發(fā)布時(shí)間：2020-07-13 11:37

【摘要】：中子散射技術(shù)是研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有力工具。作為中國散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)一期項(xiàng)目要建造的中子科學(xué)譜儀之一,小角散射譜儀(Small Angle Neutron Scattering, SANS)將成為我國發(fā)展應(yīng)用中子散射技術(shù)的強(qiáng)大平臺。輻射防護(hù)系統(tǒng)是譜儀建造中的重要內(nèi)容,其設(shè)計(jì)與優(yōu)化不但關(guān)系到人員在各種工況下的輻射安全,還直接影響著整個(gè)工程項(xiàng)目的基建進(jìn)度。對結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體系龐大的裝置進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì),通常要依賴蒙特卡羅模擬方法,而其中最為關(guān)鍵的問題是如何避免粒子深滲透計(jì)算時(shí)產(chǎn)生過大的計(jì)算誤差。本文通過有針對性地使用減方差技術(shù)建立了高效、可靠的屏蔽計(jì)算方法,完成了中國散裂中子源小角散射譜儀的屏蔽計(jì)算與優(yōu)化工作,提出的屏蔽設(shè)計(jì)方案目前已應(yīng)用于譜儀建造工程中。 本文計(jì)算選擇使用了開源的粒子輸運(yùn)蒙特卡羅模擬程序FLUKA。首先針對一般屏蔽計(jì)算要涉及到的基本問題,進(jìn)行了一系列FLUKA與MCNPX的交叉檢驗(yàn)計(jì)算：1)對FLUKA程序在鐵和混凝土等常用屏蔽材料中的輻射輸運(yùn)計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證。2)計(jì)算了一維模型的粒子深滲透問題并與相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了對比驗(yàn)證,從而熟悉并掌握了FLUKA減方差技術(shù)的應(yīng)用方法及用戶程序的編寫。3)通過模擬質(zhì)子打靶驗(yàn)證了活化計(jì)算。以上述驗(yàn)證計(jì)算為基礎(chǔ),結(jié)合CSNS小角散射譜儀自身結(jié)構(gòu)和束流線源項(xiàng)的特點(diǎn),建立了一套高效的屏蔽計(jì)算方法。該方法綜合應(yīng)用了源偏置、幾何重要性和幾何截?cái)嗟葴p方差技術(shù),其可靠性也通過交叉檢驗(yàn)計(jì)算得到了驗(yàn)證。 CSNS小角散射譜儀的屏蔽計(jì)算內(nèi)容包括中子束流線傳輸段、T0斬波器和BEAM STOP:1)在T0斬波器開啟和關(guān)閉等極端束流損失條件下,分別計(jì)算了輻射劑量分布；對比計(jì)算結(jié)果,并考慮最保守情況確定了小角散射譜儀束流線傳輸段的屏蔽設(shè)計(jì)參數(shù)；計(jì)算了使用不同屏蔽設(shè)置時(shí)的劑量衰減曲線,優(yōu)化了屏蔽體的總厚度；根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的具體要求,對樣品室頂部屏蔽體的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化,減少了總厚度和重量。2)計(jì)算了T0斬波器阻擋塊的合理尺寸,使其在充分降低中子本底的同時(shí)有較短的上升下降時(shí)間。另外,通過計(jì)算放射性活度及剩余劑量為TO阻擋塊的材料選擇和維護(hù)操作時(shí)的輻射安全問題提供了參考數(shù)據(jù)。3)提出了BEAM-STOP的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。劑量分布和中子通量的計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)前設(shè)計(jì)方案滿足輻射安全劑量限值的要求,并能有效降低背散射至散射室的中子本底。
【學(xué)位授予單位】：南開大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：O571.5
【圖文】：

在熱中子能量范圍，可以通過鎘、硼等吸收截面較大的材料進(jìn)行有效的屏蔽。圖2.1.2.3對比了鎘和硼的反應(yīng)截面，前者能更好地吸收熱中子，而后者對能量在O.leV到lOeV的超熱中子更有效。另外鎘俘獲熱中子放出的y能量很高，所以需要額外的一層高密度材料屏蔽Y射線。高能中子的吸收截面非常小，因此更難對其進(jìn)行屏蔽。一般地，先要通過非彈性散射或彈性散射將高能中子慢化，然后再將慢化的中子吸收，最后再屏蔽非彈性散射和吸收反應(yīng)放出的Y射線。有效的屏蔽體通常是多層結(jié)構(gòu)的混合材料：高質(zhì)子數(shù)的材料（鐵，鶴等）進(jìn)行非彈性及彈性散射，稱為預(yù)慢化層；富含輕元素的材料（聚乙稀，硼等）進(jìn)行慢化和吸收

圖4.2.3 CSNS小角散射譜儀聚焦準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)小角散射譜儀使用的斬波器有TO斬波器和帶寬斬波器。TO斬波器主要用于降低散裂中子源每個(gè)脈沖周期的零時(shí)刻發(fā)出的快中子和Y射線本底，即通過其內(nèi)部轉(zhuǎn)動的阻擋塊屏蔽束流中的快中子（圖4.2,4)。散裂中子源的脈沖中子束有時(shí)間展寬特性，阻擋塊的轉(zhuǎn)動周期應(yīng)與散裂源的脈沖周期相同。為減少脈沖束流快中子的時(shí)間展寬，在考慮周圍部件結(jié)構(gòu)的情況下，TO斬波器應(yīng)盡量設(shè)置在距慢化器較近的地方。阻擋塊的尺寸通常需要用蒙特卡羅方法計(jì)算確定，其材料的選擇也要依據(jù)相應(yīng)的活化計(jì)算。帶寬斬波器設(shè)置在TO斬波器之后，其材料為碳化硼或氧化IL等中子吸收材料，只有在特定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)到達(dá)帶寬斬波器的中子才能通過，從而選取了特定波長范圍內(nèi)的中子。小角散射譜儀的樣品室和散射室設(shè)計(jì)如圖4.2.5所示。樣品室內(nèi)放置樣品，其空間應(yīng)容納人員進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作。散射室前端與樣品室真空隔絕，其內(nèi)47

圖4.2.3 CSNS小角散射譜儀聚焦準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)小角散射譜儀使用的斬波器有TO斬波器和帶寬斬波器。TO斬波器主要用于降低散裂中子源每個(gè)脈沖周期的零時(shí)刻發(fā)出的快中子和Y射線本底，即通過其內(nèi)部轉(zhuǎn)動的阻擋塊屏蔽束流中的快中子（圖4.2,4)。散裂中子源的脈沖中子束有時(shí)間展寬特性，阻擋塊的轉(zhuǎn)動周期應(yīng)與散裂源的脈沖周期相同。為減少脈沖束流快中子的時(shí)間展寬，在考慮周圍部件結(jié)構(gòu)的情況下，TO斬波器應(yīng)盡量設(shè)置在距慢化器較近的地方。阻擋塊的尺寸通常需要用蒙特卡羅方法計(jì)算確定，其材料的選擇也要依據(jù)相應(yīng)的活化計(jì)算。帶寬斬波器設(shè)置在TO斬波器之后，其材料為碳化硼或氧化IL等中子吸收材料，只有在特定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)到達(dá)帶寬斬波器的中子才能通過，從而選取了特定波長范圍內(nèi)的中子。小角散射譜儀的樣品室和散射室設(shè)計(jì)如圖4.2.5所示。樣品室內(nèi)放置樣品，其空間應(yīng)容納人員進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作。散射室前端與樣品室真空隔絕，其內(nèi)47

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 王芳衛(wèi),梁天驕,殷文,曹慧波,張泮霖,嚴(yán)啟偉,章綜,張杰;散裂中子源靶站和中子散射譜儀的概念設(shè)計(jì)[J];核技術(shù);2005年08期

2 ;關(guān)于加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(ADS)研發(fā)促進(jìn)我國核能可持續(xù)發(fā)展的建議[J];中國科學(xué)院院刊;2009年06期

本文編號：2753418