軟體材料在γ射線條件下的屏蔽性能分析

李 平 王 鵬 支凱鋒 胡 光 李志亮

（1.中核陜西鈾濃縮有限公司化工科創中心，陜西 漢中 723000；2.西安交通大學能源與動力工程學院，陜西 西安710049）

0 前言

遠距離操作技術是核工業不可缺少的工具，是核工業的生命線。在核設施正常運行期間的維修和更換以及核泄漏極端條件時的搜救等情況下，高性能核工業機器人的作用日益凸顯，因此國內、外對核工業機器人的研究日益頻繁。軟體機器人由于采用了柔韌性強的材料和仿生學設計，能更好實現彎折、扭曲等動作，這些特性使其在人機交互和復雜的核工業環境下具有廣泛的應用前景。

軟體材料對軟體機器人的研發制造具有重要作用，其一般由大分子或基團組成，楊氏模量大多在10Pa～10Pa，質感與人體皮膚相似，通常在外界的微小作用下即可產生顯著的宏觀效果。目前的實際研究中，研究較多的有凝膠、橡膠、聚合物彈性體和液晶等。橡膠是使用最早且運用最廣的材料，其中硅橡膠材料（Silica）別名硅酸凝膠，是一種高活性吸附材料，廣泛應用于國民經濟各個部門，在核工業機器人等領域也表現出獨特的性能和巨大的應用潛力。

為此，該文聚焦硅酸凝膠/鉛（Pb）粉制作的軟體材料，采用蒙特卡洛方法，模擬計算在不同能量場、不同種類γ射線源條件下材料的屏蔽效果，據此評估將該材料用于核與輻射防護領域的可行性。

1 不同組合軟體材料屏蔽效果MCNP模擬

1.1 MCNP軟件建模介紹

材料的屏蔽效果模擬采用的試粒子輸運軟件Monte Carlo N Particle Transport Code（MCNP），其是由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）開發的基于蒙特卡羅方法的用于計算三維復雜幾何結構中的中子、光子、電子或者耦合中子、光子、電子輸運問題的通用軟件包[7]，具有較強的通用性，在源描述、空間物質的幾何分布上具有很大的靈活性，可任意處理三維幾何結構問題，廣泛應用于射線無損檢測系統、輻射屏蔽與核儀器設計、跟蹤計算、物理實驗模擬和保健物理等領域。該文模擬計算示意圖如表1和圖1所示，其由放射源、屏蔽材料和探測器3個部分組成，放射源選取類型包括：

圖1 結構示意圖

表1 被測材料信息表

主要是U裂變產生的γ射線源，其產生的平均能量為2.19 MeV。

腫瘤治療設備常用的是Ir衰變γ源，產生的能量單一性好，約為0.36 MeV左右。

反應堆輻照是制造多種放射性同位素的重要方法，比較典型的就是N吸收中子生成N，N衰變γ源產生的主要能量為2種，即6.13 MeV和7.12 MeV。

在工業生產中，樣品輻照常用的Co衰變γ源產生的能量主要包括2種，即1.17 MeV和1.33 MeV。

表1中的被測材料由硅酸凝膠和鉛（Pb）粉復合而成，第1組為質量分數50%Pb和50%硅酸凝膠、第2組為60%Pb和40%硅酸凝膠、第3組為70%Pb和30%硅酸凝膠，材料單次厚度為1 cm，并逐級累加到10 cm，探測器選擇面探測器，大小與材料大小一致。

1.2 模擬結果及討論

3組材料在4種典型γ射線源情況下的屏蔽效果模擬計算如圖2所示，其中圖2（a）是Ir 衰變產生的γ射線下的屏蔽效果，圖2（b）是U裂變γ射線下的屏蔽效果，圖2（c）是Co衰變產生的γ射線下的屏蔽效果， 圖2（d）是反應堆中N產生的γ射線下的屏蔽效果。橫坐標是材料的厚度，縱坐標是射線的穿透率。

根據圖2可知，隨著鉛含量的增加，材料對4種源的屏蔽效果都有明顯的增加，對源來說，能量越高，材料的相對衰減效果越一般。這里對厚度點2 cm的和5 cm進行了列表分析，見表2。該軟件材料對Ir產生的能量較低的γ射線源有很好的屏蔽效果。對Co源和反應堆燃料裂變產生的γ射線有一定的屏蔽效果，2 cm厚度就可使γ射線衰減一半左右。對N源產生的γ射線源的屏蔽效果較為一般，2 cm厚度使γ射線衰減10%左右，5 cm厚度使其衰減20%～30%左右。

圖2 3組材料在4種典型γ射線源情況下的屏蔽效果

表2 3組材料在2 cm和5 cm情況下的屏蔽效果

2 測試材料制備及測試

2.1 材料制備工藝

該文涉及的硅酸凝膠是一種高活性吸附材料，屬于非晶態物質，其無機型材料通用化學分子式為SiO·HO，有機型硅酸凝膠多以硅油、硅氧烷為基礎材料制備。該材料的特性是除強堿、氫氟酸外不與任何物質發生反應，不溶于水和任何溶劑，無毒無味，化學性質穩定。各種型號的硅酸凝膠因其制造方法不同形成了不同的微孔結構，其不同的化學組分和物理結構決定了它具有許多其他同類材料難以取代的特點：吸附性能高、熱穩定性好、化學性質穩定以及有較高的機械強度等。通過基礎試驗，即在pH=1.0～14.0的情況下制備硅酸溶液，并靜置和加熱，觀察溶膠穩定性隨pH值的變化情況，結果見表3。

表3 硅酸凝膠材料在不同pH值環境下的穩定性

結果表明，硅酸溶液在酸性條件下較為穩定，而且加熱后反應活性較高，能進一步聚合成硅酸凝膠材料。在材料制備過程中，為了確保過程的穩定性和材料的活性，將溶液pH值調節到4.0左右，加入甲基含氫硅油和乙烯基封端二甲基，在60 ℃下凝膠反應時間為12 h，即形成水凝膠，經老化、水洗和干燥后得到凝膠材料。將鉛粉研磨至微米級后與凝膠材料混合均勻，再加入有機錫、鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）、丁腈橡膠、消泡劑、甲苯和二甲苯等固化成分，在常溫下真空高速攪拌20 min左右完成再次交聯反應得到復合材料。通過紅外及核磁共振等測試分析，測得該凝膠材料的化學式為（CH）SiO[（CH）SiO]Si（CH），其主要成分信息見表4。

表4 試驗制得硅酸凝膠材料的主要化學成分

2.2 材料試驗測試結果

模擬計算結果表明，在射線能量不超過0.4 MeV下，硅酸凝膠/鉛粉復合軟體材料能有效降低射線透過率。為了驗證模擬測試的結果，運用1.3節試驗方法制備得到含鉛量70%的硅酸凝膠軟體材料，通過模具澆鑄固化成型，制得長5 cm×寬5 cm×厚1 cm的試塊。采用0.36 MeV能量的Ir放射源實地照射測試，逐塊累加厚度至5 cm，記錄試塊后射線端探測器測得的輻射劑量數值。然后將試塊裁成啞鈴狀，采用萬能型電子拉伸試驗機測試材料的斷裂伸長率和拉伸強度。最后通過分臺階升溫，進行測試材料在高溫下的耐受性和耐老化性能測試，并進行其他方面的綜合測試，其結果見表5。

表5 硅酸凝膠/鉛復合材料性能測試結果

上述測試數據表明，硅酸凝膠/鉛粉復合軟體材料對0.36 MeV的γ射線屏蔽效率達到96.8%，與采用MCNP模擬計算屏蔽效率98%的結果基本一致，偏差為1.2%.而且該復合材料在300 ℃以下不變形，沒有老化、開裂和分解現象，具有良好的高溫性能。且力學強度較高，斷裂伸長率達到1400%，硬度低，具有良好的柔順性，表明該復合材料在保持了凝膠彈性體材料基礎性能的同時，還獲得了良好的射線屏蔽功能。

3 結論

該文通過MCNP建模計算以及試驗測試，結果表明硅膠/鉛軟體材料對較低能量的（＜0.4 MeV）的γ射線具有良好的屏蔽效果，在鉛含量70%下，5 cm厚的該材料的屏蔽效率可達到98%。據此換算，人體受到的照射劑量約為0.6 mSv/a，遠低于國家安全標準限制5 mSv/a的水平，是一種良好的γ射線屏蔽材料。該材料柔軟性良好、易于加工，結合軟體材料其他方面獨特的性能優勢，該材料在核工業領域有非常良好的發展前景預期。通過傳統的注塑、擠壓成型技術以及3D打印等新型增材制造技術，可開發出各種結構復雜、性能優良的新型輻射屏蔽材料。隨著我國核工業在輻射安全應急、核技術應用以及核醫療等產業領域的蓬勃發展，耐輻照機器人、輻射屏蔽裝備和輻射屏蔽制成品等具有巨大的高科技市場潛力，硅膠/鉛軟體材料有望實現廣泛應用，占據重要產業地位。