K7CaGd2(B5O10)3荧光体中的非经典热释光动力学及逆衰减行为

紧凑型中子源系统设计及计算表征，采用遗留钚-铍（239PuBe）源和高密度聚乙烯慢化剂腔体结构，实现热中子占比74-79%的空间均匀辐照场，经MCNP5模拟验证并比较文献系统。

阿尔维·阿松西翁-阿斯特罗诺莫（Alvie Asuncion-Astronomo）|切丽·安妮·M·丁格尔（Cheri Anne M. Dingle）|朱利乌斯·费德里科·M·杰孔（Julius Federico M. Jecong）|弗雷德里克·C·希拉（Frederick C. Hila）

菲律宾核研究所（DOST- Philippine Nuclear Research Institute），迪利曼（Diliman），奎松市（Quezon City），1101，菲律宾

摘要

本文介绍了低剂量均匀中子辐照系统（LUNIS）的设计和计算特性。该系统是一种可配置的热中子辐照装置，使用两个传统的钚-铍（²³⁹PuBe）源，这些源嵌入在高密度聚乙烯（HDPE）减速剂中。基于腔体的几何结构以及内部阴影减速器的设计，在60 × 70 × 70立方厘米的辐照腔体内产生了高度热化的中子场。MCNP5模拟显示，在该腔体内热中子的比例约为74-79%，变异系数低于1.1%。LUNIS的质量因子约为（1.9–2.5）× 10⁴厘米²，其空间均匀性和中子利用率与其他紧凑型HDPE基腔体系统相当，同时提供了更大的可用辐照体积。敏感性分析证实了优化设计对实际几何形状和建模不确定性的鲁棒性。

引言

基于同位素中子源（INS）的紧凑型热中子辐照设施在中子计量学、探测器校准、中子活化分析（NAA）和应用辐射研究中至关重要，尤其是在那些无法常规使用研究反应堆或高能加速器的国家。基于反应堆和加速器的设施可以提供高 neutron 注量及明确的中子谱，但由于其可用性有限、运行成本高昂以及监管复杂，人们开始开发使用密封INS的替代实验室规模中子场（Gressier, 2014; Schuhmacher, 2004）。

例如钚-铍（²³⁹PuBe，半衰期为24.110年）和镅-铍（²⁴¹AmBe，半衰期为432.6年）等INS，是无需外部电源即可长期稳定释放中子的源（Söderström et al., 2021; 国际标准化组织（ISO），2001）。然而，这些源主要释放快中子，且能量分布较宽，因此需要精心设计的减速系统来产生适合实验应用的热中子场（Cevallos-Robalino et al., 2020; Bedogni et al., 2016; Ferrulli et al., 2021）。在过去十年中，已经开发出多种使用石墨堆（Luszik-Bhadra et al., 2014）、石蜡（Kotb et al., 2018; Astuto et al., 2014）、重水（Wang et al., 2023）和高密度聚乙烯（HDPE）（Cevallos-Robalino et al., 2020; Bedogni et al., 2016; Ferrulli et al., 2021; Bedogni et al., 2017a, 2017b）作为减速剂的装置。基于腔体的系统设计，即使使用相对较弱的同位素源，也能实现高度热化和空间均匀的中子场（Bedogni et al., 2016; Ferrulli et al., 2021; Bedogni et al., 2017a）。除了减速辐照装置外，${\alpha }_{1/2}=$ 中子源也被用于中子场诊断和谱特性研究，例如TENIS系统和Prizm-AN辐照设施（Bedenko et al., 2025a, 2025b）中的应用。

由于长寿命INS能够长时间保持中子发射能力，重复使用这些源可以最大化现有资源的价值，避免不必要的处置或更换成本。菲律宾核研究所（PNRI）维护着两个²³⁹PuBe传统中子源，这些源多年来一直未被充分利用或闲置。尽管²³⁹PuBe的半衰期比其他INS长，但由于可追溯性和文档记录的限制，其在中子辐照应用中的使用较少。此外，²³⁹PuBe的强度会随时间逐渐变化，因为其中含有²³⁸Pu、²⁴⁰Pu和²⁴¹Pu杂质（Söderström et al., 2021）。尽管如此，仍建议优先使用这些长寿命INS，而不是将其视为废弃源进行处置或存放不用。为了优化²³⁹PuBe源的利用，PNRI开发了低剂量均匀中子辐照系统（LUNIS），该系统将这两个传统源置于可配置的高密度聚乙烯（HDPE）减速剂组件中。LUNIS具有可调几何形状的辐照腔体和多个端口，可适应单个或多个INS配置。

在本研究中，我们介绍了LUNIS的设计及其针对1:1和1:2源强度配置的优化方案。我们使用MCNP5 v1.6对产生的中子场进行了计算分析，包括热中子比例、注量率、中子能量谱、空间均匀性和剂量分布的评估。为了对比LUNIS的性能，将其关键中子场特性与文献中报道的代表性放射性核素基热中子辐照装置的特性进行了比较。这种比较重点关注热中子比例、注量率和空间均匀性等指标，以突出LUNIS设计的相对优势和实际应用价值。同时进行了敏感性分析，以评估中子场特性对某些辐照参数的响应，包括阴影减速器几何形状、模拟的中子谱、HDPE减速剂的密度以及外部房间反射等因素。这些结果为LUNIS作为一种灵活且可配置的热中子辐照装置奠定了基础，适用于各种应用。此外，这里描述的设计考虑和表征方法可为希望安全再利用或最大化自身长寿命放射性核素中子源效用的实验室提供实用参考。

部分内容摘录

^2.1.239PuBe 中子源

表1提供了安装在LUNIS中的两个²³⁹PuBe中子源的信息。第一个源（S1）的活度为37 GBq（1 Ci），根据旧手册估计的源强度为 n/s。第二个源（S2）的活度为74 GBq（2 Ci），其源强度为 n/s，这一数值已通过MCNP模拟和反应速率测量得到验证（Asuncion-Astronomo et al., 2024）。由于存在不确定性

辐照体积内的中子场变化

图5（a）和（b）分别展示了S1:S2和S1:S1配置下，十个垂直平面内的热中子（$E<0.5\text{eV}$）、次热中子（$0.5\text{eV}\le E\le 1\text{keV}$）和快中子（$E>1\text{keV}$的相对贡献。在两种配置中，整个采样范围内辐照腔体内的中子场都主要由热中子成分主导。

结论

低剂量均匀中子辐照系统（LUNIS）是一种热中子辐照装置，旨在重新利用两个传统的²³⁹PuBe源，这些源被放置在一个可配置的HDPE减速剂组件中。基于腔体的几何结构及内部阴影减速器的设计有效抑制了直接的中子流动，产生了高度热化和空间均匀的中子场。无论是源强度相等（S1:S1）还是不等（S1:S2）的情况，LUNIS都能提供良好的热中子特性。

CRediT作者贡献声明

阿尔维·阿松西翁-阿斯特罗诺莫（Alvie Asuncion-Astronomo）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，软件开发，方法论研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念构思。切丽·安妮·M·丁格尔（Cheri Anne M. Dingle）：撰写 – 审稿与编辑，资源协调，项目管理，资金获取，正式分析，数据管理，概念构思。朱利乌斯·费德里科·M·杰孔（Julius Federico M. Jecong）：撰写 – 审稿与编辑，研究工作，正式分析，数据管理。弗雷德里克·C·希拉（Frederick C. Hila）：

人工智能的使用

在准备本手稿时使用了ChatGPT 5.2来辅助语言编辑，提高文本的清晰度和组织结构。所有科学内容、数据分析、解释和结论均由作者完成，作者对工作的准确性、原创性和完整性负全责。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：切丽·安妮·M·丁格尔（Cheri Anne M. Dingle）表示获得了菲律宾工业能源与新兴技术研究与发展委员会（Philippine Council for Industry Energy and Emerging Technology Research and Development）的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了科学技术部–菲律宾工业委员会（Department of Science and Technology–Philippine Council for Industry）下属的能源与新兴技术研究与发展部门（DOST-PCIEERD）通过项目编号09670“低剂量均匀中子辐照系统（LUNIS）的支持。作者感谢罗伯托·贝多尼博士（Dr. Roberto Bedogni）在LUNIS设计初期概念化过程中的宝贵意见。