亚洲中子照像装置的当前水平和发展远景

Hisao Kobayashi 日本Rikkyo大学原子能研究所

1. 引言

　　参考文献[1-3]全面回顾了世界上的中子准直器的设计和制造。日本的中子照像装置经常在世界中子照像会议录中发表[4-6]。美国Argonne国家实验室的Imel教授一直在统计世界上的中子照像装置，并在不久的将来将把这些资料储存在Internet (世界范围网络)中[7]。
　　但是，亚洲国家只写了几篇文章零星地刊载在上一届世界中子照像会议录中。1995年11月12~18在Rikkyo大学召开了第二届关于中子照像系统设计和特性专题会议，会上有9篇文章介绍亚洲的中子照像装置。但是，因为这些报告不是刊登在有关专业的特种发行物中，所以本文将简短地总结这些装置的概貌。
　　事先，组织委员会从专题会议的参加者手中也收集到几张中子照像装置的数据表，并交与Abstract Book印刷。在本文中，把亚洲中子照像装置的基本特性汇编在一张表上，在比较已报道的中子照像装置的数据后，重点讨论改进束特性的可能性。
　

2. 专题会议上亚洲科学家报告的中子照像装置

2.1孟加拉国
　　1989年，孟加拉国在Saver Dhaka的原子能机构的培训研究和同位素生产的普通反应堆(TRIGA)Mark-II (250kW)的切向束口，安装了中子照像装置。该装置由15厘米长的铋过滤器和入口及出口直径分别为5厘米和10厘米、长120厘米的圆筒形发散准直器构成。进一步说，由束阻挡器、样品台、摄像托架和束收集器构成。测得热中子通常是1.13×10⁶中子/厘米²秒，镉比是10.5，γ剂量是0.50毫拉德/秒，在束截面中心，中子与γ的比是2.23×10⁶中子/厘米²毫拉德。这种准直比为60的中子照像装置在最佳的样品位置上计算的束截面直径为30厘米。

2.2印度尼西亚
　　印度尼西亚的原子能机构有三个研究反应堆：万隆的1MW TRIGA II反应堆，Yogyakarta的250KW TRIQA II反应堆和建在Serprong的30MW多用途反应堆，这个堆是水池型的，定名为MTR-30或RSG-GAS。在每一个堆上都安装有中子照像装置。RSG-GAS上有两个中子照像装置，中子准直器是RSG-GAS的S-2型切向束管(图1)，再设计后，它的L/D的值从原来的180降低到83。直径21厘米和厚8.6厘米的铅过滤器插进切向束管道孔的进口端，测量发现成像位置上的中子通量是1.5×10⁷中子/厘米²秒，涨落在+16%和-35%范围，镉比是6±1。

图1 印度尼西亚安装在RSG-GAS内的新形准直器结构图2 朝鲜HANARO反应堆上的发散型准直器

图2 朝鲜HANARO反应堆上的发散型准直器

2.3朝鲜
　　朝鲜已经设计了中子照像装置，正在制造并将安装在Taejon的新型研究反应堆HANARO上。该反应堆是用了一根LWR-HWR混杂芯的开槽池式反应堆。LWR型内芯用轻水冷却和慢化，而HWR型外芯用轻水冷却，重水慢化。为了中子照像，让七根水平束管中的一根(图2)从重水反射器伸进切向几何体，中子束入口用三张1厘米厚的经烧结的碳化硼板制成，其孔径为2.5厘米，用一张8厘米厚的单晶铋过滤器改进热中子与γ射线的比，束孔给出的准直比在两个爆光面上是191和271。从束管头上计算的热中子通量4.3×10¹³中子/厘米²秒，预计成像平面上，镉比为120的热中子通量为10⁷中子/厘米² 秒。

2.4马来西亚
　　马来西亚的中子照像研究是在建造了1MW的研究试验和同位素生产的普通反应堆(TRIGA) Mark-II之后才开始的，称为NUR-1的试验型中子照像装置1983年安装在1号束通道处(图3)。获得重要参数后，1985年，在三号切向束通道处安装了NUR-2照像装置(图3a)。NUR-2的几何参数L、D和L/D分别是200厘米、5.4×5.4厘米(正方形)和37(在垂直和水平方向上)，在束通道上安装有铋过滤器。在750KW下，测得热中子通量是1×10⁵中子/厘米²秒，但根据核反应堆燃料的位置，这个值可增加到1×10⁶中子/厘米¹²秒。

图3 马来西亚在MINT反应堆上的中子照像装置。左面，MINT反应堆的截面图，右面，中子照像装置的主体

2.5巴基斯坦
　　在PINSTEC建成的巴基斯坦一号研究反应堆是一个源强为10¹³中子/厘米²秒的10MW轻水慢化池式反应堆。用六号径向束通道作中子照像装置。厚48厘米的石墨块和厚25厘米的铋过滤器装在束通道外面，以分别慢化和热化快中子并滤除高能g 射线(图4)。孔直径是3厘米，准直比为60。为了得到均匀的中子束，放15厘米厚的石墨块把孔和慢化块隔开。在样品平面上，热中子通量和γ射线剂量分别是3.3×10⁵中子/厘米²秒和2.62拉德/小时，镉比为18。

1. 石墨150吨 2. 石墨块孔(φ30) 3. 铋塞子250吨 4. 铋环和铅环 5.6. 混凝土 7. 准直器 8. 束快门 9. 束捕集器图4 巴基斯坦研究1号反应堆上的中子照像装置

2.6中华人民共和国
　　以能够产生10¹⁰中子/秒(14MeV)的密封管中子发生器为基础的小型中子照像系统，已在中华人民共和国的东北师范大学设计和研制出来(图5)。1毫米厚的镉皮作发散准直器的套筒装在轴线方向上，入口直径是2.8厘米，L/D是18。当中子管的靶和中子发射面之间的距离是2.5厘米时，热中子通量大约为4×10³中子/厘米²秒，镉比是2.0，中子与γ射线的比是7.5×10⁴中子/厘米²毫拉德。

1.聚乙烯 2.石蜡 3.铅 4.准直器 5.密封管中子发生器 6.石蜡与硼酸的混合物 7.镉板 8 变压器油图5 中国东北师范大学的中子照像装置的截面图

2.7菲律宾
　　菲律宾正在考虑用改进后的3MW TRIGA 1号研究反应堆的8英寸(20.3厘米)束通道安装中子照像装置。准直器的详图如图6所示。一个2.5厘米厚，直径15厘米的铋过滤器放置在准直孔的入口，以衰减来自中子束的g 辐射。准直器管道用2.5厘米的B4C环状圆盘和总厚度达22.9厘米的环状铅块构成，前者的外径与铋过滤器相同，但孔径为6.73厘米。从该孔入口到中子照像探头的距离为304.8厘米，L/D为45。

图6 菲律宾的PPR-1M反应堆上准直器装置的剖视图

2.8泰国

图7 泰国TRR-1/M1反应堆上的中子照像系统的准直器

　　1962年泰国的研究反应堆就作材料试验堆用，并改进为TRIGA Mark-Ⅲ反应堆，允许功率达2MW。称这反应堆为TRR-1/M1，在它的一个径向束通道上设计、制造和安装了中子照像装置。该装置由长20厘米的石墨块、长20厘米的铋过滤系统、5×6厘米的矩形孔、7块碳化硼铝制成的孔为矩形，长为130厘米的第一段准直系统、硼酸盐处理过的石蜡构成的94.5厘米长的第二段准直器、铝屏蔽、束快门、样品台、生物屏蔽和束捕集器构成(图7)。准直器的束出口尺寸为14×16厘米²。500KW时，样品位置上的热中子通量和中子与γ的比分别为10⁵中子/厘米² 秒和10⁵中子/厘米²毫拉德的量级。

2.9越南
　　1987年，应用Dalat反应堆的切向水平通道建立了中子照像装置，外准直器为圆形，直径8厘米，长119.4厘米，安准在同样直径的长为150厘米的圆形水快门的外面(图8)。在圆形外准直器中，用达100厘米的单晶硅作热中子过滤器。石墨和铅过滤器都为5厘米宽，它们装置在水快门的入口处。根据硅过滤器的厚度，L/D的值在46到60之间。照像位置在离圆形外准直器150厘米的屏蔽室中。在这位置上，有用的面积是12厘米 12厘米。中子通量是2.5×10⁶中子/厘米²秒，镉比120，γ射线剂量0.2拉德/小时。

图8 越南Dalat-TRIGA-II反应堆中切向束入口的中子束装置的剖视图

2.10 日本
　　日本用五个研究反应堆，两个回旋加速器和一个锎中子源安装十四个中子照像装置。有关情况，在其它地方[4-6]作了详细报道，表2作了小结。

2.11其它亚洲国家及地区
　　除了以上提到的九个国家外，从中国台湾、印度和伊朗收到的文章也附印在这个特殊出版物中，但其中只讲了部分细节。

3. 亚洲国家中子照像装置的提要

　　详述一个中子照像装置主要通过以下几个方面来介绍：1.中子照像装置的名称，2.中子源的类型，3.中子束特性，4.由材料、反射器的大小和温度、慢化器和过滤系统限定的束形成方法，5.准直器和辐照装置的几何参数，6.成像和分析装置等。用来说明中子照像装置性能的参数小结在表1中。这些参数与专题会议数据表上所列的项目是相同是。表中，很重要和较为重要的参数分别用⊙和○表示。表1中子照像装置的特性

名称	项目	重要性	名称	项目	重要性
1装置 2中子源 3中子束	编号国家装置名称源的类型功率/电流等源强Φs 通量Φo 中子-γ比镉比 L/D L(厘米) D(厘米) F*值辐照区域(厘米) 散射分量能谱	○ ⊙ 　 ⊙ ⊙ ○ ⊙ ○ ⊙ ⊙	4束的成形 5束的几何形状 6成像装置　　　　 7其它　　　 8杂项	反射器慢化器过滤器(材料厚度) 在束道上充入的气体孔的形状和大小允许样品的大小转换器和胶片电成像数据处理机等光密度计束快门束捕集器生物屏蔽样品机械手接触人员来源和传真/电报	○ ⊙ 　 ○

　　　　　　* 这里定义为：F=(4L/D)2(F s/F o)

　　对于高质量的成像，注量需要大于10⁹中子/厘米²，因此中子通量是最重要的参数。
　　在物体与成像装置之间的距离l(<<L)的情况下，对于能用l(L/D)近似一定的L/D场合，由于几何体的污染，成像质量的恶化是不可避免的，因此较小的L/D，在成像上更模糊。
　　除了模糊之外，像的大小根据l和L放大，放大倍数由L/(L-l)决定。校正系数对于尺寸测量是最重要的质量指标。
　　最近，在宏观截面测量，计算断层X射线照像等方面，正在精心研究透射强度。在这种情况下，评估和校正包括g 射线本底的散射分量都是重要的。用过滤系统作特别调制后的能谱是决定透射量的另一个重要参数。
　　因此，表1中所指的重要程度与常规的稍有不同。例如，中子与γ射线的比和镉比在很多中子照像装置中都经常提到，但是，这些参数至少对于热中子照像，较之通量、几何参数、散射分量是不重要的。假如由这两个参数确定的分量存在，也会通过散射分量的相减过程自动地转化为本底[13]。
　　就中子源而言，亚洲13个国家和地区的科学家们在数据表中报道了17个研究反应堆(包括日本有11支束输出的5个反应堆)、5个以中子发生器为基础的加速器(日本有2个)和一个锎中子源。表2汇编了数据表中的重要参数。同时还包括日本8个研究所研制的14种中子照像装置。由于登载的数量很大，该表分成两部分。系统特性拦分成与前表相应的六项，表2-2给出了解准直器基本特性需要的重要数据和有关束成形、束尺寸和现成的成像器件的详细资料。前面介绍的中子照像装置中有些重要数据与表中的不一致。在这种情况下，该表中所列的以他们在会议录的文章所介绍的为根据。�
　　可惜表2中所列的亚洲国家和地区的中子照像装置的数据是不完整的。例如，在印度尼西亚的研究反应堆上，安装了两个以上的中子源。印度有两个中子照像装置，在台湾[14]有安装一个中子照像装置的零能反应堆(ZPRL-30KW)。中华人民共和国至少有三个中子照像装置。澳大利亚在UTR-100反应堆上安有中子照像装置[15]等。这个不足之处，不久将要消除。
　　除表2中的资料以外，在专题会议上，从其它国家来的代表介绍了六种很有趣的中子源，即加拿大的20KW SLOWPORK-2、法国固定的DIANE密封管中子发生器、匈牙利的10MW VVRS-M、瑞士的SINQ散粒中子源和美国250KW NRAD和2MW VUAR NRF[8]。但因篇幅有限，表中未列它们。

4. 中子照像装置的评价和讨论

　　亚洲中子照像装置中的中子通量和准直比L/D，相对从表2所列的反应堆功率、中子源强度和几何长度所推算的似乎是很低的。比较日本、美国、加拿大和欧洲国家中子照像装置上的通量，将来发展的趋势就明显了。这各趋势用厚度不适当的材料(表2)，过滤系统中有大量的中子损耗来解释。但是，对于使用不同中子源的中子照像装置，用一定的参数，很难比较其性能。为了比较各种装置，提出了一个新参数，即由取出中子强度计量的总功率。这个新参数对于比较不同结论的中子照像装置应该是有效的。
　　众所周知，用孔上的入口强度和L/D值建立的Φo=Φi/(4L/D)²的关系[1]，能够表示准直器出口的中子通量Φo。这里，为了简诘起见，忽略了充入准直器中的气体引起的传输损耗，通常输入口的通量强度Φi是不知道的，但是很多研究反应堆的源强F s是一定的，为了计算Φi和Φo两个值，从以上Φi与Φ3的比便可定义频率参数F，它等于：

F=(4L/D)²(Φo/Φs)　　　　　　　　　　　　　(1)

　　这里把F称为优良度。从表2第二栏第三列称中子束的数据很容易知道这个值。根据定义可知，F的最大值是1，当其能够估计或测量到孔入口的Φi和准直器无强的损耗时，便可预计该值大小。例如在20号UTR-kinki上，F的值在百分i几十的试验误差内接近等于1。在这种情况下，Φs不是在堆芯的位置上测量的，而是在源的位置上测量的。然而由于反射体和慢化器上的中子衰减损耗和几何体上的损耗，表2中表示的Φ0几乎都低于Φs，因此虽然用的无过滤器的准直器，F的值仍小于1。事实上，表2表明，没有过滤器的准直器的F值根据慢化器和反射器的结构介于0.2和0.5之间。
　　在日本的中子照像装置中，KUR/E2和RUR/V的F值与其它装置的相比，一个是相同的量级，一个要低得多，其原因如下，前者是因为E2入口从放在靠近反应堆芯一侧的大型D₂O容器的切向引出，预计在D₂O容器中，在E2的入口位置上，有很大的损耗。后者是因为垂直管的入口孔放在反射器环的顶端，预计这里中子强度比RUR/N₂那种反射器内部的中子强度低。
　　加速器的源强一般用中子/秒表示。这里，假设1cm²表面的球形源也可应用公式(1)，但是源的体积与反应是很不相同的。因此，加速器的F值不应该直接与反应堆相比。
　　如表2所示，亚洲的几种中子照像装置与许多没有过滤器系统的中子照像系统比较时，F值极低。假如用了适当材料和适当厚度的过滤器，又可得到足够的生化屏蔽，预计有很高的中子强度或者很高的L/D值。细粒X射线胶片和钆转移器结合起来是最常用的成像系统，而且与中子有关的γ射线只有很低的灵敏度。而且在高于0.1eV的能量范围，由于钆转换器的截止特性，系统不受中子的影响。在这种情况下，加大过滤不是重要的，相反对热中子照像是有害的，例如，假设中子源的强度为1×10¹³中子/厘米² 秒，F=0.2，不要过滤器和安装适当的孔，预计装置的束，当L/D=300时有1×10⁶中子/厘米²秒的通量，L/D=100时，有1×10⁷中子/厘米²秒的通量。

5. 总结

　　本文报道了亚洲13个国家和地区的照像中子源，其中有17个研究反应堆(日本占5个)、加速器型的中子发生器(日本占2个)和一个锎中子源。表2总结和汇编了这些亚洲国家和地区的中子源和日本8个研究所研究的14种中子照像装置的特性。这些重要数据是从提交专题会议的数据表中摘录的。
　　在研究中，把中子照像系统的复杂特性与一个简化参数进行比较。用这个新参数即F值衡量，这些中子照像装置，发现很多中子照像装置的F值极低。
　　对热中子照像来说，中子通量和L/D的值都是很重要的参数。但是两个参数都彼此自相矛盾。假如知道源强Φs，F的值又能假设，公式(1)在设计中子照像装置期间，在自相矛盾的局限内，在评估这两个参数上是有用的。对热中子照像而言，中子与γ射线比和镉比都是欠重要的。文中提出，一些亚洲装置，从仔细考虑孔和准直器的结构入手，有大力改进中子效率的潜力。

黄华国译　　吴保昌校