1、.1中子的防護中子的防護主講：崔主講：崔 瑩瑩.2第七章第七章 中子的防護中子的防護象象射線一樣，中子是一種穿透力很強的間接電離粒射線一樣，中子是一種穿透力很強的間接電離粒子。它在物質中的減弱是一個復雜的物理過程，在屏子。它在物質中的減弱是一個復雜的物理過程，在屏蔽計算時一般應該考慮這些物理過程。然而其中數據蔽計算時一般應該考慮這些物理過程。然而其中數據尚不完全清楚。尚不完全清楚。中子源發出的中子都是快中子，在屏蔽層中主要通過中子源發出的中子都是快中子，在屏蔽層中主要通過彈性散射和非彈性散射損失能量，最后被物質吸收，彈性散射和非彈性散射損失能量，最后被物質吸收，主要放出主要放出射線。因此中子的

2、屏蔽除了要考慮快中子射線。因此中子的屏蔽除了要考慮快中子的減弱過程和吸收過程外，還要考慮的減弱過程和吸收過程外，還要考慮射線的屏蔽射線的屏蔽本章主要介紹中子屏蔽的基本原理及一般教學、科研、本章主要介紹中子屏蔽的基本原理及一般教學、科研、醫療等部門常用的同位素中子源和中子發生器的有關醫療等部門常用的同位素中子源和中子發生器的有關屏蔽問題屏蔽問題.3復習復習 中子與物質的相互作用中子與物質的相互作用按能量區分的中子種類：按能量區分的中子種類：慢中子慢中子 0-100-103 3eVeV中能中子中能中子快中子快中子相對論中子相對論中子keV10keV10105keV1051eV10001eV5 .

3、0eV025. 0eV10277223共振中子超熱中子熱中子冷中子中子按能量的劃分并不嚴格，各文獻之間略有差別。中子按能量的劃分并不嚴格，各文獻之間略有差別。.4復習復習 中子與物質的相互作用中子與物質的相互作用1.1.中子源：中子源：反應堆中子源：強中子源，反應堆中子源：強中子源， 中子能量范圍中子能量范圍0-18MeV0-18MeV加速器中子源：能在很寬能量范圍內產生單能中子束加速器中子源：能在很寬能量范圍內產生單能中子束同位素中子源：體積小，價錢便宜，使用方便同位素中子源：體積小，價錢便宜，使用方便.5中子由不同的過程產生，能量覆蓋較大的范圍中子由不同的過程產生，能量覆蓋較大的范圍像光子

4、一樣，中子沒有電荷，不會與軌道電子發生作用。像光子一樣，中子沒有電荷，不會與軌道電子發生作用。中子在物質中可以不發生任何作用而輸運很遠的距離。中子在物質中可以不發生任何作用而輸運很遠的距離。 中子通過以下幾種機制與原子核的核子發生作用：中子通過以下幾種機制與原子核的核子發生作用：復習復習 中子與物質的相互作用中子與物質的相互作用2.2.中子與物質的相互作用：中子與物質的相互作用：（1 1）. . 彈性散射（彈性散射（n n，n n）（2 2）. . 非彈性散射（非彈性散射（n n，nn）（3 3）. . 輻射俘獲（輻射俘獲（n n，）（4 4）. . 帶電粒子的發射帶電粒子的發射（5 5）.

5、. 裂變（裂變（n n，f f）.6復習復習 中子與物質的相互作用中子與物質的相互作用2.2.中子與物質的相互作用：中子與物質的相互作用：（1 1）. . 彈性散射（彈性散射（n n，n n）彈性散射分為彈性散射分為勢散射勢散射和和復合核散射復合核散射兩種兩種 原子核內能不變原子核內能不變勢散射勢散射 是中子受核力場作用發生的散射是中子受核力場作用發生的散射 （中子未進入核內，而是發生在核外面）。（中子未進入核內，而是發生在核外面）。復合核散射復合核散射是中子進入核內形成復合核，而后放出中子。是中子進入核內形成復合核，而后放出中子。彈性散射是彈性散射是 .7復習復習 中子與物質的相互作用中子與

6、物質的相互作用2.2.中子與物質的相互作用：中子與物質的相互作用：（1 1）. . 彈性散射（彈性散射（n n，n n）結論：結論：輕元素（特別是氫）可以作為良好的快中子減速劑輕元素（特別是氫）可以作為良好的快中子減速劑在中子的中能范圍內，彈性散射是中子能量損失的主要方式，同在中子的中能范圍內，彈性散射是中子能量損失的主要方式，同時隨著中子能量的降低，氫的彈性散射截面很快變大，當中子和時隨著中子能量的降低，氫的彈性散射截面很快變大，當中子和氫發生彈性散射時沒能很快的降低到熱能范圍。氫發生彈性散射時沒能很快的降低到熱能范圍。在中子防護中，常選用在中子防護中，常選用含氫物質含氫物質和和原子量小原子

7、量小的物質作為快中子的的物質作為快中子的減速劑減速劑.8復習復習 中子與物質的相互作用中子與物質的相互作用2.2.中子與物質的相互作用：中子與物質的相互作用：（2 2）. . 非彈性散射（非彈性散射（n n，nn）非彈性散射分為非彈性散射分為直接相互作用過程直接相互作用過程和和形成復合核過程形成復合核過程直接作用過程直接作用過程 是入射中子和靶核的核子發生非常短時間的相互作用是入射中子和靶核的核子發生非常短時間的相互作用 （約（約1010-22-22-10-10-21-21秒）秒）復合核過程復合核過程 是入射中子進入靶核形成復合核，在形成復合核過程中是入射中子進入靶核形成復合核，在形成復合核過

8、程中 入射中子和核子發生較長時間的能量交換入射中子和核子發生較長時間的能量交換 （約（約1010-20-20-10-10-15-15秒）秒） .9復習復習 中子與物質的相互作用中子與物質的相互作用2.2.中子與物質的相互作用：中子與物質的相互作用：（2 2）. . 非彈性散射（非彈性散射（n n，nn）非彈性散射的發生和入射中子的能量有關。非彈性散射的發生和入射中子的能量有關。在閾值以上，隨著中子能量的增加，非彈性散射的截面變大在閾值以上，隨著中子能量的增加，非彈性散射的截面變大靶核的第一激發能級愈低，愈容易發生非彈性散射，重核的第一激靶核的第一激發能級愈低，愈容易發生非彈性散射，重核的第一激

9、發能級比輕核的第一激發能級低發能級比輕核的第一激發能級低快中子（快中子（0.5MeV0.5MeV）與重核相互作用時，與彈性散射相比，非彈）與重核相互作用時，與彈性散射相比，非彈性散射占優勢性散射占優勢 .10復習復習 中子與物質的相互作用中子與物質的相互作用2.2.中子與物質的相互作用：中子與物質的相互作用：（3 3）. . 輻射俘獲輻射俘獲(n,(n,) )中子射入靶核后，與靶核形成激發態的復合核，然后復合核通過發中子射入靶核后，與靶核形成激發態的復合核，然后復合核通過發射一個或幾個射一個或幾個光子而回到基態，不再發射其他粒子，此過程叫光子而回到基態，不再發射其他粒子，此過程叫輻輻射俘獲射俘

10、獲，也稱，也稱 (n,(n,) ) 反應。這時中子被靶核吸收。反應。這時中子被靶核吸收。輻射俘獲反應截面僅和中子能量有關。輻射俘獲反應截面僅和中子能量有關。在在低能區除共振區外，其反應截面一般隨在在低能區除共振區外，其反應截面一般隨 變化變化 E/1.11復習復習 中子與物質的相互作用中子與物質的相互作用2.2.中子與物質的相互作用：中子與物質的相互作用：（4 4）. . 帶電粒子的發射帶電粒子的發射原子核吸收中子而發射出帶電粒子（如質子，原子核吸收中子而發射出帶電粒子（如質子，粒子）的核反粒子）的核反應，叫作應，叫作發射帶電粒子的核反應發射帶電粒子的核反應，例如慢中子引起的（，例如慢中子引起

11、的（n, n, ）和和（n, pn, p ）反應。反應。（5 5）. . 裂變反應（裂變反應（n n，f f）有集中重核，如有集中重核，如 等，當他們俘獲一個中子后，可分裂為等，當他們俘獲一個中子后，可分裂為兩個交情的原子核，伴隨著放出兩個交情的原子核，伴隨著放出2-32-3個中子及個中子及200MeV200MeV左右的巨大能左右的巨大能量，這就是量，這就是核裂變反應核裂變反應，即，即（n n，f f）反應。）反應。PuU239235,.12第七章第七章 中子的防護中子的防護對中子的屏蔽，出了反應堆、高能加速器、克級以上對中子的屏蔽，出了反應堆、高能加速器、克級以上的的252252CfCf中子

12、源需要進行較為復雜的計算外，一般小型中子源需要進行較為復雜的計算外，一般小型的同位素中子源、中子放射器多采用較為簡單的計算的同位素中子源、中子放射器多采用較為簡單的計算方法，如以實驗為基礎的分出截面法、張馳長度法、方法，如以實驗為基礎的分出截面法、張馳長度法、實驗曲線法等。實驗曲線法等。中子源發出的中子都是快中子，在屏蔽層中主要通過中子源發出的中子都是快中子，在屏蔽層中主要通過彈性散射和非彈性散射損失能量，最后被物質吸收，彈性散射和非彈性散射損失能量，最后被物質吸收，主要放出主要放出射線。因此中子的屏蔽除了要考慮快中子射線。因此中子的屏蔽除了要考慮快中子的減弱過程和吸收過程外，還要考慮的減弱過

13、程和吸收過程外，還要考慮射線的屏蔽射線的屏蔽.13一一. . 分出截面的概念分出截面的概念第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法分出截面法和張弛長度法時快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法時快中子屏蔽的半經驗方法半經驗方法。這些方。這些方法最初是為適應反應堆屏蔽計算需要而建立起來的。由于計算法最初是為適應反應堆屏蔽計算需要而建立起來的。由于計算方便，有一定精度，除用于反應堆屏蔽計算外，目前廣泛地用方便，有一定精度，除用于反應堆屏蔽計算外，目前廣泛地用于各類同位素中資源的屏蔽估算。于各類同位素中資源的屏蔽估算。當用某一閾探測器，測量通過某一含氫屏蔽層后的

14、快中子注量當用某一閾探測器，測量通過某一含氫屏蔽層后的快中子注量率時，由于散射使快中子的能量降低到閾值一下，或者通過散率時，由于散射使快中子的能量降低到閾值一下，或者通過散射偏離原來的束而不能到達探測器。盡管這些中子可能仍然是射偏離原來的束而不能到達探測器。盡管這些中子可能仍然是快中子，然而都不能被閾探測器探測到，表明這些中子已經從快中子，然而都不能被閾探測器探測到，表明這些中子已經從能量高于閾值的能量高于閾值的“群群”中分出去了。中分出去了。分出截面分出截面就是表示中子通就是表示中子通過單位厚度的材料時，從高于某一閾值的中子群中分出來進入過單位厚度的材料時，從高于某一閾值的中子群中分出來進入

15、能量較低的中子群的幾率。故可用中子從某一能量的中子群中能量較低的中子群的幾率。故可用中子從某一能量的中子群中分出幾率的概念來考慮中子的分出幾率的概念來考慮中子的衰減衰減，并用分出截面來計算快中，并用分出截面來計算快中子在屏蔽層中的減弱。分出截面可以通過子在屏蔽層中的減弱。分出截面可以通過實驗測量實驗測量，也可以通，也可以通過過理論計算理論計算。.14一一. . 分出截面的概念分出截面的概念第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法1. 1. 實驗測量的分出截面實驗測量的分出截面實驗測量裂變譜中子分出截面原理如圖所示：實驗測量裂變譜中子分出截面原理如圖所示

16、：r裂變中子面源Pt水在水箱內表面放置一單向裂變中子平面源，探測器在在水箱內表面放置一單向裂變中子平面源，探測器在P P點離源的點離源的距離為距離為r r，在探測器和源之間放置一塊待研究的材料平板，厚度，在探測器和源之間放置一塊待研究的材料平板，厚度為為t t，在，在P P點測得的快中子劑量率為：點測得的快中子劑量率為：.15當水層的最小厚度為當水層的最小厚度為45604560厘米時，用這種裝置測量的分出截厘米時，用這種裝置測量的分出截面與平板的厚度無關。這是因為面與平板的厚度無關。這是因為P P點的中子譜基本上達到了平衡，點的中子譜基本上達到了平衡，平板的插入對平板的插入對P P點的中子譜的

17、平衡并無影響。點的中子譜的平衡并無影響。 的值可通過查表的值可通過查表得到得到一一. . 分出截面的概念分出截面的概念第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法1. 1. 實驗測量的分出截面實驗測量的分出截面實驗測量裂變譜中子分出截面原理如圖所示：實驗測量裂變譜中子分出截面原理如圖所示：在水箱內表面放置一單向裂變中子平面源，探測器在在水箱內表面放置一單向裂變中子平面源，探測器在P P點離源的點離源的距離為距離為r r，在探測器和源之間放置一塊待研究的材料平板，厚度，在探測器和源之間放置一塊待研究的材料平板，厚度為為t t，在，在P P點測得的快中子劑量率

18、為：點測得的快中子劑量率為：RtetrDrD)()(水箱中無平板時，離源（水箱中無平板時，離源（r-tr-t）處的中子計量率；）處的中子計量率；被研究材料的宏觀分出截面被研究材料的宏觀分出截面)(trDR.16一一. . 分出截面的概念分出截面的概念第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法1. 1. 實驗測量的分出截面實驗測量的分出截面在某些屏蔽和反應堆材料中，中子的宏觀分出截面在某些屏蔽和反應堆材料中，中子的宏觀分出截面材料材料 宏觀分出截面宏觀分出截面（cm-1）張馳長度張馳長度（cmcm）水水0.1039.7鐵鐵0.15766.34普通混凝土普通

19、混凝土0.094210.6波蘭特混凝土波蘭特混凝土0.094510.6石墨（石墨（1.541.54）0.078512.7R.17一一. . 分出截面的概念分出截面的概念第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法1. 1. 實驗測量的分出截面實驗測量的分出截面當原子質量當原子質量MA12時，裂變中子在材料中的微觀分出截面可用時，裂變中子在材料中的微觀分出截面可用如下經驗公式計算：如下經驗公式計算：除非常輕的元素外，上述公式對均勻介質的計算值比對非均勻除非常輕的元素外，上述公式對均勻介質的計算值比對非均勻介質的計算值小介質的計算值小5-10%。靶35. 05

20、6. 0011. 0)(3/13/2AAARMMM.18一一. . 分出截面的概念分出截面的概念第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法1. 1. 實驗測量的分出截面實驗測量的分出截面一些元素的微觀分出截面一些元素的微觀分出截面 （1 1靶靶1010-28-28米米2 2）元素元素 分出截面（靶）分出截面（靶）計算值（靶）計算值（靶）（En1.4MeV）Li1.011.03Be1.071.20B0.971.12C0.810.95O0.740.74Al1.301.42Fe1.981.87Cu2.042.04.19一一. . 分出截面的概念分出截面的概念第

21、一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法2. 2. 理論計算的分出截面理論計算的分出截面采用實驗測量的分出截面時，使用條件和測量條件相似，不然，采用實驗測量的分出截面時，使用條件和測量條件相似，不然，會造成很大誤差。實際上，某些中子源的譜并非裂變譜，有些會造成很大誤差。實際上，某些中子源的譜并非裂變譜，有些則是單能中子源，屏蔽材料也并不象實驗那樣成層狀分布，因則是單能中子源，屏蔽材料也并不象實驗那樣成層狀分布，因而實驗值的應用受到局限。如果能在理論上建立分出截面與中而實驗值的應用受到局限。如果能在理論上建立分出截面與中子能量的關系，則分出截面的應用會更為

22、方便。子能量的關系，則分出截面的應用會更為方便。.20一一. . 分出截面的概念分出截面的概念第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法2. 2. 理論計算的分出截面理論計算的分出截面對于能量為對于能量為E E（兆電子伏）的快中子在某一特定材料中的宏觀分（兆電子伏）的快中子在某一特定材料中的宏觀分出截面，可用下述近似式計算：出截面，可用下述近似式計算：estREcos)(能量為能量為E E的快中子的宏觀總截面（厘米的快中子的宏觀總截面（厘米-1-1）；）；能量為能量為E E的快中子的宏觀彈性散射截面（厘米的快中子的宏觀彈性散射截面（厘米-1-1）；）；宏

23、觀彈性散射角余弦的平均值，表示彈性散射角分布中向前宏觀彈性散射角余弦的平均值，表示彈性散射角分布中向前 散射的部分。散射的部分。tescos.21一一. . 分出截面的概念分出截面的概念第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法2. 2. 理論計算的分出截面理論計算的分出截面當中子源具有譜分布時，對于能譜平均的分出截面，由下式計當中子源具有譜分布時，對于能譜平均的分出截面，由下式計算：算：ccRREHEtHtdEEtrDESdEeEtrDESe000000),()(),()(中子源能譜的微分分布中子源能譜的微分分布無中材料存在時，在厚度為（無中材料存在時

24、，在厚度為（r-tr-t）的含氫介質中的中子劑量）的含氫介質中的中子劑量種材料板厚種材料板厚中子能量下限中子能量下限)(0ES),(0EtrDHtcE.22一一. . 分出截面的概念分出截面的概念第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法2. 2. 理論計算的分出截面理論計算的分出截面公式：公式：ccRREHEtHtdEEtrDESdEeEtrDESe000000),()(),()(僅適用于氫以外核素的分出截面的計算。氫的分出截面等于其僅適用于氫以外核素的分出截面的計算。氫的分出截面等于其總截面的總截面的0.90.9倍，即：倍，即：R R(H)=0.9

25、(H)=0.9 H H ， R R(H)(H)， H H分別表分別表示屏蔽層中氫的微觀分出截面和微觀總截面。示屏蔽層中氫的微觀分出截面和微觀總截面。 H H可用下面的可用下面的經驗公式計算。經驗公式計算。靶66. 197.100EH及estREcos)(式中式中E E0 0為中子能量，單位為為中子能量，單位為MeVMeV。在能區。在能區1.5MeV1.5MeV20MeV20MeV，上式，上式計算值的準確度為計算值的準確度為2 2.23一一. . 分出截面的概念分出截面的概念第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法3. 3. 化合物、混合物的宏觀分出截面

26、化合物、混合物的宏觀分出截面宏觀分出截面和微觀分出截面的關系如下：宏觀分出截面和微觀分出截面的關系如下：1602. 0cmMRAR物質的密度（克物質的密度（克/厘米厘米3）；）；核素的原子量。核素的原子量。AM0.602 是阿伏伽德羅常數是阿伏伽德羅常數NA與與10-24的乘積（的乘積（1靶靶10-24cm2）.24一一. . 分出截面的概念分出截面的概念第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法3. 3. 化合物、混合物的宏觀分出截面化合物、混合物的宏觀分出截面宏觀分出截面和微觀分出截面的關系如下：宏觀分出截面和微觀分出截面的關系如下：NiAiRiiR

27、MQ1602. 0混合物的密度（克混合物的密度（克/厘米厘米3）；）；第第i種核素所占的重量百分比；種核素所占的重量百分比；第第i種核素的微觀分出截面（靶）；種核素的微觀分出截面（靶）；第第i種核素的原子量。種核素的原子量。iQRiAiM.25二二. . 計算快中子屏蔽的分出截面法計算快中子屏蔽的分出截面法第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法1. 1. 快中子在含氫介質中的減弱快中子在含氫介質中的減弱分出截面法不僅適用于含氫材料或以含氫材料（含氫量分出截面法不僅適用于含氫材料或以含氫材料（含氫量0.3%0.3%）為后襯的屏蔽，在一定的限制條件下亦可

28、以用于非含氫材料的為后襯的屏蔽，在一定的限制條件下亦可以用于非含氫材料的屏蔽計算。屏蔽計算。miRiiAiARMNDHeRfRSRD1)(4)(2（1 1）均勻含氫介質：當屏蔽體中的含氫材料和其他重組分均勻）均勻含氫介質：當屏蔽體中的含氫材料和其他重組分均勻混合時，各向同性點源的快中子在屏蔽體中的劑量減弱可用下混合時，各向同性點源的快中子在屏蔽體中的劑量減弱可用下式計算：式計算：上式的適用條件是：源和探測點之間含氫介質應有最小的厚度上式的適用條件是：源和探測點之間含氫介質應有最小的厚度R Rminmin，使介質中的中子譜達到平衡。這個最小的屏蔽厚度一般與，使介質中的中子譜達到平衡。這個最小的屏

29、蔽厚度一般與中子能量、所探測的中子能量下限及起分出作用的材料有關。中子能量、所探測的中子能量下限及起分出作用的材料有關。)(RfDHSANR.26二二. . 計算快中子屏蔽的分出截面法計算快中子屏蔽的分出截面法第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法1. 1. 快中子在含氫介質中的減弱快中子在含氫介質中的減弱對于裂變譜中子，當探測下限為對于裂變譜中子，當探測下限為E Ec c0.33MeV0.33MeV時，含氫介質的最時，含氫介質的最小厚度可按氫的質量厚度為小厚度可按氫的質量厚度為4.54.56 6克克/ /厘米厘米2 2確定。當確定。當E Ec c1

30、MeV1MeV時，時，R Rminmin33，其中，其中為為張馳長度張馳長度。f fDHDH，RiRi值可采用實驗測量值，也可采用理論計算值，當用理值可采用實驗測量值，也可采用理論計算值，當用理論計算值時，論計算值時，f fDHDH用下式計算：用下式計算：tHRHBeEd)(f0DH中子的注量對劑量的轉換因子（西弗中子的注量對劑量的轉換因子（西弗/ /單位注量）；單位注量）；屏蔽層中能量為屏蔽層中能量為E E0 0的中子對氫的宏觀總截面（厘米的中子對氫的宏觀總截面（厘米-1-1）；）；注量積累因子注量積累因子)(0EdHtHRB.27式中式中 包括屏蔽層中所有核素的微觀分出截面，包括屏蔽層中所

31、有核素的微觀分出截面，但對氫則取微觀總截面。但對氫則取微觀總截面。二二. . 計算快中子屏蔽的分出截面法計算快中子屏蔽的分出截面法第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法1. 1. 快中子在含氫介質中的減弱快中子在含氫介質中的減弱注量積累因子：表示由于氫的向前散射作用而形成的散射中子注量積累因子：表示由于氫的向前散射作用而形成的散射中子的積累。積累因子的積累。積累因子B B用下式計算：用下式計算：tHcREEEB001對具有譜分布對具有譜分布S(ES(E0 0) )的各向同性點源，在離源的各向同性點源，在離源r r處的劑量當量率處的劑量當量率用下式計算

32、：用下式計算：0)(00000210)()(1)(41dEeEdREEEEESrHmiRiAiiAcREMNEHtHcmiRiAiiAREMN10)(.28二二. . 計算快中子屏蔽的分出截面法計算快中子屏蔽的分出截面法第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法1. 1. 快中子在含氫介質中的減弱快中子在含氫介質中的減弱（2 2）多層屏蔽的情況：如果源中子為單能中子，用化合物、混）多層屏蔽的情況：如果源中子為單能中子，用化合物、混合物宏觀分出截面進行計算，若源中子為有譜分布合物宏觀分出截面進行計算，若源中子為有譜分布S(ES(E0 0) )的各向的各向同

33、性點源，那么在能量為同性點源，那么在能量為E E0 0到到E E0 0dEdE0 0間的中子，在離源間的中子，在離源r r處的中處的中子微分劑量當量率為：子微分劑量當量率為：0)()(0200100),(4)()(dEeERfrEdESHdNiRiiRtEREDHH上式積分得：上式積分得：cNiRiiREtEREDHHdEeERfEdESrH0)()(0002100),()()(41.29二二. . 計算快中子屏蔽的分出截面法計算快中子屏蔽的分出截面法第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法2. 2. 快中子在快中子在非非含氫介質中的減弱含氫介質中的減

34、弱在實際工作中，由于對工藝結構及使用條件的限制，往往要求在實際工作中，由于對工藝結構及使用條件的限制，往往要求采用某些比較輕的材料，作為中子的慢化劑，在以非含氫介質采用某些比較輕的材料，作為中子的慢化劑，在以非含氫介質作慢化劑的均勻介質內的某一點，到各向同性單能點源的距離作慢化劑的均勻介質內的某一點，到各向同性單能點源的距離r r大于幾個自由程的范圍內，能量大于某一閾能的快中子注量率大于幾個自由程的范圍內，能量大于某一閾能的快中子注量率可表示為：可表示為：RrEerBSEr)(20004),(源的中子發射率（中子源的中子發射率（中子/ /秒）；秒）；快中子屏蔽層中的宏觀分出截面（厘米快中子屏蔽

35、層中的宏觀分出截面（厘米-1-1）；）；初始積累因子，表示能量大于閾能的中子由于向前散射初始積累因子，表示能量大于閾能的中子由于向前散射 而引起的中子注量率的累積而引起的中子注量率的累積0SRE )(0B.30二二. . 計算快中子屏蔽的分出截面法計算快中子屏蔽的分出截面法第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法2. 2. 快中子在快中子在非非含氫介質中的減弱含氫介質中的減弱能量能量E En n1.5MeV1.5MeV的中子初始累積因子的中子初始累積因子材材 料料中子能量中子能量E E0 0（MeVMeV）2 24 46 68 81010141414.

36、914.9鋁鋁3.53.52.52.5水水5.45.44.64.64.24.23.33.32.92.93.03.0氫氫3.53.53.53.53.53.52.82.82.82.82.82.8石墨石墨1.41.41.31.3鐵鐵4.94.92.72.7碳化硼碳化硼5.05.01.81.8聚乙烯聚乙烯2.42.42.52.5鉛鉛4.04.02.92.9某些單能中子的某些單能中子的B B值列于下表中，在缺乏數據的情況下，可取值列于下表中，在缺乏數據的情況下，可取B B5 5.31二二. . 計算快中子屏蔽的分出截面法計算快中子屏蔽的分出截面法第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽

37、的分出截面法和張弛長度法2. 2. 快中子在快中子在非非含氫介質中的減弱含氫介質中的減弱RrEerBSEr)(20004),(R1R如果點源具有譜分布如果點源具有譜分布, ,將能量相近的中子分組，分別計算每組快將能量相近的中子分組，分別計算每組快中子在介質中的減弱，然后迭加得注量為：中子在介質中的減弱，然后迭加得注量為：mjrEjjRjjeBfrSr1)(204)(.32二二. . 計算快中子屏蔽的分出截面法計算快中子屏蔽的分出截面法第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法2. 2. 快中子在快中子在非非含氫介質中的減弱含氫介質中的減弱對單能各向同性點

38、源進行多層屏蔽組合屏蔽時，快中子的注量對單能各向同性點源進行多層屏蔽組合屏蔽時，快中子的注量率可表示為：率可表示為：NiRi itBerSr1204)(式中式中 及及 分別表示第分別表示第i i層屏蔽材料的宏觀分出截面和厚度。層屏蔽材料的宏觀分出截面和厚度。這個初始注量率積累因子這個初始注量率積累因子B B，應取輕材料的初始積累因子。，應取輕材料的初始積累因子。Riit.33三三. . 張弛長度法張弛長度法第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法中子在介質中的注量率或劑量率減弱中子在介質中的注量率或劑量率減弱e e倍的長度稱為倍的長度稱為，用用表示。若

39、屏蔽層的組成均勻，在一定的屏蔽厚度內，其張表示。若屏蔽層的組成均勻，在一定的屏蔽厚度內，其張弛長度近似為常數，因此，中子在屏蔽層內減弱可用張弛長度弛長度近似為常數，因此，中子在屏蔽層內減弱可用張弛長度的指數規律來描述：的指數規律來描述：)(4)(),(1011)(200單能中子源jiiiiErrerBESEr)(0ESBr1i.34三三. . 張弛長度法張弛長度法第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法若整個屏蔽層內的張弛長度為常數若整個屏蔽層內的張弛長度為常數，則有：，則有：/2004)(),(terBESErt t為屏蔽層的厚度（厘米）；為屏蔽層的

40、厚度（厘米）；當屏蔽層時由幾種材料的混合物組成時，混合物的張弛長度用當屏蔽層時由幾種材料的混合物組成時，混合物的張弛長度用下式計算：下式計算：niiii111密度為密度為i i的第的第i i種組成元素的張弛長度；種組成元素的張弛長度；第第i i種組成元素在屏蔽層中的密度；種組成元素在屏蔽層中的密度；ii.35三三. . 張弛長度法張弛長度法第一節第一節 快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法快中子屏蔽的分出截面法和張弛長度法對于張弛長度法的應用的對于張弛長度法的應用的說明說明：（1 1）用張弛長度法計算的中子注量率，包括了散射中子和未經）用張弛長度法計算的中子注量率，包括了散射中子和未經散射的中子

41、，其概括的能量范圍決定于張弛長度和積累因子適散射的中子，其概括的能量范圍決定于張弛長度和積累因子適用的能量范圍；用的能量范圍；（2 2）從中子在物質中的減弱曲線看，）從中子在物質中的減弱曲線看，初始積累因子初始積累因子表示表示偏離指偏離指數形式的程度數形式的程度。在。在含氫含氫的非均勻介質中，當屏蔽層厚度的非均勻介質中，當屏蔽層厚度t3t3時，減弱曲線基本上按時，減弱曲線基本上按e e-t/ -t/ 變化，變化，取取B=1B=1；若屏蔽層厚度在；若屏蔽層厚度在3 3個個平均自由程（平均自由程（t3t3）以內）以內，應考慮積累因子。在，應考慮積累因子。在非含氫非含氫介質的介質的情況下，即使在離源

42、較遠的參考點處，也應考慮積累因子。情況下，即使在離源較遠的參考點處，也應考慮積累因子。各種材料的反應堆譜或裂變中子的張馳長度有表可查。各種材料的反應堆譜或裂變中子的張馳長度有表可查。.36第二節第二節 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽一類是移動式的屏蔽容器和各種用途的輻照設備。一類是移動式的屏蔽容器和各種用途的輻照設備。安全要求安全要求，除一般運輸容器外，經常使用的中子源，經屏蔽后，除一般運輸容器外，經常使用的中子源，經屏蔽后，在工作點的計量當量率不得超過在工作點的計量當量率不得超過2.52.51010-2-2毫西弗毫西弗/ /小時，并按小時，并按國家規定取兩倍的安全系數國家規定取兩倍的安

43、全系數屏蔽材料屏蔽材料：除固定式外，通常可用飽和硼酸水溶液、含：除固定式外，通常可用飽和硼酸水溶液、含1.2%1.2%硼硼的石蠟、摻有的石蠟、摻有B B4 4C C的丁苯橡膠、聚乙烯、含氫量約為的丁苯橡膠、聚乙烯、含氫量約為1%1%的混凝土的混凝土等；具有強等；具有強本底的中子源，則應考慮兩層屏蔽，內層用鉛吸本底的中子源，則應考慮兩層屏蔽，內層用鉛吸收收射線，外層用石蠟等屏蔽中子射線，外層用石蠟等屏蔽中子同位素中子源用途甚廣，同位素中子源用途甚廣，屏蔽方式屏蔽方式一般分為兩類：一般分為兩類：一類是固定式屏蔽，此類屏蔽較為簡單一類是固定式屏蔽，此類屏蔽較為簡單 （把源直接安裝在地下，利用泥土、沙

44、石做屏蔽材料）；（把源直接安裝在地下，利用泥土、沙石做屏蔽材料）；.37第二節第二節 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽一一. . 常用同位素中子源的種類和特性常用同位素中子源的種類和特性目前常使用的是鐳目前常使用的是鐳- -鈹源和釙鈹源和釙- -鈹源，鈹源， 镅镅-鈹源亦逐步擴大應用。鈹源亦逐步擴大應用。一些中子源的特性一些中子源的特性種類種類反應類型反應類型半衰期半衰期中子最大能中子最大能量（量（MeVMeV）中子平均能中子平均能量（量（MeVMeV）中子產額中子產額( (中子中子/ /秒秒居里居里) )特特 點點 鐳鈹（，n） 1622年13.083.9 15106本底很強 破鈹（，n

45、） 138.4天10.874.23 2.5105半衰期很短，本底很低 钚鈹（，n） 24400年10.744.5 1.6106本底低 镅鈹（，n）462年10.744.5 3.2106本底很低 鈉鈹（，n） 14.8小時-0.830.13106非常大的本底，單能中子源 銻鈹（，n）60天-0.0240.19106非常大的本底，單能中子源锎252自發裂變 2.659年13.02.352.341012（每克）裂變中子譜，由自發裂變產生較強的本底.38第二節第二節 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽一一. . 常用同位素中子源的種類和特性常用同位素中子源的種類和特性目前常使用的是鐳目前常使用的是鐳

46、- -鈹源和釙鈹源和釙- -鈹源。鈹源。鐳鐳-鈹源的缺點是鈹源的缺點是本底強，而且產生放射性氡氣。故防護時，本底強，而且產生放射性氡氣。故防護時，除重點考慮除重點考慮射線的屏蔽外，還要注意防止氡氣漏出產生內照射射線的屏蔽外，還要注意防止氡氣漏出產生內照射的危害。的危害。釙釙-鈹源基本上是純中子源，當源的活度小時，對釙鈹源基本上是純中子源，當源的活度小時，對釙-鈹源主要鈹源主要考慮中子屏蔽。考慮中子屏蔽。理想的同位素中子源：不產生有害氣體、壽命長、產額高、比理想的同位素中子源：不產生有害氣體、壽命長、產額高、比放（單位體積的中子產額）大。放（單位體積的中子產額）大。.39第二節第二節 同位素中子

47、源的屏蔽同位素中子源的屏蔽二二. . 同位素中子源的屏蔽計算同位素中子源的屏蔽計算另一種方法是各種核反應中子源，他們發射的中子對氫的平均另一種方法是各種核反應中子源，他們發射的中子對氫的平均微分分出截面近似取微分分出截面近似取R R=1=1靶，然后用下式估算：靶，然后用下式估算：1. 1. 分出截面法分出截面法除作為工程設計而需要精確計算外，一般可采用較為簡單的經除作為工程設計而需要精確計算外，一般可采用較為簡單的經驗公式或近似方法計算：一種方法是知道源在某屏蔽材料中的驗公式或近似方法計算：一種方法是知道源在某屏蔽材料中的宏觀分出截面宏觀分出截面 可直接用下式計算：可直接用下式計算：RfSRH

48、274103 . 1miRiiAiARMNDHeRfRSRD1)(4)(2.40第二節第二節 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽二二. . 同位素中子源的屏蔽計算同位素中子源的屏蔽計算1. 1. 分出截面法分出截面法fSRH274103 . 1HSRf7103 . 1.41第二節第二節 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽二二. . 同位素中子源的屏蔽計算同位素中子源的屏蔽計算1. 1. 分出截面法分出截面法一些常用屏蔽材料的中子減弱因子一些常用屏蔽材料的中子減弱因子材材 料料f f水水0.892e0.892e-0.129t-0.129t+0.108e+0.108e-0.091t-0.091

49、t混凝土混凝土e e-0.083t-0.083t鋼鋼e e-0.063t-0.063t鉛鉛e e-0.042t-0.042tt t為屏蔽層厚度（厘米）為屏蔽層厚度（厘米）.42第二節第二節 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽二二. . 同位素中子源的屏蔽計算同位素中子源的屏蔽計算1. 1. 分出截面法分出截面法在進行屏蔽估算時，如果屏蔽材料中氫原子數的含量占在進行屏蔽估算時，如果屏蔽材料中氫原子數的含量占40%40%以上，則該以上，則該屏蔽材料的減弱因子，為在水中的減弱因子屏蔽材料的減弱因子，為在水中的減弱因子f f的的e e指數上乘以此材料每指數上乘以此材料每體積中所含的氫原子數與每單位體

50、積水中所含原子數之比。體積中所含的氫原子數與每單位體積水中所含原子數之比。一些屏蔽材料中的含氫量一些屏蔽材料中的含氫量材料材料化學組成化學組成含氫原子數（原子含氫原子數（原子/厘米厘米3）水水H2O 6.71022石石 蠟蠟(CH2)n8.151022聚聚 乙乙 烯烯(CH2CH2)n 8.31022聚氯乙烯聚氯乙烯(CH2CHCl)n 4.11022有機玻璃有機玻璃(C4H8O2)n 5.71022石石 膏膏CaSO42H2O3.251022高高 嶺嶺 土土Al2O32SiO22H2O2.421022.43第二節第二節 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽二二. . 同位素中子源的屏蔽計算同

51、位素中子源的屏蔽計算1. 1. 分出截面法分出截面法【例題例題】已知釙已知釙- -鈹源的中子發射率為鈹源的中子發射率為3.533.5310107 7中子中子/ /秒，如用秒，如用石蠟屏蔽后，離源石蠟屏蔽后，離源0.50.5米處的中子注量率米處的中子注量率=9=910104 4中子中子/ /米米2 2 ?秒。求石蠟屏蔽層的厚度？秒。求石蠟屏蔽層的厚度？解：已知條件如下：解：已知條件如下：nE需要的公式有：需要的公式有：tHctEEEB001RtEeRBSEr)(20004),(靶66. 197.100EH.44第二節第二節 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽二二. . 同位素中子源的屏蔽計算同

52、位素中子源的屏蔽計算1. 1. 分出截面法分出截面法【例題例題】將中子發射率為發射率為將中子發射率為發射率為5 510107 7中子中子/ /秒的镅秒的镅- -鈹源，鈹源，裝入壁厚為裝入壁厚為0.250.25米厚的聚乙烯屏蔽容器中。求離源米厚的聚乙烯屏蔽容器中。求離源0.30.3米處的計米處的計量當量率？量當量率？解：求離源解：求離源0.30.3米處的計量當量率，根據劑量當量率公式：米處的計量當量率，根據劑量當量率公式：（1 1）S=5S=510107 7中子中子/ /秒秒; ;（2 2）R=0.3R=0.3米；米；（3 3）聚乙烯中氫原子含量大于）聚乙烯中氫原子含量大于4040， 相對水的含

53、氫比為相對水的含氫比為(8.3(8.310102222)/(6.7)/(6.710102222) ) 1.241.24fSRH274103 . 1.45第二節第二節 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽二二. . 同位素中子源的屏蔽計算同位素中子源的屏蔽計算2. 2. 查圖法查圖法劑劑量量減減弱弱系系數數f fD D下圖給出了镅鈹源與钚鈹源在水、石蠟等屏蔽材料中的減弱曲線。下圖給出了镅鈹源與钚鈹源在水、石蠟等屏蔽材料中的減弱曲線。镅鈹源中子穿過水、聚乙烯屏蔽層時，镅鈹源中子穿過水、聚乙烯屏蔽層時，劑量減弱系數劑量減弱系數f fD D和屏蔽層厚度的關系和屏蔽層厚度的關系厚度（厘米）厚度（厘米）半

54、徑（厘米）半徑（厘米）若干含氫材料對锎若干含氫材料對锎-252-252、钚鈹及銻鈹中子源的中子劑量率減弱曲線、钚鈹及銻鈹中子源的中子劑量率減弱曲線每單位粒子注量的劑量當量率率每單位粒子注量的劑量當量率率.46解：設屏蔽后，在解：設屏蔽后，在P P點的容許劑量當量率為點的容許劑量當量率為2.52.51010-2-2毫西弗毫西弗/ /小時，小時， 劑量換算因子劑量換算因子d dH H3.953.951010-14-14西弗西弗/ /（中子（中子/ /米米2 2）;R;R0.50.5米米減弱系數：減弱系數：由由f fD Dd d曲線圖中插圖可得水的屏蔽層厚度曲線圖中插圖可得水的屏蔽層厚度d d第二節

55、第二節 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽二二. . 同位素中子源的屏蔽計算同位素中子源的屏蔽計算2. 2. 查圖法查圖法【例題例題】如圖，安裝一個中子發射率為發射率為如圖，安裝一個中子發射率為發射率為3.23.210107 7中子中子/ /秒的镅秒的镅- -鈹源，鈹源，P P點離源的距離點離源的距離R R為為0.50.5米。用查圖法求水的屏蔽米。用查圖法求水的屏蔽層厚度層厚度d d。水PRd吊繩中子源2004/RSdHHHfHDsSvdHH/.47第二節第二節 同位素中子源的屏蔽同位素中子源的屏蔽二二. . 同位素中子源的屏蔽計算同位素中子源的屏蔽計算2. 2. 查圖法查圖法【例題例題】用水屏蔽中子發射率為用水屏蔽中子發射率為3.23.210107 7中子中子/ /秒的钚秒的钚- -鈹中子鈹中子源，其他條件同上一例題，源，其他條件同上一例題，用查圖法求水的屏蔽層厚度用查圖法求水的屏蔽層厚度d。水PRd吊繩中子源解：解：R R0.50.5米；米；S S 3.2107中子中子/秒，在秒，在P點的容許劑量當量率為點的容許劑量當量率為2.510-2毫毫西弗西弗/小時則每單位中子注量的劑量當量率為：小時則每單位中子注量的劑