一旦发生核与辐射事故，可能伴随中子辐射的产生，而中子辐射权重因子为γ射线的2.5~20倍^[1]，其对人体辐射损伤^[2]的防护不可忽视，而在中子测井、中子探伤等作业环境也必须考虑个人中子防护。用于个人辐射防护的屏蔽材料必须要求轻质柔软，常见的中子辐射屏蔽基质材料聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)等一般被用作工程防护材料^[3-7]，因柔性较差而无法用于人员个体防护。国内外先后开展了个人辐射防护用中子屏蔽材料的相关研究^[8-13]，但大多是针对热中子防护，对于中能以上的快中子防护效果很差，而实际上发生核与辐射事故时，往往存在大量的中能中子和快中子，对个人剂量贡献较大，现有个人中子屏蔽材料在事故应急中使用时，对人员受照剂量的降低效果可能并不明显。本研究基于高能中子屏蔽机理及个人中子防护材料基本要求，筛选中子慢化剂和吸收剂材料，并研究确定材料配比，研制宽能中子辐射个人防护材料，通过²⁵²Cf裂变中子和加速器单能中子屏蔽实验，研究个人中子防护材料对不同能量中子辐射的屏蔽效率。

材料与方法 1、个人中子防护材料制备

物质与中子相互作用的反应截面呈现出中子能量越低、反应截面越大的规律，难以在短距离内将高能中子阻挡。而用于个人中子防护时其屏蔽材料厚度一般较薄，难以将中能中子和快中子注量大幅降低，如²⁵²Cf裂变中子源在15 cm重水屏蔽后，其注量只下降了11.5%^[14]。因此，个人中子防护用屏蔽材料的设计基本思路是使用慢化剂尽可能的将高能中子能量降低，然后用吸收剂将绝大多数中低能中子俘获，最终达到减少中子所致吸收剂量的目的。

(1) 慢化剂与吸收剂：作为个人中子防护用屏蔽材料，首先要求必须无毒、无腐蚀性、无挥发性和化学性质稳定等^[15]。根据中子与物质相互作用散射截面的特点，含氢材料是绝大多数中子屏蔽材料的主要成分，本研究选取含氢量与PE、PP相当的乙丙橡胶(EPR)作为高能中子慢化剂。虽然氢元素也可作为吸收剂，吸收低能的热中子，但因其俘获截面较小，且吸收同时释放出一个2.2 MeV的γ光子，不利于辐射屏蔽设计，需在EPR中掺入其他热中子吸收剂。根据常见热中子吸收剂的俘获截面^[16]，同时考虑俘获反应产物退激释放γ射线屏蔽因素，含硼或锂材料是热中子吸收剂的优选材料，本研究选用热中子俘获总截面大的碳化硼(B₄C)作为热中子吸收剂。

(2) 材料配比和加工：根据宏观截面理论计算，以99%的热中子屏蔽为期望，其意义是要达到吸收99%的热中子目标，单位屏蔽面积内需要0.138 g/cm² B₄C，而B₄C和EPR的密度分别为2.51和0.87 g/cm³，本研究主材料的质量比确定为B₄C 10%、EPR 90%，其理论密度0.930 8 g/cm³，1.5 cm厚主材料对热中子吸收>99%。

由于市场上的EPR只有生胶和含胶量 < 65%的熟胶，不符合对高含氢量的要求，经与上海橡胶制品研究所合作，通过加温、搅拌和硫化等工艺成功研制了含胶量达90%的EPR熟胶制品，考虑到用于制作中子个人防护用品，在保证含氢量的同时还要兼顾柔韧性和可加工性，故加工成品为500mm×500mm×5mm、掺入10% B₄C的含胶量高达90%的EPR板熟胶制品。

2、屏蔽实验方法

(1) 裂变中子屏蔽效率实验：使用²⁵²Cf裂变中子源(俄罗斯原子能技术研究院生产，实验时含量为34 μg)、自制影锥(圆柱石蜡桶)和中子剂量仪(法国DINEUDRON)等开展个人中子辐射防护材料的裂变中子屏蔽实验，将PE板、三元EPR板以及含10%B₄C的三元EPR板分别加工成屏蔽箱体，箱体的内部尺寸425mm×275mm×425mm，可容纳中子剂量仪并可用微型监视镜头读取数据，将中子剂量仪置于箱体中，与中子源同高。通过调节中子入射方向主屏蔽面的厚度及其他条件，对几种材料不同厚度条件下的中子屏蔽效率开展系统实验测试，每项实验至少重复测量5次，验证性重复测量不少于2次，每次测量计数至少20个，计算相应的平均值和标准差，测试实验包括3种箱体屏蔽、无屏蔽、影锥测本底，见表 1。

(2) 单能中子屏蔽效率实验：利用加速器(Model 5 SDH-2型，美国国家静电公司)、长中子计数器(1100 N型，美国Ordeala公司)、中子剂量仪(DINEUDRON型，法国Canberra公司)和气泡剂量计(BDPND型，加拿大BTI公司)等开展个人中子辐射防护材料的单能中子屏蔽实验。实验使用6种单能中子测试中子屏蔽材料的屏蔽效率，分别是5.0、2.5、1.2 MeV和565、250、144 keV。长中子计数器是记录加速器发射的绝对中子注量，并用于对束流的归一，通过计算得到的单位束流计数所对应的注量，见表 2。

由于加速器单能中子实验的散射中子较少，因此实验时不使用屏蔽箱，仅用屏蔽板板材。经过束流转换到注量，将所有能量中子实验所得的中子剂量进行单位注量率的归一，由屏蔽效率式(1)计算得到实验用的屏蔽材料对各个单能中子的屏蔽效率。

$ \eta=1-\left(A_{\mathrm{x}}-A_{\mathrm{s}}\right) /\left(A_0-A_{\mathrm{s}}\right) $

(1)

式中，η为中子屏蔽效率，%；A_x为屏蔽后中子周围剂量当量(率)测量值，pSv；A₀为屏蔽前中子周围剂量当量(率)测量值，pSv；A_s为中子周围剂量当量(率)本底测量值，pSv。

3、屏蔽效率评价方法

假设1.5 cm厚含10% B₄C的EPR板对热中子的屏蔽效率达99%(能量为0时效率近似为100%)，根据单能中子屏蔽效率实验结果建立1.5 cm厚含10% B₄C的EPR板对不同能量中子屏蔽效率拟合曲线公式。

由于用于拟合的实验值仅至5 MeV，而²⁵²Cf中子在7 MeV以上仅有1.80%^[14]，因此根据国际标准IEC 1322^[17]中单位注量对应的中子周围剂量当量值，计算出单位注量²⁵²Cf热中子~7 MeV所产生的剂量当量(pSv/cm²)，其中²⁵²Cf中子能谱分布见式(2)^[16]：

$ N(E)=2.41 \sqrt{E} e^{-E / 1.466} $

(2)

式中，N(E)为中子能量为E的中子产额，n/s；E为中子能量，keV。

注量归一后乘以单位注量对应的中子周围剂量当量值R。

$ \begin{gathered} \log _{10} R=1.637-\frac{2.599}{1+e^{1.843\left(\log _{10} E+1.163\right)}}+ \\ \frac{1.944}{1+0.01839\left(\log _{10} E+6.24079\right)^2}+ \\ \frac{0.24841}{1+e^{8.8\left(1.101-\log _{10} E\right)}} \end{gathered} $

(3)

式中，R为单位注量对应的中子周围剂量当量值，pSv/cm²；E为中子能量，keV。

将式(3)在0~7 MeV之间积分可得到单位注量²⁵²Cf所产生的剂量当量，然后乘以1.5 cm厚含10% B₄C的EPR板对不同能量中子屏蔽效率拟合函数再积分得到屏蔽后所致剂量当量，即可计算1.5 cm厚含10% B₄C的EPR板对²⁵²Cf中子的屏蔽效率，与实验结果相互验证。

结果 1、裂变中子屏蔽效率实验结果

根据式(1)对实验数据进行分析，得到3种主要屏蔽材料对²⁵²Cf裂变中子源的屏蔽效率(实验屏蔽板正对中子源，距中子源91 cm)。其中，采用0.98和1.47 cm厚PE板对²⁵²Cf裂变中子源的屏蔽效率分别为31.1%和37.4%，1.05 cm厚EPR板和1.5 cm厚含10% B₄C的EPR板的屏蔽效率分别为27.0%和34.1%。

2、单能中子屏蔽效率实验结果

根据式(1)对实验数据进行分析，得到1.5 cm厚含10%B₄C的三元EPR板对各个单能中子的屏蔽效率，实验屏蔽板中心点置于中子束流方向轴心延长线上，中心点距离中子发射靶心1.5 m。对能量为144、250、565 keV和1.2、2.5和5.0 MeV中子的屏蔽效率分别为76.9%、66.8%、56.0%、39.1%、21.7%和16.1%。

3、屏蔽效率评价结果

实验结果表明，随着能量的降低，其屏蔽效率迅速增大，这一规律是可以得到认同的，但屏蔽效率的准确性需要验证。

基于单能中子屏蔽效率实验结果，建立1.5 cm厚含10% B₄C的EPR板对不同能量中子屏蔽效率拟合曲线公式：

$ \begin{gathered} \eta=0.14267+0.69142 \cdot e^{-\frac{E+0.11549}{1.24889}}+ \\ 0.50001 \cdot e^{-\frac{E+0.11549}{0.14446}} \end{gathered} $

(4)

式中，η为中子屏蔽效率，%；E为中子能量，keV。

将式(3)在0~7 MeV之间积分得到318.56 pSv，然后乘以式(4)同样在0~7 MeV范围再积分得到98.83 pSv，即1.5 cm厚含10% B₄C的EPR板对²⁵²Cf中子屏蔽效率为98.83/318.56=31.02%，与实验结果34.1%吻合很好，即两个实验的相互验证，可证明²⁵²Cf裂变中子源屏蔽实验和单能中子屏蔽实验方法、数据和结果是可靠的，式(4)客观反映了1.5 cm厚含10% B₄C的EPR板对不同能量中子屏蔽效率。

利用同样方法，也得到1.5 cm厚含10% B₄C的EPR板对15 cm重水屏蔽的²⁵²Cf源中子(国际标准ISO 8529-1推荐的标准中子谱^[18])的屏蔽效率为42.3%。

讨论

国内天津工业大学^[9-10]和日本东丽公司^[8]研制的防中子辐射纤维，其共同优点是重量轻，可织成柔软的纺织物，适合人的穿戴，材料有一定的透气性；但由于其密度较轻，且过于重视了吸收剂的含量，其慢化剂较少，导致其主要对热中子有一定的屏蔽作用，而对较高能量的中子屏蔽效果不佳，如天津工业大学研制的防中子辐射纤维对能量为144 keV中子的屏蔽效率仅为30%。本研究研制的中子辐射防护材料不仅对热中子屏蔽效率可达到95%以上，对144和565 keV的中高能中子的屏蔽效率也达到了76.9%和56%，对快中子具有明显屏蔽作用，可在一定程度上实现对宽能中子辐射的屏蔽防护。

中子剂量测量主要探测热中子，然后通过能量补偿和相关理论计算来推导快中子的剂量，因此对于复杂中子谱剂量测量误差较大，即在较宽的能量范围内能量响应差，国内外标准规定的能量响应允许在-50%~200%范围内^[19]。本研究通过6种单能中子实验，通过拟合计算中子剂量，很好的解决了这个问题，得到了准确的屏蔽效率。

含硼或锂材料是热中子吸收剂的优选材料，氢化锂、纯硼及氮化硼因自身存在致命缺陷，无法用于制作个人中子防护用品，B₄C则是热中子俘获总截面最大的硼化合物。对于慢化剂材料，对比分析了PE^[3-5]、PP^[6]、防中子辐射纤维^[8-10]、储氢碳纳米管^[20]、石蜡和EPR^[21]等。其中，储氢碳纳米管和石蜡等因自身明显缺陷不适用于个人中子防护用品，防中子纤维材料则用于热中子辐射防护；PE和PP是中子辐射屏蔽的常用材料，但其可裁剪性和穿着舒适性不高，而EPR是以乙烯和丙稀为基本单体的共聚橡胶，含氢量与PE、PP相当，实验结果表明：PE板(1.47 cm)和含10% B₄C的EPR板(1.5 cm)对²⁵²Cf裂变中子源的屏蔽效率相当，但EPR相对于PE和PP柔性更好、可裁减性更强，适用于制作个人中子防护用品。但由于采用含胶量高达90%的EPR板熟胶，更易老化、变粘，对保存环境有一定要求，以保证长时间保存使用。

无论利用²⁵²Cf裂变中子源还是加速器开展屏蔽效率实验，都无法提供平行入射中子，而屏蔽箱或屏蔽板相对中子发射点都张开了一定立体角，如屏蔽箱相对²⁵²Cf裂变中子源水平张开近20°，竖直张开近32°，导致中子穿越屏蔽材料的距离增大，另外加速器提供的中子随偏离准直方向的增大，中子能量降低，这些因素导致实验结果中屏蔽效率较真实值偏大。

利益冲突  本文由署名作者按以下贡献声明独立开展，不涉及各相关方的利益冲突

作者贡献声明  王震涛负责论文撰写和修改；王海军负责屏蔽效率实验验证；张凯负责屏蔽效率实验验证、数据处理分析；桑文娟负责文献资料调研、数据处理分析；杨翊方负责论文审阅