一种用于18 MeV回旋加速器BNCT中子源铅-氟化锂慢化体结构

技术领域

本发明属于回旋加速器BNCT中子源技术领域，尤其涉及一种用于18 MeV回旋加速器BNCT中子源铅-氟化锂慢化体结构。

背景技术

在研发回旋加速器驱动的BNCT中子源时，引出的中子束流能量需要在超热中子能区，需要高能量的快中子尽量少。为了得到这样特性的超热中子束流，就需要对中子慢化体进行特殊的设计，选择合适的慢化材料以及合适的材料配比，已得到品质更好的BNCT超热中子束流。

目前18 MeV回旋加速器驱动的BNCT中子源慢化体结构如图1a所示，由铅金属对快中子进行初步慢化，FLUETAL(30％铝+69％氟化铝+1％氟化锂)、以及铝对初步慢化后的快中子进行进一步慢化，铅、FLUENTAL、铝的形状均为圆柱形。其结构缺陷在于：

1.该结构中铅为圆柱体，不是对快中子慢化效率最高的结构，快中子主要是通过与铅原子发生碰撞来实现慢化，所以快中子在铅中碰撞密度的分布情况可以反应该部分铅对快中子的慢化贡献，由图1b可知18 MeV质子与中子靶反应产生的快中子在铅中的碰撞位置密度分布不是圆柱形而是子弹形，所以原慢化体中铅的圆柱形结构并不是最高效慢化快中子的结构。

2.该结构中对快中子能区进一步慢化的材料选择用FLUENTAL和铝，其中的主要元素成分为铝(Al)和氟(F)，中子主要是通过与材料原子碰撞进行慢化的，中子与材料内原子碰撞的概率可以由碰撞截面来表征，如图1c展示了中子与铝的碰撞截面，其中当中子能量在1*10

综上，解决原慢化体中铅的圆柱形结构并不是最高效慢化快中子的结构的问题，也就是解决快中子能量尽量低的问题；解决快中子能区的中子与铝的碰撞截面较低、有大量此能区的中子泄露的问题，也就是解决超热中子通量尽量高和快中子剂量尽量低的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种用于18 MeV回旋加速器BNCT中子源铅-氟化锂慢化体结构，目的在于解决快中子剂量尽量低和超热中子通量尽量高的问题。

本发明为解决其技术问题，提出以下技术方案：

一种用于18 MeV回旋加速器BNCT中子源铅-氟化锂慢化体结构，其特征在于，在中子靶后面布设“子弹形”的铅金属区域，在“子弹形”的铅金属区域之后布设“月牙形”的氟化锂区域，所述“子弹形”的铅金属区域用于将快中子快速慢化，所述氟化锂区域用于使慢化后的快中子进一步慢化为超热中子的慢化材料；所述“月牙形”氟化锂区域的凹面和“子弹形”铅金属区域的凸面相配合。

进一步地，所述“子弹形”的铅金属区域由圆柱形区域和球冠形区域组成。

进一步地，所述铅-氟化锂慢化体结构沿着轴向的高度为60cm，垂直于轴向的宽度为70cm；

进一步地，所述“子弹形”铅金属区域沿着轴向的半径为40cm，其中，圆柱形区域的高度为20cm,球冠区域的高度为20cm。

进一步地，所述氟化锂区域的“月牙形”凹槽的高度为20cm，含有“月牙形”凹槽的氟化锂区域总高度为40cm。

本发明的优点效果

1、本发明针对18 MeV回旋加速器BNCT中子源的需求，对中子慢化体进行了优化，得到铅和氟化锂的组合，可以得到更高的超热中子通量和更低的单位超热中子快中子剂量。

2、本发明通过采用子弹型铅金属区和月牙形氟化锂区域相结合的慢化体结构，实现了铅金属最高效慢化快中子的效果，通过利用铅金属将在1MeV到10MeV区间的快中子能量尽量降低、以及将此能区的快中子通量尽量降低，为实现快中子剂量尽量低打下了基础。解决了现有技术因为铅金属结构不能最高效慢化快中子、快中子能区的中子与铝的碰撞截面较低、有大量此能区的中子泄露，不能实现超热中子通量尽量高和快中子剂量尽量低目标的问题。

附图说明

图1a是现有技术基于铅-FLUENTAL-铝组合的慢化体结构侧视图；

图1b是慢化体中子靶反应产生的快中子在铅中的碰撞位置密度分布；

图1c是现有技术铅-FLUENTAL-铝慢化体结构的中子与铝的弹性碰撞截面；

图2是本发明基于铅-氟化锂组合的慢化体结构；

图3是18 MeV回旋加速器与中子靶反应产生的中子经不同半径铅慢化后的中子能谱；

图4是18 MeV回旋加速器与中子靶反应产生的中子经铅初步慢化后再经过不同材料慢化后的超热中子通量；

图5是18 MeV回旋加速器与中子靶反应产生的中子经铅初步慢化后再经过不同材料慢化后对应单位超热中子的快中子剂量。

具体实施方式

本发明设计原理

1、设计目标和设计难点：目标是得到快中子剂量尽量低、超热中子通量尽量高的BNCT中子束流。设计难点在于：现有的18 MeV回旋加速器BNCT中子源慢化体中没有铅和氟化锂这一组合模式，难以兼得高的超热中子通量和低的快中子剂量。

2、本发明的创新点。创新点在于：提出了18 MeV回旋加速器BNCT中子源利用铅和LiF组合对中子进行慢化，通过模拟，在众多慢化材料中，此组合能够得到最高的超热中子通量和最低的单位超热中子快中子剂量。

3、子弹型铅区域形状的设计原理：如图1b所示，“子弹型”是在原有的圆柱形基础上增加了球冠形区域，这是根据图1b的快中子在铅中碰撞密度分布图得到的：18 MeV质子与中子靶反应产生的快中子在铅中的碰撞位置密度分布不是圆柱形，而是子弹形，所以改进后的慢化体中铅的形状也按照快中子在铅中的碰撞位置密度分布的形状改成子弹形。

4、铅半径的设计原理：如图3所示，其中展示了铅半径从0cm(即不加铅)到60cm的能谱结果。左边的超热中子能区能看到能谱的区域为10

5、选择氟化锂作为进一步慢化材料的设计原理：本实施例最终目标是快中子剂量尽量低，超热中子通量尽量高。如图5所示，横轴为慢化材料的厚度，单位厘米；纵轴为慢化得到的快中子剂量，单位Gy·cm

基于以上原理，本发明设计了一种用于18 MeV回旋加速器BNCT中子源铅-氟化锂慢化体结构，如图2所示，在中子靶后面布设“子弹形”的铅金属区域，在“子弹形”的铅金属区域之后布设“月牙形”的氟化锂区域，所述“子弹形”的铅金属区域用于将快中子快速慢化，所述氟化锂区域用于使慢化后的快中子进一步慢化为超热中子的慢化材料；所述“月牙形”氟化锂区域的凹面和“子弹形”铅金属区域的凸面相配合。

进一步地，所述“子弹形”的铅金属区域由圆柱形区域和球冠形区域组成。

进一步地，所述铅-氟化锂慢化体结构沿着轴向的高度为60cm，垂直于轴向的宽度为70cm；

补充说明1：

所述轴向就是质子的方向；如图2所示，第一、所述铅-氟化锂慢化体结构沿着轴向的高度为60cm，该60cm的高度由20cm的铅区域的圆柱形区域的高度和40cm的氟化锂区域高度组成；第二、铅区域除了圆柱形区域还包括近似半圆的球冠区域，该球冠区域的凸面和氟化锂区域的凹面相互配合。

进一步地，如图2所示，所述“子弹形”铅金属区域沿着轴向的半径为40cm，其中，圆柱形区域的高度为20cm,球冠区域的高度为20cm。

进一步地，所述氟化锂区域的“月牙形”凹槽的高度为20cm，含有“月牙形”凹槽的氟化锂区域总高度为40cm。

需要强调的是，上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对上述实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。