第七章-中子的防护课件

1中子的防护中子的防护主讲：崔主讲：崔 莹莹2第七章第七章 中子的防护中子的防护象象射线一样，中子是一种穿透力很强的间接电离粒子。它射线一样，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。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，主要放出射和非弹性散射损失能量，最后被物质吸收，主要放出射射线。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，还要考虑程外，还要考虑射线的屏蔽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复习复习 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用按能量区分的中子种类：按能量区分的中子种类：慢中子慢中子 0-100-103 3eVeV中能中子中能中子快中子快中子相对论中子相对论中子中子按能量的划分并不严格，各文献之间略有差别。中子按能量的划分并不严格，各文献之间略有差别。4复习复习 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用1.1.中子源：中子源：反应堆中子源：强中子源，反应堆中子源：强中子源，中子能量范围中子能量范围0-18MeV0-18MeV加速器中子源：能在很宽能量范围内产生单能中子束加速器中子源：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。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：中子通过以下几种机制与原子核的核子发生作用：复习复习 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用2.2.中子与物质的相互作用：中子与物质的相互作用：（1 1）.弹性散射（弹性散射（n n，n n）（2 2）.非弹性散射（非弹性散射（n n，n n）（3 3）.辐射俘获（辐射俘获（n n，）（4 4）.带电粒子的发射带电粒子的发射（5 5）.裂变（裂变（n n，f f）6复习复习 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用2.2.中子与物质的相互作用：中子与物质的相互作用：（1 1）.弹性散射（弹性散射（n n，n n）弹性散射分为弹性散射分为势散射势散射和和复合核散射复合核散射两种两种 原子核内能不变原子核内能不变势散射势散射 是中子受核力场作用发生的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）。（中子未进入核内，而是发生在核外面）。复合核散射复合核散射是中子进入核内形成复合核，而后放出中子。是中子进入核内形成复合核，而后放出中子。弹性散射是弹性散射是慢化中子的最重要的过程：慢化中子的最重要的过程：慢化中子的最重要的过程：慢化中子的最重要的过程：保留了总动能保留了总动能保留了总动能保留了总动能 中子损失的能量中子损失的能量中子损失的能量中子损失的能量E E E E转移到了反冲粒子转移到了反冲粒子转移到了反冲粒子转移到了反冲粒子 最大能量转移发生在对头碰撞时最大能量转移发生在对头碰撞时最大能量转移发生在对头碰撞时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弹性散射截面取决于能量和材料弹性散射截面取决于能量和材料弹性散射截面取决于能量和材料7复习复习 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用2.2.中子与物质的相互作用：中子与物质的相互作用：（1 1）.弹性散射（弹性散射（n n，n n）结论：结论：轻元素（特别是氢）可以作为良好的快中子减速剂轻元素（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，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。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，常选用在中子防护中，常选用含氢物质含氢物质和和原子量小原子量小的物质作为快中子的物质作为快中子的减速剂的减速剂8复习复习 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用2.2.中子与物质的相互作用：中子与物质的相互作用：（2 2）.非弹性散射（非弹性散射（n n，n n）非弹性散射分为非弹性散射分为直接相互作用过程直接相互作用过程和和形成复合核过程形成复合核过程直接作用过程直接作用过程 是入射中子和靶核的核子发生非常短时间的相互作用是入射中子和靶核的核子发生非常短时间的相互作用 （约（约1010-22-22-10-10-21-21秒）秒）复合核过程复合核过程 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入射中子和核子发生较长时间的能量交换 （约（约1010-20-20-10-10-15-15秒）秒）最终靶核将放出一个动能较低的中子而处于最终靶核将放出一个动能较低的中子而处于最终靶核将放出一个动能较低的中子而处于最终靶核将放出一个动能较低的中子而处于激发态激发态激发态激发态9复习复习 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用2.2.中子与物质的相互作用：中子与物质的相互作用：（2 2）.非弹性散射（非弹性散射（n n，n n）非弹性散射的发生和入射中子的能量有关。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发能级比轻核的第一激发能级低快中子（快中子（0.5MeV0.5MeV）与重核相互作用时，与弹性散射相比，非弹性）与重核相互作用时，与弹性散射相比，非弹性散射占优势散射占优势 在中子屏蔽层中，往往在中子屏蔽层中，往往在中子屏蔽层中，往往在中子屏蔽层中，往往掺入重元素掺入重元素掺入重元素掺入重元素或用或用或用或用金属金属金属金属与减速剂组成交替屏蔽与减速剂组成交替屏蔽与减速剂组成交替屏蔽与减速剂组成交替屏蔽10复习复习 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用2.2.中子与物质的相互作用：中子与物质的相互作用：（3 3）.辐射俘获辐射俘获(n,(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，此过程叫光子而回到基态，不再发射其他粒子，此过程叫辐辐射俘获射俘获，也称，也称 (n,(n,)反应。这时中子被靶核吸收。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。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，其反应截面一般随在在低能区除共振区外，其反应截面一般随 变化变化 11复习复习 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用2.2.中子与物质的相互作用：中子与物质的相互作用：（4 4）.带电粒子的发射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，原子核吸收中子而发射出带电粒子（如质子，粒子）的核反粒子）的核反应，叫作应，叫作发射带电粒子的核反应发射带电粒子的核反应，例如慢中子引起的（，例如慢中子引起的（n,n,）和）和（n,pn,p ）反应。反应。（5 5）.裂变反应（裂变反应（n n，f f）有集中重核，如有集中重核，如 等，当他们俘获一个中子后，可分裂为等，当他们俘获一个中子后，可分裂为两个交情的原子核，伴随着放出两个交情的原子核，伴随着放出2-32-3个中子及个中子及200MeV200MeV左右的巨大能量左右的巨大能量，这就是，这就是核裂变反应核裂变反应，即，即（n n，f f）反应。）反应。12第七章第七章 中子的防护中子的防护对中子的屏蔽，出了反应堆、高能加速器、克级以上的对中子的屏蔽，出了反应堆、高能加速器、克级以上的252252CfCf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。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，主要放出射和非弹性散射损失能量，最后被物质吸收，主要放出射射线。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，还要考虑程外，还要考虑射线的屏蔽射线的屏蔽13一一.分出截面的概念分出截面的概念第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法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分出截面法和张弛长度法时快中子屏蔽的半经验方法半经验方法。这些方法最初是为。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。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测到，表明这些中子已经从能量高于阈值的“群群”中分出去了。中分出去了。分出截面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率的概念来考虑中子的衰减衰减，并用分出截面来计算快中子在屏蔽层中的减，并用分出截面来计算快中子在屏蔽层中的减弱。分出截面可以通过弱。分出截面可以通过实验测量实验测量，也可以通过，也可以通过理论计算理论计算。14一一.分出截面的概念分出截面的概念第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法1.1.实验测量的分出截面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：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在水箱内表面放置一单向裂变中子平面源，探测器在平面源，探测器在P P点离源的距离点离源的距离为为r r，在探测器和源之间放置一块，在探测器和源之间放置一块待研究的材料平板，厚度为待研究的材料平板，厚度为t t，在，在P P点测得的快中子剂量率为：点测得的快中子剂量率为：15当水层的最小厚度为当水层的最小厚度为45456060厘米时，用这种装置测量的分出截面与平板厘米时，用这种装置测量的分出截面与平板的厚度无关。这是因为的厚度无关。这是因为P P点的中子谱基本上达到了平衡，平板的插入对点的中子谱基本上达到了平衡，平板的插入对P P点的中子谱的平衡并无影响。点的中子谱的平衡并无影响。的值可通过查表得到的值可通过查表得到一一.分出截面的概念分出截面的概念第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法1.1.实验测量的分出截面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：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，探测器在在水箱内表面放置一单向裂变中子平面源，探测器在P P点离源的距离为点离源的距离为r r，在探测器和源之间放置一块待研究的材料平板，厚度为在探测器和源之间放置一块待研究的材料平板，厚度为t t，在，在P P点测得的快点测得的快中子剂量率为：中子剂量率为：水箱中无平板时，离源（水箱中无平板时，离源（r-tr-t）处的中子计量率；）处的中子计量率；被研究材料的宏观分出截面被研究材料的宏观分出截面16一一.分出截面的概念分出截面的概念第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法1.1.实验测量的分出截面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在某些屏蔽和反应堆材料中，中子的宏观分出截面材料材料 宏观分出截面宏观分出截面（cm-1）张驰长度张驰长度（cmcm）水水0.1039.7铁铁0.15766.34普通混凝土普通混凝土0.094210.6波兰特混凝土波兰特混凝土0.094510.6石墨（石墨（1.541.54）0.078512.717一一.分出截面的概念分出截面的概念第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法1.1.实验测量的分出截面实验测量的分出截面当原子质量当原子质量M MA A1212时，裂变中子在材料中的微观分出截面可用如下经验时，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：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算值小5-10%5-10%。18一一.分出截面的概念分出截面的概念第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法1.1.实验测量的分出截面实验测量的分出截面一些元素的微观分出截面一些元素的微观分出截面 （1 1靶靶1010-28-28米米2 2）元素元素 分出截面（靶）分出截面（靶）计算值（靶）计算值（靶）（En1.4MeV）Li1.011.03Be1.071.20B0.971.12C0.810.95O0.740.74Al1.301.42Fe1.981.87Cu2.042.0419一一.分出截面的概念分出截面的概念第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法2.2.理论计算的分出截面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，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。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。更为方便。20一一.分出截面的概念分出截面的概念第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法2.2.理论计算的分出截面理论计算的分出截面对于能量为对于能量为E E（兆电子伏）的快中子在某一特定材料中的宏观分出截面，（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：可用下述近似式计算：能量为能量为E E的快中子的宏观总截面（厘米的快中子的宏观总截面（厘米-1-1）；）；能量为能量为E E的快中子的宏观弹性散射截面（厘米的快中子的宏观弹性散射截面（厘米-1-1）；）；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。散射的部分。21一一.分出截面的概念分出截面的概念第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法2.2.理论计算的分出截面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：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中子源能谱的微分分布无中材料存在时，在厚度为（无中材料存在时，在厚度为（r-tr-t）的含氢介质中的中子剂量）的含氢介质中的中子剂量种材料板厚种材料板厚中子能量下限中子能量下限22一一.分出截面的概念分出截面的概念第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法2.2.理论计算的分出截面理论计算的分出截面公式：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0.90.9倍，即：倍，即：R R(H)=0.9(H)=0.9 H H ，R R(H)(H)，H H分别表示屏蔽层中氢的微观分别表示屏蔽层中氢的微观分出截面和微观总截面。分出截面和微观总截面。H H可用下面的经验公式计算。可用下面的经验公式计算。式中式中E E0 0为中子能量，单位为为中子能量，单位为MeVMeV。在能区。在能区1.5MeV1.5MeV20MeV20MeV，上式计算值的准，上式计算值的准确度为确度为2 223一一.分出截面的概念分出截面的概念第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法3.3.化合物、混合物的宏观分出截面化合物、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：宏观分出截面和微观分出截面的关系如下：物质的密度（克物质的密度（克/厘米厘米3 3）；）；核素的原子量。核素的原子量。0.602 0.602 是阿伏伽德罗常数是阿伏伽德罗常数N NA A与与1010-24-24的乘积（的乘积（1 1靶靶1010-24-24cmcm2 2）24一一.分出截面的概念分出截面的概念第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法3.3.化合物、混合物的宏观分出截面化合物、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：宏观分出截面和微观分出截面的关系如下：混合物的密度（克混合物的密度（克/厘米厘米3 3）；）；第第i i种核素所占的重量百分比；种核素所占的重量百分比；第第i i种核素的微观分出截面（靶）；种核素的微观分出截面（靶）；第第i i种核素的原子量。种核素的原子量。25二二.计算快中子屏蔽的分出截面法计算快中子屏蔽的分出截面法第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法1.1.快中子在含氢介质中的减弱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%0.3%）为后衬的）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。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 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，）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：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R Rminmin，使介质中，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。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；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（中子源的中子发射率（中子/秒）；秒）；阿伏伽德罗常数（阿伏伽德罗常数（N NA A=6.0225=6.022510102323摩尔摩尔-1-1）；）；源与探测点间屏蔽体的厚度。源与探测点间屏蔽体的厚度。26二二.计算快中子屏蔽的分出截面法计算快中子屏蔽的分出截面法第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法1.1.快中子在含氢介质中的减弱快中子在含氢介质中的减弱对于裂变谱中子，当探测下限为对于裂变谱中子，当探测下限为E Ec c0.33MeV0.33MeV时，含氢介质的最小厚度可时，含氢介质的最小厚度可按氢的质量厚度为按氢的质量厚度为4.54.56 6克克/厘米厘米2 2确定。当确定。当E Ec c1MeV1MeV时，时，R Rminmin33，其中，其中为为张驰长度张驰长度。f fDHDH，RiRi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，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，f fDHDH用下式计算：用下式计算：中子的注量对剂量的转换因子（西弗中子的注量对剂量的转换因子（西弗/单位注量）；单位注量）；屏蔽层中能量为屏蔽层中能量为E E0 0的中子对氢的宏观总截面（厘米的中子对氢的宏观总截面（厘米-1-1）；）；注量积累因子注量积累因子27可编辑28式中式中 包括屏蔽层中所有核素的微观分出截面，但对氢则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。取微观总截面。二二.计算快中子屏蔽的分出截面法计算快中子屏蔽的分出截面法第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法1.1.快中子在含氢介质中的减弱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。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。积累因子积累因子B B用下式计算：用下式计算：对具有谱分布对具有谱分布S(ES(E0 0)的各向同性点源，在离源的各向同性点源，在离源r r处的剂量当量率用下式计算：处的剂量当量率用下式计算：29二二.计算快中子屏蔽的分出截面法计算快中子屏蔽的分出截面法第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法1.1.快中子在含氢介质中的减弱快中子在含氢介质中的减弱（2 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）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分出截面进行计算，若源中子为有谱分布S(ES(E0 0)的各向同性点源，那么在的各向同性点源，那么在能量为能量为E E0 0到到E E0 0dEdE0 0间的中子，在离源间的中子，在离源r r处的中子微分剂量当量率为：处的中子微分剂量当量率为：上式积分得：上式积分得：30二二.计算快中子屏蔽的分出截面法计算快中子屏蔽的分出截面法第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法2.2.快中子在快中子在非非含氢介质中的减弱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的某一点，到各向同性单能点源的距离r r大于几个自由程的范围内，能量大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：于某一阈能的快中子注量率可表示为：源的中子发射率（中子源的中子发射率（中子/秒）；秒）；快中子屏蔽层中的宏观分出截面（厘米快中子屏蔽层中的宏观分出截面（厘米-1-1）；）；初始积累因子，表示能量大于阈能的中子由于向前散射初始积累因子，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而引起的中子注量率的累积31二二.计算快中子屏蔽的分出截面法计算快中子屏蔽的分出截面法第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法2.2.快中子在快中子在非非含氢介质中的减弱含氢介质中的减弱能量能量E En n1.5MeV1.5MeV的中子初始累积因子的中子初始累积因子材材 料料中子能量中子能量E E0 0（MeVMeV）2 24 46 68 81010141414.914.9铝铝3.53.52.52.5水水5.45.44.64.64.24.23.33.32.92.93.03.0氢氢3.53.53.53.53.53.52.82.82.82.82.82.8石墨石墨1.41.41.31.3铁铁4.94.92.72.7碳化硼碳化硼5.05.01.81.8聚乙烯聚乙烯2.42.42.52.5铅铅4.04.02.92.9某些单能中子的某些单能中子的B B值列于下表中，在缺乏数据的情况下，可取值列于下表中，在缺乏数据的情况下，可取B B5 532二二.计算快中子屏蔽的分出截面法计算快中子屏蔽的分出截面法第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法2.2.快中子在快中子在非非含氢介质中的减弱含氢介质中的减弱上式的使用条件：上式的使用条件：当材料的原子量当材料的原子量M MA A272727时，快中子的能量下限时，快中子的能量下限E Ec c3MeV3MeV当离点源的距离当离点源的距离r3r3时，时，这时分出截面法和张驰长度法相，这时分出截面法和张驰长度法相 同，同，值不随距离而变化，可采用在水介质中的测量值。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：介质中的减弱，然后迭加得注量为：33二二.计算快中子屏蔽的分出截面法计算快中子屏蔽的分出截面法第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法2.2.快中子在快中子在非非含氢介质中的减弱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：为：式中式中 及及 分别表示第分别表示第i i层屏蔽材料的宏观分出截面和厚度。这个初始层屏蔽材料的宏观分出截面和厚度。这个初始注量率积累因子注量率积累因子B B，应取轻材料的初始积累因子。，应取轻材料的初始积累因子。34三三.张弛长度法张弛长度法第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法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中子在介质中的注量率或剂量率减弱e e倍的长度称为倍的长度称为张弛长度张弛长度张弛长度张弛长度，用，用表表示。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：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（中子各向同性点源的中子发射率（中子/秒）；秒）；初始注量率累计因子；初始注量率累计因子；源至探测点的距离（厘米）；源至探测点的距离（厘米）；能量为能量为E E0 0的中子在的中子在r ri+1i+1至至r ri i段内的张弛长度（厘米段内的张弛长度（厘米-1-1）35三三.张弛长度法张弛长度法第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法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若整个屏蔽层内的张弛长度为常数，则有：，则有：t t为屏蔽层的厚度（厘米）；为屏蔽层的厚度（厘米）；当屏蔽层时由几种材料的混合物组成时，混合物的张弛长度用下式计算：当屏蔽层时由几种材料的混合物组成时，混合物的张弛长度用下式计算：密度为密度为i i的第的第i i种组成元素的张弛长度；种组成元素的张弛长度；第第i i种组成元素在屏蔽层中的密度；种组成元素在屏蔽层中的密度；36三三.张弛长度法张弛长度法第一节第一节 快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法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对于张弛长度法的应用的说明说明：（1 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）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；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 2）从中子在物质中的减弱曲线看，）从中子在物质中的减弱曲线看，初始积累因子初始积累因子表示表示偏离指数形式的偏离指数形式的程度程度。在。在含氢含氢的非均匀介质中，当屏蔽层厚度的非均匀介质中，当屏蔽层厚度t3t3时，减弱曲线基本时，减弱曲线基本上按上按e e-t/-t/变化，变化，取取B=1B=1；若屏蔽层厚度在；若屏蔽层厚度在3 3个平均自由程（个平均自由程（t3t3）以内）以内，应考虑积累因子。在应考虑积累因子。在非含氢非含氢介质的情况下，即使在离源较远的参考点处，介质的情况下，即使在离源较远的参考点处，也应考虑积累因子。也应考虑积累因子。各种材料的反应堆谱或裂变中子的张驰长度有表可查。各种材料的反应堆谱或裂变中子的张驰长度有表可查。37第二节第二节 同位素中子源的屏蔽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。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，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量当量率不得超过2.52.51010-2-2毫西弗毫西弗/小时，并按国家规定取两倍的安全系数小时，并按国家规定取两倍的安全系数屏蔽材料屏蔽材料：除固定式外，通常可用饱和硼酸水溶液、含：除固定式外，通常可用饱和硼酸水溶液、含1.2%1.2%硼的石蜡、掺有硼的石蜡、掺有B B4 4C C的丁苯橡胶、聚乙烯、含氢量约为的丁苯橡胶、聚乙烯、含氢量约为1%1%的混凝土等；具有强的混凝土等；具有强本底的中子本底的中子源，则应考虑两层屏蔽，内层用铅吸收源，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射线，外层用石蜡等屏蔽中子同位素中子源用途甚广，同位素中子源用途甚广，屏蔽方式屏蔽方式一般分为两类：一般分为两类：一类是固定式屏蔽，此类屏蔽较为简单一类是固定式屏蔽，此类屏蔽较为简单 （把源直接安装在地下，利用泥土、沙石做屏蔽材料）；（把源直接安装在地下，利用泥土、沙石做屏蔽材料）；38第二节第二节 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽一一.常用同位素中子源的种类和特性常用同位素中子源的种类和特性目前常使用的是镭目前常使用的是镭-铍源和钋铍源和钋-铍源，铍源，镅镅-铍源亦逐步扩大应用。铍源亦逐步扩大应用。一些中子源的特性一些中子源的特性种类种类反应类型反应类型半衰期半衰期中子最大能中子最大能量（量（MeVMeV）中子平均能中子平均能量（量（MeVMeV）中子产额中子产额(中子中子/秒秒居里居里)特特 点点 镭铍（，n）1622年13.083.9 15106本底很强 破铍（，n）138.4天10.874.23 2.5105半衰期很短，本底很低 钚铍（，n）24400年10.744.5 1.6106本底低 镅铍（，n）462年10.744.5 3.2106本底很低 钠铍（，n）14.8小时-0.830.13106非常大的本底，单能中子源 锑铍（，n）60天-0.0240.19106非常大的本底，单能中子源锎252自发裂变 2.659年13.02.352.341012（每克）裂变中子谱，由自发裂变产生较强的本底39第二节第二节 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽一一.常用同位素中子源的种类和特性常用同位素中子源的种类和特性目前常使用的是镭目前常使用的是镭-铍源和钋铍源和钋-铍源。铍源。镭镭-铍源的缺点是铍源的缺点是本底强，而且产生放射性氡气。故防护时，除重点本底强，而且产生放射性氡气。故防护时，除重点考虑考虑射线的屏蔽外，还要注意防止氡气漏出产生内照射的危害。射线的屏蔽外，还要注意防止氡气漏出产生内照射的危害。钋钋-铍源基本上是纯中子源，当源的活度小时，对钋铍源基本上是纯中子源，当源的活度小时，对钋-铍源主要考虑中子铍源主要考虑中子屏蔽。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。体积的中子产额）大。40第二节第二节 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽二二.同位素中子源的屏蔽计算同位素中子源的屏蔽计算另一种方法是各种核反应中子源，他们发射的中子对氢的平均微分分出另一种方法是各种核反应中子源，他们发射的中子对氢的平均微分分出截面近似取截面近似取R R=1=1靶，然后用下式估算：靶，然后用下式估算：1.1.分出截面法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：可直接用下式计算：41第二节第二节 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽二二.同位素中子源的屏蔽计算同位素中子源的屏蔽计算1.1.分出截面法分出截面法计量当量率（毫西弗计量当量率（毫西弗/小时）；小时）；源的中子发射率（中子源的中子发射率（中子/秒）；秒）；离源的距离（米）；离源的距离（米）；在屏蔽材料中的中子减弱因子；在屏蔽材料中的中子减弱因子；中子注量率中子注量率-剂量当量率转换因子，剂量当量率转换因子，即即1中子中子/秒秒2秒相当于秒相当于1.310-7毫西弗毫西弗/小时小时42第二节第二节 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽二二.同位素中子源的屏蔽计算同位素中子源的屏蔽计算1.1.分出截面法分出截面法一些常用屏蔽材料的中子减弱因子一些常用屏蔽材料的中子减弱因子材材 料料f f水水0.892e0.892e-0.129t-0.129t+0.108e+0.108e-0.091t-0.091t混凝土混凝土e e-0.083t-0.083t钢钢e e-0.063t-0.063t铅铅e e-0.042t-0.042tt t为屏蔽层厚度（厘米）为屏蔽层厚度（厘米）43第二节第二节 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽二二.同位素中子源的屏蔽计算同位素中子源的屏蔽计算1.1.分出截面法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在进行屏蔽估算时，如果屏蔽材料中氢原子数的含量占40%40%以上，则该屏蔽材料的以上，则该屏蔽材料的减弱因子，为在水中的减弱因子减弱因子，为在水中的减弱因子f f的的e e指数上乘以此材料每体积中所含的氢原子数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。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一些屏蔽材料中的含氢量材料材料化学组成化学组成含氢原子数（原子含氢原子数（原子/厘米厘米3）水水H2O 6.71022石石 蜡蜡(CH2)n8.151022聚聚 乙乙 烯烯(CH2CH2)n 8.31022聚氯乙烯聚氯乙烯(CH2CHCl)n 4.11022有机玻璃有机玻璃(C4H8O2)n 5.71022石石 膏膏CaSO42H2O3.251022高高 岭岭 土土Al2O32SiO22H2O2.42102244第二节第二节 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽二二.同位素中子源的屏蔽计算同位素中子源的屏蔽计算1.1.分出截面法分出截面法【例题例题】已知钋已知钋-铍源的中子发射率为铍源的中子发射率为3.533.5310107 7中子中子/秒，如用石蜡屏秒，如用石蜡屏蔽后，离源蔽后，离源0.50.5米处的中子注量率米处的中子注量率=9=910104 4中子中子/米米2 2 秒。求石蜡屏蔽秒。求石蜡屏蔽层的厚度？层的厚度？解：已知条件如下：解：已知条件如下：（1 1）S=3.53S=3.5310107 7中子中子/秒秒;（2 2）R=0.5R=0.5米；米；（3 3）E En,maxn,max10.87MeV10.87MeV，4.2MeV4.2MeV；（4 4）屏蔽材料为石蜡，）屏蔽材料为石蜡，M MA A2727，能量下限取作，能量下限取作1.5MeV1.5MeV；（5 5）石蜡为含氢材料，氢含量）石蜡为含氢材料，氢含量N NH H8.158.1510102626原子原子/厘米厘米3 3，碳含量碳含量N NC C4.074.0710102626原子原子/厘米厘米3 3；（6 6）查表得碳的微观分出截面为）查表得碳的微观分出截面为0.810.81靶靶需要的公式有：需要的公式有：45第二节第二节 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽二二.同位素中子源的屏蔽计算同位素中子源的屏蔽计算1.1.分出截面法分出截面法【例题例题】将中子发射率为发射率为将中子发射率为发射率为5 510107 7中子中子/秒的镅秒的镅-铍源，装入壁厚铍源，装入壁厚为为0.250.25米厚的聚乙烯屏蔽容器中。求离源米厚的聚乙烯屏蔽容器中。求离源0.30.3米处的计量当量率？米处的计量当量率？解：求离源解：求离源0.30.3米处的计量当量率，根据剂量当量率公式：米处的计量当量率，根据剂量当量率公式：（1 1）S=5S=510107 7中子中子/秒秒;（2 2）R=0.3R=0.3米；米；（3 3）聚乙烯中氢原子含量大于）聚乙烯中氢原子含量大于4040，相对水的含氢比为相对水的含氢比为(8.3(8.310102222)/(6.7)/(6.710102222)1.241.2446第二节第二节 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽二二.同位素中子源的屏蔽计算同位素中子源的屏蔽计算2.2.查图法查图法剂剂量量减减弱弱系系数数f fD D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。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，镅铍源中子穿过水、聚乙烯屏蔽层时，剂量减弱系数剂量减弱系数f fD D和屏蔽层厚度的关系和屏蔽层厚度的关系厚度（厘米）厚度（厘米）半径（厘米）半径（厘米）若干含氢材料对锎若干含氢材料对锎-252-252、钚铍及锑铍中、钚铍及锑铍中子源的中子剂量率减弱曲线子源的中子剂量率减弱曲线每每单单位位粒粒子子注注量量的的剂剂量量当当量量率率率率47解：设屏蔽后，在解：设屏蔽后，在P P点的容许剂量当量率为点的容许剂量当量率为2.52.51010-2-2毫西弗毫西弗/小时，小时，剂量换算因子剂量换算因子d dH H3.953.951010-14-14西弗西弗/（中子（中子/米米2 2）;R;R0.50.5米米减弱系数：减弱系数：由由f fD Dd d曲线图中插图可得水的屏蔽层厚度曲线图中插图可得水的屏蔽层厚度d d第二节第二节 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽二二.同位素中子源的屏蔽计算同位素中子源的屏蔽计算2.2.查图法查图法【例题例题】如图，安装一个中子发射率为发射率为如图，安装一个中子发射率为发射率为3.23.210107 7中子中子/秒的镅秒的镅-铍铍源，源，P P点离源的距离点离源的距离R R为为0.50.5米。用查图法求水的屏蔽层厚度米。用查图法求水的屏蔽层厚度d d。水PRd吊绳中子源48第二节第二节 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽二二.同位素中子源的屏蔽计算同位素中子源的屏蔽计算2.2.查图法查图法【例题例题】用水屏蔽中子发射率为用水屏蔽中子发射率为3.23.210107 7中子中子/秒的钚秒的钚-铍中子源，其他铍中子源，其他条件同上一例题，用查图法求水的屏蔽层厚度条件同上一例题，用查图法求水的屏蔽层厚度d d。水PRd吊绳中子源解：解：R R0.50.5米；米；S S 3.23.210107 7中子中子/秒，在秒，在P P点的容许剂量当量率为点的容许剂量当量率为2.52.51010-2-2毫西弗毫西弗/小时则每单位中子注量的剂量当量率为：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由表中可查得所需水的屏蔽厚度d d49第二节第二节 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽三三.裂变中子源裂变中子源252252CfCf的屏蔽计算的屏蔽计算1.1.概述概述1 1克克252252CfCf，其中子产额为，其中子产额为2.342.3410101212中子中子/秒，相应于在秒，相应于在1 1米处的中子吸收米处的中子吸收剂量率为剂量率为2.842.84戈戈/小时，剂量当量率为小时，剂量当量率为2424西弗西弗/小时。自发裂变产物发射小时。自发裂变产物发射的的光子为光子为1.31.310101313光子光子/秒秒克，相应于在克，相应于在1 1米处的米处的吸收剂量率为吸收剂量率为1.41.4戈戈/小时，剂量当量率为小时，剂量当量率为1.41.4西弗西弗/小时。小时。对对252252CfCf的屏蔽，应考虑自发裂变快中子和初级的屏蔽，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辐射的屏蔽。的屏蔽。50第二节第二节 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽三三.裂变中子源裂变中子源252252CfCf的屏蔽计算的屏蔽计算2.2.屏蔽估算屏蔽估算为了使用方便，为了使用方便，252252CfCf源一般制成移动式的，根据源强和所选用的屏蔽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。材料的性质，采用二层或三层屏蔽。对于微克量级对于微克量级252252CfCf源，不需要考虑复杂的屏蔽，可采用普通同位素中子源，不需要考虑复杂的屏蔽，可采用普通同位素中子源的简单屏蔽；对于克级源的简单屏蔽；对于克级252252CfCf源，除进行足够的屏蔽外，还应考虑冷却源，除进行足够的屏蔽外，还应考虑冷却设备、机械操作等。设备、机械操作等。51第二节第二节 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽三三.裂变中子源裂变中子源252252CfCf的屏蔽计算的屏蔽计算2.2.屏蔽估算屏蔽估算球形三层屏蔽剖面示意图球形三层屏蔽剖面示意图52第三节第三节 中子发生器的防护中子发生器的防护一一.概述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。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通常的中子发生器主要是根据T(dT(d，n)n)或或D(dD(d，n)n)反应的反应的原理设计的。其反应式是：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。能量，全部转化为反冲核及所产生的中子的能量。53第三节第三节 中子发生器的防护中子发生器的防护二二.中子发生器的辐射危害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中子发生器的辐射危害主要是中子和X X射线，其次是中子活化感生放射射线，其次是中子活化感生放射性氚对空气的污染。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。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。强度与真空度、被加速粒子束的大小有关。54可编辑