CN106373630B - 一种中子慢化增殖准直装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种中子慢化增殖准直装置，包括：中反射体，慢化体，准直反射体，热化增殖体等将中子放射源以4π立体角出射的快中子进行慢化、准直、热化、增殖最终以较高通量的热中子束的形式准直出射；热中子吸收体，中子屏蔽体，γ屏蔽体等将除了出射角度外的中子及中子产生的次生γ射线屏蔽；中子放射源可以是自发裂变源、(α，n)中子源或中子射线装置，一种中子慢化增殖准直装置慢化体和热化增殖体根据中子放射源的不同调整其厚度。

Description

一种中子慢化增殖准直装置
技术领域
本发明属于核技术应用领域，尤其涉及将中子放射源出射快中子经过慢化、准直、增殖形成高通量热中子束的一种中子慢化增殖准直装置。
技术背景
中子放射源主要分为自发裂变源、(α，n)中子源和中子射线装置等，所有中子源都是以4π立体角出射2-14MeV能量段的快中子。在实际中子应用场景中，经常需要使用特定能量的定向中子束，最常用的就是能量为0.0253eV的热中子束流与靶物质发生热中子俘获反应。由于中子放射源以4π立体角出射中子，经常还需要将大部分中子屏蔽只留特定角度的出射孔以防止中子对人员的辐射伤害和对仪器设备的辐射损伤。
在快中子慢化热化过程中，如果采取简单的球形或立方体形屏蔽体，到达靶物质的中子通量与中子放射源和靶物质距离的平方成反比，也就意味着屏蔽体厚度对最终的中子通量十分敏感，而对中子射线的屏蔽相较其他射线如γ射线、β射线、重带电粒子是更困难的，即使优化各种慢化体和屏蔽体的组合、结构，也需要数十厘米的慢化和屏蔽厚度，例如14MeV快中子需要经过数十厘米的屏蔽体才能慢化成热中子，因为中子放射源的4π立体角发射每增加一厘米的屏蔽体中子通量的损失都是巨大的。
发明内容
根据现有技术中的问题，提出一种中子慢化增殖准直装置，包括：反射体(102)；前慢化体(105)中间有一可拆卸的圆柱形的慢化块(106)；中子放射源(101)在反射体(102)与前慢化体(105)之间的空槽(103)内；与中子放射源(101)在同一高度并在前慢化体(105)前的长圆柱形的热化增殖体(109)；包裹住热化增殖体(109)的准直反射体(107)；准直反射体(107)和周围中子屏蔽体(108)前面的热中子吸收体(110)；在反射体(102)后面的后慢化体(104)；后慢化体(104)后面的后中子屏蔽体(112)，反射体(102)两侧的周围中子屏蔽体(108)；最前面的前γ屏蔽体(111)；装置最外层的周围γ屏蔽体(113)。
如上所述的一种中子慢化增殖准直装置，其中，反射体(102)材质为铅或铋，前端有半椭球形的空槽(103)，中子放射源放在椭球的短轴焦点上，该椭球的另一焦点应在热化增殖体(109)的横截面中心。
如上所述的一种中子慢化增殖准直装置，其中，前慢化体(105)材质为铅或铋，为长方体形，厚度小于8cm；中间有一可拆卸的圆柱形的慢化块(106)，半径与热化增殖体(109)相同，材质与前慢化体(105)相同；后慢化体(104)材质为铅，厚度为8±0.5cm。
如上所述的一种中子慢化增殖准直装置，其中，热化增殖体(109)材质为重水D2O，形状为长圆柱形，截面直径1-10cm，长度随中子放射源(101)的类型不同而不同，可拆卸。
如上所述的一种中子慢化增殖准直装置，其中，准直反射体(107)材质为石墨，截面形状内圆外方，截面边长70cm左右，长度随中子放射源(101)的类型不同而不同。
如上所述的一种中子慢化增殖准直装置，其中，周围中子屏蔽体(108)与后中子屏蔽体(112)材质为聚乙烯、水或石蜡，厚度为40±5cm。
如上所述的一种中子慢化增殖准直装置，其中，热中子吸收体(110)材质为碳化硼B4C，厚度0.5-2cm。
如上所述的一种中子慢化增殖准直装置，其中，前γ屏蔽体(111)材质为铅，厚度3±0.5cm；周围γ屏蔽体(113)材质为钢铁，厚度1cm。
根据本发明的另一个方面，提出一种中子慢化增殖准直的方法，包括：中子放射源位于反射体(102)的半椭球形的空槽(103)的椭球焦点上，中子以4π立体角发射，-x方向的2π角度中子到达反射体(102)的椭球面后，部分中子被反射，反射方向指向椭球的另一焦点，该焦点位于热化增殖体(109)的横截面中心，x方向的中子先经过前慢化体(105)能量降低至2-3MeV，进入热化增殖体(109)的杂乱中子被准直反射体(107)准直，使中子沿平行于x轴方向飞行，并被热化增殖体(109)进一步降低能量成为能量为0.0253eV的热中子,并且中子与前慢化体(105)、热化增殖体(109)发生(n，2n)反应进一步增加中子的数量。
如上所述的方法，进一步包括：对x方向非通过热化增殖体(109)的中子经准直反射体(107)慢化后被热中子吸收体(110)吸收，产生的次生γ射线被前γ屏蔽体(111)屏蔽，热中子吸收体(110)和前γ屏蔽体(111)中间有准直孔使热化增殖体(109)出射的热中子束流射出，对非x方向(-x方向，±y方向，±z方向)快中子经过反射体(102)和后慢化体(104)慢化，被周围中子屏蔽体(108)和后中子屏蔽体(112)吸收，产生的次生γ射线被周围γ屏蔽体(113)屏蔽。
如上所述的方法，进一步包括：可将圆柱形的慢化块(106)和热化增殖体(109)拆下，装置由快中子慢化增殖准直装置变为快中子准直装置，进一步拓展了应用范围。
附图说明
通过下面结合附图给出的详细说明和随附的权利要求，本公开的前述特征以及其它特征将变得更加清晰。应理解的是，这些附图仅描绘了依照本公开的多个实施例，因此，不应视为对本发明范围的限制，将通过利用附图结合附加的具体描述和细节对本公开进行说明，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的一种中子慢化增殖准直装置的侧面示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的一种中子慢化增殖准直装置的截面示意图。
技术方案
现在，详细描述本发明的实施例，其示例在附图中表示，其中，相同的标号始终表示相同的部件。以下通过参考附图描述实施例以解释本发明。
在接下来的描述中，即使在相同的附图中，相同的附图标号用于相同的部件。在说明书中定义的内容，例如详细的构造和部件只是提供用于帮助全面理解本发明。因此，很明显，无需那些定义的内容来实现本发明。此外，由于已知功能或构造将在不必要的细节上模糊本发明，因此将不对其进行详细描述。
图1是根据本发明的一个实施例的一种中子慢化增殖准直装置的侧面示意图；图2是根据本发明的一个实施例的一种中子慢化增殖准直装置的截面示意图；参考图1-图2，本发明的一种中子慢化增殖准直装置100包括：反射体(102)，即用来反射快中子，改变中子飞行方向的设计，形状为x轴正方向为有以半椭球形的空槽(103)；中子放射源(101)在反射体(102)的半椭球形的空槽(103)的焦点位置，使得中子放射源发出的中子可以通过反射体在椭球的另一个焦点聚焦；前慢化体(105)中间有一可拆卸的圆柱形的慢化块(106)，作用是与快中子发生非弹性散射反应，将快中子能量迅速降低至2-3MeV，并且中子与慢化体发生(n,2n)反应，使中子总量增加；与中子放射源(101)在同一高度并在前慢化体(105)前的长圆柱形的热化增殖体(109)，作用是与2-3MeV能量的快中子发生弹性散射反应，使快中子能量进一步降低至0.0253eV,成为热中子，并且中子与热化增殖体发生(n,2n)反应使中子总量进一步增加；包裹住热化增殖体(109)的准直反射体(107)，作用是通过热化增殖体(109)的中子向各个方向发散进入准直反射体(107)，准直反射体(107)与中子发生弹性散射，将大部分中子反弹回热化增殖体(109)，使多数中子能够在热化增殖体(109)内沿x轴正方向运动，大大提高了热化增殖体(109)横截面所在立体角的中子通量，使单位面积中子通量不再随中子放射源的距离增加而平方衰减；准直反射体(107)和周围中子屏蔽体(108)前面的热中子吸收体(110)，作用是与热中子发生中子俘获反应，吸收了x方向除了从热化增殖体(109)出射的中子外的散射中子；在反射体(102)后面的后慢化体(104)，作用是与快中子发生非弹性散射反应，慢化向x轴负方向飞行的快中子，使快中子能量降低至2-3MeV；后慢化体(104)后面的后中子屏蔽体(112)，反射体(102)两侧的周围中子屏蔽体(108)，作用是与2-3MeV的中子发生弹性散射和中子俘获反应，慢化、吸收非x方向(-x方向，±y方向，±z方向)的中子；最前面的前γ屏蔽体(111)，装置最外层的周围γ屏蔽体(113)，作用是屏蔽中子与物质相互作用产生的次生γ射线。
根据本发明的一个实施例，中子放射源(101)为D-T中子管，D-D中子管，252Cf中子源，241Am-Be中子源或226Ra-Be中子源等，优选D-T中子管。根据本发明的一个实施例，反射体(102)材质为铅或铋，优选为铅，前端有半椭球形的空槽(103)，中子放射源(101)在椭球的短轴焦点位置上，该椭球的另一焦点应在热化增殖体(109)的横截面中心。根据本发明的一个实例，前慢化体(105)材质为铅或铋，优选为铋，长方体形，厚度小于8cm；中间有一可拆卸的圆柱形的慢化块(106)，半径与热化增殖体(109)相同，材质与前慢化体(105)相同；后慢化体(104)材质为铅，厚度为8±0.5cm。根据本发明的一个实例，热化增殖体(109)材质为重水D2O，形状为长圆柱形，截面直径1-10cm，长度随中子放射源(101)的类型不同而不同，可拆卸。准直反射体(107)材质为石墨，截面形状内圆外方，截面边长70cm左右，长度随中子放射源(101)的类型不同而不同。周围中子屏蔽体(108)与后中子屏蔽体(112)材质为聚乙烯、水或石蜡，厚度为40±5cm。热中子吸收体(110)材质为碳化硼B4C，厚度0.5-2cm。前γ屏蔽体(111)材质为铅，厚度3±0.5cm；周围γ屏蔽体(113)材质为钢铁，厚度1cm。
根据本发明的一个实施例，进一步提出一种中子反射增加特定方向中子通量的方法，即中子放射源位于反射体(102)的半椭球形的空槽(103)的椭球焦点上，中子以4π立体角发射，-x方向的2π角度中子到达反射体(102)的椭球面后，部分中子被反射改变飞行方向，反射方向指向椭球的另一焦点，该焦点位于热化增殖体(109)的横截面中心，利用准直反射体(107)，将进入热化增殖体(109)的散射中子飞行到准直反射体(107)内壁后又反弹回热化增殖体(109)，增加了x轴方向热化增殖体(109)内的中子通量也起到了准直作用。
根据本发明的一个实施例，进一步提出一种中子增殖的方法，利用中子与铅、铋和重水D2O发生(n，2n)甚至(n，xn)反应，中子与这些原子核发生反应会释放出两个甚至多个中子，增加了热化增殖体(109)内的中子通量。
根据本发明的一个实施例，进一步提出一种中子慢化的方法，快中子先经过铅或铋这样的重金属，将中子能量降低至2-3MeV，再经过石墨、聚乙烯或者重水D2O将2-3MeV的中子慢化成0.0253e的热中子。
以D-T中子管作为中子放射源为例，D-T中子管插入铅质反射体(102)，中子管发生核反应产生14MeV快中子的部件位于空槽(103)半椭球形的焦点上，14MeV快中子经过铅质反射体(102)反射后进入铋质前慢化体(105)和慢化块(106)发生非弹性散射能量降低至2-3MeV,并且发生(n，2n)甚至(n，xn)反应，中子与铋原子核发生反应会释放出两个甚至多个中子，较多的中子到达椭球另一焦点，该焦点在热化增殖体(109)圆形横截面的中心，热化增殖体(109)材质为重水D2O，中子与重水D2O发生(n，2n)反应中子与氘原子核发生反应会释放出两个中子进行增殖，散射的中子飞行到石墨质的准直反射体(107)内壁后又反弹回热化增殖体(109)，最终从热化增殖体(109)出射大量热中子，部分泄漏中子经准直反射体(107)慢化被碳化硼B4C质热中子吸收体(110)吸收，次生γ射线被铅质前γ屏蔽体(111)屏蔽。其他方向上的中子经过铅或铋慢化，被聚乙烯质周围中子屏蔽体(108)或后中子屏蔽体(112)慢化吸收，产生的次生γ射线被钢质周围γ屏蔽体(113)屏蔽。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (4)

1.一种中子慢化增殖准直装置，其特征在于：反射体(102)反射中子放射源(101)出射的中子；中子放射源(101)位于反射体(102)与前慢化体(105)之间的半椭球形的空槽(103)内，前慢化体(105)，中间有一可拆卸的圆柱形的慢化块(106)，中子放射源(101)和前慢化体(105)、长圆柱形的热化增殖体(109)在同一高度，对出射中子进行慢化和增殖；包裹住热化增殖体(109)的准直反射体(107)将散射的中子聚拢准直到热化增殖体(109)内；周围中子屏蔽体(108)、热中子吸收体(110)和后中子屏蔽体(112)使中子只能从出射口出射，防止中子辐射泄漏；前γ屏蔽体(111)和装置最外层的周围γ屏蔽体(113)防止次生γ辐射泄漏。
2.如权利要求1所述的一种中子慢化增殖准直装置，其特征在于：反射体(102)材质为铅或铋，前端有半椭球形的空槽(103)，中子放射源(101)位于椭球的短轴左焦点上，该椭球的短轴右焦点应在热化增殖体(109)的横截面中心，利用椭球面反射增加特定方向中子通量。
3.如权利要求1所述的一种中子慢化增殖准直装置，其特征在于：前慢化体(105)材质为铅或铋，为长方体形，厚度小于8cm；中间有一可拆卸的圆柱形的慢化块(106)，半径与热化增殖体(109)相同，材质与前慢化体(105)相同；热化增殖体(109)材质为重水D2O，形状为长圆柱形，截面直径1-10cm，可拆卸，快中子经过前慢化体(105)、慢化块(106)能量降低至2-3MeV,经过热化增殖体(109)能量继续降低成为热中子，同时快中子与重水D2O发生(n，2n)反应增加了中子通量。
4.如权利要求1所述的一种中子慢化增殖准直装置，其特征在于：周围中子屏蔽体(108)与后中子屏蔽体(112)材质为聚乙烯、水或石蜡，厚度为40±5cm；热中子吸收体(110)材质为碳化硼B4C，厚度0.5-2cm；前γ屏蔽体(111)材质为铅，厚度3±0.5cm；周围γ屏蔽体(113)材质为钢铁，厚度1cm。
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Inventor before: Zhao Long

Inventor before: Ma Chunhui

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