煤质检测系统D-T中子源屏蔽的MC模拟研究

庞 敏，景士伟,b

(东北师范大学 a.物理学院；b.物理学国家级实验教学示范中心(东北师范大学)，吉林 长春 130024)

瞬发γ射线中子活化分析(Prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA)技术能够实现煤质成分实时在线分析[1]. 该技术利用快中子轰击待测物质，通过测量中子与物料相互作用发射的瞬发γ射线来分析物料成分[2]. PGNAA技术对煤质进行检测分析时产生的不同能量中子及γ射线等会对附近操作人员带来伤害，对实验仪器造成损害，必须对其进行防护[3-4]. 已有利用GEANT4,MORSE,MCNP等程序对中子慢化进行研究[5-10]. 现有对D-T中子管的屏蔽研究主要针对快中子照相、快中子医疗等应用，针对煤质检测系统D-T源的屏蔽研究相对较少. 防辐射材料要求屏蔽效果好、无毒性、密度小、物理性能优良[4]. 本文针对煤质检测系统，在D-T中子源外采用3层屏蔽结构进行中子和γ射线防护，在屏蔽体无毒害前提下，使透射率尽可能小，同时减小整个检测系统体积和质量[11]. 模拟计算透过屏蔽材料后中子和γ射线的能量和强度，通过分析模拟结果，对屏蔽装置设计给出相应参考建议.

1 模拟计算的物理模型

D-T中子在线煤质分析仪实验装置如图1所示，由中子源、探测器、煤样、主放大器、探测器恒温控制器、传送带、屏蔽体等部件组成，本文模拟工作基于该物理模型.

图1 实验装置图

基于实际煤质分析仪数据，结合之前利用MOCA程序对实验装置进行优化设计的模拟结果[12]，利用MCNP5程序构建如图2所示物理模型. 中子源为平均发射能量为14 MeV的各向同性D-T源，源上方是1 cm厚慢化体，材料为聚乙烯. 慢化体上方是0.5 cm厚传送带，传送带上放置20 cm厚煤层. 图1所示的在线煤质分析仪中所用探测器为BGO探测器，BGO探测器探测效率高，稳定性好，不易潮解腐蚀，不怕中子辐照，但是难以同时兼顾探测效率和响应时间. 与BGO相比，硅酸钇镥(LYSO)晶体的光输出是BGO的4倍左右，衰减时间比BGO短，LYSO探测器的时间、空间分辨率都有很大提升， LYSO晶体密度较大，有利于探测器小型化[13]. 模拟计算LYSO探测器规格为φ7.6 cm×7.6 cm，外加2 cm厚铅，用于慢化中子和吸收部分γ射线. 铅外侧加28.5 cm厚聚乙烯，有效地屏蔽实验产生的γ射线.

1.D-T中子源 2.第1层屏蔽体 3.第2层屏蔽体 4.真空 5.铁支架 6.慢化体 7. 传送带 8.煤样 9.硅酸钇镥探测器 10.铅(a)XY平面图

(b)XZ平面图图2 PGNAA模拟装置平面图

2 模拟结果及分析

中子与物质相互作用，反应类型有弹性散射[n, n]、非弹性散射[n, n′]、辐射俘获[n, γ]和 [n, 2n]等. 14 MeV D-T源产生的高能中子与慢化体发生非弹性散射，使14 MeV中子能量迅速下降到1 MeV. 第1层金属材料选择铁、铜、钨、不锈钢、含钆质量分数为5%的不锈钢等5种金属材料. 当中子穿过第1层屏蔽材料后，大部分中子能量小于1 MeV，氢核是此能量区间中子最有效慢化体. 高密度聚乙烯1 cm3含8×1022个氢原子，是将中子能量降到热能区的较好材料. 硼、锂等材料热中子吸收截面很大[14-15]，俘获γ辐射能量低. 第2层屏蔽材料选择掺杂不同碳化硼比例的高密度聚乙烯，使快中子慢化为热中子并且有效吸收热中子. 第3层屏蔽结构采用铅，进一步吸收中子和中子与屏蔽材料相互作用产生的γ射线.

2.1 第1层屏蔽结构

为确定第1层屏蔽体最佳材料及厚度，第2层、第3层结构暂不添加任何材料. 利用MCNP5程序分别跟踪中子和γ射线在5种金属材料中的输运. 将透过屏蔽体的中子数I与入射总中子数Io之比定义为中子透射率，即η=I/Io. 将透过屏蔽体且能量在0～1 MeV区间中子数I1与透过屏蔽体总中子数之比定义为0～1 MeV中子占比，即ε=I1/I，用中子透射率η和0～1 MeV中子占比ε来评价材料中子屏蔽性能.

由图3可知，第1层屏蔽体材料厚度增加，中子透射率不断下降，厚为25 cm后下降趋势趋于平缓. 当第1层屏蔽体厚度为25 cm时透过屏蔽体的中子比入射中子数目少1个数量级，对中子的屏蔽作用铜>含钆不锈钢>不锈钢>钨>铁. 当铁、钨厚度达到45 cm时，铜、不锈钢、含钆不锈钢厚度达到50 cm时，透过屏蔽体的中子比入射中子数目少2个数量级.

图3 不同厚度金属对中子透射率的影响

由图4可以看出，随着第1层屏蔽体材料的厚度增加，0～1 MeV中子占比不断上升，厚为25 cm后上升趋势趋于平缓. 当金属材料厚度分别为25 cm和50 cm时，0～1 MeV中子占比如表1所示.

图4 不同厚度金属对0～1 MeV中子占比的影响

d/cmε钨 铜铁不锈钢含钆不锈钢2586.14% 71.24% 65.76% 62.27% 57.96%5092.39% 74.57% 80.20% 72.33% 67.21%

由表1可知，金属厚度为25 cm时，穿过屏蔽体且能量在0～1 MeV区间的中子占比钨>铜>铁>不锈钢>含钆不锈钢. 金属厚度由25 cm增加到50 cm时，厚度增加1倍，0～1 MeV中子占比提升6%～15%.

综合考虑屏蔽效果和屏蔽体体积因素，第1层屏蔽体材料最佳厚度确定为25 cm. 由于铁、不锈钢材料易获取且价格相对便宜，铜、钨价格较贵但屏蔽效果好，含钆不锈钢对中子的屏蔽作用比不锈钢稍强，但对合成工艺要求较高,故第1层屏蔽材料可选择铁、不锈钢、钨.

2.2 第2层屏蔽结构

第2层屏蔽材料加在25 cm厚第1层屏蔽材料后，选用不同厚度碳化硼质量分数分别为0%，10%，20%，30%，40%聚乙烯实现快中子慢化和慢中子吸收，第3层屏蔽结构暂不添加任何材料.

在25 cm厚不锈钢后加含硼聚乙烯，不同聚乙烯厚度和碳化硼质量分数对中子透射率的影响如图5所示，不同聚乙烯厚度和碳化硼质量分数对0～0.001 MeV中子占比的影响如图6所示.

由图5可知，含硼聚乙烯材料中子屏蔽能力比纯聚乙烯强. 聚乙烯中碳化硼质量分数越高，中子透射率越低. 含硼聚乙烯越厚，中子透射率越低. 不同碳化硼质量分数的聚乙烯中子透射率下降速度同步，比纯聚乙烯慢. 透过25 cm厚不锈钢和15 cm以上聚乙烯中子数比入射中子数小2个数量级.

由图6可知，0～0.001 MeV中子占比随聚乙烯厚度变化先增大后减小. 纯聚乙烯0～0.001 MeV中子占比明显高于含硼聚乙烯材料. 聚乙烯厚度为5～12.5 cm时， 0～0.001 MeV中子占比随着碳化硼质量分数增加而降低. 聚乙烯厚度为12.5～15 cm时，碳化硼的质量分数为30%和40%的0～0.001 MeV中子占比曲线几乎一致. 聚乙烯厚度为15～20 cm时，碳化硼的质量分数为40%的0～0.001 MeV中子占比比碳化硼的质量分数为30%的0～0.001 MeV中子占比高. 由此可见，碳化硼的质量分数并不是越高越好.

图5 25 cm不锈钢后不同聚乙烯厚度和碳化硼的质量分数对中子透射率的影响

图6 25 cm不锈钢后不同聚乙烯厚度和碳化硼的质量分数对0～0.001 MeV中子占比的影响

综合考虑屏蔽效果和屏蔽体体积2个因素，第1层屏蔽材料为25 cm厚不锈钢时，第2层屏蔽材料选用碳化硼质量分数为20%的15 cm厚聚乙烯比较合适. 此时透过中子数占入射中子数0.891%，透过中子中13.43%的中子能量在0～0.001 MeV区间.

在25 cm厚铁后加含硼聚乙烯，不同聚乙烯厚度和碳化硼的质量分数对中子透射率的影响如图7所示，不同聚乙烯厚度和碳化硼的质量分数对0～0.001 MeV中子占比的影响如图8所示.

由图7～8可知，第1层屏蔽材料为25 cm厚铁时，第2层屏蔽材料选用碳化硼的质量分数为20%的15 cm厚聚乙烯比较合适. 此时透过中子数占入射中子数0.993%，透过中子中13.31%中子能量在0～0.001 MeV区间.

在25 cm厚钨后加含硼聚乙烯，不同聚乙烯厚度和碳化硼的质量分数对中子透射率的影响如图9所示，不同聚乙烯厚度和碳化硼的质量分数对0～0.001 MeV中子占比的影响如图10所示.

由图9～10可知，第1层屏蔽材料为25 cm厚钨时，第2层屏蔽材料选用碳化硼质量分数为20%且15 cm厚聚乙烯比较合适. 此时透过中子数占入射中子数0.574%，透过中子中17.94%中子能量在0～0.001 MeV区间.

图7 25 cm铁后不同聚乙烯厚度和碳化硼的质量分数对中子透射率的影响

图8 25 cm铁后不同聚乙烯厚度和碳化硼的质量分数对0～0.001 MeV中子占比的影响

图9 25 cm钨后不同聚乙烯厚度和碳化硼的质量分数对中子透射率的影响

图10 25 cm钨后不同聚乙烯厚度和碳化硼的质量分数对0～0.001 MeV中子占比的影响

2.3 第3层屏蔽结构

第3层屏蔽材料选用铅，屏蔽中子在前2层屏蔽材料中输运时产生的γ射线. 用MCNP5程序跟踪依次穿过25 cm厚钨、不锈钢、铁3种金属中任1种，含碳化硼质量分数20%的15cm厚聚乙烯和一定厚度铅后的γ射线，模拟结果如图11所示.

图11 铅的厚度对光子计数的影响

由图11可知，在第2层为含碳化硼质量分数20%的15 cm厚聚乙烯，第3层铅厚度一定时，第1层为25 cm厚铁时穿过3层屏蔽体光子数目最多，第1层为25 cm不锈钢时穿过3层屏蔽体光子数目次之，第1层为25 cm钨时穿过3层屏蔽体光子数目最少. 第1层、第2层结构固定时，铅越厚透过光子数目越少.

综合考虑屏蔽性能和屏蔽体体积，铅厚度选择为5 cm，此时，γ射线能谱如图12所示，中子能谱如图13所示，经计算穿过3层屏蔽结构后中子透射率和光子数目如表2所示.

图12 穿过3层屏蔽体的γ射线能谱

图13 穿过3层屏蔽体后的中子能谱

各层材料第1层 第2层 第3层ηn 25 cm不锈钢 含碳化硼20%的15 cm厚聚乙烯 5 cm铅0.833%103 826 25 cm铁 含碳化硼20%的15 cm厚聚乙烯 5 cm铅0.877%108 754 25 cm钨 含碳化硼20%的15 cm厚聚乙烯 5 cm铅0.565%195 613

由图12可知，穿过3层屏蔽体的γ射线能量主要集中在0～0.2 MeV，0.6 MeV，2.3 MeV，出射γ射线中包含少量能量高达7.8 MeV的光子. 由图13可知穿过3层屏蔽体后，大部分中子能量降到0.1 MeV以下，还有少量13.9～14 MeV快中子透过屏蔽体.

由表3可知，铅的中子屏蔽性能不是很好. 穿过25 cm厚钨、不锈钢、铁3种金属中任1种和含碳化硼质量分数20%的15 cm厚聚乙烯及5 cm铅后，中子数目相对于入射中子少了2个数量级. 25 cm钨+含碳化硼质量分数20%的15 cm厚聚乙烯+5 cm铅的屏蔽结构对中子和光子屏蔽效果最好，25 cm不锈钢+含碳化硼质量分数20%的15 cm厚聚乙烯+5 cm铅次之，25 cm铁+含碳化硼质量分数20%的15 cm厚聚乙烯+5 cm铅屏蔽效果最差.

3 结 论

针对煤质检测仪，通过以上模拟结果可知，在14 MeV D-T中子源周围进行防护屏蔽时，采用3层结构可有效屏蔽中子和γ射线. 经验证，25 cm钨+含碳化硼质量分数为20%的15 cm厚聚乙烯+5 cm铅的屏蔽结构，满足透射率尽可能小的同时满足整个检测系统体积和质量尽可能小的设计要求,但钨的价格较贵，仍需进一步优化屏蔽结构和尝试模拟更多的屏蔽材料.