中子是电中性粒子，不受库仑力作用，穿透性极强，且在碰撞过程中会产生次级伽马射线，是现代核辐射防护的研究重点。科学高效的中子屏蔽方案是同时选用高Z、低Z材料和中子吸收材料进行复合屏蔽，例如常用的铅、硼、聚乙烯组合。然而铅的强生物学毒性对环境不友好，其应用范围受到限制。而稀土元素钆在自然界中通常以无毒的氧化钆(Gd2O3)形式存在，且其平均热中子吸收截面高达36300靶恩，耐高温且具备良好的伽马屏蔽性能。
该研究基于材料特性设计了一种高性能无铅的表面改性氧化钆/碳化硼/高密度聚乙烯(Modified-Gd2O3/B4C/HDPE)复合屏蔽方案。采用偶联剂对Gd2O3进行表面改性处理，提高了填料在基体内部的界面相容性和弥散性，使辐射粒子更充分地与材料内部的功能组元相互作用而迅速衰减。复合材料采用钆(Gd)-氢(H)-硼(B)体系对中子进行慢化和吸收，利用轻、重核与中子的相互作用特性以及钆和硼的高热中子吸收截面特性，使高能入射中子与钆产生非弹性碰撞，与氢、碳、氧发生弹性碰撞直至成为热中子，最后被钆和硼吸收，其中钆作为重核元素还兼具吸收伽马射线的功能。研究表明改性纳米Gd2O3对复合材料的性能提升明显优于改性微米Gd2O3及未改性的纳米和微米Gd2O3。并且在较薄的材料厚度时(6cm以下)，填料的改性处理对复合材料辐射屏蔽性能的提升尤为明显。
该研究通过正交实验分析结合蒙特卡罗模拟验证，获得了最优的中子屏蔽材料方案。蒙卡模拟结果显示在加载最优屏蔽材料之后，探测器测得的中子和伽马能谱在全部能区均明显衰减。送往北京市射线应用研究中心的样品屏蔽测试结果显示，在锎(Cf)-252(平均能量2.45 MeV)中子源辐照环境下，优选复合材料在厚度为15 cm时达到了98%的中子屏蔽率;在铯(Cs)-137(平均能量0.662 MeV)和钴(Co)-60(平均能量1.25 MeV)伽马源辐照环境下，该复合材料在厚度为15 cm时分别达到了72%和60%的伽马屏蔽率。其综合屏蔽性能优于EAST装置中子伽马能谱诊断系统原有的掺硼聚乙烯准直屏蔽体，可作为改进型替代材料，也可作为其他中子-伽马混合场的防护材料。
该研究得到中国科学院合肥大科学中心“高端用户培育基金”、 CRAFT项目、能源研究院(安徽省能源实验室)项目、国家磁约束核聚变能研究专项、国家自然科学基金等项目的资助。
