煤質(zhì)檢測系統(tǒng)D-T中子源屏蔽的MC模擬研究

龐 敏，景士偉,b

(東北師范大學(xué) a.物理學(xué)院；b.物理學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心(東北師范大學(xué))，吉林 長春 130024)

瞬發(fā)γ射線中子活化分析(Prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)煤質(zhì)成分實時在線分析[1]. 該技術(shù)利用快中子轟擊待測物質(zhì)，通過測量中子與物料相互作用發(fā)射的瞬發(fā)γ射線來分析物料成分[2]. PGNAA技術(shù)對煤質(zhì)進行檢測分析時產(chǎn)生的不同能量中子及γ射線等會對附近操作人員帶來傷害，對實驗儀器造成損害，必須對其進行防護[3-4]. 已有利用GEANT4,MORSE,MCNP等程序?qū)χ凶勇M行研究[5-10]. 現(xiàn)有對D-T中子管的屏蔽研究主要針對快中子照相、快中子醫(yī)療等應(yīng)用，針對煤質(zhì)檢測系統(tǒng)D-T源的屏蔽研究相對較少. 防輻射材料要求屏蔽效果好、無毒性、密度小、物理性能優(yōu)良[4]. 本文針對煤質(zhì)檢測系統(tǒng)，在D-T中子源外采用3層屏蔽結(jié)構(gòu)進行中子和γ射線防護，在屏蔽體無毒害前提下，使透射率盡可能小，同時減小整個檢測系統(tǒng)體積和質(zhì)量[11]. 模擬計算透過屏蔽材料后中子和γ射線的能量和強度，通過分析模擬結(jié)果，對屏蔽裝置設(shè)計給出相應(yīng)參考建議.

1 模擬計算的物理模型

D-T中子在線煤質(zhì)分析儀實驗裝置如圖1所示，由中子源、探測器、煤樣、主放大器、探測器恒溫控制器、傳送帶、屏蔽體等部件組成，本文模擬工作基于該物理模型.

圖1 實驗裝置圖

基于實際煤質(zhì)分析儀數(shù)據(jù)，結(jié)合之前利用MOCA程序?qū)嶒炑b置進行優(yōu)化設(shè)計的模擬結(jié)果[12]，利用MCNP5程序構(gòu)建如圖2所示物理模型. 中子源為平均發(fā)射能量為14 MeV的各向同性D-T源，源上方是1 cm厚慢化體，材料為聚乙烯. 慢化體上方是0.5 cm厚傳送帶，傳送帶上放置20 cm厚煤層. 圖1所示的在線煤質(zhì)分析儀中所用探測器為BGO探測器，BGO探測器探測效率高，穩(wěn)定性好，不易潮解腐蝕，不怕中子輻照，但是難以同時兼顧探測效率和響應(yīng)時間. 與BGO相比，硅酸釔镥(LYSO)晶體的光輸出是BGO的4倍左右，衰減時間比BGO短，LYSO探測器的時間、空間分辨率都有很大提升， LYSO晶體密度較大，有利于探測器小型化[13]. 模擬計算LYSO探測器規(guī)格為φ7.6 cm×7.6 cm，外加2 cm厚鉛，用于慢化中子和吸收部分γ射線. 鉛外側(cè)加28.5 cm厚聚乙烯，有效地屏蔽實驗產(chǎn)生的γ射線.

1.D-T中子源 2.第1層屏蔽體 3.第2層屏蔽體 4.真空 5.鐵支架 6.慢化體 7. 傳送帶 8.煤樣 9.硅酸釔镥探測器 10.鉛(a)XY平面圖

(b)XZ平面圖圖2 PGNAA模擬裝置平面圖

2 模擬結(jié)果及分析

中子與物質(zhì)相互作用，反應(yīng)類型有彈性散射[n, n]、非彈性散射[n, n′]、輻射俘獲[n, γ]和 [n, 2n]等. 14 MeV D-T源產(chǎn)生的高能中子與慢化體發(fā)生非彈性散射，使14 MeV中子能量迅速下降到1 MeV. 第1層金屬材料選擇鐵、銅、鎢、不銹鋼、含釓質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的不銹鋼等5種金屬材料. 當(dāng)中子穿過第1層屏蔽材料后，大部分中子能量小于1 MeV，氫核是此能量區(qū)間中子最有效慢化體. 高密度聚乙烯1 cm3含8×1022個氫原子，是將中子能量降到熱能區(qū)的較好材料. 硼、鋰等材料熱中子吸收截面很大[14-15]，俘獲γ輻射能量低. 第2層屏蔽材料選擇摻雜不同碳化硼比例的高密度聚乙烯，使快中子慢化為熱中子并且有效吸收熱中子. 第3層屏蔽結(jié)構(gòu)采用鉛，進一步吸收中子和中子與屏蔽材料相互作用產(chǎn)生的γ射線.

2.1 第1層屏蔽結(jié)構(gòu)

為確定第1層屏蔽體最佳材料及厚度，第2層、第3層結(jié)構(gòu)暫不添加任何材料. 利用MCNP5程序分別跟蹤中子和γ射線在5種金屬材料中的輸運. 將透過屏蔽體的中子數(shù)I與入射總中子數(shù)Io之比定義為中子透射率，即η=I/Io. 將透過屏蔽體且能量在0～1 MeV區(qū)間中子數(shù)I1與透過屏蔽體總中子數(shù)之比定義為0～1 MeV中子占比，即ε=I1/I，用中子透射率η和0～1 MeV中子占比ε來評價材料中子屏蔽性能.

由圖3可知，第1層屏蔽體材料厚度增加，中子透射率不斷下降，厚為25 cm后下降趨勢趨于平緩. 當(dāng)?shù)?層屏蔽體厚度為25 cm時透過屏蔽體的中子比入射中子數(shù)目少1個數(shù)量級，對中子的屏蔽作用銅>含釓不銹鋼>不銹鋼>鎢>鐵. 當(dāng)鐵、鎢厚度達(dá)到45 cm時，銅、不銹鋼、含釓不銹鋼厚度達(dá)到50 cm時，透過屏蔽體的中子比入射中子數(shù)目少2個數(shù)量級.

圖3 不同厚度金屬對中子透射率的影響

由圖4可以看出，隨著第1層屏蔽體材料的厚度增加，0～1 MeV中子占比不斷上升，厚為25 cm后上升趨勢趨于平緩. 當(dāng)金屬材料厚度分別為25 cm和50 cm時，0～1 MeV中子占比如表1所示.

圖4 不同厚度金屬對0～1 MeV中子占比的影響

d/cmε鎢 銅鐵不銹鋼含釓不銹鋼2586.14% 71.24% 65.76% 62.27% 57.96%5092.39% 74.57% 80.20% 72.33% 67.21%

由表1可知，金屬厚度為25 cm時，穿過屏蔽體且能量在0～1 MeV區(qū)間的中子占比鎢>銅>鐵>不銹鋼>含釓不銹鋼. 金屬厚度由25 cm增加到50 cm時，厚度增加1倍，0～1 MeV中子占比提升6%～15%.

綜合考慮屏蔽效果和屏蔽體體積因素，第1層屏蔽體材料最佳厚度確定為25 cm. 由于鐵、不銹鋼材料易獲取且價格相對便宜，銅、鎢價格較貴但屏蔽效果好，含釓不銹鋼對中子的屏蔽作用比不銹鋼稍強，但對合成工藝要求較高,故第1層屏蔽材料可選擇鐵、不銹鋼、鎢.

2.2 第2層屏蔽結(jié)構(gòu)

第2層屏蔽材料加在25 cm厚第1層屏蔽材料后，選用不同厚度碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%，10%，20%，30%，40%聚乙烯實現(xiàn)快中子慢化和慢中子吸收，第3層屏蔽結(jié)構(gòu)暫不添加任何材料.

在25 cm厚不銹鋼后加含硼聚乙烯，不同聚乙烯厚度和碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)對中子透射率的影響如圖5所示，不同聚乙烯厚度和碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)對0～0.001 MeV中子占比的影響如圖6所示.

由圖5可知，含硼聚乙烯材料中子屏蔽能力比純聚乙烯強. 聚乙烯中碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，中子透射率越低. 含硼聚乙烯越厚，中子透射率越低. 不同碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚乙烯中子透射率下降速度同步，比純聚乙烯慢. 透過25 cm厚不銹鋼和15 cm以上聚乙烯中子數(shù)比入射中子數(shù)小2個數(shù)量級.

由圖6可知，0～0.001 MeV中子占比隨聚乙烯厚度變化先增大后減小. 純聚乙烯0～0.001 MeV中子占比明顯高于含硼聚乙烯材料. 聚乙烯厚度為5～12.5 cm時， 0～0.001 MeV中子占比隨著碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而降低. 聚乙烯厚度為12.5～15 cm時，碳化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%和40%的0～0.001 MeV中子占比曲線幾乎一致. 聚乙烯厚度為15～20 cm時，碳化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的0～0.001 MeV中子占比比碳化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的0～0.001 MeV中子占比高. 由此可見，碳化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并不是越高越好.

圖5 25 cm不銹鋼后不同聚乙烯厚度和碳化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對中子透射率的影響

圖6 25 cm不銹鋼后不同聚乙烯厚度和碳化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對0～0.001 MeV中子占比的影響

綜合考慮屏蔽效果和屏蔽體體積2個因素，第1層屏蔽材料為25 cm厚不銹鋼時，第2層屏蔽材料選用碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的15 cm厚聚乙烯比較合適. 此時透過中子數(shù)占入射中子數(shù)0.891%，透過中子中13.43%的中子能量在0～0.001 MeV區(qū)間.

在25 cm厚鐵后加含硼聚乙烯，不同聚乙烯厚度和碳化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對中子透射率的影響如圖7所示，不同聚乙烯厚度和碳化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對0～0.001 MeV中子占比的影響如圖8所示.

由圖7～8可知，第1層屏蔽材料為25 cm厚鐵時，第2層屏蔽材料選用碳化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的15 cm厚聚乙烯比較合適. 此時透過中子數(shù)占入射中子數(shù)0.993%，透過中子中13.31%中子能量在0～0.001 MeV區(qū)間.

在25 cm厚鎢后加含硼聚乙烯，不同聚乙烯厚度和碳化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對中子透射率的影響如圖9所示，不同聚乙烯厚度和碳化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對0～0.001 MeV中子占比的影響如圖10所示.

由圖9～10可知，第1層屏蔽材料為25 cm厚鎢時，第2層屏蔽材料選用碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%且15 cm厚聚乙烯比較合適. 此時透過中子數(shù)占入射中子數(shù)0.574%，透過中子中17.94%中子能量在0～0.001 MeV區(qū)間.

圖7 25 cm鐵后不同聚乙烯厚度和碳化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對中子透射率的影響

圖8 25 cm鐵后不同聚乙烯厚度和碳化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對0～0.001 MeV中子占比的影響

圖9 25 cm鎢后不同聚乙烯厚度和碳化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對中子透射率的影響

圖10 25 cm鎢后不同聚乙烯厚度和碳化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對0～0.001 MeV中子占比的影響

2.3 第3層屏蔽結(jié)構(gòu)

第3層屏蔽材料選用鉛，屏蔽中子在前2層屏蔽材料中輸運時產(chǎn)生的γ射線. 用MCNP5程序跟蹤依次穿過25 cm厚鎢、不銹鋼、鐵3種金屬中任1種，含碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的15cm厚聚乙烯和一定厚度鉛后的γ射線，模擬結(jié)果如圖11所示.

圖11 鉛的厚度對光子計數(shù)的影響

由圖11可知，在第2層為含碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的15 cm厚聚乙烯，第3層鉛厚度一定時，第1層為25 cm厚鐵時穿過3層屏蔽體光子數(shù)目最多，第1層為25 cm不銹鋼時穿過3層屏蔽體光子數(shù)目次之，第1層為25 cm鎢時穿過3層屏蔽體光子數(shù)目最少. 第1層、第2層結(jié)構(gòu)固定時，鉛越厚透過光子數(shù)目越少.

綜合考慮屏蔽性能和屏蔽體體積，鉛厚度選擇為5 cm，此時，γ射線能譜如圖12所示，中子能譜如圖13所示，經(jīng)計算穿過3層屏蔽結(jié)構(gòu)后中子透射率和光子數(shù)目如表2所示.

圖12 穿過3層屏蔽體的γ射線能譜

圖13 穿過3層屏蔽體后的中子能譜

各層材料第1層 第2層 第3層ηn 25 cm不銹鋼 含碳化硼20%的15 cm厚聚乙烯 5 cm鉛0.833%103 826 25 cm鐵 含碳化硼20%的15 cm厚聚乙烯 5 cm鉛0.877%108 754 25 cm鎢 含碳化硼20%的15 cm厚聚乙烯 5 cm鉛0.565%195 613

由圖12可知，穿過3層屏蔽體的γ射線能量主要集中在0～0.2 MeV，0.6 MeV，2.3 MeV，出射γ射線中包含少量能量高達(dá)7.8 MeV的光子. 由圖13可知穿過3層屏蔽體后，大部分中子能量降到0.1 MeV以下，還有少量13.9～14 MeV快中子透過屏蔽體.

由表3可知，鉛的中子屏蔽性能不是很好. 穿過25 cm厚鎢、不銹鋼、鐵3種金屬中任1種和含碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的15 cm厚聚乙烯及5 cm鉛后，中子數(shù)目相對于入射中子少了2個數(shù)量級. 25 cm鎢+含碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的15 cm厚聚乙烯+5 cm鉛的屏蔽結(jié)構(gòu)對中子和光子屏蔽效果最好，25 cm不銹鋼+含碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的15 cm厚聚乙烯+5 cm鉛次之，25 cm鐵+含碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的15 cm厚聚乙烯+5 cm鉛屏蔽效果最差.

3 結(jié) 論

針對煤質(zhì)檢測儀，通過以上模擬結(jié)果可知，在14 MeV D-T中子源周圍進行防護屏蔽時，采用3層結(jié)構(gòu)可有效屏蔽中子和γ射線. 經(jīng)驗證，25 cm鎢+含碳化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的15 cm厚聚乙烯+5 cm鉛的屏蔽結(jié)構(gòu)，滿足透射率盡可能小的同時滿足整個檢測系統(tǒng)體積和質(zhì)量盡可能小的設(shè)計要求,但鎢的價格較貴，仍需進一步優(yōu)化屏蔽結(jié)構(gòu)和嘗試模擬更多的屏蔽材料.