HBS原型靶站中子剂量率评估：多层屏蔽设计与蒙特卡洛模拟验证

推荐：研究人员针对高电流加速器驱动中子源(HiCANS)的辐射防护需求，在JULIC中子测试平台开展HBS靶站屏蔽性能研究。通过3He探测器实测与PHITS模拟相结合，证实多层铅-硼聚乙烯屏蔽结构能将中子剂量率控制在5 mSv/h以下（质子电流0.11 μA时），为HiCANS类装置的辐射安全设计提供重要参考。

　　

在核科学与粒子加速器领域，如何安全高效地产生中子束流始终是前沿课题。传统核反应堆虽能提供稳定中子源，但存在装置庞大、运行复杂等局限。近年来兴起的高电流加速器驱动中子源(High-Current Accelerator-driven Neutron Sources, HiCANS)因其紧凑灵活的特点备受关注，德国于利希研究中心开发的"高亮度中子源"(High Brilliance Neutron Source, HBS)正是其中代表。这类装置通过70 MeV质子束轰击钽靶产生中子，但伴随而来的辐射防护挑战不容忽视——特别是当平均质子电流达1.44 mA时，靶站周围将形成复杂的中子-γ混合辐射场。

为解决这一难题，J. Li团队在《Applied Surface Science Advances》发表研究，系统评估了HBS原型靶站的屏蔽性能。研究创新性地采用"铅+硼聚乙烯"交替叠层结构，其中8 cm纯铅用于减缓快中子和屏蔽γ射线，27 cm含5wt%硼的聚乙烯(Borotron)则负责热中子吸收。这种设计既要保证辐射安全（运行中表面剂量率<1 μSv/h），又要兼顾仪器布局的紧凑性，堪称"既要马儿跑，又要马儿不吃草"的典型工程挑战。

关键技术包括：1) 在JULIC测试平台搭建1:1缩小版靶站（3×3×3 m，78吨）；2) 使用³He正比计数器测量11个位点的中子剂量率；3) 采用PHITS 3.24进行蒙特卡洛模拟，结合JENDL-4.0核数据库；4) 引入权重窗方差缩减技术提升计算效率。

【2. 实验】章节显示，在105 nA平均质子电流下，远离束流线的屏蔽侧面(S-2/S-3)剂量率为0.25-0.36 Sv h^-1 mA^-1，与模拟结果吻合良好（C/E比0.7-2.0）。但束流线附近(S-1)出现异常高值（41-43 Sv h^-1 mA^-1），研究人员通过【4.1】节分析发现，这源于未屏蔽的90 cm束流管导致的散射中子泄漏。

【3. 模拟】部分揭示，顶部监测点(T系列)实测值比模拟高4-9倍。【4.2】节通过添加混凝土顶棚模型，证明25%的差异来自天花板散射。值得注意的是，模拟中2 cm²的束流截面积假设可能低估了实际2 cm空间σ分布的束流损失。

【5. 总结】指出，该研究首次完整验证了HBS屏蔽设计的可行性——在0.11 μA质子电流下，实测剂量率全部<5 mSv/h。尽管局部区域因几何因素存在剂量升高，但整体满足ICRP 103推荐的限值。这项工作不仅为将于2025年建成的全功率HBS装置扫清了辐射安全障碍，其创新的"铅-聚乙烯"叠层方案更为全球HiCANS项目提供了可复用的工程范本。正如通讯作者P. Zakalek强调的，这种兼顾安全性与紧凑性的设计，将使中子散射、成像等分析技术更广泛地应用于工业现场。