中子的外照射防護(hù)演示文稿

中子的外照射防護(hù)演示文稿1第一頁，共二十八頁。2優(yōu)選中子的外照射防護(hù)第二頁，共二十八頁。7.1.1放射性核素中子源優(yōu)點(diǎn)：—

發(fā)出的中子基本各向同性；

—

源的尺寸小；

—

價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：—

產(chǎn)額小，且隨時間減弱；

—

易形成污染。放射性核素中子源有三種，即：(α，n)反應(yīng)中子源；(γ，n)反應(yīng)中子源；自發(fā)裂變中子源。前二種是利用放射性核素衰變時發(fā)出的α粒子或γ光子轟擊一定的靶物質(zhì)，通過(α，n)或(γ，n)核反應(yīng)產(chǎn)生中子。

第三頁，共二十八頁。表7.1放射性核素中子源的特性靶核名稱放射性核素反應(yīng)類型半衰期T1/2中子最大能量MeV中子平均能量MeV中子產(chǎn)額y,×10-6S-1?Bq-1中子源發(fā)射率為106s-1,距離1m處的γ照射量率,×10-7C?kg-1?h-1中子能譜伴隨γ輻射BeBeBeBeBeBeBeBe24Na124Sb210Po226Ra238Pu239Pu241Am(γ,n)(γ,n)(α,n)(α,n)(α,n)(α,n)(α,n)15.0h60.4d138.4d1620a87.75a24390a432a10.8713.0811.310.7411.50.830.0294.24.04.54.14.53.515.1467.640554.143.254.13.76×1041.33×1040.103155＜1.294.39＜2.58單能單能連續(xù)連續(xù)連續(xù)連續(xù)連續(xù)非常強(qiáng)非常強(qiáng)很低很低低低低第四頁，共二十八頁。7.1.1放射性核素中子源

許多重原子核都具有自發(fā)裂變而發(fā)射中子的特性。天然重核(如U、Th)發(fā)生自發(fā)裂變的幾率很小，不宜用作中子源。目前可供實(shí)用的自發(fā)裂變中子源只有252Cf。表7.2列出了252Cf自發(fā)裂變中子源的主要物理特性。第五頁，共二十八頁。表7.2252Cf自發(fā)裂變中子源的物理特性衰變方式α衰變幾率96.8％自發(fā)裂變幾率3.2％半衰期α衰變的Td2.73a自發(fā)裂變的Tef85.5a總的T1/22.659a自發(fā)裂變中子產(chǎn)額，s-1?μg-12.32×106

，MeV2.13

，中子/自發(fā)裂變3.76γ發(fā)射率，s-1?μg-11.3×107在空氣中1m處的劑量率（無屏蔽情況）中子，μSv?h-1?μg-124γ，μGy?h-1?μg-11.4第六頁，共二十八頁。7.1.2加速器中子源

加速器中子源是利用被加速器加速的帶電粒子轟擊某些靶物質(zhì)導(dǎo)致核反應(yīng)產(chǎn)生中子的。這種中子源的特點(diǎn)是，可以通過改變靶物質(zhì)種類和帶電粒子類型，調(diào)節(jié)帶電粒子的能量和中子的出射方向來獲得不同能量的中子。加速器中子源所用的加速器過去多為低能加速器，例如密封管型中子發(fā)生器、高壓倍加器、靜電加速器、回旋加速器和電子直線加速器等。被加速的帶電粒子，有電子、質(zhì)子、氘核、氚核、α粒子等。目前，已有高能重離子加速器中子源，并且發(fā)展非常迅速。第七頁，共二十八頁。加速器中子源二種應(yīng)用較多的核反應(yīng)式：

T(d,n)4He反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)是中子能量高（10～30MeV），即使氘核能量低到0.1MeV，通過T(d,n)4He反應(yīng)也能獲得接近14MeV的單能中子。第八頁，共二十八頁。7.2、中子劑量的計(jì)算

7.2.1中子與機(jī)體組織相互作用的特點(diǎn)

考慮中子與組成人體組織的元素間的相互作用。在機(jī)體組織中，按重量百分比計(jì)，氫、碳、氮、氧四種元素占整個人體重量的95%以上，按原子數(shù)計(jì)，氫原子數(shù)占人體原子總數(shù)的60%以上。元素相互作用氫彈性散射輻射俘獲H（n，γ）D碳彈性散射非彈性散射C（n，n′3α）和C（n，n′α）Be反應(yīng)氮彈性散射非彈性散射N（n，p）C，N（n，d）C，N（n，t）C，N（n，α）B，N（n，2α）Li和N（n，2n）N反應(yīng)氧彈性散射非彈性散射O（n，α）C和O（n，p）N反應(yīng)表7.5中子在機(jī)體組織中發(fā)生的重要的相互作用第九頁，共二十八頁。7.2.2中子劑量的計(jì)算1.比釋動能計(jì)算式中為中子比釋動能因子。據(jù)此，可以通過對輻射場實(shí)測或計(jì)算得到中子注量Φ，并從附表3查得與中子能量相對應(yīng)的fK值，便可算出中子的比釋動能K

附表3第十頁，共二十八頁。114.比釋動能與注量的關(guān)系單能：比釋動能因子：用于計(jì)算K不帶電粒子與物質(zhì)相互作用，入射粒子總能量中平均有多少能量轉(zhuǎn)移為次級帶電粒子的動能-----用質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)tr/度量附表3第三章輻射劑量學(xué)中使用的量和單位第十一頁，共二十八頁。7.2.2中子劑量的計(jì)算如果已知中子輻射場中某種物質(zhì)(m)的比釋動能Km，則在同一點(diǎn)上受到照射的一小塊組織(T)的比釋動能KT

吸收劑量：式中，(μtr/ρ)T、(μtr/ρ)m分別是物質(zhì)m和組織T的質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)。在滿足帶電粒子平衡條件，相關(guān)組織的中子吸收劑量即為第十二頁，共二十八頁。中子注量到當(dāng)量劑量換算因子

2.當(dāng)量劑量計(jì)算單能：連續(xù)譜：第十三頁，共二十八頁。表7.6中子輻射權(quán)重因子WR，中子當(dāng)量劑量換算因子

fHi，n和對應(yīng)的劑量率限值為10μSv/h的中子注量率值

En，MeV輻射權(quán)重因子WR當(dāng)量劑量換算因子fHi，n×10-15Sv·m2中子注量率φLCm-2·s-12.5×10-81×10-71×10-61×10-51×10-41×10-31×10-21×10-15×10-1125102050210Po-BEn＝2.8210Po-BeEn＝4.2226Ra-BeEn＝4.0239Pu-BeEn＝4.1241Am-BeEn＝4.5252Cf源En＝2.1322222227.41110.69.37.86.86.05.08.07.57.37.57.49.151.0681.1571.2631.2081.1571.0290.9925.78719.8432.6839.6840.6540.8542.7445.5433.135.534.535.239.533.21260.1240.1219.9230.0240.1270.0280.048.0014.008.6087.0006.8326.8006.5006.1008.4007.8408.0407.8807.0408.3642.當(dāng)量劑量計(jì)算第十四頁，共二十八頁。第十五頁，共二十八頁。7.3、中子在屏蔽層中的減弱規(guī)律7.3.1減弱原理第一步：快中子通過與物質(zhì)的非彈性散射和彈性散射，慢化成熱中子；第二步：熱中子被物質(zhì)俘獲吸收。首先用重或較重的物質(zhì)，通過非彈性散射使中子能量很快降到與原子核第一激發(fā)能級能量以下；然后，再利用含氫物質(zhì)，通過彈性散射使中子能量降到熱能區(qū)。第十六頁，共二十八頁。7.3、中子在屏蔽層中的減弱規(guī)律7.3.1減弱原理雖然熱中子能被各種物質(zhì)所吸收，但并不是任何物質(zhì)都適宜用來吸收熱中子的。因?yàn)樵S多物質(zhì)吸收熱中子后，常伴有高能的俘獲γ輻射。因此，在選擇吸收熱中子的材料時應(yīng)選擇對熱中子吸收截面大、俘獲γ輻射能量低的那些材料，這樣便于對俘獲γ輻射的屏蔽。為了減少或避免熱中子吸收過程中產(chǎn)生的俘獲γ輻射，可在屏蔽層中加入適最的10B和6Li，因?yàn)檫@兩種核素吸收熱中子的截面特別大(10B為3837b和6Li為910b)，而且產(chǎn)生的是(n，α)反應(yīng)，此反應(yīng)放出的主要是外照射防護(hù)中?？珊雎缘摩亮Ｗ?。雖然10B吸收熱中子后還伴有γ輻射，但其能量很低，易于屏蔽。在快中子的非彈性散射和熱中子被吸收的過程中，都會產(chǎn)生次級γ輻射。對這些γ輻射仍然可用前述的γ輻射的屏蔽方法進(jìn)行屏蔽。在實(shí)際的屏蔽設(shè)計(jì)中，為慢化快中子已使用了不少中等重量以上的材料，它們對次級γ輻射已具有相當(dāng)?shù)钠帘文芰?，因此，屏蔽體在防護(hù)中子的過程中往往也足以減弱或屏蔽掉這些次級γ輻射。

第十七頁，共二十八頁。7.3.2減弱規(guī)律第十八頁，共二十八頁。計(jì)算寬束中子減弱的分出截面法原理：通過屏蔽材料的選擇使得中子－－經(jīng)散射就很快被吸收，穿過屏蔽層的都是未經(jīng)相互作用的中子。滿足簡單的指數(shù)規(guī)律第十九頁，共二十八頁。計(jì)算寬束中子減弱的分出截面法

分出截面法的基本出發(fā)點(diǎn)在于：選擇合適的屏蔽材料使得中子在屏蔽層中一經(jīng)散射便能在很短的距離內(nèi)迅速慢化并保證能在屏蔽層內(nèi)被吸收。也就是說，那些經(jīng)歷了散射作用的中子被有效地從穿出屏蔽層的中子束中“分出”了，使穿過屏蔽層的都是那些在屏蔽層內(nèi)未經(jīng)相互作用的中子。在這種情況下，即使是寬束中子，它在屏蔽層中的減弱也能滿足簡單的指數(shù)規(guī)律。

第二十頁，共二十八頁。屏蔽材料必須滿足的條件：（1）屏蔽層足夠厚，使得在屏蔽層后面的當(dāng)量劑量主要是由中子束中一組貫穿能力最強(qiáng)的中子的貢獻(xiàn)所致。

（2）屏蔽層含像鐵、鉛之類的重材料，通過非彈性散射將中子能量很快降到1MeV以下；（3）屏蔽層內(nèi)含有足夠的氫，在很短距離內(nèi)，將中子能量從1MeV降到熱能，然后被吸收。第二十一頁，共二十八頁。上述條件滿足時：式中，、和、分別是設(shè)置屏蔽層前、后在輻射場中屏蔽厚度為d處的注量率或當(dāng)量劑量率；。宏觀分出截面第二十二頁，共二十八頁。表7.10對于裂變中子的宏觀分出截面材料普通土含水10％石墨ρ＝1.54普通混凝土水石蠟聚乙烯鐵∑R，cm-10.0410.07850.0890.1030.1180.1230.1576原子量>10，宏觀分出截面：第二十三頁，共二十八頁。7.3.4計(jì)算寬束中子的透射曲線中子輻射透射系數(shù)單位中子注量在屏蔽體后造成的劑量當(dāng)量，單位Sv·cm2。：中子透射比中子減弱倍數(shù)中子輻射場中某點(diǎn)，有屏蔽體時的吸收劑量率(或當(dāng)量劑量率)與沒有屏蔽體時的吸收劑量率(或當(dāng)量劑量率)之比第二十四頁，共二十八頁。計(jì)算寬束中子的十倍減弱厚度中子的十倍減弱厚度△1/10是使沿入射束方向的中子注量率減少到原來的1/10的屏蔽體厚度。第二十五頁，共二十八頁。

(3)屏蔽中子的常用材料

屏蔽材料的選擇和材料厚度的確定應(yīng)依據(jù)輻射防護(hù)最優(yōu)化原則，綜合考慮材料的屏蔽性能、結(jié)構(gòu)性能、穩(wěn)定性能，以及經(jīng)濟(jì)成本等幾個因素。根據(jù)前面介紹的中子與物質(zhì)相互作用規(guī)律可知，對于幾MeV以上的快中子，屏蔽體中必須含有一定數(shù)量的原子序數(shù)在中等以上的元素，以便通過非彈性散射使快中子能量迅速地降下來。

同時屏蔽材料中也必須含有適當(dāng)數(shù)量的輕元素，尤其是氫。表7.12列出了某些常用屏蔽材料中的含氫量。第二十六頁，共二十八頁。①有的資料給出8.15×1022。

②有的資料給出8.3×1022