核輻射屏蔽材料的研究進展

陳博，姜志鵬，羅青松，蔭洪國

(成都理工大學，四川 成都 618000)

?

核輻射屏蔽材料的研究進展

陳博，姜志鵬，羅青松，蔭洪國

(成都理工大學，四川 成都 618000)

介紹了輻射的危害及其產生機理，詳述了防護這些射線的屏蔽材料的種類和屏蔽原理。綜述了現有的復合材料對于輻射屏蔽效果的利弊，提出了新型屏蔽材料的發展方向是研究質地輕和屏蔽效果好的料的復合材料，指出了目前屏蔽材料的研究方向是通過改進材料制備工藝和提高高原子序數的元素增強相在復合材料中所發揮的作用來增強材料的屏蔽效果。

輻射；屏蔽；高原子序數

1 引言

隨著輻射技術的不斷進步以及核能、電子技術領域等發展，各類射頻設備和輻射源工作時所產生的電磁能量將不斷向四處發射，對于人類而言，當人體接受超過一定量的輻射照射時，即會造成輻射損傷，此外輻射還可能污染環境，放射性廢棄物不適當的排放將會對當地的水資源、農作物造成惡劣影響，從而影響人類生活與健康。對于長期處于具有輻射環境中的電子儀器、精密設備也會受到輻照帶來的損傷和電磁干擾，可引起設備結構材料內部發生各種物理和化學變化，是致使各類設備故障和失效的重要誘因。本文簡介了輻射的危害及其防護機理，并且介紹了現有的防輻射材料的利弊，指出了防輻射屏蔽材料的發展方向。

2 輻射屏蔽材料的抗輻射機理主要如下

X射線和γ射線都是由強光子流組成的電磁波，兩者相似點為波長較短，波長范圍大約為10×10-10～14×10-10m，穿透物質能力越強，可間接引起物質電離[1]，當射線通過屏蔽物質時會與物質發生相互作用，引起多種物理變化、化學反應過程，射線能量損耗。X(γ)射線與物質相互作用的過程中引起的出射光子數減少，引起射線衰減。X(γ)射線與物質相互作用的過程很多，可以根據能量的不同，簡化為以下三種方式[1-2]：康普頓散射(Compton-Wu scattering)、光電效應(Photoelectric effect)、電子對效應(Pair production)[2]，射線入射射線強度會隨著穿透深度的增加按指數規律減弱，即I=I0e-(μ/ρ)ρτ(1-2)式中：I0為入射束強度、I為透射束強度、τ為穿透物質厚度(cm)、μ為線吸收系數、ρ為吸收物質的密度。

式1-2中μ/ρ確定為質量吸收系數，即單位重量物質對射線的吸收程度。假如如屏蔽材料由n種元素組成，w1，w2，w3……wn為所含各元素的重量百分數，而(μ/ρ)1，(μ/ρ)2，(μ/ρ)3……(μ/ρ)n為相應元素的質量吸收系數，則這個復雜物質的質量吸收系數為：μ/ρ=∑(μ/ρ)i·wi(1-3)，根據式1-3，μ/ρ與射線波長和物質密度有關，并不受原子間的化學結合方式或物理堆積狀態的影響。

3 現有的輻射防護材料

現代工業中多采用輻射防護材料對人體和設備進行保護，傳統的防護材料難以滿足實際需求。眾多新型防護材料得到進一步研究和發展，以重金屬鉛或鎢為基體進行復合化或合金化的新型防護材料屏蔽性能優異，但力學性能不高，不適用于制備結構件。具有屏蔽射線功能的微粉以復合方式加入無機或有機高分子材料中[3-5]，經加工制備的有機纖維與玻璃等新型輻射防護材料都進入了人們的視野。目前，輻射防護材料大致有以下幾類：(1)金屬單質類防護材料單質類防護材料應用最廣泛的主要是以鉛和鐵元素為單質的金屬材料。鉛是最早應用于輻射屏蔽的材料，也是最常用的輻射屏蔽的材料。鉛不僅對低能和高能的X光子和γ光子均優異的屏蔽性能，而且加工方便，產量充足[6]。純金屬鉛以鉛皮或鉛板形式可以用在移動頻繁的小型或局部屏蔽設備中。但是鉛對低能X射線反向散射高、對能量介于40～88 keV之間的射線存在“Pb弱吸收區”[7]。(2)輻射防護玻璃與陶瓷張興祥等[8]將碳酸鋇、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯先后混合，經自由共聚，可制備有機鋇玻璃材料，材料的防輻射性能、硬度以及耐熱性均有大范圍的提高。K J Singh 等[9]制備的PbO-SiO2系玻璃具有較高的γ射線吸收性能。另外S Sing等[10]采用熔體淬火方法，以氧化鋇、氧化硼和粉煤灰為原料，制備了新型玻璃，這類玻璃同樣具有良好的輻射防護性能。然而陶瓷基復合材料硬度大、易碎、加工困難。使得陶瓷基復合防護材料的應用上存在局限性[11]。(3)高分子類復合防護材料從70年代末開始，逐步開發和生產以有機聚合物為骨架材料，經一定方法引入具有吸收射線功能的微小顆粒制成的防護材料[3,11,12]。Q.Lin等[13]采用以類似的方法制備了光學樹脂，也具有良好的輻射防護功能。齊魯等[14]用聚丙烯及固體屏蔽劑進行復合，所制備纖維材料纖度在2.0dtex以上，斷裂強度和延伸性能夠滿足紡織加工的要求，所制成紡布對中、低能量X射線具有良好的屏蔽效果。(4)金屬基復合防護材料金屬基復合屏蔽材料一類以具有抗輻射強化相，以輕金屬為基體復合制備而成的復合材料。李德安[15]等通過將碳化硼與鉛銻合金粉末進行混合，采用熱壓燒結制得含有屏蔽效果的復合材料，其綜合性能優異。中國核動力研究設計院[16]研制的高硼不銹鋼(硼含量：0.5 wt.%)對屏蔽中子輻射效果顯著，已用于反應堆防護系統中，但不銹鋼的比重較大限制了材料在更多領域的應用。姚利麗[17]等將Al基體熔融，并加入Pb、Ba、TiO2、TiB抗輻射強化相，通過控制冷卻速度和電磁場來控制抗輻射相的分布，從而制備一種抗輻射的自生梯度復合材料，該材料可有效降低高能射線帶來的輻射傷害。

4 高原子序數鎢作為增強相的金屬基復合材料

近年來以高原子序數鎢元素為主的增強體金屬基復合材料或者合金成為射線屏蔽材料研究的新方向。王建等人[30]通過將鎢和鉛在物理化學、抗輻射性能等多個方面進行了對比研究，經過理論計算得出，在達到相同屏蔽效果時，鎢所需的厚度遠低于鉛，加之鎢具有良好的穩定性、可塑性和環保無害等優勢，鎢元素在輻射防護領域越來越受到更多青睞。楊劍[18]等同樣以粉末冶金法制備不同含量W顆粒的Wp/2024Al復合材料，復合材料具有良好的力學性能，研究也表明W含量的增加，經T4熱處理后，復合材料的抗拉強度和屈服強度有所提高。

5 結束語

防輻射屏蔽材料廣泛應用于太空和軍事等諸多領域，隨著核技術應用的發展，傳統、單一的屏蔽材料已不能滿足諸如移動式反應堆、太空防輻射和可攜帶輻射源等設備的防護要求，如混凝土、鐵重量重，可移動性差；Pb有毒性，存在弱吸收區等。

具有質量輕，有優異的綜合力學性能，且易于加工、成本低的鋁做為基體，添加具有高原子序數元素(如：鎢)的防輻射增強相具有重要的研究價值和意義。因此，制備出具有滿足使用條件的良好屏蔽效果的鋁基復合材料成為了目前較為熱門的研究方向。目前已經有了對于WC做為屏蔽元增強鋁基復合材料的報道。[19-20]但在工藝優化和屏蔽效果上有待進一步的研究提高。

[1] E M Henley,J P Schiffer.Nuclear Physics at the End of the Century[J].Review of Modern Physics.1999,71(2):5205-5309.

[2] D B Williams,C B Carter.Transmission Electronic Microscopy-A Textbook for Materials Science[M].Plenum Press Corporation.1996,New York.

[3] Hayashi T,Tobita K,Nakamori Y,Advanced neutron shielding material using zirconium borohydride and zirconium hydride[J].J Nuclear Mater,2009,386:119.

[4] 劉顯坤，劉穎，唐杰等.輻射屏蔽材料的研究進展[J].北京：材料導報，2006(06)：22.

[5] 陳平，左芳，董星龍等.聚合物-金屬納米復合材料的制備與應用[J].成都：高分子科學與工程，2004(06)：39.

[6] Mchmet Erdem,Oktay Baykara,Mahmut Dogru.A novel shielding material prepared from solid waste containing lead for Gamma ray[J].Radiation Phys Chen,2010(79):917.

[7] 楊文峰，劉穎，楊林等.核輻射屏蔽材料的研究進展[J].重慶：材料導報，2007(21)：82-85.

[8] 張興祥.有機鋇玻璃的研制與性能[J].成都：塑料工業，1994，35(12)：62.

[9] K J Singh,N Singh,R S Kaundal,K Singh.Gamma-Ray Shielding and Structural Properties of PbO-SiO2 Glasses[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B.2008,266:944-948.

[10] S Singh,A Kumar,Devinder Singh,T K Singh,M Gurmel.Barium-Borate-Flyash Glasses:As Radiation Shielding Materials[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B.2008,266:140-146.

[11] S S Amritphale,A Anshul,N Chandra.A Novel Process for Making Radiopaque Materials Using Bauxite-Red Mud[J].Journal of European Ceramic Society.2007,27:1945-1948.

[12] 崔巖，張成義，張萬喜.聚合物基金屬納米復合材料研究進展[J].成都：高分子科學與工程，2004，20(2)：59-63.

[13] 楊曉軍，林敏，楊志民.金屬/聚合物復合材料對中能電子的屏蔽作用研究[J].上海：核技術，2006，29(11)：23-25.

[14] Q Lin,B Yang,J Li Synthesis,Characterization and Property Studies of Pb2+-Containing Optical Resins[J].Polymer.2000,41:8305-8308.

[15] 齊魯，段謹源，王學晨等.防 X 射線纖維的力學性能及屏蔽效果[J].北京：紡織學報，1995，16(2)：87.

[16] 李德安，劉穎，楊文鋒等.新型鉛基復合屏蔽材料組織結構與性能[J].重慶：材料導報，2006，20(10)：154-156.

[17] Sercombe T B.Sintering of freeformed maraging steel with boron addition[J].Mater Sci Eng,2003,A363(3):242.

[18] 姚利麗.輻射屏蔽材料及制備方法：中國，CN1585037A[P].2005-2-23.

[19] 吳文圣.中子 γ 測井儀的中子屏蔽研究[J].北京：核電子學與探測技術，2004(1)：24-26.

[20] 王建，鄒樹梁.鎢和鉛作為 γ 射線屏蔽材料的性能對比研究[J].南華大學學報，2011(4)：19-22.

陳博(1991.4-)，男，漢族，四川遂寧人，在校學生，研究生，成都理工大學材料與化學化工學院，金屬礦產與金屬材料學專業，研究方向：鋁基復合屏蔽材料。

TL349

A

1671-1602(2016)20-0023-02