王 捷，李雅男，李桃生，王永峰,*

(1.中國(guó)科學(xué)院 核能安全技術(shù)研究所，中子輸運(yùn)理論與輻射安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031； 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026)

快中子照相是一種優(yōu)良的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，與X射線、熱中子照相等具有互補(bǔ)性?？熘凶訂紊院?、穿透力強(qiáng)，適合檢測(cè)較厚樣品，尤其適用于復(fù)合材料中重元素包裹的輕元素檢測(cè)，在航空航天、武器庫(kù)存、安保等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。為此，國(guó)內(nèi)外爭(zhēng)相開(kāi)展快中子照相研究，但由于受中子源限制，研究進(jìn)展較緩慢。中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所FDS鳳麟核能團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)的強(qiáng)流氘氚中子源科學(xué)裝置(High Intensity D-T Fusion Neutron Generator, HINEG)已成功產(chǎn)生14 MeV的中子，中子產(chǎn)額達(dá)6.4×1012s-1 [5-7]，并基于HINEG產(chǎn)生的高品質(zhì)強(qiáng)流14 MeV中子，研制了一套高分辨的快中子照相系統(tǒng)。

快中子照相系統(tǒng)主要由中子源、準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)和像探測(cè)系統(tǒng)3部分組成，這3部分決定了快中子照相系統(tǒng)性能參數(shù)如空間分辨率和圖像對(duì)比度等。對(duì)中子源和探測(cè)器固定的快中子照相系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)良好的準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)是搭建高分辨快中子照相系統(tǒng)的關(guān)鍵。準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)的主要作用是通過(guò)限制中子出射角度的分布以減少散射中子，減小散射中子對(duì)圖像信息的干擾或掩蓋，從而提高圖像分辨率；同時(shí)屏蔽伴隨產(chǎn)生的γ射線，減少γ射線對(duì)成像的干擾，提高圖像分辨率，最終將快中子準(zhǔn)直成適合快中子照相的中子束[8-13]。為此，國(guó)內(nèi)外針對(duì)準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)開(kāi)展了模擬分析及實(shí)驗(yàn)研究。例如，2010年，竇海峰等[13]設(shè)計(jì)了一套基于D-T中子源的快中子照相準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)，該準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)具有很好的中子散射屏蔽效果，但未分析準(zhǔn)直束的其他特性參數(shù)；2011年，劉洋等[10]開(kāi)展了D-T快中子照相準(zhǔn)直屏蔽體設(shè)計(jì)及中子束特性的模擬研究，分析了準(zhǔn)直屏蔽體對(duì)中子束特性參數(shù)如中子注量均勻性、中子注量率等的影響規(guī)律，但未考慮產(chǎn)生的散射中子，且準(zhǔn)直束中產(chǎn)生的γ射線份額較多，會(huì)對(duì)成像產(chǎn)生影響；2012年，Sabo-Napadensky等[14]對(duì)14 MeV的D-T快中子照相的準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)降低了準(zhǔn)直束中的散射中子，但未評(píng)估準(zhǔn)直束中產(chǎn)生的γ射線。

本文針對(duì)基于HINEG搭建的一套快中子照相系統(tǒng)，設(shè)計(jì)與之相匹配的準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)，并綜合評(píng)估其準(zhǔn)直束特性參數(shù)。準(zhǔn)直束的特性參數(shù)主要包括照射視野范圍內(nèi)的中子能譜及注量率、γ射線能譜及注量率、直射中子注量率與γ射線注量率比值(φd/φγ)、直射與散射中子注量率比值(φd/φs)及準(zhǔn)直束中子注量率的不均勻度等，這些特性參數(shù)直接影響著快中子照相系統(tǒng)的圖像分辨率和圖像對(duì)比度等性能。其中，φd/φγ越高，γ射線對(duì)成像干擾越小，使得圖像對(duì)比度越高；φd/φs越高，即散射中子越少，圖像分辨率越好[8]。為此，采用中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所FDS鳳麟核能團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的中子輸運(yùn)設(shè)計(jì)與安全評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng)SuperMC對(duì)快中子準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)中材料構(gòu)成和幾何尺寸對(duì)準(zhǔn)直束特性參數(shù)的影響，同時(shí)采用MCNP5程序?qū)uperMC計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，并通過(guò)優(yōu)化提高φd/φγ和φd/φs，確定最優(yōu)的準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 計(jì)算模型與方法

HINEG可產(chǎn)生14 MeV的中子，計(jì)算時(shí)設(shè)置中子源強(qiáng)為6×1012s-1。像探測(cè)系統(tǒng)由轉(zhuǎn)換屏和像探測(cè)器組成，轉(zhuǎn)換屏選用轉(zhuǎn)換效率較高的BC408型塑料閃爍屏(中子能量探測(cè)下限為0.5 MeV)；像探測(cè)器選用科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)?；谠撝凶釉春拖裉綔y(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)，采用SuperMC建立了基于HINEG的快中子照相模型，如圖1a所示。利用SuperMC進(jìn)行準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)，獲得初步方案。計(jì)算并分析不同的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)、材料及尺寸對(duì)準(zhǔn)直束特性參數(shù)的影響，從而確定最優(yōu)的準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

考慮到中子能譜、角分布和源形狀等因素均會(huì)對(duì)準(zhǔn)直束的能譜、注量均勻性等特性參數(shù)造成影響，為更真實(shí)地進(jìn)行模擬計(jì)算，建立直徑φ=1 cm的面中子源模型。其中，源模型的中子能譜和角分布數(shù)據(jù)通過(guò)D-T反應(yīng)中子源程序dTTdyE計(jì)算獲得，如圖1b所示。通過(guò)D-T反應(yīng)產(chǎn)生的中子能量絕大多數(shù)為14 MeV，但有少部分中子能量偏離14 MeV，其能量范圍為13～15 MeV。因此，在模擬計(jì)算時(shí)將能量En>13 MeV的中子視為直射中子(未經(jīng)碰撞的中子，能量未損失)。

圖1 快中子照相系統(tǒng)的SuperMC模型(x-z剖面)(a)與HINEG中子能譜(b)Fig.1 SuperMC model of fast neutron radiography facility (x-z section) (a) and neutron energy spectrum of HINEG (b)

如圖1a所示，距離中子源x=115 cm處的樣品平面處設(shè)置直徑φ=30 cm的探測(cè)器。利用SuperMC的面通量計(jì)數(shù)卡T2可記錄中子與γ射線能譜、中子與γ射線注量率等，從而獲得直射及散射中子注量率、φd/φγ和φd/φs；以準(zhǔn)直中子束入射的樣品平面中心為原點(diǎn)，z軸方向設(shè)置多個(gè)點(diǎn)探測(cè)器，采用點(diǎn)通量計(jì)數(shù)卡T5可記錄徑向不同位置的相對(duì)單位中子源的中子注量，從而獲得中子注量徑向分布不均勻度。計(jì)算可知，在x=115 cm處空氣對(duì)中子的散射貢獻(xiàn)為0.16%，因此，本文在以下模擬計(jì)算時(shí)可忽略空氣對(duì)中子散射的影響。使用T2計(jì)數(shù)卡結(jié)果統(tǒng)計(jì)誤差小于3%，T5計(jì)數(shù)卡結(jié)果統(tǒng)計(jì)誤差小于1%[15]。利用MCNP程序進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算時(shí)，對(duì)應(yīng)的面通量計(jì)數(shù)卡為F2卡，點(diǎn)通量計(jì)數(shù)卡為F5卡，其他計(jì)算條件均與SuperMC相同。

2 準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 設(shè)計(jì)要求

參考國(guó)內(nèi)外快中子照相的研究成果，通常準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)需達(dá)到以下幾方面的要求：成像樣品處的中子注量率大于105cm-2·s-1 [13]；為滿(mǎn)足樣品最大的照射面積為20 cm×20 cm，要求幾何不銳度小于1 cm時(shí)準(zhǔn)直比大于40[16]；照射視野內(nèi)中子注量率不均勻度小于8%[10]；準(zhǔn)直中子束的φd/φγ和φd/φs越高，圖像分辨率和對(duì)比度越好[8]。

2.2 初步方案

參考文獻(xiàn)[8-14]，常見(jiàn)的準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)有圓管型、多束圓管型、多束平板型、發(fā)散型等，為使中子束能沿出口方向均勻發(fā)散，同時(shí)能屏蔽其他方向的散射中子，本文的準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案擬采用入口較小的發(fā)散型錐形結(jié)構(gòu)。為屏蔽散射中子，主要通過(guò)準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)的內(nèi)襯材料進(jìn)行充分慢化并吸收，通常的做法是先用高Z金屬材料發(fā)生非彈性散射反應(yīng)將高能中子能量降低，再利用含氫物質(zhì)將中子能量進(jìn)一步慢化，最后通過(guò)中子吸收截面較大的含硼材料將中子吸收。

基于上述的錐形結(jié)構(gòu)，綜合考慮準(zhǔn)直效果、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性和HINEG裝置性能等，初步確定了準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1a所示，準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)總長(zhǎng)度為100 cm，錐角為15°，錐體入口直徑2 cm。準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)主要由內(nèi)襯材料和屏蔽體組成，其中，內(nèi)襯材料(圖1a中虛線框內(nèi))由3層材料組成。最內(nèi)層選擇易獲取且成本較低的Fe材料(通過(guò)中子與Fe發(fā)生非彈性散射反應(yīng)將高能中子迅速降低到閾能以下)；中間層選擇含硼聚乙烯(PE-B)，用以慢化和吸收散射中子；最外層選擇Pb作為γ射線吸收層，以減小γ射線對(duì)成像的干擾。為此，準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)初步方案為：Fe材料厚度為10 cm，含硼聚乙烯厚度為5 cm，Pb厚度為2 cm。此外，在內(nèi)襯材料外圍設(shè)置了屏蔽體，其作用是防止散射中子進(jìn)入準(zhǔn)直孔道內(nèi)并可保護(hù)CCD相機(jī)等成像設(shè)備免受輻照。屏蔽體也是由Fe、含硼聚乙烯和Pb 3層組成，從內(nèi)到外分別為30 cm厚度的圓錐形Fe、25 cm厚的圓柱形的含硼聚乙烯(含8%硼)和4 cm厚的Pb。

2.3 優(yōu)化方法

采用SuperMC對(duì)準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)的初步方案進(jìn)行評(píng)估，并用MCNP進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果列于表1。對(duì)比結(jié)果可知，SuperMC計(jì)算結(jié)果與MCNP計(jì)算結(jié)果偏差均小于1%。為此，本文在以下模擬計(jì)算時(shí)，采用SuperMC進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)φd/φγ較小(為21.4)，說(shuō)明準(zhǔn)直中子束中γ射線污染嚴(yán)重[10]，其主要原因是Fe的非彈性散射截面較大，易與中子發(fā)生非彈性散射(n, n′γ)反應(yīng)而產(chǎn)生了大量γ射線。為此，需對(duì)初步方案進(jìn)行優(yōu)化，旨在提高φd/φγ以減少γ射線對(duì)成像的影響，同時(shí)考慮盡可能提高φd/φs以減少散射中子對(duì)成像的影響。

表1 準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)初步方案的準(zhǔn)直束特性參數(shù)SuperMC和MCNP計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of beam characteristic parameters of preliminary shielding collimator system calculated by SuperMC and MCNP

準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)的內(nèi)襯材料是改善中子束特性參數(shù)的關(guān)鍵因素，所以基于初步方案，外屏蔽體的尺寸不變，主要對(duì)內(nèi)襯材料進(jìn)行優(yōu)化。最內(nèi)層常用的金屬材料有W、Cu和Fe，根據(jù)ENDF/B-Ⅶ.0數(shù)據(jù)庫(kù)，在中子能量En>13 MeV時(shí)對(duì)應(yīng)的非彈性散射(n,n′γ)反應(yīng)的微觀截面σin、(n,xn)反應(yīng)的微觀截面σ分別有σin,W<σin,Cu<σin,Fe和σCu<σFe<σW，可考慮選用非彈性散射截面小的材料以減少γ射線的產(chǎn)生；選用(n,xn)反應(yīng)截面大的材料，通過(guò)中子與材料發(fā)生(n,xn)反應(yīng)迅速降低能量，進(jìn)而被如含硼聚乙烯、B4C等中子吸收材料吸收，從而減少散射中子。所以，在錐體入口采用非彈性散射截面小、(n,xn)反應(yīng)截面大的W替代部分Fe，并在準(zhǔn)直孔道內(nèi)襯一層Pb吸收產(chǎn)生的γ射線，內(nèi)襯一層0.5 cm厚的B4C吸收散射中子，如圖2所示。為此，在內(nèi)襯結(jié)構(gòu)尺寸不變的基礎(chǔ)上，考慮W厚度不變(即dW=10 cm)，旨在獲取W的最優(yōu)長(zhǎng)度LW、Pb的最優(yōu)厚度dPb和長(zhǎng)度LPb、優(yōu)化后Fe厚度dFe和長(zhǎng)度LFe(總長(zhǎng)度及厚度分別用L和d表示，且滿(mǎn)足LW+LPb=L=100 cm，LPb=LFe，dFe+dPb+dB4C=10 cm等條件)。

圖2 優(yōu)化方案內(nèi)襯材料的SuperMC模型(x-z剖面)Fig.2 SuperMC model of lining material for optimal shielding collimator system (x-z section)

2.4 優(yōu)化方案

圖3 不同尺寸的W-Pb組合的φd2/φγφsFig.3 φd2/φγφs of lead and tungsten with different combination sizes

3 準(zhǔn)直束特性參數(shù)計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 中子注量率及能譜

圖4為準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)優(yōu)化前、后照射野范圍的中子與γ射線能譜。圖4a的中子能譜變化較小，說(shuō)明優(yōu)化過(guò)程對(duì)中子能譜影響較小。相比初步方案，優(yōu)化方案中0～13 MeV能區(qū)中子注量減少了14.3%，主要是因?yàn)椴捎昧?n,xn)反應(yīng)截面大的W，中子與W發(fā)生(n,xn)反應(yīng)，降低了散射中子能量，再通過(guò)含硼聚乙烯及B4C吸收，使散射中子份額減少。從圖4b的γ射線能譜可看出，γ射線注量顯著減少，因?yàn)閮?yōu)化設(shè)計(jì)中采用了非彈性散射截面小于Fe的W，減少了通過(guò)(n,n′γ)反應(yīng)產(chǎn)生的γ射線，同時(shí)準(zhǔn)直孔道內(nèi)襯的一層Pb有效吸收了產(chǎn)生的γ射線。其中，能量在0～10 MeV的γ射線減少的份額最多，F(xiàn)e材料的非彈性散射反應(yīng)截面在0～10 MeV內(nèi)較大，由此說(shuō)明γ射線主要是由能量在0～10 MeV的中子活化產(chǎn)生的。優(yōu)化前、后的準(zhǔn)直束特性參數(shù)對(duì)比列于表2。

從表2可得，準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)優(yōu)化前、后，直射中子注量率所占份額分別為83.2%、85.2%；γ射線注量率減少了57.4%，散射中子減少了13.8%。計(jì)算結(jié)果表明，準(zhǔn)直孔入口部分采用低活化的W材料替代部分Fe材料及準(zhǔn)直孔道內(nèi)襯一層Pb可有效減少γ射線的產(chǎn)生，同時(shí)減少散射中子。優(yōu)化后，準(zhǔn)直中子束總的中子注量率與γ射線注量率比值為58.8，參考張杰等[17]研究的類(lèi)似準(zhǔn)直屏蔽體中該比值為17.2，說(shuō)明本文中優(yōu)化后的準(zhǔn)直屏蔽體對(duì)降低γ射線效果明顯，可有效降低γ射線對(duì)成像的干擾，提高圖像對(duì)比度。

圖4 x=115 cm平面上φ30 cm照射野范圍中子能譜(a)與γ射線能譜(b)Fig.4 Simulated neutron energy spectrum (a) and γ-ray energy spectrum (b) at φ30 cm radiation field on x=115 cm plane

表2 優(yōu)化前、后的準(zhǔn)直束特性參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of beam characteristic parameters before and after optimization

3.2 中子注量率徑向分布

中子注量率徑向分布可反映出準(zhǔn)直中子束的不均勻度，如不均勻性較大會(huì)掩蓋圖像中部分或全部信息，從而干擾圖像分辨率。為此，通過(guò)準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)可使中子束的不均勻度減小，其初步方案與優(yōu)化方案在x=115 cm平面上的中子注量率徑向分布如圖5所示。這里定義不均勻度為分布視野內(nèi)徑向的最大和最小中子注量率之差與最大中子注量率之比[16]，SuperMC計(jì)算可得準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)優(yōu)化前、后的中子注量率不均勻度分別為6.5%、5.8%，滿(mǎn)足中子照相對(duì)中子注量率不均勻度不大于8%的基本要求。

圖5 準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)初步方案(a)與優(yōu)化方案(b)在x=115 cm平面上的中子注量率徑向分布Fig.5 Radial distribution of neutron fluence rate for preliminary (a) and optimal (b) shielding collimator system on x=115 cm plane

4 結(jié)論

本文針對(duì)基于HINEG設(shè)計(jì)的一套快中子照相系統(tǒng)，設(shè)計(jì)與優(yōu)化了與其相匹配的準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)。利用SuperMC進(jìn)行了準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)研究?jī)?nèi)襯材料、尺寸等參數(shù)對(duì)特性參數(shù)的影響，獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，并采用MCNP程序?qū)τ?jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明，SuperMC計(jì)算結(jié)果與MCNP5計(jì)算結(jié)果一致，相對(duì)偏差均在1%以?xún)?nèi)。因此，所得結(jié)論如下。

1) 通過(guò)在準(zhǔn)直孔入口處采用低活化的W材料替代部分Fe材料，并在準(zhǔn)直孔道中內(nèi)襯一層Pb及在內(nèi)壁涂一層B4C的優(yōu)化方式，最終達(dá)到了減少γ射線和散射中子的要求。

2) 優(yōu)化方案與初步方案相比，φd/φγ為50.1，γ射線注量率減少了57.3%，有效減少了γ射線對(duì)成像的干擾；φd/φγ為5.7，散射中子減少了13.8%。結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有效地改善了準(zhǔn)直束特性參數(shù)。

3) 在x=115 cm平面上φ30 cm照射視野范圍內(nèi)的中子注量率為4.80×107cm-2·s-1，其中直射中子占85.2%，滿(mǎn)足快速成像對(duì)中子注量率的要求，且樣品處中子注量率較高，可考慮適當(dāng)?shù)卦龃鬁?zhǔn)直比以減少幾何不銳度，從而提高圖像分辨率；照射視野范圍內(nèi)中子注量率不均勻度為5.8%，說(shuō)明中子注量率不均勻度對(duì)成像干擾小，有利于提高圖像分辨率。

綜上所述，設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)能滿(mǎn)足快中子照相對(duì)準(zhǔn)直束特性各類(lèi)參數(shù)的要求。本文的準(zhǔn)直屏蔽系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可為快中子照相系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建提供參考，下一步將在HINEG上通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

本工作得到了FDS鳳麟核能團(tuán)隊(duì)其他成員提供的指導(dǎo)和幫助，在此表示衷心的感謝。