亦逐步扩大应用。,一些中子源的特性,第二节 同位素中子源的屏蔽,一.常用同位素中子源的种类和特性,目前常使用的是镭-铍源和钋-铍源。镭-铍源的缺点是本底强，而且产生放射性氡气。故防护时，除重点考虑射线的屏蔽外，还要注意防止氡气漏出产生内照射的危害。钋-铍源基本上是纯中子源，当源的活度小时，对钋-铍源主要考虑中子屏蔽。,理想的同位素中子源：不产生有害气体、寿命长、产额高、比放（单位体积的中子产额）大。,第二节 同位素中子源的屏蔽,二.同位素中子源的屏蔽计算,另一种方法是各种核反应中

23、子源，他们发射的中子对氢的平均微分分出截面近似取R=1靶，然后用下式估算：,1.分出截面法,除作为工程设计而需要精确计算外，一般可采用较为简单的经验公式或近似方法计算：一种方法是知道源在某屏蔽材料中的宏观分出截面 可直接用下式计算：,第二节 同位素中子源的屏蔽,二.同位素中子源的屏蔽计算,1.分出截面法,计量当量率（毫西弗/小时）；源的中子发射率（中子/秒）；离源的距离（米）；在屏蔽材料中的中子减弱因子；中子注量率-剂量当量率转换因子，即1中子/秒2秒相当于1.310-7毫西弗/小时,第二节 同位素中子源的屏蔽,二.同位素中子源的屏蔽计算,1.分出截面法,一些常用屏蔽材料的中子减弱因子,t为屏

24、蔽层厚度（厘米）,第二节 同位素中子源的屏蔽,二.同位素中子源的屏蔽计算,1.分出截面法,在进行屏蔽估算时，如果屏蔽材料中氢原子数的含量占40%以上，则该屏蔽材料的减弱因子，为在水中的减弱因子f的e指数上乘以此材料每体积中所含的氢原子数与每单位体积水中所含原子数之比。,一些屏蔽材料中的含氢量,第二节 同位素中子源的屏蔽,二.同位素中子源的屏蔽计算,1.分出截面法,【例题】已知钋-铍源的中子发射率为3.53107中子/秒，如用石蜡屏蔽后，离源0.5米处的中子注量率=9104中子/米2 秒。求石蜡屏蔽层的厚度？,解：已知条件如下：,（1）S=3.53107中子/秒;（2）R=0.5米；（3）En,

25、max10.87MeV，4.2MeV；（4）屏蔽材料为石蜡，MA27，能量下限取作1.5MeV；（5）石蜡为含氢材料，氢含量NH8.151026原子/厘米3，碳含量NC4.071026原子/厘米3；（6）查表得碳的微观分出截面为0.81靶,需要的公式有：,第二节 同位素中子源的屏蔽,二.同位素中子源的屏蔽计算,1.分出截面法,【例题】将中子发射率为发射率为5107中子/秒的镅-铍源，装入壁厚为0.25米厚的聚乙烯屏蔽容器中。求离源0.3米处的计量当量率？,解：求离源0.3米处的计量当量率，根据剂量当量率公式：,（1）S=5107中子/秒;（2）R=0.3米；（3）聚乙烯中氢原子含量大于40，相

26、对水的含氢比为(8.31022)/(6.71022)1.24,第二节 同位素中子源的屏蔽,二.同位素中子源的屏蔽计算,2.查图法,剂量减弱系数fD,下图给出了镅铍源与钚铍源在水、石蜡等屏蔽材料中的减弱曲线。,镅铍源中子穿过水、聚乙烯屏蔽层时，剂量减弱系数fD和屏蔽层厚度的关系,厚度（厘米）,半径（厘米）,若干含氢材料对锎-252、钚铍及锑铍中子源的中子剂量率减弱曲线,每单位粒子注量的剂量当量率率,解：设屏蔽后，在P点的容许剂量当量率为2.510-2毫西弗/小时，剂量换算因子dH3.9510-14西弗/（中子/米2）;R0.5米减弱系数：由fDd曲线图中插图可得水的屏蔽层厚度d,第二节 同位素中

27、子源的屏蔽,二.同位素中子源的屏蔽计算,2.查图法,【例题】如图，安装一个中子发射率为发射率为3.2107中子/秒的镅-铍源，P点离源的距离R为0.5米。用查图法求水的屏蔽层厚度d。,第二节 同位素中子源的屏蔽,二.同位素中子源的屏蔽计算,2.查图法,【例题】用水屏蔽中子发射率为3.2107中子/秒的钚-铍中子源，其他条件同上一例题，用查图法求水的屏蔽层厚度d。,解：R0.5米；S 3.2107中子/秒，在P点的容许剂量当量率为2.510-2毫西弗/小时则每单位中子注量的剂量当量率为：由表中可查得所需水的屏蔽厚度d,第二节 同位素中子源的屏蔽,三.裂变中子源252Cf的屏蔽计算,1.概述,1克

28、252Cf，其中子产额为2.341012中子/秒，相应于在1米处的中子吸收剂量率为2.84戈/小时，剂量当量率为24西弗/小时。自发裂变产物发射的光子为1.31013光子/秒克，相应于在1米处的吸收剂量率为1.4戈/小时，剂量当量率为1.4西弗/小时。对252Cf的屏蔽，应考虑自发裂变快中子和初级射线的屏蔽；还应考虑快中子经屏蔽材料后，低能中子与屏蔽材料相互作用产生的次级辐射的屏蔽。,第二节 同位素中子源的屏蔽,三.裂变中子源252Cf的屏蔽计算,2.屏蔽估算,为了使用方便，252Cf源一般制成移动式的，根据源强和所选用的屏蔽材料的性质，采用二层或三层屏蔽。对于微克量级252Cf源，不需要考虑

29、复杂的屏蔽，可采用普通同位素中子源的简单屏蔽；对于克级252Cf源，除进行足够的屏蔽外，还应考虑冷却设备、机械操作等。,第二节 同位素中子源的屏蔽,三.裂变中子源252Cf的屏蔽计算,2.屏蔽估算,球形三层屏蔽剖面示意图,第三节 中子发生器的防护,一.概述,中子发生器是一种加速器中子源，它和一般加速器一样，是利用加速的离子轰击靶（某一种元素）来产生中子，由于它具有中子产额高、体积小、价格便宜、维护方便等优点，应用广泛。,通常的中子发生器主要是根据T(d，n)或D(d，n)反应的原理设计的。其反应式是：,以上两种反应都是无阈放热反应，在反应中放出的能量和入射氘离子的能量，全部转化为反冲核及所产生的中子的能量。,第三节 中子发生器的防护,二.中子发生器的辐射危害,中子发生器的辐射危害主要是中子和X射线，其次是中子活化感生放射性氚对空气的污染。,对于非密闭性中子源，各真空泵因氚大量积聚可能被污染，需要保持室内良好的通风条件，同时一切真空泵的最后的排气口，应伸出屋外。,靶周围的材料可能被中子活化，产生感生放射性,束流与气体分子或原子碰撞，或者打在加速管壁或漂移管壁上，产生次级电子，被反向加速后搭在加速管壁或引出电极上，产生轫致辐射，其强度与真空度、被加速粒子束的大小有关。,