(70～100)MeV准单能中子参考辐射场设计

李 玮 李立华 焦听雨 夏 莉 李春娟 石 斌 李晓博 刘毅娜 刘蕴韬

(中国原子能科学研究院，计量与校准技术重点实验室，北京 102413)

1 引 言

高能中子参考辐射场的校准需求源于空间辐射中子探测器和地面高能质子加速器污染中子探测器校准的需要。中子探测器只有在中子参考辐射场开展了注量响应或者剂量响应校准之后的测量结果才有意义。而20MeV以上高能中子探测器校准更为重要。高能中子探测器的注量响应和剂量响应蒙卡计算结果和实验测量结果偏差交大。这是因为20MeV以上能区高能中子反应机制复杂，截面不确定度相比20MeV以下能区要大的多。以1H(n,p)弹性散射截面为例，该截面在20MeV以下能区是标准截面，1H(n,p)截面1MeV时不确定度在1.3%，50MeV不确定度5.6%左右(ENDF BV-II数据)。因此美国NASA空间探测中子探测器发射任务之前会在准单能中子参考辐射场开展复杂的探测器响应校准实验[1]。而我国由于目前没有高能中子参考辐射场，之前航天器搭载的中子探测器往往只开展了20MeV以下能区响应校准，而20MeV以上能区只能采用蒙卡计算的方式。

2 (70～100)MeV准单能中子束线布局

国际上日本、德国相关技术机构开展了20MeV以上能区准单能中子参考辐射场研究。日本原子力研究所在TIARA建立了(40～90)MeV准单能中子参考辐射场。其准直器开口大约3.25°，中子单色性水平最高[2-4]；日本东北大学在CYRIC加速器建立了(20～90)MeV准单能中子辐射场，其中子注量率最高[5]；而日本大阪大学在RCNP建立了(140～390)MeV准单能中子辐射场，其中子能量最高[6]；德国PTB在比利时UCL加速器建立了(20～70)MeV准单能中子参考辐射场，由于建立较早，受加速器大厅尺寸等条件的限制，并且未采用偏转磁铁偏转质子束流，污染本底较高[7,8]。

结合原子能院100MeV回旋加速器的实验大厅，我国高能中子参考辐射场设计在追求合理的中子注量率前提下获得最佳的中子单色性，这对于高能中子探测器的校准具有优势。

3 核反应靶设计

对于高能中子产生核反应，在高能区存在能量峰值，低于峰值能量则为连续谱。在该能量区间，7Li(p,n)7Be反应具有最高的能量峰值份额(对于能量为几十MeV的入射质子，所得峰值能量中子份额约为50%)。该反应在20MeV以上能区可以作为准单能中子源的优势主要包括：反应产额大、产生中子单色性相对较好等两方面。产生中子单色性相对较好主要是由于7Li(p,n)7Be反应Q值较小，大约-1.6MeV，并且7Be*第一激发态的激发能只有0.4MeV左右。因此，核反应靶采用7Li靶。需要研究7Li靶的靶厚、7Li(p,n)7Be不同出射角中子能量分布、金属7Li靶冷却方式及储存方式。

7Li(p,n)7Be反应机制是由直接相互作用过程和复合核作用过程组成，直接相互作用产生中子具有前冲性，中子能量较高，是建设准单能中子参考辐射场需要的高能峰中子成份。而复合核作用过程主要是蒸发模型产生的蒸发中子，其具有各项同性，中子能量成份以低能中子为主。采用MCNPX程序计算了质子能量分别为70MeV，80MeV，90MeV，100MeV时，靶厚分别为4mm，5mm，6mm，出射中子发射角分别为0°～5°，5°～10°，10°～15°，15°～30°，30°～45°，45°～60°，60°～75°，75°～90°时中子能谱分布，如图1所示。

从图1可以看出0°～5°出射角关注的20MeV以上能区高能中子份额最高，因此准直器设计时，在可接受的中子注量率范围内尽量选取前角中子，以保证中子的单色性。为了评估准单能中子辐射场光子本底，利用MCNPX计算了7Li(p,n)反应入射质子能量100MeV时，出射角分别为0°～5°，5°～10°，10°～15°，15°～30°，30°～45°，45°～60°，60°～75°，75°～90°时光子能谱分布。计算结果如图2所示。根据计算结果，光子发射主要集中在背角，前角光子产额低、并且集中在3MeV以下能区的低能光子。根据中子和光子的角分布计算结果，准直器对于中子源的开口越小、准单能中子单色性越好。

4 中子准直器设计

由于7Li(p,n)反应高能中子具有强烈的前冲效应，而蒸发中子是近似各项同性的，如图1所示。因此为了获得单色性更好的准单能中子束，普遍采用准直器限制张角的方式获得高品质中子束。准直器设计与校准区中子单色性和中子注量率相关，对靶张角越小，单色性越好，但是校准区中子注量率越小；对靶张角越大，单色性越差，但是校准区中子注量率越大。同时准直器的长度在很大程度上决定了经过准直器后中子束斑的扩散程度，准直器越长，束斑扩散越小，准直器越短，扩散越大。

图1 入射质子不同出射角中子能谱分布MCNPX计算结果曲线图Fig.1 The simulated results of neutron spectrum produced by different incident proton by MCNP

图2 100MeV入射质子不同出射角光子能谱分布MCNPX计算结果曲线图Fig.2 The simulated results of photon energy distribution produced by100MeV incident proton by MCNPX

图3 四种不同的中子准直器出口位置中子能谱分布波形图Fig.3 The neutron energy distribution with different collimator

为了确定准直器的结构和准直效果，项目组采用MCNP5程序计算了3m长铁准直器、2m铁准直器+1m聚乙烯准直器、2m铜准直器+1m聚乙烯准直器、2m铁准直器+0.5m铜准直器(嵌入铁准直器中)+1m聚乙烯准直器的准直效果，从而确定最终准直器的设计方案。

1)4种中子准直器出口位置中子能谱分布计算

根据图3计算结果，可以看出四种准直器出口位置束上中子能谱与7Li(p,n)7Be反应0°～5°出射角中子能谱基本一致，而束外中子能谱不同准直器的衰减是不一样的，3m铁准直器对于束外中子注量的衰减最大。

2)4种不同准直器辐射场中子、光子相关参数比较

中子准直器设计时，需要考虑因素包括：束上中子能谱、束上中子注量率、束外中子注量率衰减比、束外中子周围剂量当量率衰减比、束上光子注量率、束外光子注量衰减比、束外光子周围剂量当量衰减比等。

项目组利用MCNP5程序计算了四种准直器出口位置的上述参数，中子计算参数见表1，光子计算参数见表2。

根据表1和表2中子光子的辐射场参数计算结果，可以得出结论：3m长的铁准直器准直效果最好，其束外中子占束上中子注量比例最大处为2.08%，束外中子占束上中子剂量当量比例最大处为1.8%，束外光子占束上光子注量比例最大处为0.01%，束外光子占束上光子剂量当量比例最大处为0.01%，束上峰中子平均能量为92.6MeV，束上峰中子占全部中子份额的50.29%，束上光子注量与中子注量的比例是8.77%。

表1 4种不同准直器辐射场中子相关参数比较(Ep=100MeV,Li thicness=6mm)Tab.1 The comparison of neutron fields characteristic with different collimators准直器组成价格/万记录区域中子注量率cm-2s-1衰减比例中子剂量当量mSv/h衰减比例峰中子能量/MeV峰中子比例3m铁11.85(0～5)cm5.47E+05100.00%7.19E+02100%(5～10)cm1.14E+042.08%1.30E+011.80%(10～15)cm2.68E+030.49%2.32E+000.32%(15～20)cm1.70E+030.31%1.34E+000.19%(20～25)cm1.20E+030.22%8.78E-010.12%9.26E+0150.29%2m铁+1m聚乙烯8.9(0～5)cm5.38E+05100.00%7.11E+02100%(5～10)cm1.37E+042.56%1.81E+012.55%(10～15)cm1.89E+030.35%2.56E+000.36%(15～20)cm8.41E+020.16%1.17E+000.16%(20～25)cm4.42E+020.08%6.24E-010.09%9.26E+0150.32%2m铜+1m聚乙烯72.2(0～5)cm5.34E+05100%7.07E+02100%(5～10)cm1.35E+042.52%1.78E+012.51%(10～15)cm1.83E+030.34%2.47E+000.35%(15～20)cm8.02E+020.15%1.12E+000.16%(20～25)cm4.24E+020.08%5.98E-010.08%9.26E+0150.21%

表1(续)准直器组成价格/万记录区域中子注量率cm-2s-1衰减比例中子剂量当量mSv/h衰减比例峰中子能量/MeV峰中子比例2m铁+1m聚乙烯+0.5m铜12.4(0～5)cm5.37E+05100%7.10E+02100%(5～10)cm1.37E+042.56%1.81E+012.55%(10～15)cm1.88E+030.35%2.54E+000.36%(15～20)cm8.26E+020.15%1.15E+000.16%(20～25)cm4.39E+020.08%6.22E-010.09%9.26E+0150.27%

表2 4种不同准直器辐射场光子相关参数比较(Ep=100MeV,Li thicness=6mm)Tab.2 The comparison of photon characteristic with different collimators准直器组成价格/万记录区域光子注量率cm-2s-1衰减比例H∗(10) uSv/h衰减比例光子和中子注量率比值3m铁11.85(0～5)cm4.79E+04100%9.83E+02100%8.77%(5～10)cm5.63E+000.01%6.32E-020.01%0.05%(10～15)cm3.38E+000.01%3.79E-020.00%0.13%(15～20)cm4.89E+000.01%2.98E-020.00%0.29%(20～25)cm3.41E-010.00%1.52E-030.00%0.03%2m铁+1m聚乙烯8.9(0～5)cm4.78E+04100%9.81E+02100%8.89%(5～10)cm3.00E+020.63%4.15E+000.42%2.18%(10～15)cm1.80E+020.38%2.49E+000.25%9.53%(15～20)cm9.06E+010.19%1.05E+000.11%10.78%(20～25)cm5.09E+010.11%5.16E-010.05%11.51%2m铜+1m聚乙烯72.2(0～5)cm4.78E+04100%9.81E+02100%8.94%(5～10)cm1.71E+033.59%5.12E+015.22%12.74%(10～15)cm1.79E+020.38%2.48E+000.25%9.80%(15～20)cm9.04E+010.19%1.05E+000.11%11.27%(20～25)cm5.07E+010.11%5.10E-010.05%11.97%2m铁+1m聚乙烯+0.5m铜12.4(0～5)cm4.78E+04100%9.81E+02100%8.89%(5～10)cm3.00E+020.63%4.16E+000.42%2.19%(10～15)cm1.80E+020.38%2.50E+000.25%9.59%(15～20)cm9.08E+010.19%1.05E+000.11%11.00%(20～25)cm5.08E+010.11%5.15E-010.05%11.57%

3)辐射场缓发γ分析

质子和中子活化产生的缓发γ的活度决定了辐射场照射完成后人可以进入中子辐射场的冷却时间，项目组利用MCNPX计算了质子、中子与熟铁作用产生γ放射性核素，根据半衰期和核素生成概率，可以大致确定辐照冷却时间。计算具有缓发γ核素的列表,见表3。综合考虑半衰期和核素生成概率，56Mn和59Fe是实验中需要仔细考虑的主要缓发γ放射性核素。

表3 100MeV质子、中子经过3mFe准直器之后产生的缓发γ核素分析Tab.3 The delayed gamma ray analyze of 100MeV neutron and proton reacted with 3m thickness iron collimator活化核素生成概率每入射质子半衰期47Ca9.43E-074.5d48Ca4.62E-07长寿命49Ca6.51E-098.7m49Sc3.63E-0557.1m50Sc1.24E-061.7m51Sc1.43E-0712.4s51Ti3.54E-055.76m52Ti8.39E-061.7m53Ti4.10E-0732.7s54Ti1.30E-081.5s52V2.02E-033.7m53V5.55E-041.5m54V8.96E-0549.8s55V2.75E-066.5s56V1.30E-07216ms55Cr7.69E-043.5m56Cr3.61E-055.9m57Cr9.11E-0721.1s56Mn3.33E-022.6h57Mn1.03E-031.4m58Mn7.93E-053s59Fe2.53E-0444.5d

5 束斑分布计算

利用MCNP5计算了70MeV入射质子打靶后产生中子的束斑分布和中子注量率，计算结果如图4所示。由图4可以看出，准直器出口0m位置，中子束斑直径10cm，中子注量率5.47×105cm-2s-1；准直器出口2m位置，中子束斑直径16cm，中子注量率2.33×105cm-2s-1；准直器出口4m位置，中子束斑直径24cm，中子注量率1.14×105cm-2s-1；准直器出口6m位置，中子束斑直径28cm，中子注量率6.5×104cm-2s-1。

图4 准直器出口不同位置中子束斑分布示意图Fig.4 The neutron beam spot distribution at different site of exit of collimator

6 结束语

基于原子能院100MeV回旋加速器设计了(70～100)MeV准单能中子参考辐射场，计算了0°～90°7Li(p,n)反应双微分谱，为了得到单色性较好的高能中子，设计了准直器用于选择前角中子，准直器开口10cm。计算了不同准直器材料中子光子能谱，最终选择为3m长铁准直器。计算了不同位置中子注量率大小和束斑分布情况，获得了准单能中子参考辐射场中子相关计算参数。为(70～100)MeV准单能中子参考辐射场研制和下一步准单能中子参考辐射场参数测量奠定了基础。