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第9讲 中子外照射防护.pdf

第9讲 中子外照射防护

中小学精品课件
2019-04-28 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第9讲 中子外照射防护pdf》,可适用于综合领域

辐射剂量与防护授课单位:核工程与地球物理学院授课专业:辐射防护与环境工程中子辐射源中子的剂量计算中子在屏蔽层中的减弱规律中子屏蔽计算第章中子的外照射防护中子源分类:一放射性核素中子源二加速器中子源:三反应堆中子源四等离子体中子源单能中子源:多能按产生方式按能谱分中子源类主要参数:PE中子产额中子能谱中子发射的角分布中子辐射源产生方式通过各种核反应来加以制备种类(,)n反应中子源:常用(Am铍)、(Pu铍)源放射性核素中子源自发裂变中子源:常用锎(Cf)P具质详见表体性(,)n反应中子源,相对比较少见锎(Cf)的物理性质锎(Cf)的能谱在附图、、、、给出了关于锎-的辐射防护的各项参数可供查阅放射性核素中子源(续)优点:价格便宜、易于制备和运输且为各向同性场可以视为点源缺点:产额较低泄漏几率较大中子产额随时间减少等锎源中子刀可参考科普性文献。加速器中子源产生方法加速器中子源的特点不同方向上中子产额中子注量率的计算产生方法:通过加速器加速的各种带电粒子轰击靶材料发生核反应来制备绝大多数通过(d,n)核反应静电加速器:直线加速器回旋加速器加速器类型DDnHeMevTDnHeMev产生方法静电加速器是指利用静电高压加速带电粒子的装置。加速器加速粒子的能量受到所使用绝缘材料击穿电压的限制。为了提高静电加速器的工作电压和束流强度近代静电加速器安置在钢筒内钢筒内充有绝缘性能良好的高压气体以提高静电高压发生器的耐压强度加速粒子能量可达兆电子伏特(MeV)。静电加速器属于低能加速器。直线加速器是采用沿直线轨道分布的高频电场加速电子、质子和重离子的装置。回旋加速器是利用磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动在运动中经高频电场反复加速的装置。通过改变靶物质种类和带电粒子类型并调节带电粒子的能量和中子的出射方向就可以获得不同能量的中子类型因此比起前面的放射性核素中子源在中子能量的选择上要灵活的多当然整个设备比较笨重在可移动性能上要差上许多加速器中子源的特点()sry()::()osrosryyoo单位离子束在单位时间内产生的沿方向单位立体角内发射的中子数单位离子束在单位时间内产生的沿方向单位立体角内发射的中子数B()()Aosrosryy图图图表列图图图表列定义:数据来源:不同方向上中子产额氘核束在厚靶物质通过(d,n)反应产生的中子产额y厚靶物质通过(p,n)反应的中子产额分布o()sry电子束通过(γ,n)反应的总中子产额y常见核反应产生的中子的中子产额比II()()I()()oosroosryryr计算公式:设加速器束流强度(),靶与参考点距离r()则中子注=m量率:=A数据引用见前述各种图表注意各个分量单位的统一和最后结果单位的标准化。中子注量率的计算反应堆中子源来源来自反应堆中自持的链式反应。特点强度高能谱分布宽结构庞大危险性较高辐射防护的工作较为繁重。辐射屏蔽工作对象针对瞬发裂变中子、瞬发γ光子、裂变产物的γ辐射以及其它各种因核反应带来的γ辐射。只要能防护住上述的n和γ射线即可。中子产生示意图可能的反应:DD→HenMeVDD→TpMeVDT→HenMeVDHe→HepMev合成表达式:D→HepnMeV等离子体中子源Tokamak聚变装置示意图托卡马克的中央是一个环形的真空室外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场将其中的等离子体加热到很高的温度以达到核聚变的目的。中子剂量的计算中子与机体组织相互作用的特点中子剂量的计算比释动能的计算剂量当量指数的计算·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()弹性散射(nn)()非弹性散射(nn’)()辐射俘获(nγ)()带电粒子的发射()裂变(nf)复习中子与物质的相互作用()弹性散射(nn)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()非弹性散射(nn’)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(约秒)·最终靶核将放出一个动能较低的中子而处于激发态()非弹性散射(nn’)·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(>MeV)与重核相互作用时与弹性散射相比非弹性散射占优势()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。·()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。()裂变反应(nf)有几种重核如等当他们俘获一个中子后可分裂为两个较轻的原子核伴随着放出个中子及MeV左右的巨大能量这就是核裂变反应即(nf)反应。PuU,快中子通过与人体组织中的主要元素H、C、N、O等原子核的弹性和非弹性散射不断地将能量传递给组织而被慢化。与此同时被慢化后的中子又通过等反应被组织吸收。核反应中放出的反冲质子、γ射线也将部分被机体吸收。(,)HnH(,)NnpC中子与机体组织相互作用的特点中子与机体组织相互作用的特点(续)比释动能的计算剂量当量指数的计算中子剂量的计算trKKfE单能中子有能谱分布的中子trEEKKEdEfdE附表已经列出了常见材料对不同能量中子的比释动能因子fk值。附表Kf比释动能的计算由已知材料的比释动能Km求同一位置处其它材料的比释动能KT:trTTmtrmTTKKDK在满足带电粒子平衡条件下:对于E≤Mev的中子可以近似认为满足上述表达式。见例题比释动能的计算(续)但也要注意到中子在大块组织中产生的比释动能和吸收剂量与小块组织相比有很大的区别可以结合前面的γ射线的窄束和宽束的概念来加以理解。上一页的关于比释动能K和吸收剂量D之间的计算表达式只能用于小块组织因此简单的利用前面的表达式来计算人体深处组织的中子吸收剂量将有较大误差见P图比释动能的计算(续)中子在大块组织与小块组织的比释动能与吸收剂量是有很大区别的。在大块组织中中子的比释动能由三部分组成:、中子给予反冲质子部分(Kp)、中子给予较重反冲核(反冲碳核、氮核、氧核)的部分(KH)、次级γ射线给予电子的部分(Kγ)注意图MeV(a)和keV(b)平行宽束中子造成的比释动能分布,IIHnnHf单能中子有能谱分布的中子,,IInEHnHfEdE在P表给出了不同能量中子的辐射权重因子WR即Q剂量当量指数因子以及和对应的中子注量率。,IHnfSvh剂量当量指数的计算中子在屏蔽层中的减弱规律屏蔽层中中子束的减弱原理中子束在屏蔽体中的减弱规律计算宽束中子减弱的分出截面法宽束中子的透射曲线分析中子与物质的相互作用弹性散射非弹性散射去弹性散射俘获散裂衰减和吸收从辐射防护角度来得到好的防护材料屏蔽层中中子束的减弱原理根据中子与物质相互作用的性质对快中子首先用中等偏高原子序数的材料通过非弹性散射使中子能量很快降低到与原子核的第一激发能级相应的能量之下使中子降到非弹性散射阈值以下再利用低能中子与物质相互作用的性质利用低原子序数的材料如氢通过弹性散射作用使中子的能量进一步降低到热中子的范围见表此时再选择对热中子吸收截面大、同时俘获γ辐射能量低的材料完成对中子的吸收和有效屏蔽表屏蔽层中中子束的减弱原理(续)鉴于中子和γ光子均为不带电粒子因此中子在物质中的减弱规律可以借鉴γ光子的减弱规律如下:drrde对于类似的窄束:rd:距离源r处一点在放置屏蔽层之后的中子注量率r:距离源r处一点在放置屏蔽层之前的中子注量率:屏蔽材料对入射中子总的宏观截面Σ=Nσd:屏蔽材料的厚度单位m中子束在屏蔽体中的减弱规律drrndBe对于类似的宽束:rd:距离源r处一点在放置屏蔽层之后的中子注量率r:距离源r处一点在放置屏蔽层之前的中子注量率:屏蔽材料对入射中子总的宏观截面Σ=Nσd:屏蔽材料的厚度单位m:nB积累因子中子束在屏蔽体中的减弱规律(续)通过合理地选择和安排屏蔽材料我们可以使中子在屏蔽层中的衰减符合窄束的定义要求即使中子在屏蔽层中一经散射便能在很短的距离内被迅速慢化和吸收从而可以按照窄束的较为简单的计算公式来计算中子的衰减情况这就是所谓的分出截面法。计算宽束中子减弱的分出截面法、分出截面法的出发点:选择合适的屏蔽材料使得中子在屏蔽层中一经散射便能在很短距离内迅速慢化并保证能在屏蔽层内被吸收。亦即:经历了散射作用的中子被有效地从穿出屏蔽层的中子束中“分出”了使穿过屏蔽层的都是那些在屏蔽层内未经相互作用的中子。分出截面法应用的前提条件A屏蔽层足够厚使得在屏蔽层后面的剂量当量指数主要是由中子束中一组贯穿能力最强的中子贡献所致B屏蔽层中必须含有铁、铅等中高原子序数的重型材料使得高能中子能够通过非弹性散射迅速降低能量C屏蔽层中要含有足够的氢以保证在很短的距离内使中子的能量再迅速降低到热能段从而可以被屏蔽层所吸收在满足上述条件下宽束中子在屏蔽体内的衰减就可以按照窄束的计算公式来加以计算Rdrrderd:距离源r处一点在放置屏蔽层之后中子注量率r:距离源r处一点在放置屏蔽层之前的中子注量率R:屏蔽材料对入射中子总的宏观分出截面d:屏蔽材料的厚度单位m分出截面法应用的计算公式RdIIHHeIH:距离源r处一点在放置屏蔽层之后的剂量当量指数率距离源r处一点在放置屏蔽层之前的剂量当量指数率R:屏蔽材料对入射中子总的宏观分出截面d:屏蔽材料的厚度单位mIH:分出截面法应用的计算公式宏观分出截面和微观分出截面的关系RR屏蔽材料对裂变中子的和的关系可以表述如下:RR::::()RRARARMcmMgmolgcmbm若屏蔽材料是混合物或化合物则总的宏观分出截面等于各元素宏观分出截面之和:::::()iRRiRiiiAiRARQMcmMgmolgcmbm当原子量A>时宏观分出截面可以近似表示为:RA宏观分出截面和微观分出截面的关系RR()()RHRHHnHHHE的分出截面为其总截面的、分别表示屏蔽层中氢的微观分出截面与微观总截面。宽束中子的透射曲线中子的透射系数、透射比以及减弱倍数这三个参数。中子的透射系数:中子源发出的单位中子注量在屏蔽体后造成的剂量当量指数单位Sv·cm中子的透射比:中子辐射场中某点有屏蔽体时的吸收剂量指数率(剂量当量指数率)与没有屏蔽体时的吸收剂量指数率(剂量当量指数率)之比且中子的减弱倍数Kn:中子辐射场中某点没有屏蔽体时的吸收剂量指数率(剂量当量指数率)与有屏蔽体时的吸收剂量指数率(剂量当量指数率)之比nn相关参数见附图~n十倍减弱厚度类似于γ射线的定义即中子注量减弱为原来的所需的材料的厚度单能中子在普通混凝土中的平衡十倍减弱厚度屏蔽中子的材料屏蔽材料需要拥有一定数量的质量中等以上的材料使得快中子快速降低能量并需要有适量数量的轻元素从而使得中子能量迅速下降到热中子能区最后为了减少俘获γ射线的能量可以在屏蔽层材料中掺杂一定的B或Li常用的中子屏蔽材料有:水、混凝土、石蜡、聚乙烯、泥土、锂和硼这些材料一般要配合使用才能达到好的屏蔽效果。选择原则是:综合考虑材料的屏蔽性能、结构性能、稳定性能以及经济成本等其中以效果为优先考虑中子屏蔽计算放射性核素中子源的屏蔽计算屏蔽原理屏蔽层厚度d的计算例的计算结果加速器中子源的屏蔽计算初级中子束的屏蔽计算公式计算过程前提:针对放射性核素中子源一般中子能量不太高中子发射率不太强因此所需的屏蔽层不太厚前面针对宽束提出的分出截面法将因条件不满足而失效同时又不满足窄束的要求因此仍然需要引入积累因子Bn当厚度h≥cm时:材料水、石蜡聚乙烯等富氢材料铅钢铁Bn屏蔽原理设参考点处的中子注量率限值水平为≤()LmslnRRdrrnLdrnnLLnRLdBqeBqAyBqerAyBqdr屏蔽层厚度d的计算d是屏蔽厚度cm是屏蔽材料的宏观分出截面cmA是放射性活度Bqy是对应的中子产额Bq·s见表Ay=δ即源中子发射率sBn是中子积累因子q是居留因子r是参考点到源的距离mR屏蔽层厚度d的计算(续)其中:Pcm厚度d(cm)例的计算结果说明:)中子双层屏蔽中积累因子的确定为简化并取偏安全的计算以二者各自的积累因子乘积作为双层屏蔽的总积累因子。)复杂γ谱的剂量计算可采用剂量减弱因子(减弱倍数)的方法进行。中子的剂量当量指数率计算γ射线的剂量当量指数率计算加速器中子源的屏蔽计算初级中子束的屏蔽计算公式计算过程针对重点:靶室墙和屋顶厚度的屏蔽计算。对厚度为d的屏蔽层中子的剂量当量指数率满足下列关系式:()nLILnqHrHdHrq透射系数单位Sv·cm初级中子束的屏蔽计算公式ζn中子透射系数。单位Svcm剂量当量指数率的控制水平Sv·h:是距离m处的中子注量率m·cm·s×:换算系数h·sq:是居留因子r:是参考点到源的距离mLH其中:查附图~就可以找到所需的屏蔽厚度。初级中子束的屏蔽计算公式(续),log()SvcmnSvcmdnnnnddn如果计算出的:时先从附图中查出与相应厚度的然后计算出所对应的十倍减弱厚度的个数:查图及表图混凝土对单能中子的平衡十倍减弱厚度表中子在混凝土中的平衡十倍减弱厚度值表中子在混凝土中的平衡十倍减弱厚度值(续)由于图及表有倍的计算误差所以采用上述方法计算所需的屏蔽层厚度需要添加一个半减弱厚度层。图给出单能中子在普通混凝土中的半减弱厚度值。注意LnHrq辐射防护概论》清华大学出版社北京辐射剂量与防护》核工程与核技术应用教研室辐射剂量学常用数据》马学真锎中子(中子刀)在肿瘤治疗中的应用OLhttp:wwwhaodfcomzhuanjiaguandianmaxuezhenhtm陈林丰树平高顺受等kJ等离子体焦点中子源J中国科学G辑物理学力学天文学,():。王新新韩旻王志文等小型等离子体焦点及其中子辐射J中国科学E辑():。参考文献

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