CN112159170A - 一种用于中能质子加速器的电离辐射屏蔽材料 - Google Patents

一种用于中能质子加速器的电离辐射屏蔽材料 Download PDF

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Abstract

一种用于中能质子加速器的电离辐射屏蔽材料，包括：含有氢元素的水、含有铁元素的赤铁矿砂和赤铁矿石、含有硼材料的硬硼钙石，以及其他混凝土成份，包括水泥、粉煤灰、其它外加剂；屏蔽材料中的氢元素用于对中能质子加速器产生的中子慢化以及吸收，铁元素占比较高的赤铁矿砂和赤铁矿石通过非弹性散射截面能够高效的降低中子能量来提高氢元素对中子的慢化与吸收效率，硼材料用于提高热中子的吸收效率，铁/氢元素质量比例为调整达到对中子的屏蔽效果最优的质量比例、硼元素/重混凝土的质量比例达为到对热中子的吸收效率最优的质量比例。本发明实现了含硼赤铁矿重混凝土的厚度由普通混凝土的60cm下降到50cm，以及在大厚度屏蔽条件下的有效衰减。

Description

一种用于中能质子加速器的电离辐射屏蔽材料
技术领域
本发明涉及回旋加速器技术领域，尤其涉及一种用于中能质子加速器的电离辐射屏蔽材料。
背景技术
目前，在中能质子回旋加速器中，加速器本体及其束流终端在运行时会产生中子及光子电离辐射。根据中国现行法规和标准要求需要对电离辐射进行防护，并降低到标准要求的剂量率限值，保证放射性工作人员及公众的安全。对于加速器的电离辐射屏蔽通常需要大厚度的普通混凝土进行防护，防护手段通常采用厚屏蔽墙等建筑结构完成。大厚度的屏蔽墙体存在施工困难、占地面积大的缺点。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于中能质子加速器的电离辐射屏蔽材料，其具有在降低加速器及其束流终端的屏蔽厚度，降低屏蔽占地面积、确保装置安全的优点。
本发明为解决其技术问题提出以下技术方案:
一种用于中能质子加速器的电离辐射屏蔽材料，该电离屏蔽材料包括以下部分：含有氢元素的水、含有铁元素占比较高的赤铁矿砂和赤铁矿石、含有硼材料的硬硼钙石，以及其他混凝土成份，包括水泥、粉煤灰、其它外加剂；所述屏蔽材料中的氢元素用于对中能质子加速器产生的中子慢化以及吸收，所述铁元素占比较高的赤铁矿砂和赤铁矿石通过非弹性散射截面能够高效的降低中子能量来提高氢元素对中子的慢化与吸收效率，所述硼材料用于提高热中子的吸收效率，其特征在于：铁/氢元素质量比例为调整达到对中子的屏蔽效果最优的质量比例、硼元素/重混凝土的质量比例达为到对热中子的吸收效率最优的质量比例。
每立方米重混凝土的比例，其中，水泥为304公斤、水泥中含氢量为76公斤；赤铁矿砂为1170公斤、赤铁矿砂中铁含量为559公斤；赤铁矿石为1162公斤、赤铁矿石中铁含量为762.3公斤；水为172.7公斤，水中的氢含量为11.2公斤；硬硼钙石为40公斤、硬硼钙石中硼含量为6.6公斤、氢含量为0.024公斤；其它外加剂为3.42公斤；其特征在于：铁/氢元素质量比例为78：1，硼元素/重混凝土的元素质量比例为0.2％；所述铁/氢元素质量比例即为：赤铁矿砂铁和赤铁矿石中铁元素含量与水、水泥及硬硼钙石中的氢元素含量的质量比例；所述硼元素/重混凝土的元素质量比例即为硬硼钙石中硼元素与重混凝土的容重3.3t/m3的质量比例。
所述水泥采用水化热低的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥；所述水采用自来水；所述赤铁矿砂用于所述屏蔽材料中的细骨料，其表观密度≥4.2g/cm3，II区级配，含泥量<0.1％；所述赤铁矿石用于所述屏蔽材料中的粗骨料、其表观密度≥4.2g/cm3，选用的骨料粒径5mm-25mm连续级配，含泥量<1.5％；所述粉煤灰为Ⅰ级；所述其它外加剂中硬硼钙石硼含量>0.165％；混凝土搅拌时间应控制在1.5min-2min，搅拌时间自外加剂加入时间开始计算；重混凝土从搅拌机出料到入模的间隔时间控制不超过90min；完成浇筑并养护后的重混凝土容重为3.3t/m3。
本发明的优点效果
本发明通过对铁/氢元素质量比例达到对中子的屏蔽效果最优的质量比例、对硼元素/重混凝土容重的质量比例达到对热中子的吸收效率最优的质量比例，实现了含硼赤铁矿重混凝土的1/10减弱层的厚度由普通混凝土的1/10减弱层的厚度为60cm下降到50cm，并且实现了含硼赤铁矿重混凝土在大厚度屏蔽条件下的有效衰减。
附图说明
图1为本发明提供的含硼赤铁矿重混凝土对中能质子束产生的辐射场的衰减曲线与普通混凝土和土壤的衰减曲线比对；
图中：分别给出了不同材料对中能质子产生的中子和光子辐射场的衰减效果。其中HC_n为中子在含硼赤铁矿重混凝土中的衰减；OC_n为中子在普通混凝土中的衰减；Soil_n为中子在土壤中的衰减；三种材料里含硼赤铁矿重混凝土对中子的衰减效果最优；另外HC_ph为光子在含硼赤铁矿重混凝土中的衰减；OC_ph为光子在普通混凝土中的衰减；Soil_ph为光子在土壤中的衰减。三种材料里含硼赤铁矿重混凝土对光子的屏蔽效果最优。
具体实施方式
以下对本发明提供的用于含硼赤铁矿重混凝土做进一步详细说明。
发明原理
1、中子电离辐射的特殊性：中子电离辐射防护是非常难的，因为中子不带电、很难和其他物质发生反应，所以，如果要提高它的屏蔽效果就是增加屏蔽材料的厚度，但普通混凝土不能无限增加厚度，因为事实上条件不允许，所以要想办法把厚度降下来，目前在已经试验过的所有非标混凝土屏蔽材料材料里面，本发明的屏蔽材料效果是最好的。
2、本发明要解决中能质子回旋加速器运行时产生的中子及光子电离辐射问题，中能质子加速器产生的辐射场在满足中子屏蔽要求的前提下认为同样满足光子的屏蔽要求。
3、中子是决定屏蔽厚度的主要电离辐射。针对中子的防护除需要有足够的氢元素进行作为中子慢化以及吸收材料以外还需要一定比例的重元素。重元素(铁)较高的非弹性散射截面能够高效的降低中子能量来提高氢元素对中子的慢化与吸收效率。并且通过对铁/氢元素质量比例的调整达到对中子的屏蔽效果达到最优。
4、屏蔽材料中还添加了含硼材料用于提高热中子的吸收效率，硼元素的质量占比达到2％时对对热中子的吸收效率达到最优。含硼赤铁矿重混凝土的骨料选用赤铁矿，水泥采用普通硅酸盐水泥，含硼材料的选择采用了成本较为低廉的硬硼钙石(B含量0.165％)。
根据以上发明原理，本发明设计了一种用于中能质子加速器的电离辐射屏蔽材料。
一种用于中能质子加速器的电离辐射屏蔽材料，该电离屏蔽材料包括以下部分：含有氢元素的水、含有重元素占比较高的赤铁矿砂和赤铁矿石、含有硼材料的硬硼钙石、水泥、粉煤灰、其它外加剂、以及含硼材料，所述氢元素用于进行中能质子加速器中的中子慢化以及吸收的中子的辐射，所述重元素占比较高的赤铁矿砂和赤铁矿石的非弹性散射截面能够高效的降低中子能量来提高氢元素对中子的慢化与吸收效率，所述含硼材料用于提高热中子的吸收效率，其特征在于：铁/氢元素质量比例为调整达到对中子的屏蔽效果最优的质量比例、硼元素/重混凝土的质量占比达到对热中子的吸收效率最优的质量占比。
每立方米重混凝土的比例，其中，水泥为304公斤、水泥中含氧量为76公斤；赤铁矿砂为1170公斤、赤铁矿砂中铁含氧量为559公斤；赤铁矿石为1162公斤、赤铁矿石中铁含量为762.3公斤，水为172.7公斤，水中的氢含量为11.2公斤；硬硼钙石为40公斤、硬硼钙石中硼含量为6.6公斤、氢含量为0.024公斤；其它外加剂为3.42公斤；其特征在于：铁/氢元素质量占比为78：1，硼元素/重混凝土的元素质量占比为0.2％；所述铁/氢元素质量比例即为：赤铁矿砂铁和赤铁矿石中铁元素含量与水中氢元素含量的质量比例；所述硼元素/重混凝土的元素质量占比即为硬硼钙石中硼元素与完成浇筑并养护后的重混凝土容重3.3t/m3的质量比例。
所述水泥采用水化热低的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥；所述水采用自来水；所述赤铁矿砂用于所述屏蔽材料中的细骨料，其表观密度≥4.2g/cm3，II区级配，含泥量<0.1％；所述赤铁矿石用于所述屏蔽材料中的粗骨料、其表观密度≥4.2g/cm3，选用的骨料粒径5mm-25mm连续级配，含泥量<1.5％；所述粉煤灰为Ⅰ级；所述其它外加剂中硬硼钙石的硼含量>0.165％；混凝土搅拌时间应控制在1.5min-2min，搅拌时间自外加剂加入时间开始计算；重混凝土从搅拌机出料到入模的间隔时间控制不超过90min；完成浇筑并养护后的重混凝土容重为3.3t/m3。
实施例一
本发明披露了含硼赤铁矿重混凝土配比如表1所示，包括含铁材料、含氢材料及含硼材料。屏蔽效果如图1所示：本发明的含硼赤铁矿重混凝土的对中能质子(10MeV-1GeV)产生的中子场的屏蔽效果优于普通混凝土的屏蔽效果。本发明的含硼赤铁矿重混凝土的屏蔽能力表现为：对于典型的中能质子(100MeV)轰击金属(Al)厚靶产生的中子场，含硼赤铁矿重混凝土的1/10减弱层的厚度为50cm，普通混凝土的1/10减弱层的厚度为60cm。含硼赤铁矿重混凝土在大厚度屏蔽条件下的衰减曲线见图1。
表1每立方米重混凝土的配比(单位千克)
Figure BDA0002690300280000051
*硬硼钙石使用量固定
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于中能质子加速器的电离辐射屏蔽材料，该电离屏蔽材料包括以下部分：含有氢元素的水、含有铁元素占比较高的赤铁矿砂和赤铁矿石、含有硼材料的硬硼钙石，以及其他混凝土成份，包括水泥、粉煤灰、其它外加剂；所述屏蔽材料中的氢元素用于对中能质子加速器产生的中子慢化以及吸收，所述铁元素占比较高的赤铁矿砂和赤铁矿石通过非弹性散射截面能够高效的降低中子能量来提高氢元素对中子的慢化与吸收效率，所述硼材料用于提高热中子的吸收效率，其特征在于：铁/氢元素质量比例为调整达到对中子的屏蔽效果最优的质量比例、硼元素/重混凝土的质量比例达为到对热中子的吸收效率最优的质量比例。
2.根据权利要求1所述一种用于中能质子加速器的电离辐射屏蔽材料，每立方米重混凝土的比例，其中，水泥为304公斤、水泥中含氢量为76公斤；赤铁矿砂为1170公斤、赤铁矿砂中铁含量为559公斤；赤铁矿石为1162公斤、赤铁矿石中铁含量为762.3公斤；水为172.7公斤，水中的氢含量为11.2公斤；硬硼钙石为40公斤、硬硼钙石中硼含量为6.6公斤、氢含量为0.024公斤；其它外加剂为3.42公斤；其特征在于：铁/氢元素质量比例为78：1，硼元素/重混凝土的元素质量比例为0.2％；所述铁/氢元素质量比例即为：赤铁矿砂铁和赤铁矿石中铁元素含量与水、水泥及硬硼钙石中的氢元素含量的质量比例；所述硼元素/重混凝土的元素质量比例即为硬硼钙石中硼元素与重混凝土的容重3.3t/m3的质量比例。
3.根据权利要求1所述一种用于中能质子加速器的电离辐射屏蔽材料，其特征在于：所述水泥采用水化热低的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥；所述水采用自来水；所述赤铁矿砂用于所述屏蔽材料中的细骨料，其表观密度≥4.2g/cm3，II区级配，含泥量<0.1％；所述赤铁矿石用于所述屏蔽材料中的粗骨料、其表观密度≥4.2g/cm3，选用的骨料粒径5mm-25mm连续级配，含泥量<1.5％；所述粉煤灰为Ⅰ级；所述其它外加剂中硬硼钙石硼含量>0.165％；混凝土搅拌时间应控制在1.5min-2min，搅拌时间自外加剂加入时间开始计算；重混凝土从搅拌机出料到入模的间隔时间控制不超过90min；完成浇筑并养护后的重混凝土容重为3.3t/m3。
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