使用Geant4对硼掺杂的CR-39核径迹探测器在快中子场中的响应进行建模，并对其进行了实验评估

《Radiation Measurements》：Geant4 modeling the response of boron-doped CR-39 nuclear track detector in fast neutron fields and its experimental evaluation

硼掺杂CR-39探测器在快中子场的响应建模及能量依赖性分析。使用Geant4工具包模拟次级带电粒子轨迹，验证4%硼浓度下与241Am-Be实验测量吻合度达92.2%。发现轨迹密度随中子能量升高呈负相关，揭示探测器灵敏度随能量变化特性，需建立能量校正模型以提高剂量测量精度。

　　

S. Mohammadian|A. Moslehi|S. Baradaran|M. Sohani

伊朗沙赫鲁德科技大学物理系

摘要

在这项研究中，使用Geant4工具包对掺硼CR-39探测器在快中子场中的响应进行了建模。当能够形成轨迹的次级带电粒子的轨迹以大于CR-39表面临界角度的角度穿过蚀刻层时，就会记录一条轨迹。当硼浓度为4%时，计算得到的轨迹密度与²⁴¹Am-Be场中的测量结果最为吻合，差异为7.8%。随后，该模型被用于计算从0.1到14 MeV范围内的几种快中子能量的轨迹密度。研究结果表明，随着中子能量的增加，单位个人剂量当量的轨迹密度降低。这表明CR-39在标定场和测量场中的灵敏度存在差异。因此，需要校正CR-39的响应，以确保在不同中子能量下保持一致的灵敏度，并减少剂量测量的不确定性。

引言

固态核径迹探测器（SSNTDs）是一种能够记录带电粒子轨迹的被动工具。这些轨迹会在探测器材料中产生局部损伤，称为“潜迹”。这些轨迹可以通过化学蚀刻（CE）或电化学蚀刻（ECE）（Fleischer等人，2022年；Akselrod和Sykora，2011年；Kusumoto等人，2023年）来显现和观察。通常，塑料核径迹探测器（一种SSNTD）被广泛用于带电粒子剂量测量和环境氡测量（Khan等人，1993年；Bakr，1996年；Khan和Qureshi，1999年；Iyer，2013年；Pressyanov，2024年）。其中一些探测器还能够通过检测中子相互作用产生的次级带电粒子来记录中子（Knoll，2010年）。为了记录一条轨迹，带电粒子的线性能量转移（LET）必须超过一个阈值，这是探测器的材料特定属性。只有LET值高于此阈值的粒子才能被检测到。

大多数聚合物对快中子敏感，这是由于中子与氢、碳和氧等组成原子的核发生散射，其中氢的散射截面最大。然而，许多聚合物的线性能量转移阈值较高，这限制了它们在中子剂量测量中的应用。研究表明，由于其较低的轨迹形成阈值，CR-39是最适合用于中子剂量测量的聚合物材料（Fleischer等人，2022年）。CR-39能够记录的最大质子能量为13 MeV，对应的LET值约为5 keV^?1（Knoll，2010年）。此外，与某些剂量计（如热释光剂量计）不同，CR-39对伽马射线不敏感，这在混合中子-伽马场中是一个优势（Knoll，2010年）。这是因为伽马射线产生的次级电子的LET不足以超过形成轨迹所需的阈值。另外，在CR-39基质中加入适量的硼可以提高其对慢中子和热中子的灵敏度。

近几十年来，CR-39探测器的响应受到了广泛研究。例如，1996年，Hsu和Devine使用MCNP代码模拟了能量大于20 MeV的带电粒子在CR-39中的反应（Hsu和Devine，1996年）。1997年，Jamil等人通过计算和实验研究了质子、氧和碳反冲在CR-39中轨迹形成中的作用（Jamil等人，1997年）。2003年，Lengar等人计算并模拟了CR-39中反冲核的能量和角分布（Lengar等人，2003年）。2008年，Zaki-Dizaji等人计算并测量了CR-39薄膜的效率，仅考虑了质子反冲对CR-39响应的影响（Zaki-Dizaji等人，2008年）。此外，2011年，Deevband等人使用放置在CR-39前方的聚乙烯片来提高其灵敏度，测量并模拟了CR-39探测器在²⁴¹Am-Be中子场中的响应（Deevband等人，2011年）。2018年，Hirano等人使用Geant4建模确定了能量为380 MeV u^?1的¹²C离子在CR-39中的LET谱（Hirano等人，2018年）。

与Moslehi等人之前关于聚碳酸酯探测器的研究类似（Moslehi等人，2022a，2022b），本研究使用Geant4工具包对CR-39探测器的响应进行了建模（Agostinelli等人，2003年）。该工具包可以计算次级带电粒子的电荷、位置、动量和动能，这些对于模拟导致探测器中潜迹形成的物理过程至关重要。由于Geant4无法模拟化学蚀刻过程，因此可以合理假设蚀刻仅使轨迹可见，并不会为探测器响应增加额外的事件。在后续部分，开发的模型将在²⁴¹Am-Be中子场中的实验测量结果进行验证，然后应用于几种快中子能量。

章节摘录

材料与方法

首先描述了在²⁴¹Am-Be中子场中的实验测量结果，然后解释了用于模拟CR-39探测器响应的Geant4仿真。

实验测量

表1展示了掺硼CR-39探测器在²⁴¹Am-Be中子场中的净响应。此外，校准曲线显示在图3中。平均背景轨迹密度为2500 ± 200条轨迹 cm^?2。观察到轨迹密度与剂量当量呈线性关系，决定系数为r₂ = 0.99。数据点的不确定性以2的覆盖因子表示，对应99%的置信水平。

硼含量及仿真的验证

为了精确地

讨论

与其他关于CR-39探测器的研究进行简要比较可以看出，重反冲核（即碳和氧）对轨迹形成的贡献与Hsu和Devine（1996年）以及Jamil等人（1997年）的发现一致，他们认为这些核的中子弹性散射是轨迹产生的关键机制。此外，Zaki-Dizaji等人（2008年）在CR-39前使用了4毫米厚的聚乙烯辐射体

结论

在这项研究中，使用Geant4仿真工具包对掺硼CR-39探测器在快中子场中的响应进行了建模。轨迹数量是基于在探测器蚀刻层内产生的次级带电粒子的动能和产生坐标计算得出的。该模型能够量化不同次级带电粒子对轨迹形成的贡献。最初，该模型通过实验结果进行了验证

CRediT作者贡献声明

S. Mohammadian：撰写——原始草稿、软件开发、实验研究。A. Moslehi：撰写——审阅与编辑、验证、监督、软件开发、方法论、概念设计。S. Baradaran：监督、资源管理、方法论。M. Sohani：撰写——审阅与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢M. Taheri的宝贵讨论，以及M. Shafaei提供²⁴¹Am-Be中子源的数据表。