反应堆热中子成像装置准直系统模拟设计

发布时间：2020-05-20 23:28

【摘要】：中子成像技术是现有的重要无损检测技术之一,已经在航空航天技术、核工业、军事、考古、农业等领域广泛应用。与X射线成像技术和γ射线成像技术相比,中子成像技术有其独有的特点和优势,因此成为其重要补充技术。但是中子成像技术发展时间较短,在很多方面都有待进一步研究和发展。在中子成像装置中,中子准直器的好坏对成像的分辨率、曝光时间有很大的影响,因此中子准直系统的研究与发展是中子成像技术发展的重要内容。本文使用MCNP程序对中子准直系统进行研究和设计,根据目前常见的准直器结构的不足之处,提出准直器的改进结构,在该结构下对中子慢化和准直、杂散中子和散射中子的降低、热中子传输过程的保护、中子γ比的提高进行研究和设计,完成准直器各部分材料和结构尺寸的优化选择和设计。在模拟研究的过程中,以反应堆作为中子源,源的能量分布采用热中子麦克斯韦裂变谱,针对反应堆发射的中子,对准直系统的中子慢化体、中子屏蔽体、孔道衬里、孔道填充气体、γ射线屏蔽体进行模拟设计。模拟研究中,通过对比不同材料、结构尺寸,依次完成准直系统的研究和模拟设计,通过对比视场范围内的中子平均通量、热中子比例、中子γ比和视场范围内外的中子平均通量差,最终确定准直系统的设计方案。最终确定准直系统设计方案以14cm的水为中子慢化剂,准直器入口直径2cm,全长70cm,准直比为35,视场直径12cm。准直器壁体由聚乙烯、碳化硼、铅三层组成,准直孔道由截锥、大半径圆柱体、小半径圆柱体三部分构成,大小圆柱体的半径差在孔道后端形成屏蔽结构,该屏蔽结构厚35cm,其中聚乙烯24cm,碳化硼厚11cm。孔道内壁涂饰硼砂衬里,孔道内填充氦气。该准直系统在视场范围内可获得的最大中子注量率达到2.6cm-2·s-1,其中热中子占74.94%,视场范围外中子注量率比视场范围内低2个数量级,中子γ比达到2.18×1012cm-2·Sv-1,以上参数均可以满足中子成像技术的要求。
【图文】：

曲线,射线,中子质量,原子序数

国工程物理研究院在 300#反应堆上率先建立了国内首套在线数字中子照相装置，并于014 年建成了国内首套中子层析成像实验平台[10-13]。1.2 中子成像技术的特点与 X 射线成像相比，中子辐射成像的优势主要表现在以下几点：中子辐射照相的适用范围涵盖从低原子序数材料到高原子序数材料，而 X 射线照相只适用于高原子序数材料的成像。图 1.1 显示了热中子质量衰减系数和 X 射线质量衰系数与原子序数的对比[14]。对于 X 射线，电磁相互作用取决于目标材料中存在的电数，其质量衰减系数在原子序数的大部分区域上是相对平滑的曲线。由于中子没有电并且不受轨道电子的影响，所以对于中子没有这种相关性[15]。可以观察到，与 X 射相比，热中子可以被诸如氢、锂、硼和氮的轻核子高度衰减，还可以穿透重核，例如和钚，所以中子可以更深地穿透大多数材料。这个特征使得中子能够检测 X 射线不能易地检测的元素或同位素。

原理图,原理,相互作用,数目

中子的数目大于相互作用之前存在的数目，并且该数目被称为倍增。最后，可能发生裂变事件，产生两个或更多个裂变碎片和更多的中子。每个相互作用以一定概率发生，用于反应截面描述该概率。弹性截面通常是核的物理截面积。该区域对于重核的典型值约为 2×10-24cm2，使用不同的单位面积以避免使用这样小的数目的不便。由符号 b 表示的 barn（靶）被定义为 10-24cm2。热中子相互作用截面通常在 0.001 和 1000b 之间，它们也是中子能量的函数。每个相互作用事件的概率彼此独立，因此总截面是所有相互作用事件的概率的总和。中子成像基本原理如图 2.2 所示[24]。
【学位授予单位】：东华理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL816.3

【参考文献】