基于蒙特卡罗方法的D-D中子发生器辐射防护研究.pdf
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1、 年月四川大学学报(自然科学版)J u l 第 卷第期J o u r n a l o fS i c h u a nU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V o l N o 基于蒙特卡罗方法的D D中子发生器辐射防护研究徐浩博,张天浩,吕会议,袁长迎(西南科技大学国防科技学院,绵阳 )摘要:氘氘(D D)中子发生器具有中子产额高,单色性好,可小型化等优势,因而在中子技术应用领域有着广阔的应用前景 D D中子发生器产生的 M e V中子由于穿透能力强以及穿过屏蔽层时产生二次射线因而难以屏蔽本课题旨在设计一个符合国家相
2、关规定的D D中子发生器辐射防护方案用蒙特卡罗程序模拟 M e V中子以 ns通量穿过 mm混凝土屏蔽墙时,工作人员所在监督区中子的最大周围剂量当量率为 S vh,高于职业暴露剂量限值在此基础上,选用含硼高密度聚乙烯材料进行屏蔽加固蒙特卡罗模拟结果表明,屏蔽加固后监督区中子的最大周围剂量当量率为 S vh,低于职业暴露剂量限值,其余各区域中子的周围剂量当量率也低于设计时要求的安全标准实验测量结果与蒙特卡罗模拟结果基本一致本文的研究结果为同类型D D中子发生器的辐射防护提供了参考和借鉴关键词:辐射防护;D D中子发生器;蒙特卡罗分法;剂量当量中图分类号:T L 文献标识码:AD O I:/j 收
3、稿日期:作者简介:徐浩博(),男,四川雅安人,硕士研究生,研究领域为中子辐射防护与中子活化分析通讯作者:吕会议 E m a i l:h u i y i l v c o mS t u d yo fD Dn e u t r o ng e n e r a t o r r a d i a t i o np r o t e c t i o nb a s e do nM o n t eC a r l om e t h o dXUH a o B o,ZHANGT i a n H a o,L H u i Y i,Y U ANC h a n g Y i n g(S c h o o l o fN a t i o
4、n a lD e f e n c eS c i e n c e&T e c h n o l o g y,S o u t h w e s tU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,M i a n y a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ed e u t e r i u m d e u t e r i u m(D D)n e u t r o ng e n e r a t o r i s a c o mm o nn e u t r o ns o u r c e f o r f a s
5、 t n e u t r o na c t i v a t i o na n a l y s i s I th a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h ef i e l do fn e u t r o nt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n s,s u c ha sn e u t r o np h o t o g r a p h y,n e u t r o na c t i v a t i o na n a l y s i s,e x p l o s i v e sa n dd
6、 r u gd e t e c t i o n,e t c T h i ss t u d ya i m s t od e s i g nar a d i a t i o np r o t e c t i o ns c h e m e f o rD Dn e u t r o ng e n e r a t o rw h i c hc o m p l i e sw i t hr e l e v a n tn a t i o n a l r e g u l a t i o n s B a s e do nM o n t eC a r l om e t h o d,t h e s i m u l a t
7、 i o no b t a i n s t h eh i g h e s t n e u t r o na m b i e n td o s ee q u i v a l e n t r a t e i nt h er e m a i n i n gr e g i o n se x c e p t t h ec o n t r o l r e g i o n T h eM o n t eC a r l os i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a ta f t e ra d d i n gas h i e l d i n gl a
8、y e ro fb o r o n c o n t a i n i n gh i g h d e n s i t yp o l y e t h y l e n ew i t ham a x i m u mt h i c k n e s so f c mo n t h e f o u n d a t i o no f a mmc o n c r e t eb u i l d i n gw a l l,t h eh i g h e s tn e u t r o na m b i e n td o s ee q u i v a l e n t r a t e i nt h es u p e r v
9、i s i o na r e a i s S vh,w h i c hi s l o w e r t h a nt h eo c c u p a t i o n a l e x p o s u r ed o s e l i m i t M o r e o v e r,t h en e u t r o na m b i e n td o s ee q u i v a l e n t r a t e i nt h er e m a i n i n gr e g i o n s i sa l s o l o w e r t h a n t h e s a f e t ys t a n d a r d
10、 r e q u i r e da t t h e t i m eo f d e s i g n T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l t so f t h eMC N P s i m u l a t i o n s T h er e s u l t so f t h i ss t u d yp r o v i d ear e f e r e n c e f o r t h er a d i a t i o np r o
11、 t e c t i o no f t h eD Dn e u t r o ng e n e r a t o r K e y w o r d s:R a d i a t i o np r o t e c t i o n;D Dn e u t r o ng e n e r a t o r;M o n t eC a r l om e t h o d;D o s ee q u i v a l e n t 第 卷四川大学学报(自然科学版)第期引言中子是一种总体呈电中性且具有一定磁矩及自旋角动量的粒子,是度量物质微观结构和动力学的理想标尺,因此在众多科学领域中得到了广泛应用截至 年 月 日,我国在用放射
12、源 枚;各类射线装置 台但值得注意的问题是,中子直接照射于人体会严重危害健康,这是由于当中子穿过人体组织时,会与组织中的C、H、O、N等元素的原子核相互作用,发生散射或者核反应,导致中子辐射生物损伤效应此外,自由状态下的中子是不稳定的,会自发进行衰变释放射线,当其穿过物质时还会产生二次射线,射线通过电离作用引起组织细胞中原子和分子变化,诱发细胞突变或死亡然而,在辐射防护工作中针对中子的防护十分困难,原因在于与带电粒子和物质主要因库仑作用损失能量不同,中子与物质相互作用时能量主要损失在与原子核的作用过程中,因而与相同能量的带电粒子相比,中子具有更强的穿透能力据统计,年至 年期间,全国共发生辐射事
13、故 起,其中人员受超剂量照射事故起上述辐射事故致使大量人员受到外照射,造成多人辐射损伤和一定环境污染,影响社会稳定因此为减少放射源及射线装置使用中引起的人员健康及环境安全问题,应针对不同类型的放射源及射线装置做好相应辐射防护工作基于此,本文针对D D中子发生器开展辐射防护研究,通过蒙特卡罗程序模拟获得除控制区外其余区域中子的周围剂量当量率,给出符合国家相关规定的D D中子发生器辐射防护设计方案,切实保障工作人员及公众安全研究结果对开展D D中子发生器的辐射防护具有重要实际指导意义实验装置氘氘(D D)中子发 生器是一 种 加 速 器 中 子源,具有中子产额高,单色性好,可小型化等优势,因而在中
14、子技术应用领域有着广阔的应用前景,例如中子照相、中子活化分析、爆炸物及毒品检测等 本课题的辐射防护研究对象为中国原子能科学研究院研发的D NG 型桌面式D D中子发生器,该设备整体尺寸为 m m m,采用高频离子源产生氘离子,经高压加速后轰击氘钛靶发生D(d,n)H e核反应,在 方向上产生能量 约 为 M e V的 准 单 色 中 子,产 额 为 nsD D中子发生器放置在实验楼负一层中子屏蔽室,尺寸为 m m m该房间面墙体临地,一侧与另一实验室相邻,另一侧为走廊,上方为一层实验室根据 电离辐射防护与辐射源安全基本标准(以下简称G B )相关规定以及中子发生器使用要求,需将屏蔽室分隔为个区
15、域靠近地一侧的区域为控制区,是D D中子发生器放置及工作区域,也是辐射防护目标区域,需要用到专门防护手段;靠近走廊一侧的区域为监督区,是远程控制电脑放置区域,也是工作人员所在区域,工作人员在该区域对中子发生器进行远程控制与监测,因此应严格控制该区域的中子辐射剂量中子屏蔽室如图所示在中子发生器运行期间,相邻实验室、走廊及一层实验室皆存在公众经过或停留的可能,因此也应严格控制这些区域的中子辐射剂量根据G B 相关规定,除控制区外,上述各区域任意位置中子的周围剂量当量率都应低于 S vh职业照射剂量限值图D D中子发生器屏蔽室示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a
16、 m o ft h eD Dn e u t r o ng e n e r a t o rs h i e l d i n gr o o mD D中子发生器初始辐射防护方案的仿真D D中子发生器初始辐射防护方案设计控制区尺寸为 m m m,在控制区与监督区之间设计 mm厚混凝土屏蔽墙,在控制区与 第期徐浩博,等:基于蒙特卡罗方法的D D中子发生器辐射防护研究第 卷相邻实验室之间设计 mm厚混凝土屏蔽墙,在控制区入口处设计 mm厚混凝土迷宫墙防止中子泄漏,在入口处安装 mm厚内部填充聚乙烯板的不锈钢门确保工作人员进出安全,在屏蔽室上方覆盖 mm厚混凝土使用MC N P程序(M o n t eC a
17、r l oN P a r t i c l eC o d e)按照初始方案建造D D中子发生器屏蔽室,通过模拟得出除控制区外其余区域中子的周围剂量当量率MC N P程序是由美国L o sA l a m o s国家实验室开发的基于蒙特卡罗方法(M o n t eC a r l om e t h o d)用于计算复杂三维几何结构中粒子输运问题的通用软件包,具有计算核临界本征值问题的能力,经过数十年发展迭代,最新的MC N P 程序模拟结果已经与实验结果十分接近,故被广泛用于辐射防护设计和反应堆临界模拟的研究工作之中按初始设计方案使用MC N P 对D D中子发生器屏蔽室进行建模表MC N P模拟中使
18、用的材料信息T a b M a t e r i a lp a r a m e t e r su s e d i nMC N Ps i m u l a t i o n s材料元素成分含量/密度/(gc m)混凝土H C O N a M g A lS i KC a F e 不锈钢C r M gF e N i 聚乙烯板H C 含硼高密度聚乙烯板H B C O 建筑砖O A l S i C a F e 由于D D中子发生器的单色性较好,因此在MC N P 中将D D中子源设置为一个s d e f通用点源,各向同性发射 M e V单能中子,并将其放置在图中标记位置,距离地面 m高使用的中子反应截面库为E
19、 N D F/B V I I,使用的材料信息见表 用MC N P 程序的FME S H卡统计初始方案中各区域 c m高度(用于模拟人体主要受照射位置)的中子注量分布 FME S H卡将建模区域在二维平面上分成了 个小方格,并按照F 卡设置分别统计每个小方格中的中子通量,将模拟得到的归一化结果乘以中子产额(ns),即可得到各区域中子注量率分布情况设置事件运行 次,得到的模拟结果标准偏差在 以内负一层实验室中子注量率分布如图所示,一层实验室中子注量率分布如图所示图负一层实验室中子注量率分布F i g N e u t r o nf l u e n c ec o n t o u r i nt h eb
20、 a s e m e n t l e v e ll a b o r a t o r y图一层实验室中子注量率分布F i g N e u t r o nf l u e n c ec o n t o u r i nt h e f i r s t f l o o r l a b o r a t o r y 第 卷四川大学学报(自然科学版)第期模拟结果表明,负一层实验室工作人员所在的监督区以及相邻实验室的中子注量率约为 nc ms,走廊区域的中子注量率约为 nc ms,一层实验室的中子注量率约为 nc ms,除控制区外各区域中子注量率最大值出现在正对源处为模拟得出除控制区外其余区域中子的周围剂量当量率
21、,在各区域中布置直径为 c m的球探测器探测器放置在除控制区外各区域中子注量率高的位置所有探测器位置分布图中编号均采用带圈数字形式,负一层实验室探测器位置分布如图所示,距离负一层地面 m高(与源同一高度)一层实验室探测器位置分布如图所示,贴近一层地面负一层位置,正对源,一层实验室位置 在源正上方图负一层实验室探测器位置分布F i g P o s i t i o no f d e t e c t o r s i n t h eb a s e m e n t l e v e l l a b o r a t o r y图一层实验室探测器位置分布F i g P o s i t i o no fd e
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