第7章中子的外照射防护课件.ppt

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1、第7章中子的外照射防护1第1页，此课件共30页哦放射性核素中子源放射性核素中子源加速器中子源反应堆中子源等离子体中子源7.1、中子辐射源中子源注意事项：往往伴有 辐射。第2页，此课件共30页哦7.1.1 放射性核素中子源优点：优点：发出的中子基本各向同性；发出的中子基本各向同性；源的尺寸小；源的尺寸小；价格便宜。价格便宜。缺点：缺点：产额小，且随时间减弱；产额小，且随时间减弱；易形成污染。易形成污染。放放射射性性核核素素中中子子源源有有三三种种，即即：(，n)反反应应中中子子源源；(，n)反反应应中中子子源源；自自发发裂裂变变中中子子源源。前前二二种种是是利利用用放放射射性性核核素素衰衰变变时

2、时发发出出的的粒粒子子或或光光子子轰击一定的靶物质轰击一定的靶物质，通过，通过(，n)或或(，n)核反应产生中子。核反应产生中子。第3页，此课件共30页哦表7.1 放射性核素中子源的特性靶核靶核名称名称放射性放射性核素核素反应反应类型类型半衰期半衰期T 1/2中子最中子最大能量大能量MeV中子平中子平均能量均能量MeV中子产额中子产额y,10-6S-1Bq-1中子源发射率中子源发射率为为106 s-1,距离距离1m处的处的照射照射量率量率,10-7Ckg-1h-1中子中子能谱能谱伴随伴随辐射辐射BeBe Be Be Be Be Be Be24Na124Sb210Po226Ra238Pu239P

3、u241Am(,n)(,n)(,n)(,n)(,n)(,n)(,n)15.0h60.4d138.4d1620a87.75a24390a432a10.8713.0811.310.7411.50.830.0294.24.04.54.14.53.515.1467.640554.143.254.13.761041.331040.1031551.294.392.58单能单能单能单能连续连续连续连续连续连续连续连续连续连续非常强非常强非常强非常强很低很低很低很低低低低低低低第4页，此课件共30页哦7.1.1 放射性核素中子源 许许多多重重原原子子核核都都具具有有自自发发裂裂变变而而发发射射中中子子的的特特

4、性性。天天然然重重核核(如如U、Th)发发生生自自发发裂裂变变的的几几率率很很小小，不不宜宜用用作作中中子子源源。目目前前可可供供实实用用的的自自发发裂裂变变中中子子源源只只有有252Cf。表表7.2列列出出了了252Cf自自发发裂裂变变中中子子源源的的主主要要物物理理特特性。性。第5页，此课件共30页哦表7.2 252Cf自发裂变中子源的物理特性衰衰 变变 方方 式式衰变几率衰变几率96.8自发裂变几率自发裂变几率3.2半半 衰衰 期期衰变的衰变的Td2.73a自发裂变的自发裂变的Tef85.5a总的总的T 1/22.659a自发裂变中子产额，自发裂变中子产额，s-1 g-12.32106

5、，MeV2.13 ，中子，中子/自发裂变自发裂变3.76发射率，发射率，s-1 g-11.3107在空气中在空气中1m处的剂量率处的剂量率（无屏蔽情况）（无屏蔽情况）中子，中子，Sv h-1 g-124，Gy h-1 g-11.4第6页，此课件共30页哦7.1.2 加速器中子源加速器中子源 加加速速器器中中子子源源是是利利用用被被加加速速器器加加速速的的带带电电粒粒子子轰轰击击某某些些靶靶物物质质导导致致核核反反应应产产生生中中子子的的。这这种种中中子子源源的的特特点点是是，可可以以通通过过改改变变靶靶物物质质种种类类和和带带电电粒粒子子类类型型，调调节节带带电电粒粒子子的的能能量量和和中中子

6、子的的出出射射方方向向来来获获得得不不同同能能量量的的中中子子。加加速速器器中中子子源源所所用用的的加加速速器器过过去去多多为为低低能能加加速速器器，例例如如密密封封管管型型中中子子发发生生器器、高高压压倍倍加加器器、静静电电加加速速器器、回回旋旋加加速速器器和和电电子子直直线线加加速速器器等等。被被加加速速的的带带电电粒粒子子，有有电电子子、质质子子、氘氘核核、氚氚核核、粒粒子子等等。目目前前，已已有有高高能能重重离离子子加加速速器器中中子子源，并且发展非常迅速。源，并且发展非常迅速。第7页，此课件共30页哦加速器中子源二种应用较多的核反应式：T(d,n)T(d,n)4 4HeHe反反应应的

7、的优优点点是是中中 子子 能能 量量 高高（101030MeV30MeV），即即使使氘氘核核能能量量低低到到0.1MeV0.1MeV，通通过过T(d,n)T(d,n)4 4HeHe反反应应也也能能获获得得接接近近14MeV14MeV的单能中子。的单能中子。第8页，此课件共30页哦7.2、中子剂量的计算、中子剂量的计算7.2.1 中子与机体组织相互作用的特点中子与机体组织相互作用的特点 考虑中子与组成人体组织的元素间的相互作用。在机体组织中，按重量百分比计，氢、碳、氮、氧四种元素占整个人体重量的95%以上，按原子数计，氢原子数占人体原子总数的60%以上。元素相 互 作 用氢弹性散射辐射俘获H（n

8、，）D碳弹性散射非弹性散射C（n，n3）和C（n，n）Be反应氮弹性散射非弹性散射N（n，p）C，N（n，d）C，N（n，t）C，N（n，）B，N（n，2）Li和N（n，2n）N反应氧弹性散射非弹性散射O（n，）C和O（n，p）N反应表7.5 中子在机体组织中发生的重要的相互作用第9页，此课件共30页哦7.2.2 中子剂量的计算中子剂量的计算1.比释动能计算式中为中子比释动能因子。据此，可以通过对辐射场实测或计算得到中子注量，并从附表3查得与中子能量相对应的fK值，便可算出中子的比释动能K 附表3第10页，此课件共30页哦114.比释动能与注量的关系单能：比释动能因子：用于计算K不带电粒子与物

9、质相互作用，入射粒子总能量中平均有多少能量转移为次级带电粒子的动能 -用质能转移系数 tr/度量附表3第三章 辐射剂量学中使用的量和单位第11页，此课件共30页哦7.2.2 中子剂量的计算中子剂量的计算 如果已知中子辐射场中某种物质(m)的比释动能Km，则在同一点上受到照射的一小块组织(T)的比释动能KT 吸收剂量：式中，(tr/)T、(tr/)m分别是物质m和组织T的质能转移系数。在满足带电粒子平衡条件，相关组织的中子吸收剂量即为 第12页，此课件共30页哦中子注量 到 当量剂量 换算因子2.当量剂量计算单能：连续谱：第13页，此课件共30页哦表7.6 中子辐射权重因子WR，中子当量剂量换算

10、因子fHi，n和对应的剂量率限值为10Sv/h 的中子注量率值 En，MeV辐射权重因子辐射权重因子WR当量剂量换算因子当量剂量换算因子f Hi，n10-15 Svm2中子注量率中子注量率LCm-2s-1 2.510-8 110-7 110-6 110-5 110-4 110-3 110-2 110-1 510-1 1 2 5 10 20 50210Po-B En2.8210Po-Be En4.2226Ra-Be En4.0239Pu-Be En4.1241Am-Be En4.5252Cf源源 En2.132222222 7.4 11 10.6 9.3 7.8 6.8 6.0 5.0 8.0

11、7.5 7.3 7.5 7.4 9.15 1.068 1.157 1.263 1.208 1.157 1.029 0.992 5.78719.8432.6839.6840.6540.8542.7445.54 33.1 35.5 34.5 35.2 39.5 33.21260.1240.1219.9230.0240.1270.0280.0 48.00 14.00 8.608 7.000 6.832 6.800 6.500 6.100 8.400 7.840 8.040 7.880 7.040 8.3642.当量剂量计算第14页，此课件共30页哦第15页，此课件共30页哦7.3、中子在屏蔽层中的减

12、弱规律、中子在屏蔽层中的减弱规律7.3.1 减弱原理减弱原理第一步：快中子通过与物质的非弹性散射和弹性散射，慢化成热中子；第二步：热中子被物质俘获吸收。首首先先用用重重或或较较重重的的物物质质，通通过过非非弹弹性性散散射射使使中中子子能能量量很很快快降降到到与与原原子子核核第第一一激激发发能能级级能能量量以以下下；然然后后，再再利利用用含含氢氢物物质质，通通过过弹弹性性散散射射使使中中子子能能量量降降到到热热能区。能区。第16页，此课件共30页哦7.3、中子在屏蔽层中的减弱规律、中子在屏蔽层中的减弱规律7.3.1 减弱原理减弱原理 虽然热中子能被各种物质所吸收，但并不是任何物质都适宜用来吸收热

13、中子虽然热中子能被各种物质所吸收，但并不是任何物质都适宜用来吸收热中子的。因为许多物质吸收热中子后，常伴有高能的俘获的。因为许多物质吸收热中子后，常伴有高能的俘获辐射。因此，辐射。因此，在选择吸收热在选择吸收热中子的材料时应选择对热中子吸收截面大、俘获中子的材料时应选择对热中子吸收截面大、俘获辐射能量低的那些材料，这样便于对俘辐射能量低的那些材料，这样便于对俘获获辐射的屏蔽。辐射的屏蔽。为了减少或避免热中子吸收过程中产生的俘获为了减少或避免热中子吸收过程中产生的俘获辐射，可在屏蔽层中辐射，可在屏蔽层中加入适最的加入适最的10B和和6Li，因为这两种核素吸收热中子的截面特别大，因为这两种核素吸收

14、热中子的截面特别大(10B为为3837b和和6Li为为910b)，而且产生的是，而且产生的是(n，)反应，此反应放出的主要是外照射防护中常可忽略的反应，此反应放出的主要是外照射防护中常可忽略的粒子。粒子。虽然虽然10B吸收热中子后还伴有吸收热中子后还伴有辐射，但其能量很低，易于屏蔽。辐射，但其能量很低，易于屏蔽。在快中子的非弹性散射和热中子被吸收的过程中，都会产生次级在快中子的非弹性散射和热中子被吸收的过程中，都会产生次级辐射。对这些辐射。对这些辐射仍然辐射仍然可用前述的可用前述的辐射的屏蔽方法进行屏蔽。辐射的屏蔽方法进行屏蔽。在实际的屏蔽设计中，为慢化快中子已使用了在实际的屏蔽设计中，为慢化

15、快中子已使用了不少中等重量以上的材料，它们对次级不少中等重量以上的材料，它们对次级辐射已具有相当的屏蔽能力，因此，屏蔽体在防护辐射已具有相当的屏蔽能力，因此，屏蔽体在防护中子的过程中往往也足以减弱或屏蔽掉这些次级中子的过程中往往也足以减弱或屏蔽掉这些次级辐射。辐射。第17页，此课件共30页哦7.3.2 减弱规律第18页，此课件共30页哦7.3.3计算宽束中子减弱的分出截面法计算宽束中子减弱的分出截面法原原理理：通通过过屏屏蔽蔽材材料料的的选选择择使使得得中中子子经经散散射射就就很很快被吸收，穿过屏蔽层的都是未经相互作用的中子。快被吸收，穿过屏蔽层的都是未经相互作用的中子。满足简单的指数规律第1

16、9页，此课件共30页哦7.3.3计算宽束中子减弱的分出截面法计算宽束中子减弱的分出截面法 分分出出截截面面法法的的基基本本出出发发点点在在于于：选选择择合合适适的的屏屏蔽蔽材材料料使使得得中中子子在在屏屏蔽蔽层层中中一一经经散散射射便便能能在在很很短短的的距距离离内内迅迅速速慢慢化化并并保保证证能能在在屏屏蔽蔽层层内内被被吸吸收收。也也就就是是说说，那那些些经经历历了了散散射射作作用用的的中中子子被被有有效效地地从从穿穿出出屏屏蔽蔽层层的的中中子子束束中中“分分出出”了了，使使穿过屏蔽层的都是那些在屏蔽层内未经相互作用的中子。在在这这种种情情况况下下，即使是宽束中子，它在即使是宽束中子，它在屏

17、蔽层中的减弱屏蔽层中的减弱也能也能满足简单的指数规律满足简单的指数规律。第20页，此课件共30页哦屏蔽材料必须满足的条件：屏蔽材料必须满足的条件：（1）屏蔽层足够厚，使得在屏蔽层后面的当量剂量 主要是 由中子束中一组贯穿能力最强的中子的贡献所致。（2）屏蔽层含像铁、铅之类的重材料，通过非弹性散射将中子能量很快降到1MeV以下；（3）屏蔽层内含有足够的氢，在很短距离内，将中子能量从1MeV降到热能，然后被吸收。第21页，此课件共30页哦上述条件满足时：上述条件满足时：式中，、和 、分别是设置屏蔽层前、后在辐射场中屏蔽厚度为d处的注量率或当量剂量率；。宏观分出截面第22页，此课件共30页哦表7.1

18、0 对于裂变中子的宏观分出截面材 料普通土含水10石墨1.54普通混凝土水石蜡聚乙烯铁R，cm-10.0410.07850.0890.1030.1180.1230.1576原子量10，宏观分出截面：第23页，此课件共30页哦7.3.4 计算宽束中子的透射曲线 中子辐射透射系数单位中子注量在屏蔽体后造成的剂量当量，单位Svcm2。：中子透射比 中子减弱倍数中子辐射场中某点，有屏蔽体时的吸收剂量率(或当量剂量率)与没有屏蔽体时的吸收剂量率(或当量剂量率)之比 第24页，此课件共30页哦计算宽束中子的十倍减弱厚度中子的十倍减弱厚度1/10是使沿入射束方向的中子注量率减少到原来的1/10的屏蔽体厚度。

19、第25页，此课件共30页哦(3)屏蔽中子的常用材料屏蔽中子的常用材料 屏蔽材料的选择和材料厚度的确定应依据辐射防护最优化原则，综合考虑材料的屏蔽性能、结构性能、稳定性能，以及经济成本等几个因素。根据前面介绍的中子与物质相互作用规律可知，对于几MeV以上的快中子，屏蔽体中必须含有一定数量的原子序数在中等以上的元素，以便通过非弹性散射使快中子能量迅速地降下来。同时屏蔽材料中也必须含有适当数量的轻元素，尤其是氢。表7.12列出了某些常用屏蔽材料中的含氢量。第26页，此课件共30页哦有的资料给出8.151022。有的资料给出8.31022。材材 料料化化 学学 组组 成成含氢量，原子含氢量，原子cm-

20、3水水石石 蜡蜡聚聚 乙乙 烯烯聚聚 氯氯 乙乙 烯烯有有 机机 玻玻 璃璃石石 膏膏高高 岭岭 土土92聚乙烯聚乙烯8B4CH2OC30H62（CH2）n（CH2CHCl）n（C4H8O2）nCaSO42H2OAl2O32SiO22H2O（CH2）nB4C6.710227.8710227.9210224.11022 5.710223.2510222.4210227.681022表7.12 常用屏蔽材料中的含氢量第27页，此课件共30页哦水：含氢量大，既是慢化剂，又是吸收体，氢的俘获 辐射能量低，只有2.2MeV，便于屏蔽。由于水缺乏结构性能，故很少单独应用，但可把它灌注在水门、水箱屏蔽体里，

21、此时必须注意避免容器破裂，导致水的泄漏而酿成事故。混凝土：既有轻元素，又有较重的元素和一定量的水分，对中子和光子都有较好的屏蔽作用。混凝土中水含量的不同对屏蔽效果影响较大，需要进行修正。混凝上具有良好的结构性能，是一种较好的建筑材料，多用作固定的屏蔽体。在需要提高混凝上的屏蔽能力时，还可在混凝土中加入重材料组分(例如重晶石、铸铁块等)以制成密度较大的重混凝土。所以，它的应用是很广泛的。常用的中子屏蔽材料有下列几种:第28页，此课件共30页哦聚乙烯：含氢丰富，易加工成型，温度高于100C时，易软化。泥土：含水多，廉价。锂和硼：热中子吸收截面大，锂俘获中子后放出的 辐射可忽略不计，硼俘获中子放出0.47MeV的 辐射，易屏蔽。石蜡：含大量的氢，易成型，但结构性能差，高温易软化，低温易干裂，对 辐射屏蔽性能差。第29页，此课件共30页哦7.4、中子屏蔽计算（一）放射性核素中子源的屏蔽计算式中：d是屏蔽层厚度，cm；R是屏蔽材料的宏观分出截面，cm-1；A是放射性核素中子源中放射性核素的活度，Bq；y是放射性核素中子源的产额，Bq-1s-1；Ay即为中子源中子发射率，s-1；Bn是中子积累因子；q是居留因子；r是参考点离源的距离，m。第30页，此课件共30页哦