聚乙烯是一种含有大量氢原子的碳氢化合物, 含氢量可达7.92 × 10²²原子/cm^3[1], 是一种很好的快中子慢化剂。但由于中子在物质中与氢核不断发生弹性碰撞而损失能量, 最终慢化为热中子, 而热中子在物质中还要经过一定的扩散距离才能被物质所吸收。

1 材料与测量方法 1.1 待测实验材料的制备

在聚乙烯中加入对热中子吸收截面大的材料就能将热中子迅速吸收, 从而提高屏蔽材料防护中子的效果。由于硼-10(¹⁰B)对热中子的吸收截面很大, 为(3 840 ± 11)× 10^-24cm², 因此, 通常在聚乙烯中加入一定量的含硼材料制成含硼聚乙烯, 用于中子辐射屏蔽。

本研究中将3.2 cm厚的5%含硼聚乙烯板裁切为直径5.5 cm厚3.2 cm的圆形样品7份, 并分别叠加为6.4 cm、9.6 cm、12.8 cm、16 cm、19.2 cm和22.4 cm样品, 共7个待测样品。

1.2 测量方法

将待测样品分别置于²⁴¹Am-Be和²⁵²Cf标准中子源下进行照射, 通过在有无待测样品时长计数器净计数率(效应计数率减去室散射中子本底计数率)的变化测定不同厚度材料对中子的屏蔽性能。测量几何条件如图 1所示。

待测样品、影锥及长计数器的中心在同一条中轴线上, 待测样品前表面距中子源几何中心2 cm。用²⁴¹Am-Be中子源照射时, 长计数器前表面距中子源几何中心146 cm。用²⁵²Cf中子源测量时, 长计数器前表面距中子源几何中心110 cm。

测量在中子刻度室进行, 过程如下:首先在无待测样品时, 测量由源中子直接引起的长计数器计数, 然后将待测样品放入图 1位置中, 测量放射性同位素中子源的中子经待测品后进入长计数器的计数。室散射中子本底利用影锥法扣除。

2 结果与分析 2.1 含硼聚乙烯对²⁴¹Am-Be放射性同位素中子源的屏蔽性能

测量了该5%含硼聚乙烯对²⁴¹Am-Be源中子屏蔽性能, 归一到净计数率(计数/s)。测量结果如图 2所示。

由图 2可知, 当该含硼聚乙烯板的厚度达到12.8 cm时可以屏蔽91%的²⁴¹Am-Be源中子, 而厚度为16 cm时可屏蔽94.9%的²⁴¹Am-Be源中子, 再增加厚度则屏蔽效果并没有明显增加, 当厚度为22.4 cm时, ²⁴¹Am-Be源中子的效率可达97.9%。屏蔽从防护优化考虑, 16 cm厚该含硼聚乙烯板屏蔽²⁴¹Am-Be源中子是足够安全的。

2.2 含硼聚乙烯对²⁵²Cf放射性同位素中子源的屏蔽性能

测量了该5%含硼聚乙烯对²⁵²Cf源中子屏蔽性能, 归一到净计数率(计数/s), 测量结果如图 3所示。

由图 3可知, 该9.6 cm厚的含硼聚乙烯板可以屏蔽91.5%的²⁵²Cf源中子, 而厚度为16 cm时可屏蔽96.7%的²⁵²Cf源中子, 当厚度为22.4 cm时, 对²⁵²Cf中子源的中子屏蔽效率可达98.2%。再增加厚度则屏蔽效果并没有明显增加, 从防护最优化考虑, 16 cm厚该含硼聚乙烯板屏蔽²⁵²Cf源中子是足够安全的。

3 含硼聚乙烯对²⁴¹Am-Be源中子和²⁵²Cf放射性同位素中子源的屏蔽效率分析

含硼聚乙烯对中子的屏蔽效果按下列公式计算:

式中:E为屏蔽效率, %; C₀为无屏蔽体时的净计数率, 计数/s; C_i为通过第i个厚度屏蔽体的净计数率, 计数/s。屏蔽效率如图 4所示。

由图 4所知当该含硼聚乙烯厚度达到16 cm以上时, 屏蔽效率变化很小, 说明含硼聚乙烯厚度与中子屏蔽效率不成正比。

4 讨论

比较该5%含硼聚乙烯板对²⁴¹Am-Be和²⁵²Cf源中子的屏蔽效率, 从测量结果可以明显看出, 该含硼聚乙烯板对²⁵²Cf源中子的屏蔽效率明显高于对²⁴¹Am -Be源中子的屏蔽效率。原因是, ²⁵²Cf源中子的平均能量为2.158 MeV^[2], 而²⁴¹Am-Be源中子的平均能量为4.4 MeV^[3], 显然²⁵²Cf源中子的能量比²⁴¹Am- Be源中子的能量低得多, 所以, 含硼聚乙烯板在同等厚度下屏蔽²⁵²Cf源中子的效率更高。含硼聚乙烯板厚度大于20 cm以上时, 屏蔽两种中子源中子的屏蔽效率逐渐趋于一致, 这是因为中子辐射在物质中的减弱遵从指数衰减规律所致。研究结果表明, 该含硼聚乙烯板在厚度为3.2~22.4 cm之间, 对²⁴¹Am-Be中子源的屏蔽效率在47.7%~97.7%范围内, 对²⁵²Cf中子源的屏蔽效率在60%~98.2%范围内。由图 4中的结果可以明显看出, 就防护最优化原则而言, 通常选择10~20 cm厚度的5%含硼聚乙烯板屏蔽快中子可以达到令人满意的防护效果。