-
慢化准直器主要功能是把由紧凑型D-D中子发生器出射的快中子束慢化准直成适合热中子照相的热中子束,并降低周边环境的中子注量,减小中子散射对后续像探测器系统成像质量的影响。此外,由于中子与慢化材料作用会产生大量
$\gamma $ 射线,故还需要考虑$\gamma $ 射线屏蔽。为了设计合理的慢化准直器,将使用MCNP-4C程序建立完备的中子源、慢化准直器模型,模拟中子和$\gamma $ 射线的完整输运,完成慢化准直器的物理设计,同时完成慢化准直中子束的特性研究。 -
要开展中子、
$\gamma $ 射线的输运过程研究,首先要构建完备的中子源模型。由于紧凑型D-D中子发生器的结构材料也会对源中子产生慢化、散射、吸收等效应,为了充分考虑上述效应,需要根据紧凑型D-D中子发生器的结构构建几何和材料模型。图1(a)显示了紧凑型D-D中子发生器主体结构[11],整体为圆筒状,外形尺寸长约1 000 mm、外径Φ280 mm,由离子源系统、离子束引出加速系统、靶系统、高压馈入系统和真空系统等装配而成。靶面倾斜安装,靶面法线与氘束流方向的夹角呈45°;高压接头内部密封空腔内充入变压器油,以保证良好的高压绝缘性能;两端法兰可打开,可方便更换靶片和其它元件,降低使用成本;圆筒形中子发生器不锈钢外壳接地,有良好的高压安全性。依据紧凑型D-D中子发生器主体结构构建了如图1(b)所示MCNP-4C模拟几何和材料模型,模型总长度约97.6 cm,管壁外径Φ23.4 cm,中子输出窗最边缘与靶点的距离约为14 cm。
对D-D中子发生器来说,其发射中子的特性参数不仅与D-D聚变反应相关,而且与D束流能量、靶上束斑直径等相关。在早先的研究中,姚泽恩教授课题组已依据D-D核反应截面数据,发展了用于厚靶D-D反应的中子源中子产额、能谱、角分布等特性参数的计算程序ddTdyE[12]。图2(a)给出了ddTdyE程序计算得到的入射氘束流能量150 keV下D-D中子源的典型能谱,图2(b)显示了同一入射氘束流能量下D-D中子源的中子角分布计算数据。由图2中结果可以看出,D-D中子源并不是严格意义上的单能中子,且有特定的角分布,在小角度和大角度方向出射的中子微分产额较高,但中子能谱明显展宽;在90°~120°范围,中子微分产额较低,但能谱展宽很小,单能性明显变好。D-D中子源能谱、角分布的精确计算,可为热中子照相慢化准直器模拟设计时D-D中子源模型的建立提供中子源特性数据。
将图2计算得到的D-D源中子能谱数据和角分布数据经变换后输入到MCNP-4C程序中,以控制源中子的能量和出射角抽样。另外,根据紧凑型D-D中子发生器运行测试的靶上束斑直径,模拟时将D-D中子源设置成Φ20 mm的面源。
-
采用MCNP-4C程序,通过中子、
$\gamma $ 射线输运的多次模拟和优化,在综合考虑热中子相对注量、热中子占比、中子和$\gamma $ 射线屏蔽等参数后,得到的中子慢化准直器优化方案及与紧凑型中子发生器的相对安装结构如图3(a)所示,中子慢化准直器的整体外形尺寸为:长90 cm×宽90 cm×高58.4 cm。其中,第一层主慢化体材料为聚乙烯,其尺寸为:长25.6 cm×宽25.6 cm×高5 cm;第二层慢化体采用铝制水箱填充重水结构,其尺寸为长25.6 cm×宽25.6 cm×高42.4 cm,中心开有Φ10 cm×高20.3 cm的柱形孔作为中子准直孔,铝制水箱底端(与聚乙烯相接端)Al壳厚度为10 mm,侧面(与石墨相接端)和顶端(与含硼聚乙烯相接端)Al壳厚度为3 mm,柱形孔底端Al壳厚度为1 mm,采用聚乙烯+重水复合慢化体的主要目的是,在提高D-D中子慢化速度的同时减少慢化材料对热中子的吸收;第三层采用10 cm厚、密度为0.92 g/cm3的含硼聚乙烯(添加质量分数为8%的硼单质)吸收杂散中子,中心开Φ10 cm孔以进一步准直中子;第四层采用1 cm厚的铅以屏蔽$\gamma $ 射线,中心开Φ10 cm孔;此外,在Φ10 cm准直孔内插入长11 cm、外径Φ10 cm、内径Φ8 cm的铅屏蔽筒,在出口处添加如图3(b)所示的铅制均整器(边缘厚5 mm,中心厚10 mm)。均整器广泛应用于传统的医学放疗技术 [13],模拟时在慢化准直器的出口处添加铅制均整器代替5 mm铅制平板,以进一步过滤中子束中的$\gamma $ 射线,同时对准直中子束产生均整效果,以期获得更好的热中子注量分布均匀性能。准直比是热中子照相装置空间分辨能力的一个量度[14],计算公式如下:
$$ L/D=\frac{准直器入口到成像平面的距离}{准直器入口直径} \text{,} $$ (1) 由于慢化准直器的准直比约为3.58,L/D值较低,准直中子束流的平行度一般。下面将基于该慢化准直器结构开展准直中子束特性研究。
Design of Moderator-collimator for Thermal Neutron Radiography Based on Compact D-D Neutron Generator
-
摘要: 热中子照相是一种重要的无损检测技术,是X射线照相技术的重要补充,小型化热中子照相系统有重要研究应用前景。基于紧凑型D-D中子发生器,采用蒙特卡罗程序MCNP-4C,通过中子和
$\gamma $ 射线的输运模拟,完成了热中子照相慢化准直器的模拟研究与设计。慢化准直器准直比约为3.58,模拟研究结果显示,在D-D中子发生器中子产额大于5×108 n/s条件下,样品平面内热中子注量率可大于103 n/(cm2·s),准直中子束中热中子占比可大于74%,在Φ70 mm的照射视野范围内,热中子注量的不均匀度约为7.3%,基本满足热中子照相的成像要求。-
关键词:
- 热中子照相 /
- 紧凑型D-D中子发生器 /
- 慢化准直器
Abstract: Thermal neutron radiography is a powerful nondestructive detecting technique as an important complement to X-ray radiography. The miniaturized thermal neutron radiography system holds great potential in research and industrial applications. Based on the compact D-D neutron generator, a neutron moderator-collimator for thermal neutron radiography was designed and simulated by using Monte Carlo N-Particle Transport Code(MCNP-4C) to track neutrons and γ-rays. The aspect ratio of the moderator-collimator was about 3.58. The simulation results showed that the thermal neutron flux rate could reach and exceed 103 n/(cm2 · s) in the sample plane when the neutron yield of D-D neutron generator is greater than 5×108 n/s. The proportion of thermal neutron in the collimated neutron beam was found to be over 74%. In a irradiation field with a diameter of 70 mm, the non-uniformity of thermal neutron flux was kept at 7.3%, which meets the imaging criteria of thermal neutron radiography. -
[1] 貊大卫, 刘以思, 金光宇, 等. 中子照相[M]. 北京: 原子能出版社, 1996. MO Dawei, LIU Yisi, JIN Guangyu, et al. Neutron Radiography [M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1996. (in Chinese) [2] 王倩妮, 郭广平, 顾国红, 等. 失效分析与预防, 2021, 16(01): 76. doi: 10.3969/j.issn.1673-6214.2021.01.008 WANG Qianni, GUO Guangping, GU Guohong, et al. Failure Analysis and Prevention, 2021, 16(01): 76. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1673-6214.2021.01.008 [3] TREMSIN A S, VOGEL S C, MOCKO M, et al. Journal of Nuclear Materials, 2013, 440(1-3): 633. doi: 10.1016/j.jnucmat.2013.06.007 [4] 郭广平, 陈启芳, 邬冠华. 失效分析与预防, 2014, 9(6): 388. doi: 10.3969/j.issn.1673-6214.2014.06.0013 GUO Guangping, CHEN Qifang, WU Guanhua. Failure analysis and Prevention, 2014, 9(6): 388. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1673-6214.2014.06.0013 [5] SCHULZ M, BÖNI P, CALZADA E, et al. Nuclear Instr and Meth A, 2009, 605(1): 33. doi: 10.1016/j.nima.2009.01.123 [6] FANTIDIS J G. Nuclear Instr and Meth A, 2018, 908: 361. doi: 10.1016/j.nima.2018.08.114 [7] 杨安波, 弋然. 科学技术创新, 2023(12): 22. doi: 10.3969/j.issn.1673-1328.2023.12.007 YANG Anbo, YI Ran. Scientific and Technological Innovation, 2023(12): 22. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1673-1328.2023.12.007 [8] 王胜, 尹伟, 刘斌, 等. 原子能科学技术, 2019, 53(4): 739. doi: 10.7538/yzk.2018.youxian.0427 WANG Sheng, YIN Wei, LIU Bin, et al. Atomic Energy Science and technology, 2019, 53(4): 739. (in Chinese) doi: 10.7538/yzk.2018.youxian.0427 [9] 何丽华, 凌球, 刘福东, 等. 南华大学学报(自然科学版), 2010, 24(4): 14. doi: 10.19431/j.cnki.1673-0062.2010.04.004 HE Lihua, LING Qiu, LIU Fudong, et al. Journal of University of South China (Science and Technology), 2010, 24(4): 14. (in Chinese) doi: 10.19431/j.cnki.1673-0062.2010.04.004 [10] BRIESMEISTER J F. MCNPTM: a General Monte Carlo N-particle Transport Code: LA-13709-M[R]. Los Alamos, USA: Los Alamos National Laboratory, 200. [11] 黄智武, 王俊润, 张宇, 等. 一台紧凑型D-D中子发生器[C]// 中国核科学技术进展报告(第五卷)——中国核学会2017年学术年会论文集第7册(计算物理分卷, 核物理分卷, 粒子加速器分卷, 核聚变与等离子体物理分卷, 脉冲功率技术及其应用分卷, 核工程力学分卷). 2017: 113. HUANG Zhiwu, WANG Junrun, ZHANG Yu, et al. Development of a Compact D-D Neutron Generator[C]//Progress Report on China Nuclear Science & Technology (Vol. 5) - Volume 7 of the Proceedings of the 2017 Academic Annual Meeting of the Chinese Nuclear Society (Computational Physics, Nuclear Physics, Particle Accelerator, Nuclear Fusion and Plasma Physics, Pulsed Power Technology and its Applications, and Nuclear Engineering Mechanics). 2017: 113. (in Chinese) [12] YAO Z E, DU H X, TAN X J, et al. Computational Physics, 2008(6): 744. doi: 10.19596/j.cnki.1001-246x.2008.06.017 [13] Dietmar, Georg, Tommy, et al. Medical Physics, 2011, 38(3): 1280. doi: 10.1118/1.3554643 [14] GB/T 31363-2015, 无损检测-热中子照相检测: 总则和基本规则[S]. GB/T 31363-2015, Non-destructive Testing-Thermal Neutron Radiographic Testing-General Principles and Basic Rules[S]. (in Chinese) [15] 张杰, 王俊润, 张宇, 等. 原子核物理评论, 2017, 34(4): 762. doi: 10.11804/NuclPhysRev.34.04.762 ZHANG Jie, WANG Junrun, ZHANG Yu, et al. Nuclear Physics Review, 2017, 34(4): 762. (in Chinese) doi: 10.11804/NuclPhysRev.34.04.762