于嘉蕾,侯 龍,王 琦

(中國原子能科學(xué)研究院,北京 102413)

0 引 言

在后處理生產(chǎn)過程會產(chǎn)生某些具有自發(fā)中子裂變特性的物料，這些物料隨著生產(chǎn)過程其位置、形態(tài)和質(zhì)量均會發(fā)生變化，但由于生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，這些物料難以離線測量分析，需要采用大量的中子探測器進行在線測量，因此對這些中子探測器開展準(zhǔn)確、快速的標(biāo)定測量具有重要的實際意義。本文針對后處理生產(chǎn)工況的實際需求，設(shè)計了可一次對多根3He中子探測器進行標(biāo)定測量的立式桶型中子探測器探測效率標(biāo)定測量裝置，對該裝置的材料選型、功能結(jié)構(gòu)開展數(shù)學(xué)建模，選用252Cf中子源并基于蒙特卡羅程序?qū)α⑹酵靶椭凶犹綔y效率標(biāo)定測量裝置的中子慢化能譜、中子探測效率、中子及γ屏蔽效果進行分析計算。

1 桶型中子探測效率標(biāo)定裝置設(shè)計及建模

為了對大量的中子探測器進行高效的標(biāo)定測量，本文基于待測3He中子探測器，設(shè)計了一次可對多個中子探測器進行標(biāo)定測量的桶型中子探測效率標(biāo)定裝置，對中子源及慢化屏蔽材料進行了選型，并對該標(biāo)定裝置構(gòu)建了MCNP計算模型。

1.1 3He管中子探測器

立式桶型中子探測效率標(biāo)定測量裝置系統(tǒng)選用252Cf中子源作為測量源，其半衰期為2.65 a，中子射線平均能量為2.348 MeV，大部分中子屬快中子。對于252Cf源還需考慮兩部分γ射線:252Cf源自身α衰變產(chǎn)生的平均能量為0.8 MeV的γ射線以及中子經(jīng)過慢化層俘獲反應(yīng)后產(chǎn)生的γ射線。

3He對熱中子的反應(yīng)截面最大(5.3×10-25m2)，廣泛用于正比計數(shù)器中，熱中子與3He的反應(yīng)為：3He+n→1H+3H+765 keV。3He管中子探測器主要通過記錄中子與3He發(fā)生核反應(yīng)時放出的帶電粒子在探測器中引起的電離來實現(xiàn)中子探測[1]。由于其探測效率高，不用低溫保存，且具有對γ射線靈敏度低，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定等特點而得到了廣泛應(yīng)用[2-3]?；谝陨闲阅芴攸c，在后處理生產(chǎn)線中將使用大量3He中子探測器，因此需提前將3He探測器探測效率計算分析，并進行歸一化處理。

由于3He探測器對熱中子探測效率高，為提高熱能區(qū)的中子注量率需要選擇合適的慢化材料。由于不同能量的中子與物質(zhì)相互作用具有各自的特點，需要對不同能量的中子源選擇不同的慢化體并進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文采用分層復(fù)合慢化設(shè)計方式：先使用含氫較高的材料(如聚乙烯、水、重水等材料)將透射中子慢化為熱中子；再加上對熱中子有較大吸收截面的材料(如含鋰、硼、稀土元素等材料)將熱中子充分吸收；此外中子與屏蔽材料相互作用的過程中[4]，會產(chǎn)生大量γ射線，最外層還需使用中高原子序數(shù)的元素做γ射線屏蔽材料[5]。

綜上，本裝置最內(nèi)層采用聚乙烯作為中子慢化材料，中間采用含硼聚乙烯作為熱中子吸收材料，最外層采用鉛作為伽馬射線屏蔽層的復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)。

1.2 蒙特卡羅方法

蒙特卡羅方法又稱為隨機抽樣技巧或統(tǒng)計實驗方法，是一種以概率統(tǒng)計理論為指導(dǎo)的一類數(shù)值計算方法，能夠比較逼真地描述模型的特點和物理過程，在粒子輸運問題中應(yīng)用廣泛。MCNP程序是由美國阿拉莫斯實驗小組經(jīng)過多年研究編制的大型蒙特卡羅計算程序集，主要用于復(fù)雜三維幾何結(jié)構(gòu)中的中子、光子、中子-光子耦合輸運問題[6]，適用的光子能量范圍為10-3～105MeV，中子能量范圍為10-11～20 MeV，電子能量范圍為10-3～103MeV，也可以計算反應(yīng)堆中臨界本征值問題。MCNP程序在模擬過程中，首先設(shè)置入射粒子的位置、能量、入射角度以及靶材料和探測器等物理參數(shù)，然后利用概率統(tǒng)計方法對入射粒子進行輸運跟蹤，模擬粒子與原子核的相互作用過程，并統(tǒng)計相關(guān)物理數(shù)據(jù)[7]。

本文使用MCNP程序建立了立式桶型慢化屏蔽裝置及后端集成電子學(xué)部件的3He探測器的相關(guān)計算模型，分析了該裝置慢化材料厚度選取的合理性，并對探測器探測效率進行模擬，最后計算了裝置外中子及伽馬射線劑量，分析了慢化體的慢化能力及屏蔽體的屏蔽效果。

1.3 探測效率標(biāo)定測量裝置MCNP建模

基于MCNP建立的桶型中子探測效率標(biāo)定測量裝置模型如圖1所示，其中圖1(a)為桶型中子探測效率標(biāo)定測量裝置x-z面，從內(nèi)到外依次為源管(內(nèi)部放置252Cf中子源)、3He管探測器、聚乙烯慢化屏蔽層、鎘層作為熱中子吸收層，最外層為鉛層用于屏蔽γ射線；圖1(b)為桶型中子慢化屏蔽裝置x-y面，可見源管放置圓柱形聚乙烯中子慢化材料中心，12根3He計數(shù)管等距放置在外圈，聚乙烯、含硼聚乙烯、鎘層及鉛屏蔽層如圖示。

圖1 桶型中子探測效率標(biāo)定測量裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of barrel type neutron detection efficiency calibration measuring device

其中，待標(biāo)定的3He管探測器尺寸為φ50 mm×235 mm，工作電壓為1 180 V，氣壓為0.4 MPa,后端由電荷靈敏前級、主放大電路、成型電路、基線恢復(fù)電路、高通濾波電路、甄別電路以及高低壓電源集成了電子學(xué)模塊，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 3He中子探測器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of 3He neutron detector

2 桶型中子探測效率標(biāo)定裝置計算分析

本文根據(jù)后處理生產(chǎn)過程及設(shè)計需求，運用MCNP程序分別計算了桶型中子探測效率標(biāo)定裝置的聚乙烯慢化層的慢化能力及效果，不同位置12根3He管中子探測器的探測效率以及源管、探測器上方及屏蔽體周圍的劑量。

2.1 聚乙烯慢化效果計算

通常使用聚乙烯作為中子慢化體時，在使用同一中子源的情況下，探測效率隨慢化體厚度增大而增大，但通常在聚乙烯慢化體厚度>5 cm后，探測效率沒有明顯提高[8]。由于慢化體太大會使裝置過大，如何在可放置的12根探測器的情況下，保證聚乙烯慢化體厚度的合理性，本文設(shè)計聚乙烯慢化體厚度為10 cm，并對不同能量的中子源在有無慢化材料時的中子能量分布進行了計算。通過計數(shù)卡F4進行模擬計算后，統(tǒng)計中子源未經(jīng)慢化材料與經(jīng)過慢化材料后，不同能量區(qū)間中子計數(shù)如表1所示，通過折算其中子能量分布如圖3所示。由圖3可看出，中子慢化效果良好，所設(shè)計10 cm厚度的聚乙烯慢化體已達到慢化效果。

表1 不同慢化材料下不同能量區(qū)間中子計數(shù)Table 1 Neutron counting under different moderating material

圖3 探測器位置中子能量分布Fig.3 Neutron energy distribution of detector and neutron placement tube

2.2 探測器探測效率模擬計算

本文計算252Cf中子源置于裝置中心時，桶型中子探測效率標(biāo)定裝置中子源周圍待標(biāo)定的12根3He管中子探測器的探測效率,其計算結(jié)果如表2所示。通過計算結(jié)果顯示，使用本裝置一次性對12根探測器基于同一中子源的探測效率進行標(biāo)定測量時結(jié)果均勻，可以較好地實現(xiàn)大量的中子探測器準(zhǔn)確、快速標(biāo)定測量，為實測使用提供了良好的計算分析基礎(chǔ)。

表2 探測器探測效率計算結(jié)果Table 2 Results of detection efficiency under different positions

2.3 中子及γ屏蔽計算

為保證探測效率及探測器中子能譜穩(wěn)定性，同時考慮輻射劑量必須滿足輻射防護的要求，需要開展屏蔽計算。如前所述，由于252Cf中子源自身α衰變產(chǎn)生以及中子與慢化材料發(fā)生輻射俘獲還會發(fā)射γ射線，因此在屏蔽設(shè)計時需要同時考慮中子與γ的輻射防護問題，本文選擇放射性活度約為1.7×106n-1s-1的Cf-252源開展中子及γ屏蔽計算。本設(shè)計的桶型中子探測效率標(biāo)定裝置其聚乙烯慢化層外有30 cm的含硼聚乙烯、鎘層中子吸收體及5 cm的鉛層屏蔽γ。本文通過MCNP程序開展三維幾何建模，使用中子、光子注量-劑量轉(zhuǎn)換卡(DE和DF)，計算裝置外中子及γ劑量當(dāng)量率，其中，中子、光子注量-劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)參照ICRP-21號報告[9-11]?？紤]到測量過程中會更換探測器，因此除了對裝置周圍區(qū)域劑量率開展了計算外，還分別對探測器上方位置劑量率及源管內(nèi)劑量率進行了計算，結(jié)果如表3所示，從計算結(jié)果看裝置的屏蔽效果好，滿足監(jiān)督區(qū)劑量率小于2.5 μSv/h的輻射防護的要求。

表3 裝置不同位置的輻射劑量率Table 3 Radiation does rates at different locations 單位:μSv·h-1

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了一套可對多個3He中子探測器進行標(biāo)定測量的桶型中子探測效率標(biāo)定裝置，對該裝置的材料、結(jié)構(gòu)進行了蒙特卡羅建模分析，對慢化層的慢化能力及效果，不同位置中子探測器的探測效率以及裝置周圍中子及γ劑量進行了計算分析。結(jié)果表明，本裝置能夠滿足后處理生產(chǎn)過程中物料測量對大批量3He探測器探測效率標(biāo)定的需求，為實際工作提供了有效的技術(shù)基礎(chǔ)。