一种聚乙烯基屏蔽材料设计方法与流程

本发明涉及中子屏蔽材料的组分优化，属于中子物理、辐射防护、核材料研究等多学科交叉领域，具体涉及一种聚乙烯基屏蔽材料设计方法。

背景技术：

1、伴随着核技术、放射治疗以及空间探索等技术的不断发展，中子从传统的核能领域逐渐应用到医疗、成像、育种、航天等领域。但是各种各样的应用场景对中子屏蔽材料提出了不同的要求，需要针对使用环境开发特定的屏蔽材料。中子屏蔽是一个循序渐进的过程，快中子首先需要通过非弹性散射减速到较低的能量态，随后通过多次弹性散射减速成为热中子，最后通过吸收反应完成中子屏蔽，因此单一组分的材料很难实现高能中子的屏蔽。通常金属基和聚合物基复合材料对高能中子屏蔽更有效。金属基复合材料通常以重金属及其氧化物为基底，掺杂硼化物(如碳化硼)，可用于极端温度和化学环境下的中子屏蔽。聚合物基复合材料的特点在于其密度较低，常用于航天器和便携式仪器的中子屏蔽，但其屏蔽光子和重离子的性能较差，因此通常在其内部混入重金属粒子，以提高其屏蔽光子和重离子的性能。高能中子复合屏蔽材料通常需要包含高z(原子序数)、低z和热中子吸收组分。每个组分的选择需要考虑很多因素，包括但不限于中子的慢化和俘获能力，二次辐射的产生情况，抗活化能力，耐化学腐蚀能力及热性能。除了材料自身的性能外，还需要综合考虑材料的成本以及对环境和工人的影响。

2、高z材料主要有两个功能：一是通过非弹性散射将高能中子的能量迅速降低到2mev以下，二是吸收屏蔽过程中的二次光子，此外，高z材料还可以提高复合材料的力学性能和耐热性。与高z添加剂不同，大多数低z材料都是富氢物质，如pe、teflon等，因为氢的弹性散射截面较大，其主要用于2mev以下的中子衰减。pe因其含氢量高、加工工艺成熟、成本低、弹性散射截面大、重量轻、化学稳定性好等特点，被广泛用作辐射屏蔽复合材料的基体。针对聚乙烯基复合屏蔽材料的研究有很多。例如，alsayed(phys.scr.,vol.95,no.8,p.085301,jun.2020)开发了块状和纳米zno/hdpe复合材料，y.zhang(journalofreinforced plastics and composites,vol.37,no.3,pp.181–190,feb.2018)开发了硼酸聚乙烯/聚乙烯蜡共混物和开孔泡沫镍复合材料，mahmoud(journal ofcleanerproduction,vol.176,pp.276–287,mar.2018)开发了可回收hdpe/pbo复合材料，它们都是具有不同特点的优良辐射屏蔽材料。

3、由于高能中子屏蔽材料不可避免的需要有多种成分构成，其各成分组分比例的优化涉及到中子屏蔽能力，材料密度，材料的热和力学性能等。韩文敏利用遗传算法和神经网络算法结合蒙特卡罗方法，寻找屏蔽效果最好的屏蔽材料组分，使用蒙特卡罗程序mcnp5来获得中子和γ射线经过不同填料组分屏蔽材料后产生的剂量当量，获得500个样本，并使用遗传算法对其进行优化，获得最小剂量当量时的填料组分，并验证其可行性(遗传算法在中子-γ混合辐射场屏蔽材料优化设计中的应用[j/ol].计算物理:1-12)。许浒利用遗传算法程序genocopii结合mcnp建立了屏蔽材料的优化方法，并应用于235u的屏蔽优化(新型核辐射屏蔽材料的优化设计[j].原子能科学技术,2005,(04):363-366.)。这些方法存在的问题是，使用的方法中存在一些经验参数且依赖于样本自身的质量，并且消耗的计算资源较大。本工作提出的优化方法效率高，消耗的计算资源少，且不依赖于任何经验参数。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种聚乙烯基屏蔽材料设计方法，在组分成分确定的前提下，可以获得屏蔽能力最强的组分比例，且该方法复用成本低，优化速度快，准确度高，适用于高能中子屏蔽材料产品的快速迭代。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种聚乙烯基屏蔽材料设计方法，包括如下步骤：

4、步骤(1)进行密度分析实验，测量不同组分比例的屏蔽材料密度，获得屏蔽材料密度与各个组分质量分数的拟合关系式；

5、步骤(2)将步骤(1)获得的屏蔽材料密度与组分质量分数的拟合关系式、各组分质量分数、入射中子能量作为蒙特卡罗计算的输入参数，计算得到各个入射能量下、各组分质量分数的材料屏蔽能力；

6、步骤(3)根据计算结果制作数据库，变量包括各个组分的质量分数、入射中子的能量；结果为屏蔽能力；

7、步骤(4)测量或计算屏蔽材料使用环境下的中子能量分布；

8、步骤(5)将步骤(4)的中子能量分布和数据库作为输入，通过最优化算法计算得到屏蔽能力最强的组分比例。

9、进一步地，所述的屏蔽材料为多种组分构成的复合屏蔽材料，多组分包括低原子序数慢化材料、高原子序数慢化材料和中子吸收材料。

10、进一步地，所述数据库包括测量的中子能谱中最大能量的屏蔽数据。

11、进一步地，所述步骤(5)中，最优化仅针对材料的中子屏蔽能力进行优化，不包括材料的热学、力学性能。

12、进一步地，所述步骤(3)中，所述的材料屏蔽能力的评价指标是指以下3种中的任意一种：单能中子通量的半吸收厚度、线性衰减系数、剂量半衰减厚度。

13、本发明与现有技术相比的有益效果在于：

14、(1)与目前的所有的中子屏蔽成分优化的方法相比，本方法可以针对任意环境进行材料的优化，针对性强。优化后的材料的中子屏蔽能力是当前组分下最强的。

15、(2)与目前的所有的中子屏蔽成分优化的方法相比，本方法在完成了数据库的构建后，对不同的环境进行组分优化的速度非常快，方法可复用，适用于产品的快速迭代。

技术特征：

1.一种聚乙烯基屏蔽材料设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种聚乙烯基屏蔽材料设计方法，其特征在于：所述的屏蔽材料为多种组分构成的复合屏蔽材料，多组分包括低原子序数慢化材料、高原子叙述慢化材料和中子吸收材料。

3.根据权利要求1所述的一种聚乙烯基屏蔽材料设计方法，其特征在于：所述数据库包括测量的中子能谱中最大能量的屏蔽数据。

4.根据权利要求1所述的一种聚乙烯基屏蔽材料设计方法，其特征在于：所述步骤(5)中，材料成分最优化仅针对材料的中子屏蔽能力。

5.根据权利要求1所述的一种聚乙烯基屏蔽材料设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述的材料屏蔽能力的评价指标是指以下3种中的任意一种：单能中子通量的半吸收厚度、线性衰减系数、剂量半衰减厚度。

技术总结
本发明提供一种聚乙烯基屏蔽材料设计方法，涉及中子屏蔽材料的组分优化，属于中子物理、辐射防护、核材料研究等多学科交叉领域。对于已经确定组分类型的屏蔽材料，首先进行密度分析实验，获得材料密度与各个组分质量分数的拟合关系式。随后利用蒙特卡罗或者解析方法计算不同组分的材料在不同中子能量下的中子屏蔽能力，制成数据库。最后，根据屏蔽材料使用场景的中子能谱，利用数据库和最优化算法获得屏蔽能力最好的组分比例。本发明可以根据不同的应用场合定制化设计屏蔽能力最强的组分比例，建立数据库后优化速度迅速，可拓展性强，可用于各种复合屏蔽材料的材料优化。

技术研发人员：祝庆军,卢棚,刘松林
受保护的技术使用者：合肥综合性国家科学中心能源研究院（安徽省能源实验室）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15