基于可控中子源的液面實時監控系統蒙特卡羅數值模擬

李權 王智健 王顯南 張傳舉

【摘 要】針對某行業的具體應用，設計一款實時遠程控制的中子輻射雙準直實時液位測量系統。該系統采用脈沖中子源，依據物料遮擋中子射線導致探測計數率下降的原理實現料面位置的追蹤。利用蒙特卡羅數值模擬方法對該檢測系統進行理論設計與響應分析，具體包括檢測系統結構參數、屏蔽體組合設計及輻射劑量統計與分析。模擬結果表明，該系統設計在精度要求范圍內具有一定的可行性。系統中開窗寬度、開窗位置和屏蔽材料種類對探測器中子計數率，屏蔽材料種類、尺寸及組合方式對輻射劑量均有不同程度的影響，這為后續設備樣機的設計與實驗提供了理論依據。

【關鍵詞】蒙特卡羅;料位計;屏蔽材料;輻射劑量

【中圖分類號】TL81 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）04-0051-05

1 研究背景

在很多工業生產過程中，經常要測量一些工業物料的料位高度，比如原煤倉、煤粉倉的煤位測量，渣倉、脫水倉的渣位測量，電除塵灰斗、倉泵和灰庫的灰位測量，閃蒸釜、反應釜等反應裝置的料位測量等[1]。但對于一些精度要求較高的料位檢測，受工藝條件、安全性和成本等諸多方面的限制，很難對此類反應設備中的料位做出精確的測量[1-2]。料位計按照測量方式可分為重錘式、雷達式、超聲波式及射線式等[1]。其中，以射線式為主的核子料位計相比其他料位計，不受粉塵、顆粒度、介電常數、溫度、潮濕度、掛料、電磁波、噪音等因素影響[3-7]。目前，某行業大范圍地使用人工填料的方式對某項澆筑設備進行物料裝填，而這種方式最大的缺點在于消耗大量人力及無法保證相關人員的人身安全。因此，如何在現有澆注裝備基礎上實現實時的非破壞式連續測量和非接觸測量，并且兼備高防爆系數和高測量精度等優點料位測量系統就成為迫切需要解決的問題。該設備應用的精度要求很高（高度誤差為±2 mm），需實現自動化的人機分離工作方式。目前，國內現有的料位計很難達到此應用的所有要求，因此還無法替代人工填料的方式。

針對該行業提出的具體要求，研究設計一款基于可控中子源的液面實時監控系統。該系統具備核子料位計的優勢，能夠替代人工填料的工作方式，實時監測并精準顯示物料液位。本研究擬利用蒙特卡羅[8-9]數值模擬方法，通過對輔助設備樣機的結構參數、屏蔽體材料、結構設計和輻射劑量等因素進行優化分析，從理論模擬上論證該檢測系統對澆筑設備的高精度液面實時監控的可行性。這項應用的前期理論研究對于后期實驗設計具有一定指導意義。

2 蒙特卡羅計算模型的建立

基于可控中子源的液面實時監控系統包含放射源、探測器及由前置放大器、主放大器、多道脈沖分析器與計數顯示等模塊組成的電子學儀表。整個檢測系統的工作原理是把測量平臺置于一個全自動的移動控制平臺，根據系統響應確定實時的液面位置，可以實現液面報警（已經到達某個高度）和液面尋找等功能。

依據中子輻射雙準直原理和實際澆注設備規格參數，建立液位檢測方法原理上的蒙特卡羅數值計算模型（如圖1、圖2所示）：以能量為14.1 Mev的D-T中子管作為中子源，以中子管為中心向四面八方發射快中子;中子管周圍采用屏蔽體組合的形式和開窗的手段，實現中子束的準直發射;澆注設備緊貼屏蔽體外側，由內到外依次為物料、一定厚度（10 cm左右）的不銹鋼環形圓柱、相當厚度的水層和水層外側的不銹鋼層;探測器一端采用屏蔽熱中子的材料作為屏蔽體、He-3管作為中子探測器，并采用同樣的開窗手段，與中子源一端開的窗對準。當液面與兩端開窗的中心連線對齊時記作液面對齊點。整個模擬過程是通過改變屏蔽體厚度、兩側開窗寬度、開窗錯位的程度、液面位置等，分別記錄探測器的中子計數。

2.1 液位檢測模擬與響應

針對圖1和圖2的系統圖，利用MCNP（Monte Carlo N Particle Transport Code）程序模擬計算不同結構參數對于中子計數的響應，并結合應用的特殊要求對各項結構參數進行把控及分析該檢測系統原理上的可行性。

2.1.1 液面位置響應

該液位檢測系統通過準直設計，使得由中子管出射的快中子集中于開窗口方向進入澆筑設備。進入澆筑設備的中子與周圍物質發生核反應，當物料液面上升到或者高于兩側開窗口連線（稱對齊基準線）時，受物料遮擋，開窗口方向上的中子更多地參與核反應使得中子數目減少，因此探測器端探測到該方向上的中子計數也會隨之降低。依據此原理模擬了同一條件下不同液面位置對中子計數的影響。

蒙特卡羅模擬條件如下：中子源計數為109，中子源端屏蔽體材料及厚度從里到外依次為5 cm厚的氧化釓（質量百分比為30%）+聚乙烯、5 cm厚的含硼聚乙烯（硼-10為7.68%）和1 cm厚的鉛，左、右開窗寬度均為2 mm。模擬計算液位對齊基準線，相對基準線上升2 mm、10 cm，相對基準線下降2 mm、10 cm的各能量段中子計數，計算結果如圖3所示。

計算結果表明：高能量段（1 Mev）中子計數對于不同液面位置有著明顯的區分，特別是對齊基準線上、下2 mm處也有一定的區分度，這剛好也符合此應用對于料位測量的高精度（±2 mm）要求。因此，該檢測系統在方法原理上具備高精度液位檢測的能力。

2.1.2 開窗寬度響應

研究系統結構參數對探測器中子計數的影響，提高檢測系統液位確定的精度。如圖4、圖5所示，模擬計算同一條件下不同開窗方案對于中子計數的影響，記中子管端屏蔽體開窗為左側開窗，記探測器端屏蔽體開窗為右側開窗。

對比圖3與圖4開窗方案的計算結果可以看出，右側開窗寬度越大，對于液位下降和對齊基準線的情況計數會有所提高，而液位上升的情況下，中子計數基本不變;對比圖4與圖5開窗方案的計算結果可以看出，左側開窗寬度越大，整體中子計數均有所增加。考慮到計數越大，系統的統計誤差就會降低，因此適當增加開窗寬度，可以增加探測計數，達到提高精度的目的。

2.1.3 開窗錯位響應

如圖2所示，理想狀態下左右兩側開窗的槽口是對齊的，即槽口中心連線在一個水平線上。由于槽口的寬度是毫米級的，因此兩側開窗的槽口位置要嚴格地控制。圖6模擬計算了兩側開窗錯開情況下的中子計數，結果表明：對于高能量段中子，兩側開窗相比對齊基準線細微的錯位都會對中子計數有所影響，因此需要克服這一工藝上的難點，以降低系統誤差。

2.1.4 屏蔽體厚度響應

屏蔽體厚度直接影響中子準直的效果[9]。中子準直的效果越好，液位探測結果就越靈敏。中子源端屏蔽體采用的是3層屏蔽體材料的組合設計，圖7、圖8模擬計算了3層屏蔽體（氧化釓+聚乙烯、含硼聚乙烯、鉛）不同厚度對探測中子計數的影響。

對比圖3、圖7和圖8，結果表明：屏蔽體厚度的減小使得探測計數變高，其中第一層屏蔽體厚度減小的影響要大于第二層的。此外，屏蔽體的厚度需要綜合考慮探測精度和輻射防護兩個因素，在保證探測精度的情況下選擇合適的尺寸。

2.2 屏蔽體設計與輻射劑量分析

2.2.1 屏蔽體材料選擇

本檢測系統探測的是中子計數，因此需要選擇合適的中子屏蔽材料。中子的屏蔽防護常采用石蠟、混凝土和金屬等作為主體材料[10-11]。在稀土元素中，釓的平均中子吸收截面為36 300 Barn，它通常以氧化釓的形式存在[12]。利用氧化釓良好的中子吸收性和耐高溫性，可將其用作中子管最里面一層的中子吸收材料。由于氧化釓是粉末狀，因此必須加入聚乙烯或者環氧樹脂才具備可塑性。圖9模擬計算了幾種材料的中子屏蔽效果，模擬條件為中子源計數為108，4種屏蔽材料分別為氧化釓、氧化釓+聚乙烯（PE）、含硼聚乙烯、鎢鎳鐵，厚度均為10 cm，探測器距離中子源40 cm。分別模擬計算每一種材料屏蔽下的中子探測計數。

從圖9可以看出，氧化釓與聚乙烯的混合材料相比其他材料，其屏蔽效果最好。由于聚乙烯含氫高，氫元素是快中子最好的減速劑，因此利用氧化釓這樣的中子吸收劑與減速劑結合，可以達到更好的屏蔽效果。

快中子與周圍物質作用，必然會產生次生伽馬射線。考慮到輻射防護，因此需要屏蔽伽馬光子。對于伽馬光子的屏蔽，鎢、鉛等重核金屬都有較好屏蔽效果[13-14]。圖10模擬計算了幾種材料屏蔽下的光子計數率。

從圖10可以看出：對于10 cm的屏蔽體，在高能區間（大于1 Mev）含硼聚乙烯和鎢鎳鐵材料屏蔽效果（光子計數低）最好，在中能區間效果最好的是鎢鎳鐵。

2.2.2 輻射劑量模擬計算

在射線裝置及放射性場所的防護設計中，既要考慮屏蔽材料對射線的防護效果，又要考慮屏蔽材料的體積、重量、結構穩定性及綜合成本[15]。前面提到，中子源端的屏蔽體采用的是組合設計，最里面一層的作用是屏蔽快中子（中子吸收劑、減速劑），第二層的作用是屏蔽熱中子，最外面一層的作用是屏蔽次生伽馬光子。設計的要求是需要以盡量小的屏蔽體尺寸達到輻射防護效果。

通過模擬計算輻射吸收劑量進一步優化每一層屏蔽體的厚度。模擬步驟為從第一層（最里層）屏蔽體開始模擬逐層設計，改變屏蔽體厚度及材料比例，統計不同距離處單位源中子的透射中子和透射伽馬射線在人體的吸收劑量。

圖11、圖12分別是第一層材料在距離中子源1 m處中子吸收劑量與總吸收劑量隨屏蔽體厚度的變化關系[圖11至圖15橫坐標為厚度（cm），縱坐標為吸收劑量（Sv/粒子）]。第一層材料采用的是氧化釓+環氧樹脂的混合材料，實際中需要加入適量固化劑進行固化。圖11和圖12中不同符號的曲線代表不同的氧化釓質量百分比的材料，總吸收劑量指中子與光子吸收劑量之和。

模擬結果表明：隨著氧化釓含量的增加，中子吸收劑量和總吸收劑量均呈現先減小后增加的趨勢;當氧化釓含量達到40%～50%時，吸收劑量達到最小;隨著屏蔽體厚度的增加，每種氧化釓材料下的吸收劑量均減小;對于中子吸收劑量，當屏蔽體厚度超過10 cm時，其減小的趨勢變得緩慢，當厚度達到15 cm以后，75%以下氧化釓比重的材料的吸收劑量降到最低且基本保持不變。

將第一層屏蔽體厚度定為15 cm后，模擬計算加入第二層材料后的吸收劑量。圖13為第二層材料（含硼聚乙烯）距離中子源不同位置處的總吸收劑量隨屏蔽體厚度的變化關系，圖14為距離源1 m處不同硼含量的含硼聚乙烯屏蔽下總吸收劑量隨屏蔽體厚度變化關系。

模擬結果表明：在第一層材料足夠厚（15 cm）的情況下，隨著第二層材料厚度的增加，總吸收劑量降低且變化緩慢;距離中子源越遠的位置受到的吸收劑量就越低;隨著第二層材料硼含量的增加，同一厚度條件下總吸收劑量降低，但降低程度不明顯。

將第二層屏蔽體厚度定為1 cm，模擬計算加入第三層材料（鉛）后的吸收劑量。第三層材料用來屏蔽伽馬光子，圖15為距離中子源不同位置處的伽馬光子吸收劑量隨屏蔽體厚度變化關系。從圖15中可以看出，伽馬光子吸收劑量隨鉛的厚度的增加而降低。

以15 cm氧化釓（40%）+環氧樹脂、1 cm含硼（10%）聚乙烯和1cm鉛用作組合屏蔽，相比無屏蔽狀態，模擬計算的總吸收劑量（距離中子源5 m處）從5.07×10-11Sv/粒子降到5.41×10-13Sv/粒子，下降了兩個數量級，有效地降低了輻射。

綜上所述，利用蒙特卡羅模擬對基于可控中子源的液面實時監控系統進行初步的理論分析，得到以下幾點認識：該檢測系統能夠檢測到具有一定厚度鋼板層和保溫水層的澆筑設備內的液面位置，具體表現在對齊基準線上下2 mm時的高能量段中子計數差異，理論上符合此應用的高精度要求。？譺？訛為提高探測計數降低統計誤差，在系統結構參數上可以適當增加開窗寬度和減小屏蔽體尺寸。兩側開窗細微的錯位會影響探測計數，因此需要在設計加工和實驗中考慮這一點。經過3層屏蔽體相關的模擬計算，得出初步的屏蔽體設計思路：第一層材料最為關鍵，選用40%～50%的氧化釓含量、10～15 cm的厚度為合適;第二層材料為含硼聚乙烯，更高的硼含量和更大的材料厚度有利于輻射劑量的降低;第三層材料為鉛，其厚度越大越利于降低伽馬射線吸收劑量。考慮到屏蔽材料的體積、重量及系統其他結構參數對系統探測精度和工藝的影響，需要在保證系統探測精度的情況下，配合具體實驗進一步改進MCNP程序和確定最優結構參數及材料成分配比，同時將輻射劑量控制在安全范圍內。

3 結語

通過蒙特卡羅數值模擬方法對基于可控中子源的液面實時監控系統初步的模擬研究，從理論研究上證明了該系統依據物料遮擋中子射線而導致探測計數率變化追蹤料面位置的設計具有一定的可行性。系統中開窗寬度、開窗位置和屏蔽材料種類對探測器中子計數率，屏蔽材料種類、尺寸及組合方式對輻射劑量均有不同程度的影響，因此后期實驗設計中需要考慮這些因素。

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