[论文解读] Neutronic Analysis of a Nuclear-Chicago NH3 Neutron Howitzer

Ahmet Ilker Topuz, İskender Atilla Reyhancan|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2018

Nuclear Physics and Applications参考文献 16被引用 5

一句话总结

本研究采用MCNP5蒙特卡罗模拟，对Nuclear-Chicago NH3中子炮进行了详细的中子学分析，使用5-Ci的239Pu-Be中子源。研究表征了水平辐照通道中的中子通量分布，显示通过有机玻璃棒后仍存在显著的热中子和快中子通量，通量在10 cm距离内降低约1000倍，从而实现了跨能量谱的多功能中子活化分析。

ABSTRACT

Neutron howitzers are the irradiation instruments, generally used for the chemical analysis in the research laboratories, where the neutron sources are encapsulated within a moderating medium and the target materials are irradiated at the channels inserted through the corresponding neutron sources. In this study, we employ Monte Carlo simulations by using the MCNP5 code in order to perform the neutronic analysis of a Nuclear-Chicago NH3 neutron howitzer with a 5-Ci 239Pu-Be neutron source. This neutron howitzer is a cylindrical drum that is covered by aluminum at the level of outermost layer, and the cylindrical body is installed with paraffin for the neutron moderation. The drum consists of two vertical and two horizontal irradiation channels and a vertical source channel in which the 5-Ci 239Pu-Be neutron source is located and moved upward or downward by the aid of a plexiglass rod. We focus our study on the two horizontal irradiation channels, separated by an angle of 120o, which are installed with a cylindrical plexiglass bar. We construct our geometry by respecting the dimensional properties of the NH3 howitzer components and we define a biased cylindrical source of 1.02 in.x 4.425 in. by taking into account the neutron energy spectrum and source strength of the 5-Ci 239Pu-Be neutron source. We determine the neutron flux within the plexiglass bar for various energy bins in the energy range between 0 and 10.5 MeV, and also, we investigate the axial variation of the neutron flux along the plexiglass region in the horizontal irradiation channels. Our simulation results show that a significant number of thermal neutrons as well as a non-negligible population of fast neutrons propagate through the plexiglass bar, thereby demonstrating the opportunity to product from a wide range of energy spectrum for the neutron activation analysis.

研究动机与目标

• 评估Nuclear-Chicago NH3中子炮水平辐照通道中的中子通量分布，以用于中子活化分析。
• 研究中子通量在水平光束口有机玻璃棒轴向方向上的变化。
• 量化辐照区域中热中子、超热中子和快中子的贡献。
• 评估有机玻璃材料在光束通道中对中子通量的衰减能力。
• 为实验室规模的活化应用提供基于模拟的详细中子学表征。

提出的方法

• 采用MCNP5蒙特卡罗代码对NH3中子炮的三维中子学模拟，使用完整组件尺寸的几何模型。
• 构建了一个偏置的圆柱形中子源（1.02英寸 × 4.425英寸），匹配5-Ci 239Pu-Be中子源的能量谱和强度。
• 在关键传输区域（中子源通道、石蜡慢化剂和水平通道）采用几何分割与俄罗斯轮盘法，以提高中子追踪效率。
• 在水平辐照通道的轴向长度上布置点探测器，记录多个能量区间的中子通量（0–10.5 MeV）。
• 分别计算总通量、未碰撞通量和碰撞通量在热中子、超热中子和快中子能量组的贡献。
• 采用PNNL手册中的精确材料组成数据（石蜡、有机玻璃、铝等）用于模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 NH3中子炮水平辐照通道中，特别是在有机玻璃棒内部，中子通量的轴向分布如何？
• RQ2 在水平光束口的辐照区域，热中子、超热中子和快中子通量如何比较？
• RQ3 有机玻璃棒对中子通量的衰减程度如何？这对活化分析可用中子谱有何影响？
• RQ4 未碰撞中子与碰撞中子在辐照区域的相对贡献是多少？
• RQ5 NH3中子炮是否能在宽广的能量谱范围内提供可用通量，从而支持多能量中子活化分析？

主要发现

• 水平辐照通道表现出显著的热中子通量，且在10 cm轴向距离内保持相对稳定。
• 在有机玻璃棒中仍存在不可忽视的快中子群体，表明具备快中子活化分析的潜力。
• 快中子通量迅速衰减，在有机玻璃棒前几厘米内降低超过三个数量级。
• 有机玻璃棒将初始中子通量降低约1000倍，证明其具有良好的屏蔽和通量慢化能力。
• 轴向通量分布显示存在稳定的热中子通量区域，支持实验室规模活化实验的稳定辐照条件。
• 模拟结果证实，由于光束口存在宽广的能量谱，NH3中子炮具备开展多能量中子活化分析的可行性。