王 捷，李雅男，李桃生，王永峰,*

(1.中國科學院 核能安全技術研究所，中子輸運理論與輻射安全重點實驗室，安徽 合肥 230031； 2.中國科學技術大學，安徽 合肥 230026)

快中子照相是一種優(yōu)良的無損檢測技術，與X射線、熱中子照相等具有互補性?？熘凶訂紊院谩⒋┩噶?，適合檢測較厚樣品，尤其適用于復合材料中重元素包裹的輕元素檢測，在航空航天、武器庫存、安保等領域具有廣泛的應用前景[1-4]。為此，國內(nèi)外爭相開展快中子照相研究，但由于受中子源限制，研究進展較緩慢。中國科學院核能安全技術研究所FDS鳳麟核能團隊自主設計的強流氘氚中子源科學裝置(High Intensity D-T Fusion Neutron Generator, HINEG)已成功產(chǎn)生14 MeV的中子，中子產(chǎn)額達6.4×1012s-1 [5-7]，并基于HINEG產(chǎn)生的高品質(zhì)強流14 MeV中子，研制了一套高分辨的快中子照相系統(tǒng)。

快中子照相系統(tǒng)主要由中子源、準直屏蔽系統(tǒng)和像探測系統(tǒng)3部分組成，這3部分決定了快中子照相系統(tǒng)性能參數(shù)如空間分辨率和圖像對比度等。對中子源和探測器固定的快中子照相系統(tǒng)而言，設計良好的準直屏蔽系統(tǒng)是搭建高分辨快中子照相系統(tǒng)的關鍵。準直屏蔽系統(tǒng)的主要作用是通過限制中子出射角度的分布以減少散射中子，減小散射中子對圖像信息的干擾或掩蓋，從而提高圖像分辨率；同時屏蔽伴隨產(chǎn)生的γ射線，減少γ射線對成像的干擾，提高圖像分辨率，最終將快中子準直成適合快中子照相的中子束[8-13]。為此，國內(nèi)外針對準直屏蔽系統(tǒng)開展了模擬分析及實驗研究。例如，2010年，竇海峰等[13]設計了一套基于D-T中子源的快中子照相準直屏蔽系統(tǒng)，該準直屏蔽系統(tǒng)具有很好的中子散射屏蔽效果，但未分析準直束的其他特性參數(shù)；2011年，劉洋等[10]開展了D-T快中子照相準直屏蔽體設計及中子束特性的模擬研究，分析了準直屏蔽體對中子束特性參數(shù)如中子注量均勻性、中子注量率等的影響規(guī)律，但未考慮產(chǎn)生的散射中子，且準直束中產(chǎn)生的γ射線份額較多，會對成像產(chǎn)生影響；2012年，Sabo-Napadensky等[14]對14 MeV的D-T快中子照相的準直屏蔽系統(tǒng)進行了設計及實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)設計的準直屏蔽系統(tǒng)降低了準直束中的散射中子，但未評估準直束中產(chǎn)生的γ射線。

本文針對基于HINEG搭建的一套快中子照相系統(tǒng)，設計與之相匹配的準直屏蔽系統(tǒng)，并綜合評估其準直束特性參數(shù)。準直束的特性參數(shù)主要包括照射視野范圍內(nèi)的中子能譜及注量率、γ射線能譜及注量率、直射中子注量率與γ射線注量率比值(φd/φγ)、直射與散射中子注量率比值(φd/φs)及準直束中子注量率的不均勻度等，這些特性參數(shù)直接影響著快中子照相系統(tǒng)的圖像分辨率和圖像對比度等性能。其中，φd/φγ越高，γ射線對成像干擾越小，使得圖像對比度越高；φd/φs越高，即散射中子越少，圖像分辨率越好[8]。為此，采用中國科學院核能安全技術研究所FDS鳳麟核能團隊自主研發(fā)的中子輸運設計與安全評價軟件系統(tǒng)SuperMC對快中子準直屏蔽系統(tǒng)進行設計，研究準直屏蔽系統(tǒng)中材料構成和幾何尺寸對準直束特性參數(shù)的影響，同時采用MCNP5程序?qū)uperMC計算結果進行對比驗證，并通過優(yōu)化提高φd/φγ和φd/φs，確定最優(yōu)的準直屏蔽系統(tǒng)設計方案。

1 計算模型與方法

HINEG可產(chǎn)生14 MeV的中子，計算時設置中子源強為6×1012s-1。像探測系統(tǒng)由轉(zhuǎn)換屏和像探測器組成，轉(zhuǎn)換屏選用轉(zhuǎn)換效率較高的BC408型塑料閃爍屏(中子能量探測下限為0.5 MeV)；像探測器選用科學級CCD相機。基于該中子源和像探測系統(tǒng)設計相應的準直屏蔽系統(tǒng)，采用SuperMC建立了基于HINEG的快中子照相模型，如圖1a所示。利用SuperMC進行準直屏蔽系統(tǒng)設計，獲得初步方案。計算并分析不同的內(nèi)襯結構、材料及尺寸對準直束特性參數(shù)的影響，從而確定最優(yōu)的準直屏蔽系統(tǒng)設計方案。

考慮到中子能譜、角分布和源形狀等因素均會對準直束的能譜、注量均勻性等特性參數(shù)造成影響，為更真實地進行模擬計算，建立直徑φ=1 cm的面中子源模型。其中，源模型的中子能譜和角分布數(shù)據(jù)通過D-T反應中子源程序dTTdyE計算獲得，如圖1b所示。通過D-T反應產(chǎn)生的中子能量絕大多數(shù)為14 MeV，但有少部分中子能量偏離14 MeV，其能量范圍為13～15 MeV。因此，在模擬計算時將能量En>13 MeV的中子視為直射中子(未經(jīng)碰撞的中子，能量未損失)。

圖1 快中子照相系統(tǒng)的SuperMC模型(x-z剖面)(a)與HINEG中子能譜(b)Fig.1 SuperMC model of fast neutron radiography facility (x-z section) (a) and neutron energy spectrum of HINEG (b)

如圖1a所示，距離中子源x=115 cm處的樣品平面處設置直徑φ=30 cm的探測器。利用SuperMC的面通量計數(shù)卡T2可記錄中子與γ射線能譜、中子與γ射線注量率等，從而獲得直射及散射中子注量率、φd/φγ和φd/φs；以準直中子束入射的樣品平面中心為原點，z軸方向設置多個點探測器，采用點通量計數(shù)卡T5可記錄徑向不同位置的相對單位中子源的中子注量，從而獲得中子注量徑向分布不均勻度。計算可知，在x=115 cm處空氣對中子的散射貢獻為0.16%，因此，本文在以下模擬計算時可忽略空氣對中子散射的影響。使用T2計數(shù)卡結果統(tǒng)計誤差小于3%，T5計數(shù)卡結果統(tǒng)計誤差小于1%[15]。利用MCNP程序進行驗證計算時，對應的面通量計數(shù)卡為F2卡，點通量計數(shù)卡為F5卡，其他計算條件均與SuperMC相同。

2 準直屏蔽系統(tǒng)設計與優(yōu)化

2.1 設計要求

參考國內(nèi)外快中子照相的研究成果，通常準直屏蔽系統(tǒng)需達到以下幾方面的要求：成像樣品處的中子注量率大于105cm-2·s-1 [13]；為滿足樣品最大的照射面積為20 cm×20 cm，要求幾何不銳度小于1 cm時準直比大于40[16]；照射視野內(nèi)中子注量率不均勻度小于8%[10]；準直中子束的φd/φγ和φd/φs越高，圖像分辨率和對比度越好[8]。

2.2 初步方案

參考文獻[8-14]，常見的準直屏蔽系統(tǒng)幾何結構有圓管型、多束圓管型、多束平板型、發(fā)散型等，為使中子束能沿出口方向均勻發(fā)散，同時能屏蔽其他方向的散射中子，本文的準直屏蔽系統(tǒng)設計方案擬采用入口較小的發(fā)散型錐形結構。為屏蔽散射中子，主要通過準直屏蔽系統(tǒng)的內(nèi)襯材料進行充分慢化并吸收，通常的做法是先用高Z金屬材料發(fā)生非彈性散射反應將高能中子能量降低，再利用含氫物質(zhì)將中子能量進一步慢化，最后通過中子吸收截面較大的含硼材料將中子吸收。

基于上述的錐形結構，綜合考慮準直效果、經(jīng)濟實用性和HINEG裝置性能等，初步確定了準直屏蔽系統(tǒng)的整體結構如圖1a所示，準直屏蔽系統(tǒng)總長度為100 cm，錐角為15°，錐體入口直徑2 cm。準直屏蔽系統(tǒng)主要由內(nèi)襯材料和屏蔽體組成，其中，內(nèi)襯材料(圖1a中虛線框內(nèi))由3層材料組成。最內(nèi)層選擇易獲取且成本較低的Fe材料(通過中子與Fe發(fā)生非彈性散射反應將高能中子迅速降低到閾能以下)；中間層選擇含硼聚乙烯(PE-B)，用以慢化和吸收散射中子；最外層選擇Pb作為γ射線吸收層，以減小γ射線對成像的干擾。為此，準直屏蔽系統(tǒng)初步方案為：Fe材料厚度為10 cm，含硼聚乙烯厚度為5 cm，Pb厚度為2 cm。此外，在內(nèi)襯材料外圍設置了屏蔽體，其作用是防止散射中子進入準直孔道內(nèi)并可保護CCD相機等成像設備免受輻照。屏蔽體也是由Fe、含硼聚乙烯和Pb 3層組成，從內(nèi)到外分別為30 cm厚度的圓錐形Fe、25 cm厚的圓柱形的含硼聚乙烯(含8%硼)和4 cm厚的Pb。

2.3 優(yōu)化方法

采用SuperMC對準直屏蔽系統(tǒng)的初步方案進行評估，并用MCNP進行驗證，計算結果列于表1。對比結果可知，SuperMC計算結果與MCNP計算結果偏差均小于1%。為此，本文在以下模擬計算時，采用SuperMC進行計算分析。計算中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)φd/φγ較小(為21.4)，說明準直中子束中γ射線污染嚴重[10]，其主要原因是Fe的非彈性散射截面較大，易與中子發(fā)生非彈性散射(n, n′γ)反應而產(chǎn)生了大量γ射線。為此，需對初步方案進行優(yōu)化，旨在提高φd/φγ以減少γ射線對成像的影響，同時考慮盡可能提高φd/φs以減少散射中子對成像的影響。

表1 準直屏蔽系統(tǒng)初步方案的準直束特性參數(shù)SuperMC和MCNP計算結果對比Table 1 Comparison of beam characteristic parameters of preliminary shielding collimator system calculated by SuperMC and MCNP

準直屏蔽系統(tǒng)的內(nèi)襯材料是改善中子束特性參數(shù)的關鍵因素，所以基于初步方案，外屏蔽體的尺寸不變，主要對內(nèi)襯材料進行優(yōu)化。最內(nèi)層常用的金屬材料有W、Cu和Fe，根據(jù)ENDF/B-Ⅶ.0數(shù)據(jù)庫，在中子能量En>13 MeV時對應的非彈性散射(n,n′γ)反應的微觀截面σin、(n,xn)反應的微觀截面σ分別有σin,W<σin,Cu<σin,Fe和σCu<σFe<σW，可考慮選用非彈性散射截面小的材料以減少γ射線的產(chǎn)生；選用(n,xn)反應截面大的材料，通過中子與材料發(fā)生(n,xn)反應迅速降低能量，進而被如含硼聚乙烯、B4C等中子吸收材料吸收，從而減少散射中子。所以，在錐體入口采用非彈性散射截面小、(n,xn)反應截面大的W替代部分Fe，并在準直孔道內(nèi)襯一層Pb吸收產(chǎn)生的γ射線，內(nèi)襯一層0.5 cm厚的B4C吸收散射中子，如圖2所示。為此，在內(nèi)襯結構尺寸不變的基礎上，考慮W厚度不變(即dW=10 cm)，旨在獲取W的最優(yōu)長度LW、Pb的最優(yōu)厚度dPb和長度LPb、優(yōu)化后Fe厚度dFe和長度LFe(總長度及厚度分別用L和d表示，且滿足LW+LPb=L=100 cm，LPb=LFe，dFe+dPb+dB4C=10 cm等條件)。

圖2 優(yōu)化方案內(nèi)襯材料的SuperMC模型(x-z剖面)Fig.2 SuperMC model of lining material for optimal shielding collimator system (x-z section)

2.4 優(yōu)化方案

圖3 不同尺寸的W-Pb組合的φd2/φγφsFig.3 φd2/φγφs of lead and tungsten with different combination sizes

3 準直束特性參數(shù)計算結果與分析

3.1 中子注量率及能譜

圖4為準直屏蔽系統(tǒng)優(yōu)化前、后照射野范圍的中子與γ射線能譜。圖4a的中子能譜變化較小，說明優(yōu)化過程對中子能譜影響較小。相比初步方案，優(yōu)化方案中0～13 MeV能區(qū)中子注量減少了14.3%，主要是因為采用了(n,xn)反應截面大的W，中子與W發(fā)生(n,xn)反應，降低了散射中子能量，再通過含硼聚乙烯及B4C吸收，使散射中子份額減少。從圖4b的γ射線能譜可看出，γ射線注量顯著減少，因為優(yōu)化設計中采用了非彈性散射截面小于Fe的W，減少了通過(n,n′γ)反應產(chǎn)生的γ射線，同時準直孔道內(nèi)襯的一層Pb有效吸收了產(chǎn)生的γ射線。其中，能量在0～10 MeV的γ射線減少的份額最多，F(xiàn)e材料的非彈性散射反應截面在0～10 MeV內(nèi)較大，由此說明γ射線主要是由能量在0～10 MeV的中子活化產(chǎn)生的。優(yōu)化前、后的準直束特性參數(shù)對比列于表2。

從表2可得，準直屏蔽系統(tǒng)優(yōu)化前、后，直射中子注量率所占份額分別為83.2%、85.2%；γ射線注量率減少了57.4%，散射中子減少了13.8%。計算結果表明，準直孔入口部分采用低活化的W材料替代部分Fe材料及準直孔道內(nèi)襯一層Pb可有效減少γ射線的產(chǎn)生，同時減少散射中子。優(yōu)化后，準直中子束總的中子注量率與γ射線注量率比值為58.8，參考張杰等[17]研究的類似準直屏蔽體中該比值為17.2，說明本文中優(yōu)化后的準直屏蔽體對降低γ射線效果明顯，可有效降低γ射線對成像的干擾，提高圖像對比度。

圖4 x=115 cm平面上φ30 cm照射野范圍中子能譜(a)與γ射線能譜(b)Fig.4 Simulated neutron energy spectrum (a) and γ-ray energy spectrum (b) at φ30 cm radiation field on x=115 cm plane

表2 優(yōu)化前、后的準直束特性參數(shù)對比Table 2 Comparison of beam characteristic parameters before and after optimization

3.2 中子注量率徑向分布

中子注量率徑向分布可反映出準直中子束的不均勻度，如不均勻性較大會掩蓋圖像中部分或全部信息，從而干擾圖像分辨率。為此，通過準直屏蔽系統(tǒng)可使中子束的不均勻度減小，其初步方案與優(yōu)化方案在x=115 cm平面上的中子注量率徑向分布如圖5所示。這里定義不均勻度為分布視野內(nèi)徑向的最大和最小中子注量率之差與最大中子注量率之比[16]，SuperMC計算可得準直屏蔽系統(tǒng)優(yōu)化前、后的中子注量率不均勻度分別為6.5%、5.8%，滿足中子照相對中子注量率不均勻度不大于8%的基本要求。

圖5 準直屏蔽系統(tǒng)初步方案(a)與優(yōu)化方案(b)在x=115 cm平面上的中子注量率徑向分布Fig.5 Radial distribution of neutron fluence rate for preliminary (a) and optimal (b) shielding collimator system on x=115 cm plane

4 結論

本文針對基于HINEG設計的一套快中子照相系統(tǒng)，設計與優(yōu)化了與其相匹配的準直屏蔽系統(tǒng)。利用SuperMC進行了準直屏蔽系統(tǒng)的設計，通過研究內(nèi)襯材料、尺寸等參數(shù)對特性參數(shù)的影響，獲得最優(yōu)設計方案，并采用MCNP程序?qū)τ嬎憬Y果進行了對比驗證，結果表明，SuperMC計算結果與MCNP5計算結果一致，相對偏差均在1%以內(nèi)。因此，所得結論如下。

1) 通過在準直孔入口處采用低活化的W材料替代部分Fe材料，并在準直孔道中內(nèi)襯一層Pb及在內(nèi)壁涂一層B4C的優(yōu)化方式，最終達到了減少γ射線和散射中子的要求。

2) 優(yōu)化方案與初步方案相比，φd/φγ為50.1，γ射線注量率減少了57.3%，有效減少了γ射線對成像的干擾；φd/φγ為5.7，散射中子減少了13.8%。結果表明，通過對準直屏蔽系統(tǒng)的優(yōu)化設計有效地改善了準直束特性參數(shù)。

3) 在x=115 cm平面上φ30 cm照射視野范圍內(nèi)的中子注量率為4.80×107cm-2·s-1，其中直射中子占85.2%，滿足快速成像對中子注量率的要求，且樣品處中子注量率較高，可考慮適當?shù)卦龃鬁手北纫詼p少幾何不銳度，從而提高圖像分辨率；照射視野范圍內(nèi)中子注量率不均勻度為5.8%，說明中子注量率不均勻度對成像干擾小，有利于提高圖像分辨率。

綜上所述，設計的準直屏蔽系統(tǒng)能滿足快中子照相對準直束特性各類參數(shù)的要求。本文的準直屏蔽系統(tǒng)設計方案可為快中子照相系統(tǒng)設計與搭建提供參考，下一步將在HINEG上通過實驗進行驗證。

本工作得到了FDS鳳麟核能團隊其他成員提供的指導和幫助，在此表示衷心的感謝。