第七章 中子的防护

1中子的防护主讲：崔莹2第七章中子的防护象γ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γ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γ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3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keV10keV10105keV1051eV10001eV5.0eV025.0eV10277223共振中子超热中子热中子冷中子中子按能量的划分并不严格，各文献之间略有差别。4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5·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，γ）（4）.带电粒子的发射（5）.裂变（n，f）6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）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7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8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9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10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,γ)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γ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,γ)反应。这时中子被靶核吸收。·辐射俘获反应截面仅和中子能量有关。·在在低能区除共振区外，其反应截面一般随变化E/111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，α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,α）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。PuU239235,12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γ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γ射线的屏蔽13一.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。14一.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：r裂变中子面源Pt水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：15当水层的最小厚度为45—60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：RtetrDrD)()(—水箱中无平板时，离源（r-t）处的中子计量率；—被研究材料的宏观分出截面)(trDR16一.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材料宏观分出截面（cm-1）张驰长度λ（cm）水0.1039.7铁0.15766.34普通混凝土0.094210.6波兰特混凝土0.094510.6石墨（ρ＝1.54）0.078512.7R17一.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%。靶35.056.0011.0)(3/13/2AAARMMM18一.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）元素分出截面（靶）计算值（靶）（En≥1.4MeV）Li1.011.03Be1.071.20B0.971.12C0.810.95O0.740.74Al1.301.42Fe1.981.87Cu2.042.0419一.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。20一.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：estREcos)(—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的部分。tescos21一.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：ccRREHEtHtdEEtrDESdEeEtrDESe000000),()(),()(—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)(0ES),(0EtrDHtcE22一.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：ccRREHEtHtdEEtrDESdEeEtrDESe000000),()(),()(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：σR(H)=0.9σH，σR(H)，σH分别表示屏蔽层中氢的微观分出截面和微观总截面。σH可用下面的经验公式计算。靶66.197.100EH及estREcos)(式中E0为中子能量，单位为MeV。在能区1.5MeV～20MeV，上式计算值的准确度为2％23一.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：1602.0cmMRAR—物质的密度（克/厘米3）；—核素的原子量。AM0.602—是阿伏伽德罗常数NA与10-24的乘积（1靶＝10-24cm2）24一.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：NiAiRiiRMQ1602.0—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。iQRiAiM25二.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。miRiiAiARMNDHeRfRSRD1)(4)(2（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=6.0225×1023摩尔-1）；—源与探测点间屏蔽体的厚度。)(RfDHSANR26二.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Ec＝0.33MeV时，含氢介质的最小厚度可按氢的质量厚度为4.5×6克/厘米2确定。当Ec≥1MeV时，Rmin3λ，其中λ为张驰长度。fDH，σRi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：tHRHBeEd)(f0DH—中子的注量