《Applied Radiation and Isotopes》：On-Demand Neutron Field Customization via Multiple Neutron Source Assemblies
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多端口中子源系统通过紧凑型高电流D-D中子发生器协同调控热中子（0.5-10 keV）和快中子（>10 keV）端口，实现能谱与空间流分布的灵活定制，Geant4模拟证实其可连续覆盖热至快能谱并提升辐照均匀性，为精准中子活化分析和动态成像提供新平台。
T.H. 张 | M. 张 | X. 曹 | Y.L. 葛 | W. 马 | L.P. 邹 | Z. 杨 | L. 陆
中山大学中法核工程与技术研究所，中国珠海 519082
摘要
传统的中子辐照场在动态调整光谱特性和空间通量分布方面存在固有的挑战。本研究提出了一种基于紧凑型高强氘-氘（D-D）中子发生器的多端口中子源系统，通过协调调节 epithermal（0.5 eV-10 keV）和快中子（>10 keV）端口，实现了高度可定制的中子能谱和精确的通量分布控制。Geant4 模拟表明，独立的中子减速剂组件（NMA）设计和每个端口的中子产量调整使得从 epithermal 到快中子范围的连续光谱分布成为可能，克服了传统中子源的固定光谱限制。虽然六端口配置显著提高了大体积样品的辐照均匀性，但对称的多端口排列通过 NMA 协同效应改变了混合光谱特性，增加了快中子成分——这种光谱梯度变化既给剂量计算带来了挑战，也为均匀材料辐照应用带来了新的机会。该系统在中子活化分析和动态中子成像方面的独特优势源于 D-D 发生器的产量可控性、分布式模块化设计以及针对每个端口的特定光谱整形能力。在当前紧凑型 D-D 中子发生器发展的基础上，这项工作为精密中子科学研究提供了一个创新的技术平台。
引言
中子是电中性的粒子，具有磁矩和自旋角动量，使其成为研究材料微观结构和动力学的理想探针[1]。因此，它们在多个学科中得到了广泛应用。然而，随着基于中子的技术的发展，传统的通用中子源越来越无法满足对定制化中子能谱和辐照场几何形状的日益增长的需求。
例如，在多模式中子活化分析（NAA）中，研究人员需要从多个角度同时进行中子辐照，以减轻导致样品活化不均匀的自屏蔽效应[2]。此外，结合多个覆盖不同能量范围的中子源可以产生宽谱中子辐照场，从而能够同时区分轻元素和重元素。
在医学应用中，采用多个独立控制的中子源的多源方法可以通过调整每个源的输出比例来实现精确的通量分布，从而最小化生产医疗同位素过程中的附带损害[3]
。
这些例子突显了宽谱、多源混合中子场的独特优势，它们在研究和工业应用中提供了更高的灵活性、精确性和效率[4]
获得多源混合中子场可以通过多种方法实现，其中使用多个同位素中子源的方法是最常见的选择[5]。然而，这种方法受到同位素中子源固有缺点的限制，包括通量低、无法精确控制辐照强度以及半衰期缩短后的输出衰减。因此，这种方法仅适用于特定的实验场景，缺乏进一步发展成通用仪器的潜力。更常见的做法是在反应堆中使用多芯燃料棒阵列来生成宽谱复合中子场，这可以满足材料辐照和中子活化分析的需求[4]。大多数用于材料辐照的研究反应堆都是热中子反应堆，例如美国的麻省理工学院反应堆（MITR）和中国的中国先进研究反应堆（CARR）[6], [7]。这些反应堆的中子发射位置是固定的，需要调整减速剂结构设计以实现具有特定形状和能量谱的中子辐照场。然而，与减速剂再处理相关的高成本和长准备时间使得这种方法不适用于应对日益多样化的中子应用需求。
随着20世纪70年代加速器小型化和高压技术的突破，氘-氘（D-D）中子源作为一种可行的替代方案应运而生。这些发生器通过用氘核轰击富氘靶材（例如钛氘化物或锆氘化物）产生大约2.5 MeV的中子[8]。与依赖大规模中子设施或同位素中子源的传统方法相比，固态放大器驱动的 D-D 中子发生器提供了更紧凑的解决方案。这些发生器保持了较小的尺寸，同时确保了高电流、经济性和更高的灵活性[9]。一个著名的例子是 FUKUSHIMA SiC APPLIED ENGINEERING INC (FSAEI) 开发的微型 D-D 中子发生器，该发生器于2021年获得专利[10]。这种创新设计采用了六个中子辐照单元，它们在平面表面上呈六边形排列，所有辐照场都集中在由集成控制系统控制的中心区域。
多源辐射场的布置降低了单个源的中子产量要求，增强了紧凑型 D-D 中子发生器在多源中子辐照中的作用。美国已经开发了几种高电流紧凑型中子发生器模型，其高功率同轴紧凑型中子发生器的 D-D 中子产量达到了 10^11 s^-1，目前是世界上最高的[11]。在中国，兰州大学成功开发了一种自注入靶紧凑型中子发生器，产量超过 10^8 s^-1，尺寸为长984毫米、直径234毫米，表现出优异的适应性[12]。这些进步使得新设备能够有效地应用于多源中子辐照。通过在富氘靶周围加入减速剂和反射器，可以修改 D-D 中子源的能量谱。通过使用具有不同减速剂配置的多个 D-D 中子源同时辐照靶材，可以通过单独调整每个中子源来实现特定辐照位置的精确光谱整形。
本研究旨在利用现有的紧凑型 D-D 中子发生器技术，并采用蒙特卡洛模拟方法来模拟指定位置的多端口混合中子辐照场。文中提到的“端口”是指配备了中子减速剂组件（NMA）结构的独立中子源。通过优化多端口的空间排列和 NMA 的结构，表征了多个 D-D 中子源协同运行产生的中子场特性。
代码片段
Geant4 代码
本文使用了由欧洲核子研究组织（CERN）使用 C++ 面向对象技术开发的蒙特卡洛模拟软件 Geant4[13]。Geant4 以其模拟各种物理过程的能力而闻名，在核物理、粒子物理和医学物理领域有广泛的应用。该软件提供了针对不同场景的多样化物理列表，允许用户根据具体需求自定义和调整过程。
按需光谱整形
在单个 epithermal 中子端口辐照下，接收到的中子的能量谱在 1 eV–10 keV 范围内表现出主导分布，这是适当减速的 epithermal 束的特征。相反，快中子端口产生的特征光谱峰值为 2.1–2.8 MeV（图 6），与未经光谱调节的 D-D 聚变中子的天然能量分布相匹配。一小部分中子通过……
结论
本研究提出了一种基于紧凑型高电流 D-D 中子发生器的多端口中子源布置，能够提供具有高度可定制的中子能谱和可调通量分布的混合中子辐照场。研究还考虑了 NMA 设计和空间布局等因素，并使用 Geant4 蒙特卡洛模拟来分析和评估多源中子对不同配置下辐照场质量的影响。
与传统方法相比……
CRediT 作者贡献声明
明 张：写作 – 审稿与编辑。玉林 葛：方法论。向 曹：方法论。丽萍 邹：方法论。伟 马：方法论。亮 陆：方法论。振 杨：概念化。天浩 张：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿，方法论，概念化
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（批准号：12475170）和广东省基础与应用基础研究基金（批准号：2024A1515011055）的支持。
