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中国散裂中子源小角散射谱仪屏蔽计算与研究

梁泰然  
【摘要】:中子散射技术是研究物质微观结构的有力工具。作为中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)一期项目要建造的中子科学谱仪之一,小角散射谱仪(Small Angle Neutron Scattering, SANS)将成为我国发展应用中子散射技术的强大平台。辐射防护系统是谱仪建造中的重要内容,其设计与优化不但关系到人员在各种工况下的辐射安全,还直接影响着整个工程项目的基建进度。对结构复杂、体系庞大的装置进行屏蔽设计,通常要依赖蒙特卡罗模拟方法,而其中最为关键的问题是如何避免粒子深渗透计算时产生过大的计算误差。本文通过有针对性地使用减方差技术建立了高效、可靠的屏蔽计算方法,完成了中国散裂中子源小角散射谱仪的屏蔽计算与优化工作,提出的屏蔽设计方案目前已应用于谱仪建造工程中。 本文计算选择使用了开源的粒子输运蒙特卡罗模拟程序FLUKA。首先针对一般屏蔽计算要涉及到的基本问题,进行了一系列FLUKA与MCNPX的交叉检验计算:1)对FLUKA程序在铁和混凝土等常用屏蔽材料中的辐射输运计算进行了验证。2)计算了一维模型的粒子深渗透问题并与相关文献进行了对比验证,从而熟悉并掌握了FLUKA减方差技术的应用方法及用户程序的编写。3)通过模拟质子打靶验证了活化计算。以上述验证计算为基础,结合CSNS小角散射谱仪自身结构和束流线源项的特点,建立了一套高效的屏蔽计算方法。该方法综合应用了源偏置、几何重要性和几何截断等减方差技术,其可靠性也通过交叉检验计算得到了验证。 CSNS小角散射谱仪的屏蔽计算内容包括中子束流线传输段、T0斩波器和BEAM STOP:1)在T0斩波器开启和关闭等极端束流损失条件下,分别计算了辐射剂量分布;对比计算结果,并考虑最保守情况确定了小角散射谱仪束流线传输段的屏蔽设计参数;计算了使用不同屏蔽设置时的剂量衰减曲线,优化了屏蔽体的总厚度;根据机械设计的具体要求,对样品室顶部屏蔽体的材料和结构进行了进一步优化,减少了总厚度和重量。2)计算了T0斩波器阻挡块的合理尺寸,使其在充分降低中子本底的同时有较短的上升下降时间。另外,通过计算放射性活度及剩余剂量为TO阻挡块的材料选择和维护操作时的辐射安全问题提供了参考数据。3)提出了BEAM-STOP的基础设计方案。剂量分布和中子通量的计算结果表明当前设计方案满足辐射安全剂量限值的要求,并能有效降低背散射至散射室的中子本底。


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