基于硅酸鹽釓摻雜的緊湊熱中子準(zhǔn)直器仿真模擬及性能研究

李 達(dá)，劉永德，楊麗芳，郭 靚，劉立坤，周志波

(1.國家核安保技術(shù)中心，北京 102401；2.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

近年來，國內(nèi)外高度關(guān)注核安保工作。國際社會(huì)自2010年以來，先后召開了4屆全球核安保峰會(huì)，均聚焦核材料安全、防核擴(kuò)散、防核恐怖行為等問題[1]。我國創(chuàng)建核工業(yè)60多年來，對(duì)核及放射性材料一直實(shí)施嚴(yán)格管控，保持著良好的核安保記錄。伴隨著我國核事業(yè)快速發(fā)展，核設(shè)施建設(shè)不斷增加，核材料及放射源數(shù)量不斷增多，核安保風(fēng)險(xiǎn)日益增大。打擊非法販賣和盜竊核材料，加強(qiáng)國境口岸和大型公眾活動(dòng)等核安保技術(shù)手段已尤為重要?；谥凶优c特殊核材料，如鈾和钚，發(fā)生核反應(yīng)，對(duì)裂變中子進(jìn)行成像，已逐漸成為一種有效應(yīng)對(duì)被屏蔽核材料非法轉(zhuǎn)運(yùn)的檢測手段[2-5]，其中，基于熱中子的檢測和成像技術(shù)[3-5]，由于熱中子與特殊核材料較大的反應(yīng)截面，具備檢測下限低的特點(diǎn)和優(yōu)勢，在核材料非法轉(zhuǎn)運(yùn)檢測方面具有重要應(yīng)用。為提高該檢測和成像系統(tǒng)的熱中子通量和空間分辨，需對(duì)慢化后的熱中子進(jìn)行準(zhǔn)

直。本文提出一種基于含釓(Gd)玻璃纖維面板結(jié)構(gòu)的新型中子準(zhǔn)直器，并利用蒙特卡羅方法對(duì)其進(jìn)行仿真模擬，以深入理解其性能和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 新型中子準(zhǔn)直器研發(fā)

1.1 核材料與熱中子的反應(yīng)

鈾、钚易裂變材料吸收1個(gè)中子后，復(fù)合核處于激發(fā)態(tài)，發(fā)生退激，通過放出γ射線(輻射俘獲)或裂變?yōu)閮蓚€(gè)獨(dú)立原子核放出中子的方式回到穩(wěn)定態(tài)。對(duì)其放出的中子總數(shù)、雙重中子數(shù)和三重中子數(shù)進(jìn)行成像，可評(píng)估被遮蓋容器內(nèi)核材料的分布、質(zhì)量等物理性質(zhì)。表1列出了鈾、钚3種易裂變核素的一些核常數(shù)(其中，1 b=10-28m2)。

表1 3種易裂變核素的核常數(shù)[6]Table 1 Nuclear constant of three fissile nuclides[6]

根據(jù)表1所列的鈾、钚核材料與中子的反應(yīng)截面，使用熱中子作為鈾、钚核材料成像的誘發(fā)源，成像效果最好。

傳統(tǒng)熱中子成像技術(shù)大多依托反應(yīng)堆中子源[7-8]，但由于反應(yīng)堆中子源建造成本高，實(shí)驗(yàn)資源有限[9]，限制了該項(xiàng)技術(shù)的快速發(fā)展。近年來，加速器中子源技術(shù)逐漸成熟，通過慢化加速器產(chǎn)生的快中子可獲得品質(zhì)良好的熱中子，因此，基于加速器中子源的熱中子成像技術(shù)發(fā)展迅速[3-5,10-11]，已逐漸成為當(dāng)前熱中子成像的主流技術(shù)。

1.2 中子管

中子管為一種便攜式中子射線裝置，只在開機(jī)時(shí)產(chǎn)生中子，因此，用其作為被遮蔽核材料成像的放射源，核輻射風(fēng)險(xiǎn)小，且便于核材料中子成像系統(tǒng)的移動(dòng)使用。使用中子管作為中子源，對(duì)隱蔽核材料進(jìn)行成像具有很高的實(shí)用性。商用中子管的一般特征為中子能量14 MeV，中子產(chǎn)額107～109，束斑<20 mm[12]，壽命4 000 h。

為達(dá)到較好的裂變材料成像效率，一般需將中子管產(chǎn)生的14 MeV快中子慢化至0.025 eV熱中子水平。慢化后的中子準(zhǔn)直比差，直接影響中子成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量。為得到高分辨圖像，需使用準(zhǔn)直器對(duì)慢化后的熱中子進(jìn)行準(zhǔn)直。

1.3 硅酸鹽釓摻雜狹縫型中子準(zhǔn)直器

準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)直接影響中子束的特性參數(shù)，進(jìn)而影響成像質(zhì)量。準(zhǔn)直器有很多種，如圓管型、多束圓管型、多束平板型和發(fā)散型[13]。在過去幾十年中，Soller狹縫型的中子準(zhǔn)直器被廣泛應(yīng)用于散射中子的準(zhǔn)直[14]。這類準(zhǔn)直器的基本思想是將高中子吸收系數(shù)的材料與高中子透射系數(shù)的材料通過一定的工藝制成一系列的狹縫或陣列。影響該準(zhǔn)直器性能的主要參數(shù)是高中子吸收材料的吸收率、高中子透射材料的透射率、透射中子的準(zhǔn)直性。當(dāng)高吸收材料和高透射材料固定后，透射材料的長寬比和吸收材料與透射材料的面積比、分布結(jié)構(gòu)是直接影響準(zhǔn)直器性能的因素。該類準(zhǔn)直器的當(dāng)前趨勢之一是引入高精度的緊湊結(jié)構(gòu)，如硅晶片。

基于此，通過北方夜視公司開發(fā)了一種基于硅酸鹽釓摻雜的緊湊纖維面板結(jié)構(gòu)，用于熱中子準(zhǔn)直。該結(jié)構(gòu)的主體由1組皮玻璃與芯玻璃材料不同的纖維玻璃陣列構(gòu)成，是微通板生產(chǎn)過程中的中間產(chǎn)品，生產(chǎn)成本低。該纖維面板是由芯玻璃和皮玻璃拉制而成。芯玻璃的主要成分是SiO2、B2O3、La2O3等，皮玻璃的主要成分是SiO2、B2O3、Na2O、Cs2O、BaO、Gd2O3、Bi2O3、Al2O3、TiO2。其中，芯玻璃構(gòu)成材料對(duì)于熱中子的吸收截面較小，可作為熱中子準(zhǔn)直器的透射層；而皮玻璃中含有Gd核素，其對(duì)于熱中子的吸收截面很大，作為準(zhǔn)直器吸收層。具體幾何尺寸列于表2。

表2 準(zhǔn)直器物理參數(shù)Table 2 Parameter of collimator

該準(zhǔn)直器主要通過皮玻璃中的Gd核素吸收不滿足準(zhǔn)直比的中子。Gd核素與中子發(fā)生的核反應(yīng)如下：

157Gd+n→158Gd+γ+7.94 MeV

155Gd+n→156Gd+γ+8.54 MeV

2 準(zhǔn)直器模擬仿真

使用Geant4程序構(gòu)建熱中子源模型、中子準(zhǔn)直器物理模型及計(jì)數(shù)模型，對(duì)該準(zhǔn)直器的透射率、均勻性等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 熱中子源模型

構(gòu)建0.4 mm×0.4 mm的平面中子源，出射中子能量設(shè)置為0.025 eV。為提高計(jì)算效率，縮短計(jì)算時(shí)間，對(duì)中子源發(fā)射的中子進(jìn)行偏倚抽樣。設(shè)置中子源與準(zhǔn)直器相距24 cm，則發(fā)射中子在0～actan 0.001 7角度范圍內(nèi)均勻分布，保證中子發(fā)射角度覆蓋準(zhǔn)直器前表面，如圖1所示。

圖1 中子源與準(zhǔn)直器位置Fig.1 Positions of neutron source and collimator

2.2 準(zhǔn)直器建模

準(zhǔn)直器為重復(fù)結(jié)構(gòu)，為減少計(jì)算時(shí)間，取長1.2 mm、寬1.2 mm、厚1.2 mm的結(jié)構(gòu)單元作為準(zhǔn)直器的幾何模型。該結(jié)構(gòu)單元包含直徑為10 μm的芯玻璃組10 000個(gè)(100×100)。芯玻璃間充滿皮玻璃材料。計(jì)算用幾何模型如圖2所示。

圖2 模擬計(jì)算的準(zhǔn)直器幾何模型的縱向截面(a)和橫截面(b)Fig.2 Longitudinal section (a) and cross section (b) of collimator geometric model

由于計(jì)算模型中體元較多，計(jì)算速度慢。為優(yōu)化計(jì)算，提高計(jì)算效率，基于Geant4程序中計(jì)算粒子徑跡與幾何體是否相交的分級(jí)計(jì)算過程，設(shè)計(jì)多層嵌套結(jié)構(gòu)(圖3)，減少判斷次數(shù)，在計(jì)算10 000個(gè)粒子數(shù)時(shí)，速度提升20倍。

在準(zhǔn)直器前、后端設(shè)置面探測器，以便得到粒子空間分布與計(jì)數(shù)的相關(guān)信息。在準(zhǔn)直器前、后端設(shè)置真空探測器單元作為計(jì)數(shù)區(qū)，以便記錄中子的位置、方向等信息。

圖3 多層嵌套建模示意圖Fig.3 Grading function of Geant4

2.3 計(jì)算結(jié)果

基于建立的模型，計(jì)算該準(zhǔn)直器皮/芯玻璃材料對(duì)中子的吸收與透射、準(zhǔn)直器的總透射率以及準(zhǔn)直器對(duì)中子均勻性的影響。

1) 皮/芯玻璃材料對(duì)中子的吸收與透射

圖4a為未經(jīng)準(zhǔn)直器的中子分布，橫坐標(biāo)為距準(zhǔn)直器模型圓心的距離，縱坐標(biāo)為中子計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)呈連續(xù)分布，中心0.0 mm處中子計(jì)數(shù)為

1.8×104。圖4b為經(jīng)準(zhǔn)直器后的中子分布，呈離散分布，離散點(diǎn)均為皮玻璃材質(zhì)，中心0.0 mm處中子計(jì)數(shù)為7.0×103。從圖4b可看出，經(jīng)準(zhǔn)直器后，皮玻璃處的中子計(jì)數(shù)基本被降為0，這是由于皮玻璃將散射中子基本完全吸收，準(zhǔn)直器中心處的中子計(jì)數(shù)降至無準(zhǔn)直器時(shí)的38.89%。

2) 準(zhǔn)直器透射率

圖5a、b分別為芯玻璃心間距12 μm時(shí)準(zhǔn)直器前和準(zhǔn)直器后的中子計(jì)數(shù)二維空間分布。由圖5可知，無準(zhǔn)直器時(shí)，中子計(jì)數(shù)為9 999 999，加入芯玻璃間距為12 μm的準(zhǔn)直器后，中子計(jì)數(shù)降為2 419 812，中子總透射率為24.20%。為評(píng)估芯玻璃心間距對(duì)準(zhǔn)直器透射率的影響，分別計(jì)算了間距14、16 μm的中子計(jì)數(shù)，結(jié)果列于表3。

由表3可知，隨著芯玻璃心間距的增大，準(zhǔn)直器的中子透射率逐漸降低。分析出現(xiàn)這種情況的原因是芯玻璃間隙填充了含Gd的皮玻璃材料。隨著皮玻璃材料的增加，Gd核素的含量增加，中子透射率降低。實(shí)際應(yīng)用中可通過調(diào)節(jié)芯玻璃心間距來優(yōu)化準(zhǔn)直器性能。

圖4 準(zhǔn)直前(a)和準(zhǔn)直后(b)中子分布Fig.4 Neutron distribution at front (a) and behind (b) of collimator

圖5 準(zhǔn)直前(a)和準(zhǔn)直后(b)的中子計(jì)數(shù)Fig.5 Neutron counts at front (a) and behind (b) of collimator

表3 不同芯玻璃心間距對(duì)準(zhǔn)直器透射率的影響Table 3 Effect of different distances of core glass on transmittance

3) 中子均勻性

為評(píng)估經(jīng)過該準(zhǔn)直器中子分布的均勻性，將準(zhǔn)直前后中子矩形平面源區(qū)域(0.4 mm×0.4 mm)分為100×100的計(jì)數(shù)區(qū)間，模擬計(jì)算每個(gè)計(jì)數(shù)區(qū)間的中子數(shù)，用顏色深淺表征計(jì)數(shù)區(qū)間的中子計(jì)數(shù)，得到圖6。經(jīng)計(jì)算可知，經(jīng)該準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后，中子分布方差由6.51×107降為3.72×105，中子均勻度提高175倍。使用經(jīng)該準(zhǔn)直器準(zhǔn)直的中子源進(jìn)行成像，成像均勻性會(huì)得到較大提高。

圖6 準(zhǔn)直前(a)和準(zhǔn)直后(b)中子源區(qū)域計(jì)數(shù)分布Fig.6 Neutron uniformity at front (a) and behind (b) of collimator

3 結(jié)論與建議

通過對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)的分析，得出以下結(jié)論。

1) 芯玻璃直徑固定為10 μm、芯玻璃心間距為12、14、16 μm時(shí)，沿中子入射方向的中子透過率分別為24.20%、17.13%、12.62%。分析準(zhǔn)直器中子透過率較低的原因可能有兩個(gè)：一是皮玻璃材料中Gd含量較高；二是準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)的芯玻璃孔隙較小。

2) 當(dāng)成像中子源固定時(shí)，可通過優(yōu)化芯玻璃心間距改變中子的透過率，進(jìn)而達(dá)到調(diào)整中子通量的目的，從而滿足成像對(duì)比度和曝光時(shí)間的要求。鑒于皮玻璃材料較高的中子吸收率，該類準(zhǔn)直器更適宜用于高中子通量成像。當(dāng)中子源中子通量較低時(shí)，可考慮加長曝光時(shí)間保證成像質(zhì)量。

3) 從出射中子角度的方差變化量可知，經(jīng)過準(zhǔn)直器的中子源，其離散程度減小至原中子的1/175，均勻性顯著提高，成像均勻性可得到較大提升。