[论文解读] Neutron shielding for particle astrophysics experiments

J. E. McMillan|ArXiv.org|Oct 20, 2005

Nuclear Physics and Applications参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文评估了低成本含氢材料在粒子天体物理学实验中中子屏蔽的应用，重点关注原始聚合物颗粒和水扩展聚酯（WEP）。研究证明，将WEP与聚丙烯颗粒混合可形成一种成本低廉、具有承重能力的复合材料，其屏蔽性能与PMMA相当，为大规模中子屏蔽提供了实用且可扩展的低成本解决方案。

ABSTRACT

Particle astrophysics experiments often require large volume neutron shields which are formed from hydrogenous material. This note reviews some of the available materials in an attempt to find the most cost effective solution. Raw polymer pellets and Water Extended Polyester (WEP) ae discussed in detail. Suppliers for some materials are given.

研究动机与目标

• 确定适用于粒子天体物理学实验的大体积、低成本中子屏蔽材料。
• 评估原始聚合物颗粒和水扩展聚酯（WEP）作为昂贵挤出板的替代品的可行性。
• 开发一种基于WEP和聚丙烯颗粒的低成本、承重屏蔽复合材料。
• 评估WEP与中子捕获无机物（如硼和锂化合物）的兼容性，以增强屏蔽效果。
• 为实验屏蔽系统提供材料选择、采购和制造方面的实用指导。

提出的方法

• 比较2002/03年英国供应商提供的含氢屏蔽材料（包括聚乙烯、聚丙烯、石蜡和WEP）的原始材料成本。
• 提出使用原始、未加工的聚合物颗粒（例如Albis产品）作为挤出板的低成本替代方案，指出其价格低至0.48英镑/公斤。
• 描述通过将Crystric 1381PA树脂与水混合，并使用甲乙酮过氧化物催化剂固化，制备WEP的方法。
• 提出一种通过将WEP与聚丙烯颗粒混合以提高堆积密度并形成承重屏蔽的复合材料方法。
• 概述将无机中子吸收体（如硼砂、碳酸锂）掺入WEP基质中的程序，且不破坏固化过程。
• 建议在户外或通风良好的环境中进行混合，以避免制备过程中苯乙烯单体蒸气的释放，固化时间约为15分钟（在指定比例下）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在粒子天体物理学实验中，哪些是用于大体积中子屏蔽的最经济高效的含氢材料？
• RQ2 原始聚合物颗粒能否有效用作中子屏蔽中挤出聚合物板的低成本替代品？
• RQ3 WEP的屏蔽性能与PMMA或聚乙烯等标准材料相比如何？
• RQ4 在不损害固化或结构完整性的前提下，WEP能否有效负载中子捕获无机物（如硼或锂化合物）？
• RQ5 在实际实验装置中使用WEP和颗粒复合材料时，存在哪些实际制造挑战和成本影响？

主要发现

• Albis提供的原始聚丙烯颗粒成本为0.48英镑/公斤，约为挤出聚乙烯板成本的1/3至1/4，使其成为极具成本效益的屏蔽选择。
• 将WEP与聚丙烯颗粒混合可形成坚固、类似混凝土的复合材料，具有承重能力，且显著低于纯WEP或板材材料的成本。
• 即使在控制措施有限的情况下，该复合材料在生产过程中也表现出极少的空气包裹，表明其良好的可加工性。
• WEP可成功与无机中子吸收体（如硼砂，1.63英镑/公斤；碳酸锂，9.08英镑/公斤）混合，且对固化或稳定性无不良影响。
• 当使用适当比例的催化剂和树脂时，WEP的固化时间约为15分钟，完全聚合后材料无气味且稳定。
• DOE研究已验证WEP与无机物结合用于放射性废物封装，表明其具有长期耐久性，适用于屏蔽应用。