玻璃基中子剂量检测材料研究进展

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1201

摘要/Abstract

摘要：

随着先进核能系统、医疗中子治疗及核安保需求的不断提升，对中子剂量检测材料的灵敏度、稳定性和工程可加工性提出了更高要求。玻璃基剂量检测材料因成分可设计性高、化学稳定性好、辐照耐受性强且易于制备成块体、薄片或光纤等形态，在复杂中子场中的剂量测定领域展现出独特优势。本文系统梳理了中子与物质的相互作用机制及核裂变、核反冲、核活化与核反应等典型探测方法，总结了硼硅酸盐、锂硅酸盐、磷酸盐玻璃及稀土掺杂玻璃等多类材料在组成结构、缺陷中心形成机制、剂量响应特性及应用性能方面的研究进展。重点分析了¹⁰B与⁶Li俘获反应驱动的色心与载流子陷阱机制、Ce³⁺/Tb³⁺等稀土离子在闪烁过程中的能量转换路径，以及不同玻璃网络结构对辐照稳定性和剂量灵敏度的影响。在此基础上，进一步讨论了玻璃基中子剂量材料在高灵敏测量、光纤化探测与宽能区响应等方向的潜在优势及未来发展趋势，有望为下一代高性能中子剂量检测材料的结构设计与工程化开发提供参考。

关键词: 中子剂量检测, 玻璃基材料, 稀土掺杂, 辐照缺陷, 中子俘获反应, 网络结构

Abstract:

With the rapid development of advanced nuclear systems， neutron-based medical therapies， and nuclear security technologies， the demand for neutron dosimetry materials with higher sensitivity， long-term stability， and engineering feasibility has grown substantially. Glass-based neutron dosimeters have attracted considerable interest due to their high compositional tunability， excellent chemical durability， strong radiation resistance， and capability for fabrication into bulk plates， thin films， and optical fibers. This review summarizes the interaction mechanisms between neutrons and matter， followed by an overview of four representative detection approaches， including fission， nuclear recoil， activation， and nuclear-reaction-based detection. The recent progress of various glass systems， including borosilicate， lithium silicate， phosphate glasses， and rare-earth-doped glasses， is comprehensively discussed， covering network structures， defect-center formation mechanisms， neutron-induced luminescence pathways， and dosimetric performance. Special attention is given to the ¹⁰B and ⁶Li， the role of Ce³⁺/Tb³⁺ dopants in scintillation processes， and the correlation between glass network topology， radiation stability， and sensitivity. Based on these research developments， the potential of glass-based neutron dosimetry materials in high-resolution detection， fiber-based sensing， and wide-energy-range applications is further highlighted. This review aims to provide guidance for the structural design and engineering development of next-generation neutron dosimetry materials.

Key words: neutron dosimetry, glass-based material, rare-earth doping, radiation-induced defect, neutron capture reaction, network structure

中图分类号:

TQ171

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图/表 6

图1 中子和物质相互作用分类图［26］

Fig.1 Classification diagram of neutron-matter interaction［26］

表1 239Pu、233U和235U热中子裂变截面［35］

Table 1 Thermal neutron fission cross-sections of 239Pu， 233U and 235U［35］

Nuclide	σ_f/（10^-24 cm²）
²³⁹Pu	744.0±2.5
²³³U	529.9±1.4
²³⁵U	583.5±1.3

图2 10B、6Li、3He三种核中子核反应截面与中子能量图［40］

Fig.2 Nuclear reaction cross-sections and neutron energy diagram of 10B， 6Li， and 3He nuclei［40］

图3 硼硅酸盐玻璃结构示意图［48］

Fig.3 Schematic diagram of borosilicate glass structure［48］

图4 锂硅酸盐玻璃结构示意图［61］

Fig.4 Schematic diagram of lithium silicate glass structure［61］

图5 磷酸盐结构示意图：（a）孤立的PO4四面体（Q0），（b）二聚磷酸基团（Q1），（c）三聚磷酸结构（Q2），（d）高度聚合的磷酸盐网络结构（Q3/Q4）［73］

Fig.5 Schematic diagram of phosphate structure：（a） isolated PO4 tetrahedron （Q0），（b） dipolyphosphate group （Q1），（c） tripolyphosphate structure （Q2），（d） highly polymerized phosphate network structure （Q3/Q4）［73］

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