《Radiation Measurements》：Calculation and verification of energy deposition by high-energy deuterons in thick beryllium target
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能量沉积特性研究|Geant4模拟|厚Be靶|热释光探测器|BIC_AllHP模型
高志超|张雪颖|朱永琴|韩瑞|葛洪林|马飞|张彦斌|周斌|陈亮|田国宇|万涛|崔耀轩|曲文丽
中国科学院近代物理研究所，兰州，730000，中国
摘要
d-Be中子源是一种具有巨大潜力的紧凑型加速器中子源。高能氘束在铍靶中的能量沉积是设计靶材热去除系统时的重要参考因素。本文使用Geant4工具包和三种反应模型，研究了氘束在厚铍靶中的总能量沉积、能量沉积线性密度以及不同次级粒子的贡献。此外，我们还进行了300 MeV氘束轰击厚铍靶的实验，使用多个热释光探测器测量了靶内的剂量分布。模拟结果与实验数据的比较表明，Geant4模拟能够有效估算d-Be反应的能量沉积，其中BIC_AllHP模型与实验数据的一致性最好。
引言
质子或氘子诱导的中子源是常用的紧凑型加速器中子源。由于体积小、中子产额高且易于使用，这些中子源在放射治疗（Capoulat等人，2024年）、材料辐照（Knastera等人，2014年）和无损检测（Klein等人，2021年）等领域有广泛应用。此外，这种类型的中子源也是加速器驱动系统（ADS）中中子源的潜在候选者。近年来，直线加速器技术的发展使得对这些中子源的研究和建造受到了广泛关注。
铍以其优异的硬度和在空气中形成致密氧化层的性能而闻名，同时其高熔点使其能够承受高功率质子束的轰击（Subbotina等人，2021年）。中子源由于采用了铍材料而具有相当大的实际价值。当作为中子源的靶材时，必须有效去除氘束在铍靶中沉积的热量。因此，冷却方案的设计与氘束和次级粒子在铍中的能量沉积分布密切相关。因此，研究氘束在铍靶中的能量沉积特性对于紧凑型中子源的设计至关重要。
随着计算机性能的提高，蒙特卡罗模拟已成为预测粒子与靶相互作用所产生的能量沉积的重要工具（Yu，2016年）。本研究使用开源工具包Geant4（Agostinelli等人，2003年；Allison等人，2016年），通过多种核反应模型系统地探讨了氘束在铍靶中的能量沉积分布。此外，实验也证明了使用热释光探测器阵列来研究低束流强度下高能质子在靶中的剂量沉积的可行性（Hoffmann等人，1999年；Zhou等人，2021年）。因此，利用热释光探测器记录了高能氘束在厚铍靶中的轴向和径向能量沉积分布，并用实验数据验证了计算结果。
反应模型
Geant4是由CERN开发的一个开源工具包，用于模拟粒子在物质中的反应和传输。Geant4官方提供了一些参考物理列表（Geant4合作组，2021年）。我们选择了、和作为研究氘束在铍靶中能量沉积的参考物理列表。'INCL'代表使用列日核内级联模型（Boudard等人，2013年；Mancusi等人，2014年）。INCL模型能够模拟
实验与代码验证
为了评估代码产生的模拟结果的准确性，我们使用高能氘束对厚铍靶进行了能量沉积实验。利用热释光探测器记录了铍靶内不同深度和位置的剂量沉积。随后将实验数据与Geant4的模拟结果进行比较，以评估Geant4代码在热能量沉积设计方面的有效性
总结
本文利用Geant4中的INCL_HP、BIC_AllHP和BERT_HP模型计算了高能氘束在厚铍靶中的能量沉积。结果包括不同入射粒子能量的能量沉积、能量沉积线性密度、不同次级粒子对能量沉积的贡献以及能量沉积分布曲线。在束流轨迹的末端观察到了一个布拉格峰，那里的能量
作者贡献声明
高志超：撰写初稿、软件开发、数据分析。张雪颖：项目监督、资金申请。朱永琴：数据管理。韩瑞：数据管理。葛洪林：数据管理。马飞：数据管理。张彦斌：数据管理。周斌：数据管理。陈亮：撰写、审稿与编辑、概念构思。田国宇：数据管理。万涛：资金申请。崔耀轩：结果验证。曲文丽：结果验证。
未引用的参考文献
Brown等人（2018年），Koning和Rochman（2012年），Koning等人（2019年），Nakayama等人（2021年）
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
我们感谢波兰科学院核物理研究所的Pawe? Bilski教授和Pawel Olko教授在LiF:Mg,Cu,P对氘束的探测效率方面提供的帮助。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：12075296）和国家青年人才计划（项目编号：E11S331GR0）的支持。
