使用PHITS软件研究热中子、表生中子和快中子与含碲（Te）玻璃的相互作用特性

辐射防护材料中子衰减特性研究基于PHITS 3.35模拟，系统评估了16种TeO2基玻璃（如TeBiZn、TePbEu、TeTi等）对热、epithermal和快中子的屏蔽性能，发现TeBiZn在快中子防护最优，而TeTi性能最差。

　　

Murat AYGüN|Zeynep AYGüN

土耳其比特利斯埃伦大学艺术与科学学院物理系，13000比特利斯

摘要

在材料研究和辐射物理学领域，对高水平辐射防护材料的需求日益增加。辐射与物质之间的相互作用之一就是中子与物质的相互作用。为了选择最合适的防护材料，必须详细了解材料的 neutron 减弱特性。在这方面，我们研究了基于碲的玻璃对热中子、中温中子和快中子的辐射屏蔽性能，这些玻璃的成分包括 60TeO₂–20Bi₂O₃–10B₂O₃–10ZnO、10WO₃–10MoO₃–80TeO₂、20WO₃–60TeO₂–20PbO、61.6TeO₂–38.4ZnO-4NiO、55TeO₂–25B₂O₃–20Bi₂O₃、15B₂O₃–60TeO₂–25PbO、50TeO₂–15Na₂O-15ZnO-17PbO-3Eu₂O₃、60TeO₂–20ZnO-4BaF₂–14BaCO₃–2Tm₂O₃、12Bi₂O₃–8BaO-12ZnO-0.5CeO₂–17.5SiO₂–10B₂O₃–40TeO₂、33.5TeO₂–30B₂O₃–20BaO-10ZnO-5La₂O₃–1.5Dy₂O₃、38.5TeO₂–30P₂O₅–20ZnO-5Sb₂O₃–5Li₂O-1.5Dy₂O₃、60TeO₂–12.5Nb₂O₅–12.5ZnO-10LiF-5Pr₂O₃、90TeO₂–10TiO₂、82.5TeO₂–10TiO₂–7.5WO₃、20P₂O₅–30TeO₂–30ZnO-20CdO、20P₂O₅–30TeO₂–20ZnO-30CdO。使用 PHITS 3.35 计算了这些玻璃的透射率、总宏观截面和平均自由路径。同时还确定了反应速率、半值层和第十值层。这些研究结果为了解基于碲的玻璃在中子（热中子、中温中子和快中子）束照射下的屏蔽能力提供了有用的信息。TeBiZn 玻璃对快中子的屏蔽效果较好，而 TeTi 玻璃的屏蔽效果较差。研究发现，对于热中子，TePCd 玻璃的屏蔽能力最强（∑t = 16.8967），对于中温中子，TePbEu 玻璃的屏蔽能力最强（∑t = 7.24064）；而 TeTi 玻璃对热中子（∑t = 0.30013）和中温中子（∑t = 0.23808）的屏蔽能力最弱。

引言

在中子衰减现象的深入理解对于核辐射防护至关重要。这是因为中子衰减的应用范围非常广泛，包括但不限于：中子成像、中子捕获疗法、核电站和元素分析。由于中子通过与原子核的独特相互作用方式，中子屏蔽的概念本质上非常复杂。这一特性使中子能够在不发生偏转或吸收的情况下穿过多种材料。因此，这些材料可能与材料和辐射危害相关联，高剂量中子辐射的暴露会导致组织损伤症状，如急性呕吐、皮肤烧伤和癌症的发生 [1]。基于此，开发了用于中子防护领域的各种材料。

玻璃在科学领域是一个备受关注的研究对象，许多科学家致力于了解其基本特性和未来应用。玻璃作为辐射屏蔽材料的有效性取决于其高透明度，这一特性在该领域尤为重要。这一特性使得玻璃能够集成到特定应用中，主要用于制造在放射干预期间保护面部和周围区域的面罩，以及设计放射室的内部和外部窗户。玻璃由多种成分制成，从而具有不同的特性和广泛的应用领域。与其他氧化物相比，基于 TeO2 的玻璃表现出优异的线性和非线性光学特性、高稀土离子溶解度以及低声子能量。研究表明，与铅及其化合物相比，TeO2 玻璃的毒性较低，这增加了其在医疗和牙科应用中的使用可能性 [2]。最近的研究重点在于制备硼碲酸盐玻璃，这是通过结合传统的玻璃形成剂（B2O3）和条件性玻璃形成剂（TeO2）实现的 [[3], [4], [5], [6]]。这是由于这些材料表现出较高的折射率和增强的光学非线性。碲（Te，Z = 52）是周期表第 5 周第 16 族的一种元素，它部分具有金属特性，部分具有非金属特性。基于碲的玻璃（TeBGs）展示出一种新型玻璃类别，具有不同的浓度特性。在这方面，碲化物玻璃在低温（550–750°C）下能够获得高光学清晰度和高密度 [[7], [8], [9]]。此外，TeBGs 对光纤和尖端技术中的智能设备也有益处 [9]。在玻璃制备过程中，TeO? 被视为一种独立的玻璃形成剂，尽管添加重金属氧化物或碱可以增强其形成能力。添加重金属氧化物如 WO3、PbO、Bi2O3 或 CeO2 可以提高玻璃的化学稳定性、断裂韧性、弹性模量和辐射屏蔽性能 [10]。添加 Li2O、Na2O、ZnO 和 BaO 等玻璃改性剂可以作为条件性玻璃形成剂，促进玻璃的形成过程。碱的加入可以降低玻璃的非晶结构，从而降低其结晶度。此外，碱还对玻璃的物理和光学性能有影响 [11]。硼酸盐化合物在量子电子学、非线性光学、激光技术、剂量测量、热释光和闪烁体检测等领域被证明是一类有前景的材料 [12], [13], [14]。掺杂和未掺杂的硼酸盐化合物与稀土和过渡元素的结合在这些领域的进步中发挥了重要作用 [10,15,16]。Do?ru 等人 [15] 表示，向 TeBiTm 玻璃中添加 Tm2O3 可以降低快中子的有效去除截面。Solak 等人 [10] 指出，TePbCeW 玻璃系统的有效中子捕获截面高于水的捕获截面。某些稀土金属，包括钆（Gd）、钐（Sm）、钇（Yb）和欧铕（Eu），表现出较高的热中子捕获截面。这种现象归因于它们的同位素和结构特性，这些特性使得中子通过核共振和低能相互作用被捕获 [17]。

我们研究中研究的 TeBGs 在光学、激光、热释光、医学和剂量测量等领域有多种应用。它们的结构、光学和伽马屏蔽性能已得到初步研究。在这项研究中，我们全面分析了这些玻璃对热中子、中温中子和快中子的相互作用特性，这些内容在文献中尚缺乏。我们进行了基于模拟的比较研究，旨在将所得结果贡献给学术界。为此，我们使用 Monte Carlo Simulation PHITS 3.35（粒子和重离子传输代码系统）代码研究了十六种不同类型 TeBGs 的中子屏蔽性能。计算并比较了中子透射率（I/I₀）、总宏观截面（∑t）、平均自由路径（MFP）、第十值层（TVL）、半值层（HVL）和反应速率（RR）。此外，还展示了具有最佳中子屏蔽效果的 TeBG。

材料定义

在这项研究中，我们研究了十六种不同的 TeBGs，其成分包括 60TeO₂–20Bi₂O₃–10B₂O₃–10ZnO、10WO₃–10MoO₃–80TeO₂、20WO₃–60TeO₂–20PbO、61.6TeO₂–38.4ZnO-4NiO、55TeO₂–25B₂O₃–20Bi₂O₃、15B₂O₃–60TeO₂–25PbO、50TeO₂–15Na₂O-15ZnO-17PbO-3Eu₂O₃、60TeO₂–20ZnO-4BaF₂–14BaCO₃–2Tm₂O₃、12Bi₂O₃–8BaO-12ZnO-0.5CeO₂–17.5SiO₂–10B₂O₃–40TeO₂、33.5TeO₂–30B₂O₃–20BaO-10ZnO-5La₂O₃–1.5Dy₂O₃、38.5TeO₂–30P₂O₅–20ZnO-5Sb₂O₃–5Li₂O-1.5Dy₂O₃、60TeO₂–12.5Nb₂O₅–12.5ZnO-10LiF-5Pr₂O₃、90TeO₂–10TiO₂、82.5TeO₂–10TiO₂–7.5WO₃、20P₂O₅–30TeO₂

结果与讨论

透射率、总宏观截面、HVL、MFP、TVL 值和 RR 是通过 PHITS 模拟估算的。在模拟中，向被研究的 TeBGs 发射了 10⁷ 个具有快中子、中温中子和热能的中子。

首先，我们研究了低能热中子和中温中子与 TeBGs 的相互作用。图 2 中给出了表现出良好屏蔽效果的热中子和中温中子的透射率。

结论

在本研究中，我们研究了由 60TeO₂–20Bi₂O₃–10B₂O₃–10ZnO、10WO₃–10MoO₃–80TeO₂、20WO₃–60TeO₂–20PbO、61.6TeO₂–38.4ZnO-4NiO、55TeO₂–25B₂O₃–20Bi₂O₃、15B₂O₃–60TeO₂–25PbO、50TeO₂–15Na₂O-15ZnO-17PbO-3Eu₂O₃、60TeO₂–20ZnO-4BaF₂–14BaCO₃–2Tm₂O₃、12Bi₂O₃–8BaO-12ZnO-0.5CeO₂–17.5SiO₂–10B₂O₃–40TeO₂、33.5TeO₂–30B₂O₃–20BaO-10ZnO-5La₂O₃–1.5Dy₂O₃、38.5TeO₂–30P₂O₅–20ZnO-5Sb₂O₃–5Li₂O-1.5Dy₂O₃、60TeO₂–12.5Nb₂O₅–12.5ZnO-10LiF-5Pr₂O₃、90TeO₂–10TiO₂、82.5TeO₂–10TiO₂–7.5WO₃、20P₂O₅–30TeO₂–30ZnO-20CdO 组成的 Te 基玻璃对热中子（0.0253 eV）、中温中子（0.4 eV）和快中子（1, 3, 5, 7 和 10 MeV）的屏蔽性能。

数据声明

数据可应要求提供。

CRediT 作者贡献声明

Murat AYGüN：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，研究，概念化。Zeynep AYGüN：撰写