基于物理原理的HMWPE/五水合硼砂复合材料的优化设计用于热中子屏蔽：中子照相与蒙特卡洛分析

费尔哈特·阿齐兹（Ferhat Aziz）| 帕里金·法里欣（Parikin Farihin）| 马尔迪扬托·帕尼特拉（Mardiyanto Panitra）| 班邦·苏哈尔诺（Bambang Suharno）| I. 瓦扬·恩加拉亚纳（I. Wayan Ngarayana）| 安德里安西亚·安德里安西亚（Andryansyah Andryansyah）| 斯里约诺（Sriyono Sriyono）| 埃尔弗里达·萨拉吉（Elfrida Saragih）| 伊格恩·乔科·伊里安托（Ign Djoko Irianto）| 达蒂·胡森·萨利米（Djati Hoesen Salimy）| 努鲁尔·胡达（Nurul Huda）| 因德拉·古纳万（Indra Gunawan）| 阿古斯·萨利姆·阿弗罗齐（Agus Salim Afrozi）| 阿布·哈利德·里瓦伊（Abu Khalid Rivai）| 托潘·塞蒂亚迪普拉（Topan Setiadipura）
印度尼西亚南丹格朗国家研究与创新机构核能研究组织核反应堆技术研究中心

**摘要**
本研究开发了一种基于实验验证的氢-硼聚合物复合材料成分-厚度优化方法。通过结合中子照相术和MCNP5蒙特卡洛传输模拟的集成实验-计算方法，系统研究了加载了五水合硼砂的高分子量聚乙烯（HMWPE）复合材料的熱中子屏蔽性能，以解析氢介导的中子减速、硼驱动的热中子吸收以及中子积累效应之间的相互作用。观察到衰减对填料含量和复合材料厚度的依赖性是非单调的，这反映了氢-硼系统中的内在减速-吸收权衡。研究确立了一个经过实验验证的优化窗口：当五水合硼砂含量约为40 wt%且复合材料厚度为1.5 cm时，衰减效果最佳。在更高的硼含量下，由于氢原子密度降低和减速效率下降，衰减表现出饱和行为；而增加厚度会导致中子积累和多次散射，从而限制了进一步的衰减增益。中子照相术测量结果与MCNP5预测之间的高度一致性证实了所提出框架的可靠性。这些结果为轻质、低成本的中子屏蔽材料的设计提供了基于物理的规则，适用于反应堆束线和 neutron 成像系统，相比传统的经验性选择吸收剂含量和厚度的方法，可以实现更系统的优化。

**1. 引言**
先进辐射屏蔽材料的发展仍然是确保核设施和中子基础研究基础设施有效辐射防护的基本要求。在目前可用的屏蔽介质中，基于聚乙烯的聚合物因其高氢含量和强大的中子减速能力而被广泛用于中子屏蔽。然而，纯聚乙烯本身的热中子吸收能力较低，因此需要加入含硼的中子吸收剂。尽管含硼聚合物复合材料已被广泛研究并应用于屏蔽材料，但其成分-厚度组合的定量优化仍缺乏系统的实验验证。本研究将中子照相术与蒙特卡洛中子传输建模相结合，确定了HMWPE/五水合硼砂复合材料成分-厚度设计的实验支持优化窗口。这种综合方法能够实验验证控制非单调衰减行为和中子高含量下屏蔽性能饱和的减速-吸收相互作用。值得注意的是，高分子量聚乙烯（HMWPE）因其优异的机械强度和尺寸稳定性而受到越来越多的关注，这些特性使其在长期辐射暴露和苛刻的核运行条件下具有优势（Craft & Barton, 2017; Eid et al., 2023; Elmahroug et al., 2013; Mitev et al., 2023; Ninyong et al., 2017; Sayyed et al., 2017; Singh & Badiger, 2014）。
除了在放射性废物屏蔽和批量中子减速方面的传统应用外，基于HMWPE的材料也越来越被考虑用于涉及中子和次级伽马射线耦合的混合辐射场的屏蔽。这类环境通常采用复合和多层屏蔽配置来解决（Kim, 2023; Mitev et al., 2023）。在中子屏蔽系统中，次级伽马辐射主要来源于中子诱导的过程，包括辐射俘获、非弹性散射和活化衰变。HMWPE的高氢密度通过弹性散射促进了中子的有效减速，从而影响了热中子谱并间接影响了次级伽马射线的产生和整体屏蔽效果。因此，最近的研究强调了复合设计——特别是将中子吸收剂掺入富氢聚合物基体中——作为一种在保持低密度和可制造性的同时增强中子衰减的有效策略（Knoll, 2000; Chengliang & Mengjia, 2009; Allen et al., 2008; Allen et al., 2010; von der et al., 2015; Paul et al., 2023）。
先前的研究表明，提高聚乙烯的分子量可以改善中子衰减性能，使HMWPE成为研究和动力反应堆环境中辐射屏蔽的有希望的候选材料。然而，从屏蔽物理的角度来看，HMWPE单独使用时捕获热化中子的能力有限，需要加入中子吸收成分来提高整体屏蔽效率。选择高分子量聚乙烯（HMWPE）是因为其高氢含量和对辐射诱导降解的更强抵抗力。其较高的分子量和增加的链缠结密度降低了链断裂的敏感性，有助于在长时间的中子和伽马射线照射下保持结构完整性。此外，HMWPE在辐射环境中表现出更好的尺寸稳定性，蠕变和变形倾向较低。这些特性使其适合作为需要高氢密度和长期材料性能的中子屏蔽应用中的稳定减速基体（Kömmling et al., 2018; Ophoven et al., 2023; Walg & Orion, 2023; Wen et al., 2024）。
将含硼化合物掺入聚乙烯基体是一种成熟的方法，以提高热中子吸收能力，因为硼同位素具有较大的微观吸收截面。这种策略对于用于实验和诊断应用的研究反应堆尤为重要，包括中子照相术。在印度尼西亚G.A. Siwabessy研究反应堆的持续利用和升级背景下，开发高效、轻质且低成本的中子屏蔽材料具有实际意义。五水合硼砂是一种富含硼的化合物，价格便宜且在当地容易获得，是一种有前景的低成本硼载体，适用于基于聚合物的屏蔽系统。
尽管基于蒙特卡洛的方法已广泛应用于各种材料系统的屏蔽优化（Forster et al., 2004; Jumpeno et al., 2020; Lee et al., 2022; Shang et al., 2023），但它们在低成本聚合物-硼复合材料的实际应用中仍受到中子照相术直接实验验证的限制。从辐射物理的角度来看，中子屏蔽效果受能量谱范围内减速、吸收和积累的耦合过程控制；因此，蒙特卡洛传输方法对于解析这些相互作用以及识别仅凭吸收剂含量或厚度无法推断出的材料-几何组合至关重要（Paul et al., 2023）。
传统的基于硼的中子吸收剂（如碳化硼B4C）具有出色的中子捕获能力；然而，由于陶瓷性质导致的高材料成本和较差的加工性，它们在基于聚合物的屏蔽系统中的实际应用受到限制。相比之下，五水合硼砂（Na2B4O7·5H2O）提供了一种低成本且易于加工的替代品，与聚合物基体的兼容性更好，适用于可扩展的屏蔽应用。除了含硼量外，五水合硼砂还含有结构结合的水分子，这些水分子为复合材料系统引入了额外的氢原子。与五水合硼砂相关的氢原子有助于中子减速，但增加硼含量同时会降低复合材料的整体氢密度。因此，屏蔽性能受到减速和吸收之间平衡的控制，而不仅仅是吸收剂含量的影响。
在此背景下，本研究使用集成实验-计算方法开发和评估了含有五水合硼砂的HMWPE基复合材料作为功能性热中子屏蔽材料。与之前独立改变吸收剂含量或厚度的研究不同，本研究通过结合中子照相术和蒙特卡洛传输建模，确立了一个经过实验验证的成分-厚度优化窗口。该研究提供了基于物理的减速-吸收权衡的量化，直接将材料成分和屏蔽厚度与热中子衰减性能联系起来。

**2. 方法论**
**2.1. 样品制备**
根据表1中列出的成分，通过将五水合硼砂（Na2B4O7·5H2O）均匀掺入高分子量聚乙烯（HMWPE）基体中制备了复合样品。系统设计了六种HMWPE/五水合硼砂的重量比例，以探究成分-衰减关系，并阐明硼含量在控制热中子屏蔽性能中的作用，遵循了在中子屏蔽应用中使用的含硼聚合物复合材料的既定策略（Tuna et al., 2021）。

**表1. 本研究制备的高分子量聚乙烯（HMWPE）/五水合硼砂复合材料的名义成分（以五水合硼砂的重量百分比表示）**
| 样品 | 成分（wt.%） | HMWPE | 五水合硼砂 |
|------|---------|--------|---------|
| 1 | 100 | 0 | 0 |
| 2 | 90 | 10 | 38 |
| 3 | 80 | 20 | 47 |
| 4 | 70 | 30 | 56 |
| 5 | 60 | 40 | 85 |
| 6 | 52 | 2 | |

在固化之前，将各组分粉末在受控条件下机械混合，以促进五水合硼砂在HMWPE基体中的均匀分散。然后将均匀混合物模制成阶梯状几何结构（图1），这是本研究的方法学特点。这种配置允许在单个样品中同时研究多个有效的屏蔽厚度，从而减少样品间的变异性并提高厚度依赖性衰减分析的稳健性。每个样品步骤对应于0.5、1.0、1.5和2.0 cm的名义厚度，从而在相同的成分和微观结构框架内系统评估厚度对热中子衰减的影响。

**图1. 用于中子照相术测量的阶梯状高分子量聚乙烯（HMWPE）/五水合硼砂复合样品的照片。**
阶梯状几何结构通过在一个整体样品中包含多个厚度级别，消除了传统多样品方法中的样品间变异性。由于所有步骤具有相同的成分、加工历史和微观结构，测量到的中子衰减变化可以仅归因于有效路径长度的差异。此外，在相同的束流条件下同时照射所有步骤，确保了中子通量、探测器响应和对齐的一致性，最小化了系统实验不确定性。这种配置允许在单个放射图像内直接比较不同厚度的衰减，显著提高了相对测量精度和稳健性。因此，阶梯设计为解决厚度依赖性中子衰减行为提供了更可靠的框架。

阶梯状样品使用定制设计的钢制压缩模具制造，该模具具有阶梯状腔体几何结构。通过单步热压缩成型，将均匀的HMWPE/五水合硼砂混合物固化成整体结构，没有层间界面。模具在单个样品中产生了四个不同的厚度级别——0.5、1.0、1.5和2.0 cm。每个步骤的平面面积约为2.0 × 2.0 cm²，确保中子衰减的变化仅由有效路径长度的差异引起，而不是截面几何形状或成分的差异。这种设计允许在最小化样品间变异性的同时进行可靠的厚度依赖性衰减分析。

**2.2. 中子照相术表征**
制备了阶梯状HMWPE/五水合硼砂复合样品，并系统地改变了硼含量，以实现厚度分辨的中子衰减测量。进行中子照相术实验以量化有效屏蔽厚度下的透射中子强度。使用MCNP5进行了补充的蒙特卡洛中子传输模拟，其中明确模拟了实验传输几何结构和材料成分。模拟的透射强度计数结果经过归一化，并与相应的实验照相数据进行了基准比较。中子照相术测量在G.A. Siwabessy多用途研究反应堆（印度尼西亚Serpong）的中子照相设施进行，该反应堆通过双快门准直系统提供了从反应堆核心提取的准直热中子束。实验装置包括精密的电动样品定位台、高灵敏度的电荷耦合器件（CCD）相机和集成的数据采集和图像处理系统，实现了高空间保真的定量传输映射（Tursinah et al., 2021, 2022）。
为了确保定量可比性，所有复合样品在相同的束流条件下照射，固定曝光时间为75秒。样品以可重复的方向安装，以保持通过屏蔽材料的中子路径长度恒定。使用双检测方案获取中子传输图像，该方案结合了传统的基于胶片的照相术（Agfa D3 X射线胶片与位于样品正后方的Gd-125中子转换器）和基于数字CCD的成像。这种互补的检测策略是本研究的方法学特点，实现了模拟和数字照相模式之间的交叉验证，并提高了衰减评估的可靠性。照射后，胶片在受控暗室条件下进行化学显影，而CCD系统提供了用于定量灰度级传输分析的实时数字图像。

**2.3. 蒙特卡洛模拟**
使用MCNP5代码进行了蒙特卡洛中子传输模拟，以支持和独立验证实验中子照相术测量结果（Forster et al., 2004）。在笛卡尔坐标框架内构建了一个三维模型，再现了实验配置的基本特征。系统几何形状使用表面和单元格卡片定义，而材料成分和质量密度基于每种复合材料的实验表征值指定。
实现了一个沿正x方向均匀发射中子的平面热中子源，并垂直于样品表面定向（图2），从而再现了照相术实验中使用的传输几何结构。模拟旨在量化通过复合材料的相对中子衰减，与基于传输的照相术测量结果直接可比。使用F5:N点探测器计数器在样品下游进行中子传输评估，从而能够敏感且几何一致地评估透射中子强度与复合成分和有效厚度的关系。

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**图2.**图3(a)展示了使用基于薄膜的检测方法获得的阶梯状HMWPE/五水合硼砂复合材料的代表性中子射线照片。由于给定样品中的每个台阶都具有相同的组成，因此观察到的中子传输变化可以完全归因于有效屏蔽厚度的差异。对于所有研究的组成，传输的中子强度随着厚度的增加而单调减少，这与含氢和硼的屏蔽介质的预期衰减行为一致（Knoll, 2000; Rennie et al., 2020）。这种厚度依赖性反映了HMWPE基体中的氢对中子的减速作用，随后是五水合硼砂相中的硼物种对热中子的吸收作用，这与含硼聚合物系统中的已知衰减机制相符（Hao et al., 2025; Rennie et al., 2020）。

图3(b)处理后的射线照片突出了复合基体内部的中子传输空间变化，其中较亮的区域对应于更强的衰减。沿着图4中指示的方向提取的定量灰度强度剖面显示了衰减与五水合硼砂含量的系统依赖性。增加硼的负载会导致热中子衰减的显著增强，而较低的硼含量则导致屏蔽效果的降低。这种组成依赖性的响应直接反映了控制屏蔽性能的减速-吸收相互作用，其中有效的氢介导的热化增加了硼随后捕获中子的概率。因此，当前的射线照片结果为引言中提出的基于物理的减速-吸收协同作用提供了实验证据。

图4展示了基于CCD的HMWPE/五水合硼砂复合材料的射线照片，说明了中子传输和衰减行为与厚度和组成的依赖性。在台阶界面观察到的灰度强度的局部降低归因于与制造相关的微小不均匀性，例如不完全压实或小的界面间隙，这些可能允许有限的中子流动。这种界面伪影在阶梯状屏蔽几何结构中很常见，并且不会改变本研究中观察到的整体厚度和组成依赖的衰减趋势。

补充的基于CCD的中子射线照片（图5）显示出正对比度，其中较亮的区域对应于更高的中子传输。这些数字射线照片一致地解析了阶梯几何结构中的厚度和组成依赖的衰减效应。在0.5厘米的纯HMWPE厚度下观察到最高的传输，而在较大厚度的富含硼的复合材料中观察到最强的衰减。基于薄膜和基于CCD的射线摄影之间的一致性为衰减趋势提供了交叉验证，并确认了实验性中子射线摄影方法的稳健性。

图5从ENDF/B-VII.1评估的核数据库中获取了中子相互作用截面，该库包含了主要组成元素（H、B、C、O和Na）。这确保了复合系统内中子减速和吸收过程的准确表示。

3. 结果与讨论
3.1 中子射线照相分析
使用基于薄膜的检测方法获得的阶梯结构HMWPE/五水合硼砂复合材料的代表性中子射线照片如图3(a)所示。由于给定样品中的每个台阶都具有相同的组成，因此观察到的中子传输变化可以完全归因于有效屏蔽厚度的差异。对于所有研究的组成，传输的中子强度随着厚度的增加而单调减少，这与含氢和硼的屏蔽介质的预期衰减行为一致（Knoll, 2000; Rennie et al., 2020）。这种厚度依赖性反映了HMWPE基体中的氢对中子的减速作用，随后是五水合硼砂相中的硼物种对热中子的吸收作用，这与含硼聚合物系统中的已知衰减机制相符（Hao et al., 2025; Rennie et al., 2020）。

3.2 与MCNP模拟的比较
实验获得的中子传输数据与使用MCNP5进行的蒙特卡洛中子传输模拟进行了系统比较，以阐明潜在的辐射-物质相互作用机制（Forster et al., 2004; Shang et al., 2023）。如图6所示，从中子射线照相获得的归一化灰度传输与代表性复合组成和厚度的模拟传输中子强度之间存在密切的定量对应关系。这种一致性表明，简化的计算几何形状和材料定义充分捕捉了HMWPE/五水合硼砂复合材料内控制中子减速和吸收的主要物理过程（Lee et al., 2022; Paul et al., 2023）。

实验和模拟结果都显示出随着样品厚度的增加，传输的中子强度单调减少，同时随着五水合硼砂含量的增加，衰减在最佳范围内呈现出组成依赖性的增强（Rennie et al., 2020）。测量结果与模拟结果之间的一致性证实了减速-吸收框架，其中富含氢的HMWPE有效地减缓了入射中子，从而增加了硼随后捕获中子的概率（Hao et al., 2025; Ortaç et al., 2023）。在较小厚度下观察到的轻微偏差归因于与束流不均匀性、探测器响应和微观结构不均匀性相关的实验不确定性，这些在理想化的蒙特卡洛模型中没有明确表示。

重要的是，结合实验-计算的方法使得可以分离几何（厚度驱动）衰减效应和组成依赖的吸收贡献。这种经过实验验证的建模框架为评估超出离散实验测试配置的屏蔽性能提供了预测工具，代表了聚合物-硼中子屏蔽系统合理设计和优化的方法论进步。

通过将中子射线照相测量与MCNP模拟相结合，确定了中等五水合硼砂含量的最佳平衡（Hao et al., 2025; Knoll, 2000）。如图6所示，热中子衰减并没有随着硼含量的增加而单调增加，超过一个临界阈值后（Rennie et al., 2020）。相反，在大约40 wt%的五水合硼砂含量和1.5厘米的复合厚度下达到最大衰减，超过这个范围后，进一步增加硼的比例会带来收益递减。这种非线性行为反映了氢-硼复合系统中的内在减速-吸收权衡。在低硼含量下，HMWPE的中子减速占主导地位，但热中子捕获不足。相反，过量的硼负载会降低氢原子密度，从而损害中子减速并限制了有效热化所需的效率（Hao et al., 2025）。因此，确定的最佳值代表了一个组成-厚度窗口，在该窗口中，减速和吸收过程协同平衡，以最大化热中子衰减。

在大约40 wt%的五水合硼砂含量之后观察到的衰减饱和可以归因于氢原子密度的降低及其对中子减速效率的影响。在富含氢的聚合物系统中，中子的减速主要由与氢的弹性散射主导，这提供了每次碰撞的最高平均对数能量减少。随着硼含量的增加，HMWPE的相对比例减少，导致宏观散射截面的减少，从而降低了减速效率。尽管增加硼含量增强了宏观吸收截面，但硼在中温能量范围内的捕获最为有效，其中吸收截面遵循1/v的依赖性。在较高的硼负载下，减速效率的降低限制了达到热能量的中子比例，导致衰减性能的饱和或甚至轻微下降。这种行为反映了控制氢-硼复合系统中中子屏蔽的基本减速-吸收权衡。

从辐射保护的角度来看，这一经过实验验证的优化窗口为轻质聚合物基中子屏蔽提供了定量的设计指南。在质量、体积和材料成本有限的应用中，例如研究反应堆束线中的屏蔽组件、中子成像设施和辐照口周围的局部屏蔽，实现中等厚度和填料负载下的高衰减尤为重要。

在大约1.5厘米的有效屏蔽厚度下，具有较高五水合硼砂含量的复合材料之间的射线照相灰度强度差异变得微不足道，表明衰减饱和的开始。这种行为强烈表明，超过临界水平的吸收剂含量并不会带来热中子衰减的成比例增加。观察到的饱和反映了减速-吸收权衡，其中过量的硼负载降低了氢密度，从而降低了热捕获之前的中子减速效率（Hao et al., 2025; Ortaç et al., 2023; Yilmaz et al., 2023, ch. 4）。

相应的MCNP5模拟（图6）以半对数形式（ln(It/I0）表示，再现了实验观察到的趋势，确认了衰减随着厚度和五水合硼砂含量的增加而增加。实验和模拟衰减曲线之间的一致性验证了简化几何和材料建模方法在捕捉主导中子传输物理方面的充分性（Forster et al., 2004; Shang et al., 2023）。

在较大的有效厚度（1.5–2.0厘米）下，衰减行为开始偏离理想的指数衰减，表明中子积累效应的开始。在这种情况下，屏蔽介质内的多次散射产生了贡献于传输通量的次级中子，特别是在前向散射路径上。因此，测量的强度不再仅代表纯粹衰减的初级中子，而是包括了一个额外的散射成分，导致检测到的通量相对于纯粹的吸收行为略有升高。这种积累现象在五水合硼砂含量中等时最为明显，此时氢浓度足以促进中子减速和重复散射，而吸收仍然不完全。因此，在中等五水合硼砂含量下，中子减速和部分传输之间出现了平衡，增强了散射中子对总通量的贡献。

从屏蔽设计的角度来看，这些观察结果强调了仅增加材料厚度并不能确保成比例的衰减。相反，通过多层或组成分级的配置更有效地实现了最佳性能，这些配置战略性地结合了减速和吸收，同时抑制了散射中子的贡献。在中子束线屏蔽和成像系统中，这些考虑尤为重要，因为散射中子可能会提高背景信号并降低测量精度。

在较大的有效厚度（1.5–2.0厘米）下，模拟表明检测到的中子强度略有增加，这归因于中子积累效应。在较厚的屏蔽层中，多次散射产生了贡献于检测通量的次级和散射中子，部分补偿了吸收损失（Forster et al., 2004; Knoll, 2000; Rennie et al., 2020）。这种积累现象在五水合硼砂含量中等时最为明显，此时氢浓度足以促进中子减速和重复散射，而吸收仍然不完全。从屏蔽设计的角度来看，这些观察结果强调了仅增加材料厚度并不能确保成比例的衰减。相反，通过多层或组成分级的配置更有效地实现了最佳性能，这些配置战略性地结合了减速和吸收，同时抑制了散射中子的贡献。这些研究结果共同表明，有效的中子屏蔽设计需要明确优化中子减速与吸收之间的平衡，而不仅仅是简单地增加吸收剂的含量，从而支持基于定量分析的设计，超越了仅适用于基于聚合物的中子屏蔽系统的经验方法。从辐射防护的角度来看，表2中呈现的结果证实了五水合硼砂在基于高分子量聚乙烯（HMWPE）的屏蔽系统中是一种有效且经济可行的中子吸收剂。然而，数据清楚地表明，最佳的中子衰减性能并不是通过单纯增加硼含量来实现的，而是通过仔细平衡中子减速（富氢基质）和吸收（硼相）来实现的。在这种情况下，中子射线照相和蒙特卡洛（Monte Carlo）建模的结合使用被验证为一种稳健且具有预测性的框架，用于合理设计用于反应堆束流线和中子成像应用的基于聚合物的热中子屏蔽材料。

表2. 高分子量聚乙烯/五水合硼砂复合材料的半对数热中子衰减值（ln(It/I0)，作为样品厚度和硼砂含量的函数。

| 硼砂含量（重量百分比） | 0.5厘米 | 1.0厘米 | 1.5厘米 | 2.0厘米 |
|--------------|--------|--------|--------|--------|
| 0（纯HMWPE） | -1.9 | -3.6 | -3.7 | -4.4 |
| 10 | -3.0 | -5.4 | -5.7 | -6.4 |
| 20 | -3.8 | -5.8 | -6.1 | -6.3 |
| 30 | -1.9 | -5.1 | -5.8 | -5.5 |
| 40 | -5.6 | -6.4 | -7.6 | -6.5 |
| 50 | -4.2 | -4.7 | -4.8 | -4.7 |
| 60 | -4.3 | -4.8 | -5.3 | -6.0 |
| 70 | -4.4 | -6.4 | -6.7 | -6.7 |
| 80 | -3.2 | -4.1 | -5.0 | -6.5 |
| 90 | -3.1 | -4.7 | -5.3 | -6.1 |
| 100 | -4.2 | -4.3 | -4.8 | -4.7 |

注：实验中的中子射线照相数据仅涵盖了硼砂含量高达52%的样品，而硼砂含量超过60%的数据完全来自MCNP5模拟，未经实验验证。这些模拟结果包括在内，以说明在高硼含量范围内超出实验可达到范围的衰减行为。

在特定组成下观察到的非单调趋势（例如，30%的硼砂含量和40%硼砂含量时的厚度依赖性变化）归因于中子减速、吸收和积累之间的竞争效应，如第3节所讨论的。ln(It/I0)的更负值表示更强的衰减效果。硼砂含量超过60%的数据仅基于蒙特卡洛模拟，应被视为预测性趋势，而不是经过实验验证的结果。

为了便于直接进行定量比较，衰减值以ln(It/I0)的形式表示，这与热中子在复合介质中的指数衰减行为一致。如表2所示，样品厚度的增加通常会导致更负的ln(It/I0)值，证实了预期的厚度依赖性衰减趋势。尽管如此，在特定的组成和几何条件下，仍观察到与理想指数行为的偏差，这表明了复杂的中子传输现象的影响。

在低厚度（0.5厘米）时，30%硼砂含量样品观察到的异常低衰减可以归因于氢介导的减速不足以及硼分布不理想。这种情况降低了中子在吸收前的热化概率，从而降低了整体衰减效率。这一结果突显了屏蔽性能对减速剂-吸收剂平衡的敏感性，特别是在薄截面中。

在中等硼砂含量下，最强的衰减效果始终出现在约40%的硼砂含量附近，表明存在一个最佳的中子减速-吸收平衡状态。然而，与1.5厘米相比，2.0厘米时的衰减略有下降。这种行为归因于中子积累效应，即在较厚介质中的多次散射和二次中子贡献部分抵消了中子的损失，导致衰减偏离了理想的指数衰减。实验射线照相数据与MCNP5模拟之间的一致性证实，这种效应源于内在的中子传输现象，而不是实验不确定性。

在较高的硼含量（例如52%及以上）下，衰减性能趋于下降。这种行为与氢原子密度的降低有关，这限制了有效的中子减速，以及可能的颗粒聚集，降低了硼分散的均匀性。因此，较少的中子被热化到硼捕获最有效的能量，导致衰减效率降低。

需要强调的是，硼砂含量超过52%的样品并未进行实验制备或表征。相应的衰减值（≥60%）完全来自蒙特卡洛模拟（MCNP5），包括在内是为了探索高硼含量下的极限减速-吸收状态。因此，这些结果应被视为预测性趋势，而不是经过实验验证的性能。

总体而言，表2中的数据清楚地表明，在约40%的硼砂含量和约1.5厘米的厚度下存在一个最佳组合，这代表了一个实现高效、轻质且经济可行的热中子屏蔽的实际“最佳窗口”。

**4. 结论**

本研究通过实验验证了中子减速-吸收平衡在控制氢-硼复合系统热中子屏蔽性能中的作用。通过将中子射线照相与蒙特卡洛传输建模（MCNP5）相结合，展示了一种评估HMWPE/五水合硼砂复合材料中组成和厚度耦合效应的实验支持方法。结果确定了一个明确的最佳组合，即大约40%的硼砂含量和1.5厘米的屏蔽厚度，在这种条件下，通过氢介导的减速和硼驱动的热吸收之间的有效平衡，中子衰减达到最大。在这种条件下，复合材料在保持相对较低的厚度和材料含量的同时实现了高效的衰减，这对于实际屏蔽应用非常有利。

超过这个最佳组合后，随着硼含量的增加和厚度的增加，衰减性能的改善逐渐减弱。较高的硼含量降低了氢原子密度，限制了中子在捕获前的减速，而厚度的增加导致衰减行为偏离了理想的指数衰减行为，这与中子散射和积累效应一致。这些结果表明，屏蔽效果受耦合的中子传输过程的控制，而不仅仅是吸收剂含量或厚度本身。

中子射线照相测量结果与MCNP5模拟之间的一致性证实，所采用的建模方法捕捉了研究系统中控制中子衰减的主要物理机制。在调查的范围内，这种结合实验-计算的方法为评估和比较屏蔽配置提供了可靠的基础。总体而言，这项工作为基于HMWPE并含有五水合硼砂的中子屏蔽材料提供了基于实验的设计指导。该方法及其发现适用于开发轻质且经济可行的屏蔽组件，适用于反应堆束流线和中子成像环境，并可扩展到其他含有硼基吸收剂的富氢聚合物系统。

**作者贡献声明**

Ferhat Aziz：撰写——原始草稿、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。
Parikin Farihin：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、概念化。
Mardiyanto Panitra：资源、方法论、调查。
Bambang Suharno：监督、资源、调查。
I. Wayan Ngarayana：调查、数据管理。
Andryansyah Andryansyah：验证、形式分析。
Sriyono Sriyono：验证、形式分析。
Elfrida Saragih：可视化、数据管理。
Ign Djoko Irianto：资金获取、形式分析。
Djati Hoesen Salimy：资金获取、形式分析。
Nurul Huda：资金获取、形式分析。
Indra Gunawan：验证、形式分析。
Agus Salim Afrozi：资源、项目管理。
Abu Khalid Rivai：监督、项目管理、资金获取。
Topan Setiadipura：监督、项目管理。

**资助**

本研究得到了印度尼西亚财政部通过LPDP–RIIM研究资助计划2023年第3批的支持，依据国家研究与创新机构（BRIN）研究与创新促进部长的法令第20/II.7/HK/2025号及附件109号。