钨、镍组合及钨镍合金的辐射屏蔽性能模拟Word文档下载推荐.docx
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10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.010204
文献检索表明，钨和保都具有较好的Y射线屏蔽性能。
本文旨在对比研究钙镍组合及合金的屏蔽性能差异，建立镍前鸨后、鸨前镍后及鸨镍合金三种材料组合模型，通过三种模型的透射率和透射能谱获得材料的屏蔽性能。
研究结果对于指导屏蔽材料的选材和结构设计具有指导意义。
1模型建立
本文使用商业软件MCNP4C,采用单能同向
2cm>
<
2cm面源y射线垂直入射到20cm>
20cm的长方体平板上，记录透过平板后的射线数，计算得到透射率、透射能谱。
由于核事故产生的Y射线能量0-1.48MeV不等本文选取1MeV作为射线的平均强度，并采用单能同向点源和面源作为辐射源的对比。
模拟时每次y射线数设为IO'
个。
三种屏蔽结构及透射性能计算如图1所示，由面源发射同向Y射线，计算透射到材料后面的y射线数，即可得到透射率。
由于放射源与材料之间设置为真空,光子在入射材料之前不会发生任何效应，故放射源与材料之间的距离对计算结果无影响。
选用三种屏蔽材料模型：
模型1为保前钙后（Ni-W）组合，即Ni靠近辐射源，W在Ni后面。
模型2为鸨前镍后（W-Ni）组合，即W靠近辐射源。
模型3为钨镍合金（Alloy）o三种模型中W和Ni的体积比从1:
1变化到5:
1,对应钨镍合金密度分别为
国家里点基础研究发展计划（NO.2013CB035505）资助
第一作者：
韩仲武，男，1987年出生，2010年毕业于东北石油大学，现为华东理工大学硕士研究生，研究方向为辐射防护
通讯作者：
栾伟玲，E-mail:
luan@
收稿日期：
2014-08-17,修回日期：
2014-11-01
14.1g*cm-3>
15.8g-cm~3>
16.7g・cnT\17.3g-cm-3>
17.6g-cm"
3o模型1、2中鸨层的密度为19.35gem3,镍层密度为8.9g・cm「3。
三种模型的断面尺寸均为20cm>
20cm,总厚度为1cm（表1）。
图1蒙特卡罗计算模型（a）及三种屏蔽结构模型（b）的
示意图
Fig.lSchematicdiagramofsimulationmodels（a）andthree
shieldingmodels（b）.
表1三种模型的钙、镍材料厚度（总厚度为1cm）
Table1ThicknessofW,Nilayerinthreemodels（total
thicknessforeachsampleis1cm）.
W、Ni体
模型1中钙、
模型2中钙、
钧镍合金
积比
镍厚度
厚度
Volume
Thicknessof
Thickness
ratioofW,
W,Nilayerin
ofalloy
Ni
model1/cm
model2/cm
/cm
1:
1
0.5,0.5
2:
0.67,0.33
3:
0.75,0.25
4:
0.8,0.2
5:
0.83,0.17
2透射率计算结果
图2显示光子入射到三种模型后透射率计算结果。
当W和Ni的体积比为1:
1时，W-Ni组合的透射光子数（图2（a））最多，即入射能量与光子数相同的情况下，透射率越大，屏蔽效果越差。
Ni-W组合和Alloy的屏蔽效果相差不多。
为证明上述结论的普适性，模拟了W、Ni体积比从2:
1-5:
1的透射率，如图2（b）-（e）所示，得到了相近的结果：
三种模型中W-Ni组合透射率最大，屏蔽效果最差,Ni-W组合屏蔽效果稍好于Alloyo
图21MeV能量光子入射后三种模型的透射率比较（a-e）W:
Ni的体积比分别为1:
1、2:
1、3:
1、4:
1、5:
Fig.2Transmissionofthreemodelsunder1MeVphoton,（a-e）VolumeratiosofWandNiare1:
1,2:
1,3:
1,4:
1,5:
1.
针对Ni-W组合和W-Ni组合开展进一步对比研究。
设爪为（Ni-W组合透射率）/（W-Ni组合透射率）。
K值越小，则材料的透射光子数之比越大，屏蔽性能相差越大。
从图3可见，当体积比保持不变时，材料总厚度增加，K值减小。
以体积比1:
1为例，厚度为0.5cm时，K为0.975；
厚度为3cm时，K为0.799,即模型厚度越大时，采用Ni-W组合的屏蔽性能优势越明显。
当两种模型厚度相同时，随着体积比增大，K值减小。
以总厚度3cm为例，体积比为1:
1时K为0.799,体积比为5:
1时K为0.898。
即W、Ni体积比越大，Ni-W组合与W-Ni组合的屏蔽性能差距越小。
故轻质的材料靠近辐射源，重质的材料远离辐射源，这样的组合方式更有利于提高屏蔽效果。
保持W、Ni体积比为1:
1,建立了Ni-W重复排列为4、8和16层的模型，并将多层模型和模型3进行对比研究，结果示于图4（a）o图4（b）中计算了总厚度分别为1.0cm、1.5cm和2.0cm时不同层
数Ni-W模型及Alloy的透射率。
研究结果发现层数变化对透射率的影响很小。
图3不同体积比的Ni-W组合与W-Ni组合的
K值变化情况
Fig.3KvalueofNi-WandW-Nicombinationof
differentvolumeratio.
图4Ni-W组合及合金透射率随厚度（a）和层数（b）的变化情况
Fig.4Relationbetweentransmissionandthickness（a）andnumberoflayers（b）ofNi-Wcombinationandalloy.
3透射能谱分析
3.1辐射源为面源
透射能谱是指经过屏蔽材料后透射出的光子的能量分布，通过透射能谱可直观得到不同能量范围内光子的数量分布，从而针对射线谱的情况进行材料的组合设计，提高防护能力。
本文分别模拟了体积比和辐射能量变化时的透射能谱。
图5为1MeV光子入射后W、Ni体积比为1:
1,模型厚度分别为1cm、2cm、3cm、4cm的透射能谱。
可见，屏蔽材料厚度增加对能谱图变化趋势影响甚小。
图5中
左侧波峰（0.059-0.069MeV）对应的能量为W的特征X射线。
相同厚度的材料中，虽然W-Ni组合中W的弱吸收区（特征X射线能量范围）得到了补偿,但W-Ni组合的康普顿坪（0.08-1MeV）要明显高于Ni-W组合和Alloyo可能由于Ni-W组合中W在后层可以有效地吸收Ni中散射出的低能光子，而合金中W、Ni平均分布的形式也使W能吸收部分从Ni中散射出的光子。
若Ni在后层，Ni对散射光子吸收能力差，导致不能有效吸收W中散射出的光子,这是W-Ni组合透射率大、屏蔽性能差的原因。
图5不同厚度三种屏蔽模型的透射能谱（a）1cm,（b）2cm,（c）3cm,（d）4cm
Fig.5Energyspectrumofthreemodelswithdifferentthicknessesof1cm（a）,2cm（b）,3cm（c）,4cm（d）.
图6考察了三种模型W、Ni体积比分别为2:
1、3:
1的透射能谱。
与图5相似，随着W、Ni体积比增加，W-Ni组合与另外两种模型透射率之差减小，即三种模型的屏蔽性能差距减小。
为量化结果，计算了三种模型W、Ni体积比分别为1:
1的总透射率和透射光子能量在0.1-0.2MeV内的数量，结果列于表2。
在该能量范围内，W、Ni体积比为1:
1时，Ni-W组合透射光子数是W-Ni组合的12%,3:
1时为23%,5:
1时为33%。
对应上述体积比，合金材料透射光子数分别是W-Ni组合的13%、26%和37%o说明随着复合材料中W含量的增加，三种模型透射光子数的差距减小，屏蔽性能趋近。
可见，对于丫射线来说，重金属元素W对于屏蔽效果起着决定性的作用。
表2不同W、Ni体积比三种模型的透射光子数对比（归
一化后）
Table2Transmissioncomparisonofthreemodelswith
differentvolumeratios.
模型
Model
总透射数
Totaltransmission
0.1-0.2MeV的透射数
Transmissionof0.1-0.2MeV/10-3
模型1
0.595
0.519
0.496
1.22
1.02
0.99
Model1
模型2
0.635
0.540
0.510
9.78
4.53
3.01
Model2
模型3
0.596
0.529
0.509
1.26
1.17
1.12
Model3
Energy/MeV Energy/MeV
图6W、Ni体积比不同时三种屏蔽模型的透射能谱（a）2:
1,（b）3:
1,（c）4:
1,（d）5:
Fig.6Energyspectraofthreemodelswithdifferentvolumeratiosof2:
1（a）,3:
1（b）,4:
1（c）,5:
1（d）.
3.2辐射源为点源
将Y射线源改为单向点源，建立与面源相同的模型，模拟结果如表3所示。
结果表明：
使用单向点源和单向面源对模拟结果几乎无影响。
点源与面源透射光子数最大的差别出现在厚度为2.5cm的Ni-W组合中。
二者透射率分别为0.216和0.215,仅相差0.47%»
虽然源的形式不同，但MCNP运算过程中是逐一跟踪单个光子的运动，即点源和面源放射出的光子与材料发生各种效应（光电效应、康普顿效应、电子对效应）的概率是相同的。
故模拟屏蔽材料透射率和透射能谱时采用两种放射源均是可行的。
3.3屏蔽效果分析
表3点源与面源作为辐射源的透射率对比（W、Ni两种材料的体积比为1:
1）
Table3Transmissioncomparisonofpointsourceanddiscone（volumeratioofWandNiwaskeptas1:
1）.
源的类型
Typeofsource
透射率（1MeV）Transmission
0.5cm
1cm
1.5cm
2cm
2.5cm
3cm
点源Pointsource
0.818
0.479
0.355
0.260
0.187
面源Discsource
0.259
0.798
0.431
0.307
0.216
0.150
0.797
0.306
0.215
0.803
0.605
0.443
0.318
0.226
0.158
0.804
0.423
0.317
三种模型的对比研究发现：
采用轻-重元素组合或合金的方式对Y射线的屏蔽效果较好。
合金的力学性能通常优于组合屏蔽，但合金的加工成本高、工艺复杂，制备材料的投入成本往往较大。
因此，轻-重材料复合的方式显然更有优势。
由于层数变化对屏蔽性能的影响极小，因此从节约成本和减少工艺复杂性的角度考虑，可以采用单层复合的结构。
4结语
本文建立了Ni-W组合、W-Ni组合及W-Ni合金三种Y射线屏蔽材料模型，分别计算了厚度、体积比和层数不同情况下各模型的透射率和透射能谱，对比研究了它们的屏蔽性能，发现Ni-W组合的屏蔽性能最好，合金次之，W-Ni组合最差，说明轻-重元素组合屏蔽效果优于重-轻元素组合屏蔽的方式。
对比三种模型透射能谱发现W-Ni组合的康普顿坪高于其余两种模型，高出能量范围集中在0-0.6MeV,这是其屏蔽性能略差的原因。
随着钙含量的增加，W-Ni组合的屏蔽效果趋近于Ni-W组合。
Ni-W模型层数变化的研究发现层数增加对屏蔽性能的影响不大。
参考文献
1何宝平，陈伟，王桂珍.CMOS器件6°
Co丫射线、电子和质子电离辐射损伤比较[J].物理学报，2006,55（7）:
3546-3551
HEBaoping,CHENWei,WANGGuizhen.AcomparisonofionizingradiationdamageinCMOSdevicesfrom60Cogammarays,electronsandprotons[J].ActaPhysicaSinica,2006,55（7）:
2BriesmeisterJF.MCN4C-ageneralMonteCarloN-particletransportcode[M].NewMexico:
LosAlamosNationalLaboratory,2000
3林卿，杨永栩，何云，等.丫辐射多层组合屏蔽的蒙特卡罗方法模拟及其论证[J].原子核物理评论,2010,27
（2）:
182-186
LINQing,YANGYongxu,HEYun,etal.Simulationandverificationofy-multi-layershieldingwithMonteCarlomethod[J].NuclearPhysicsReview,2010,27
（2）:
4李星洪.辐射防护基础[M].北京：
原子能出版社,1982LIXinghong.Radiationprotectionfbundation[M].Beijing:
AtomicEnergyPress,1982
5陈辛.鸨-镍合金材料对y射线屏蔽性能的研究[J].江西能源,2008,4
（2）:
25-28
CHENXin.Theresearchontungsten-nickelalloymaterialtothey-rayshieldingproperties[J].JiangxiEnergy,2008,4
（2）:
6IvanovSM,KuznetsovSA,VblkovAE,etal.Photonstransportthroughultra-highmolecularweightpolyethylenebasedcompositecontainingtungstenandboroncarbidefillers[J].JournalofAlloysandCompounds,2014,586:
S455-S458
7樊明武.核辐射物理基础[M].广东：
暨南大学出版社，2010
FANMingwu.Thefoundationofnuclearradiationphysics[M].Guangdong:
JinanUniversityPress,2010
Simulationstudyonradiationshieldingcapabilityoftungstennickelcombination
andtheiralloys
HANZhongwu1LUANWeiling1HANYanlong1ZHANGYan2WUGuozhang2
l（KeyLaboratoryofPressureSystemandSafety,MinistryofEducation,SchoolofMechanicalandPowerEngineering,
EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China）
2（SchoolofMaterialsScienceandEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China）
AbstractBackground:
Nucleardisasterrescuerobotsareofearnestdesireforon-siterescueandpostprocessing.Theelectronicdevicesofrobotsarequitesensibletooperationcondition,whichcouldbesuddenlydestroyedbythey-ray.Shieldingisoneoftheeffectivemethodsthatcanenhancetheanti-radiationpropertiesoftheprotectedcontent.Purpose:
Thispapersetsupthreetypesofcombinationmodels,W-Ni,Ni-Wandtheiralloys,aimingattheprotectioneffecttowardsy-ray.Methods:
Thetransmissionandenergyspectrumundery-rayweresimulatedonthemodelswithvariousthicknesses,W:
NivolumeratiosandlayernumbersbasedonMonteCarlomethod.ResultsandConclusion:
Ni-WandalloysshowedbettershieldingperformancethantheW-Ni,especiallyatshortwaverange（0-0.6MeV）.TheincreaseofWamountweakenedthedifferenceamongthethreemodels.Lessvariationwasfoundwithlayernumbersandtheunidirectionaldiscsourceorpointone.
Keywordsy-ray,Shieldingmaterials,MonteCarlomethod
CLCTL77
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