鈣鈦礦基輻射屏蔽材料制備及其應(yīng)用研究進(jìn)展

譚俊杰，周歲茹，胡 鑫，章文峰，應(yīng) 紅

（1.西南石油大學(xué) 新能源與材料學(xué)院，四川 成都 610500）；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

1 抗輻照的研究背景

根據(jù)大亞灣核電廠(chǎng)運(yùn)行許可證延續(xù)指導(dǎo)文件NEI95-10Industry Guideline For Implementing The Requirements of 10 CFRP art 54-The License Renewal Rule和NUREG-1801Generic Aging Lessons Learned（GALL）Report，電氣設(shè)備環(huán)境鑒定（EQ）是許可證延續(xù)認(rèn)證的重要工作，而環(huán)境監(jiān)測(cè)能為電氣設(shè)備環(huán)境鑒定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

電氣設(shè)備的老化機(jī)理中，與運(yùn)行環(huán)境相關(guān)的老化應(yīng)力因素主要是熱和輻照，而環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)才能夠代表電氣設(shè)備實(shí)際的運(yùn)行溫度。比如連續(xù)通電、大電流的電氣設(shè)備，通過(guò)歐姆熱試驗(yàn)或有限元分析法估算導(dǎo)體高于外部環(huán)境的溫度，應(yīng)將該差值疊加在環(huán)境監(jiān)測(cè)值上。因此需要所有電廠(chǎng)的目標(biāo)電氣設(shè)備（如電纜）附近安裝大量傳統(tǒng)半導(dǎo)體溫度監(jiān)測(cè)傳感器（高靈敏度、無(wú)線(xiàn)設(shè)備、自帶電池與存儲(chǔ)功能），用于測(cè)量環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。

為降低輻射影響、延長(zhǎng)使用壽命，整個(gè)溫度監(jiān)測(cè)傳感器密封放置于防輻照鉛套筒中。然而在核電高輻射環(huán)境下仍存在芯片或存儲(chǔ)電路的輻照損傷及壽命短的問(wèn)題，有些甚至無(wú)法完成一個(gè)大修周期的測(cè)量任務(wù)。因此有必要對(duì)其傳感單元、信號(hào)處理等集成電路和芯片進(jìn)行必要的輻照加固，以提高該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的耐輻照能力，保證其在一個(gè)大修周期內(nèi)的高可靠性，從而更好地指導(dǎo)核電機(jī)組的延壽，以及機(jī)組延壽后的運(yùn)行管理工作。

置于防輻照鉛套筒的溫度監(jiān)測(cè)傳感器，無(wú)法保證一個(gè)大修周期的可用性。監(jiān)測(cè)位置一個(gè)大修周期總輻射劑量約500 Gy，初步評(píng)估未加鉛套筒的溫度傳感器耐受總劑量不超過(guò)10 Gy，增加鉛套筒的溫度傳感器耐受總劑量不超過(guò)100 Gy。另外，現(xiàn)使用的傳統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)傳感器（增加鉛套筒）雖有較高靈敏度，但仍存在如下缺點(diǎn)：體積增大，布置難度加大，不易貼近設(shè)備；存在1 h 的熱滯后；過(guò)小的溫度波動(dòng)可能無(wú)法探測(cè)。

其實(shí)國(guó)外已有成熟的輻照加固后的半導(dǎo)體溫度傳感器，能夠在核電站的高溫、高輻照環(huán)境下工作。該傳感器經(jīng)過(guò)輻照加固后，無(wú)需安裝鉛套筒，且耐受劑量更高，體積小（更易貼近設(shè)備，更能代表環(huán)境溫度），不存在測(cè)溫滯后，對(duì)于小的溫度波動(dòng)更加敏感。

為完成記錄一個(gè)大修燃料周期的溫度數(shù)據(jù)的目標(biāo)，必然含有容量不小的存儲(chǔ)芯片（如FLASH 等），而存儲(chǔ)芯片（特別是大容量存儲(chǔ)芯片）又是惡劣環(huán)境下電子電路（特別是數(shù)字電路）中一個(gè)相對(duì)短板部分。當(dāng)前美國(guó)及其同盟國(guó)正在加大對(duì)我國(guó)關(guān)鍵抗輻射芯片的技術(shù)封鎖和產(chǎn)品禁運(yùn)，我們迫切需要自主研發(fā)相關(guān)抗輻射加固技術(shù)。但國(guó)內(nèi)抗輻照產(chǎn)品存在種類(lèi)單一、性能低、抗輻照能力不高，以及相關(guān)的環(huán)境（軟硬件）不太完善等問(wèn)題，因此需要進(jìn)行深入的試驗(yàn)與研究，才能確保該溫度監(jiān)測(cè)傳感器在高輻射環(huán)境下的可靠性。

目前針對(duì)半導(dǎo)體傳感器，較成熟且具有應(yīng)用前景的抗輻照加固技術(shù)主要包括抗輻照封裝加固技術(shù)和抗輻照電路加固設(shè)計(jì)。

抗輻照封裝加固技術(shù)通常是在芯片表面沉積一層具有抗輻照性能的納米材料，該技術(shù)依賴(lài)于高壓磁控濺射系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上制備出具有抗輻照性能的納米材料。然而，納米材料抗輻照性能的研究仍是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，特別是將其應(yīng)用到核島內(nèi)高輻射環(huán)境下的電子元器件上，需要進(jìn)行深入研究。

自旋電子器件采用電子的自旋屬性進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算，而非傳統(tǒng)的電荷屬性，具有天然的抗輻照能力，是構(gòu)建核輻射環(huán)境下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的理想產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)基于自旋電子器件的存儲(chǔ)器在抗輻照電路中的應(yīng)用技術(shù)，已經(jīng)取得較大進(jìn)展。

本文結(jié)合輻射屏蔽機(jī)制，對(duì)抗輻照封裝材料的問(wèn)題和改進(jìn)方法進(jìn)行綜述。

2 輻射下的微電子器件

2.1 核電站輻射環(huán)境

核反應(yīng)堆中會(huì)發(fā)生中子的核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。在反應(yīng)堆正常工作時(shí)，中子轟擊鈾-235原子，其原子核分裂為2～3個(gè)質(zhì)量較輕的原子核和2～3個(gè)中子，通過(guò)這些裂變反應(yīng)產(chǎn)生的二次粒子將繼續(xù)與周?chē)渌?235原子發(fā)生裂變反應(yīng)，進(jìn)而引起新的裂變，如此循環(huán)。

由于核電站內(nèi)部的環(huán)境非常復(fù)雜，而且其內(nèi)部具體環(huán)境也會(huì)隨著反應(yīng)堆型及投入使用的時(shí)間而發(fā)生變化。在核反應(yīng)堆環(huán)境中，其裂變環(huán)境產(chǎn)生的輻射十分復(fù)雜，在中子慢化和原子核衰變能級(jí)躍遷過(guò)程中會(huì)釋放出大量輻射粒子，主要包括：α 射線(xiàn)、β 射線(xiàn)、γ射線(xiàn)和中子流等。由于α 射線(xiàn)及β 射線(xiàn)穿透性較差且能量較低，用較薄的金屬薄板就能被完全屏蔽。反應(yīng)堆內(nèi)部輻射環(huán)境如表1所示。一般情況下，抗輻射外殼內(nèi)部正常時(shí)γ 射線(xiàn)劑量率為（10-3～102rad/h），中子通量為［1～105n/（cm2·s）］。當(dāng)發(fā)生核事故時(shí)，尤其是當(dāng)核燃料發(fā)生泄漏時(shí)，γ 射線(xiàn)劑量和中子通量均會(huì)超標(biāo)，造成難以挽回的局面[1]。

表1 反應(yīng)堆內(nèi)輻射環(huán)境分析

2.2 輻射對(duì)微電子器件的作用

高核輻射環(huán)境中的伽馬射線(xiàn)、高速中子等，都有可能會(huì)使得微電子材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致其材料性質(zhì)改變，進(jìn)而影響期間性能，導(dǎo)致器件失效，但是不同的粒子對(duì)材料的作用機(jī)理不同，其造成的損傷程度也不同。質(zhì)子、中子等會(huì)使得材料發(fā)生原子位移效應(yīng)，這會(huì)使得材料發(fā)生不可逆變化，在其內(nèi)部形成永久性的損傷；而伽馬射線(xiàn)等高能射線(xiàn)會(huì)電離半導(dǎo)體器件表面的鈍化層，使該鈍化層表面產(chǎn)生材料缺陷，雖然這種缺陷能在高能輻射結(jié)束后，通過(guò)一定手段（如高溫退火、淬火、電子注入等）可能補(bǔ)救回來(lái)一部分，可以稱(chēng)為半永久性的損傷；持續(xù)時(shí)間較短的伽馬射線(xiàn)，會(huì)在半導(dǎo)體器件內(nèi)的PN 結(jié)中發(fā)生光生伏特效應(yīng)，產(chǎn)生瞬時(shí)光電流，在輻射結(jié)束后，對(duì)期間并沒(méi)有太大損傷，這屬于順勢(shì)失效。

3 輻射屏蔽材料

輻射屏蔽是指通過(guò)在輻射與物質(zhì)的相互作用過(guò)程中削弱輻射強(qiáng)度，進(jìn)而降低一定區(qū)域內(nèi)的輻射水平，從而減少人或材料受到輻照后的損傷的一種輻射防護(hù)技術(shù)，是一種通過(guò)特定材料的保護(hù)措施。前節(jié)已論述核電廠(chǎng)中，輻射屏蔽的主要對(duì)象是γ 射線(xiàn)（γ 光子）和高能中子。

3.1 輻射屏蔽機(jī)制

3.1.1 γ射線(xiàn)的屏蔽γ 射線(xiàn)的屏蔽原理主要是通過(guò)γ 射線(xiàn)與物質(zhì)間發(fā)生的相互作用，其中主要包括光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)幾種形式，來(lái)降低γ 射線(xiàn)的能量，進(jìn)而降低其破壞能力，達(dá)到屏蔽的效果。γ 射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用種類(lèi)，如圖1所示。

圖1 γ射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用

（1）光電效應(yīng)

光電效應(yīng)是指特定波長(zhǎng)的光子與原子核外的電子發(fā)生相互作用，進(jìn)而將光子的全部能量轉(zhuǎn)移給電子，使電子被電離或激發(fā)到更高的能級(jí)上，原伽馬光子消失并產(chǎn)生較低能量的光子（特征X 射線(xiàn)），原理如圖2所示。因此原子核外的能級(jí)數(shù)量越多，光電效應(yīng)能吸收越多種波長(zhǎng)的光子，對(duì)伽馬射線(xiàn)的屏蔽效果越好。

圖2 光電效應(yīng)示意圖

（2）康普頓效應(yīng)

當(dāng)入射的γ 光子能量遠(yuǎn)大于核外電子的結(jié)合能時(shí)，γ 光子會(huì)與核外的電子發(fā)生非彈性散射，入射的伽馬光子將它的小部分能量傳遞給核外電子，將此電子轟離電子原有軌道，成為反沖電子，而光子的運(yùn)動(dòng)方向和能量將發(fā)生變化，其原理如圖3（左）所示。光子入射時(shí)能量為hν，散射光子能量為hν'，散射光子沿θ角方向出射，反沖電子出射角為φ。因此康普頓效應(yīng)不能完全吸收光子，而是削減了光子的能量。核外電子數(shù)越多，產(chǎn)生康普頓效應(yīng)的概率越大。

圖3 康普頓效應(yīng)示意圖（左）電子對(duì)效應(yīng)示意圖（右）

（3）電子對(duì)效應(yīng)

電子對(duì)效應(yīng)指當(dāng)γ 光子能量在大于某一個(gè)閾值（1.02 MeV）時(shí)，將不再與原子核外電子發(fā)生相互作用，而是會(huì)穿過(guò)原子核外電子層，從原子核旁經(jīng)過(guò)時(shí)，在原子核的庫(kù)侖力作用下，被轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子，從原子核中發(fā)射出來(lái)，圖3（右）為γ 射線(xiàn)在庫(kù)侖場(chǎng)中發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)的示意圖。由于電子對(duì)效應(yīng)是原子核與伽馬光子之間的相互作用，發(fā)生的概率與原子核的密度及吸收截面有關(guān)而與原子核的種類(lèi)無(wú)關(guān)。

綜上所述，原子序數(shù)大的元素，由于具有更多的能級(jí)數(shù)和更多的核外電子數(shù)，在伽馬射線(xiàn)的屏蔽過(guò)程中能起到優(yōu)秀的效果。

3.1.2 中子的屏蔽

中子的屏蔽相對(duì)較為復(fù)雜，這是由于中子本身不帶電荷，會(huì)直接穿過(guò)原子核外電子，直接與原子核作用，產(chǎn)生次級(jí)粒子（如質(zhì)子、α 粒子、γ 光子等）并降低自身的能量，最終被原子核吸收俘獲。高能中子的屏蔽主要由兩個(gè)階段構(gòu)成，即散射和吸收，圖4為中子與原子核相互作用的示意圖。

圖4 中子與原子核相互作用

3.1.2.1 散射

中子與原子核的散射反應(yīng)主要有兩種方式，分別為彈性散射和非彈性散射，同時(shí)又被稱(chēng)為彈性碰撞和非彈性碰撞。中子屏蔽的過(guò)程中，常通過(guò)這兩種方式來(lái)削減中子的能量。

彈性散射過(guò)程中，原子核可看作剛性球體，當(dāng)中子撞擊原子核時(shí)，中子將在原來(lái)軌道上發(fā)生偏離，原子核則通過(guò)電離和激發(fā)損失能量。彈性散射發(fā)生時(shí)，原子核和中子之間滿(mǎn)足動(dòng)能守恒和動(dòng)量守恒。通過(guò)動(dòng)能守恒和動(dòng)量守恒公式可計(jì)算出：中子與較輕的原子核（如氫原子核即質(zhì)量數(shù)為1的質(zhì)子）發(fā)生彈性碰撞時(shí)，中子的能量損失最大；當(dāng)中子與重原子核發(fā)生彈性撞擊時(shí)，一次碰撞中子損失的能量很小，需多次碰撞才能顯著降低中子能量。因此，中子減速過(guò)程中可用質(zhì)量較輕的原子核來(lái)慢化中速中子。

非彈性碰撞中，中子的一部分能量將被原子核吸收，原子核吸收能量后處于激發(fā)態(tài)，而激發(fā)態(tài)原子核不穩(wěn)定，會(huì)躍遷回基態(tài)，在此過(guò)程中或許會(huì)放出二次粒子如伽馬射線(xiàn)等。中子經(jīng)非彈性碰撞損失的能量遠(yuǎn)高于彈性碰撞。非彈性碰撞常發(fā)生在高能中子與原子核質(zhì)量較大的物質(zhì)，因此可選用質(zhì)量較大的原子核來(lái)慢化高速中子。

3.1.2.2 吸收

中子的吸收有兩種方式，分別為輻射俘獲和散裂。中子屏蔽的過(guò)程中，一般通過(guò)輻射俘獲來(lái)吸收中子。

散裂反應(yīng)一般僅在高能中子與重原子核反應(yīng)中發(fā)生，且會(huì)使重原子核分裂成2個(gè)或2個(gè)以上的粒子。由于散裂反應(yīng)會(huì)在吸收中子后再放出多種粒子，反應(yīng)比較復(fù)雜難以控制，因此不能被用來(lái)屏蔽中子。

輻射俘獲不同，是原子核完全俘獲中子，形成其同位素并釋放出其他次級(jí)粒子，如伽馬射線(xiàn)等。如H 原子核俘獲一個(gè)中子后會(huì)變成其同位素D 原子核，并釋放出一定能量的伽馬射線(xiàn)。俘獲反應(yīng)發(fā)生的概率與原子核的俘獲截面有關(guān)，俘獲截面越大，中子俘獲反應(yīng)發(fā)生概率越大。在中子輻射屏蔽材料中，常摻雜有俘獲截面大的元素（如B 和Gd 等）。

綜上所述，中子的屏蔽有兩個(gè)過(guò)程，即中子的減速過(guò)程和吸收過(guò)程。中子的減速過(guò)程主要通過(guò)重核與中子發(fā)生非彈性散射，輕核與中子發(fā)生彈性散射來(lái)達(dá)到削減中子速度的作用。因此中子減速劑常在較輕的元素中摻入重元素來(lái)達(dá)到交替屏蔽的作用。中子的吸收過(guò)程中，主要依賴(lài)于輻射俘獲反應(yīng)，由于輻射俘獲的發(fā)生概率與中子俘獲截面呈正相關(guān)，因此在中子輻射屏蔽材料中，常摻雜有俘獲截面大的元素（如B和Gd 等）。

3.2 傳統(tǒng)輻射屏蔽材料

3.2.1 防輻射混凝土

付浩兵等[2]在2021年使用重晶石粉來(lái)取代部分膠凝材料，制得了防輻射超高性能混凝土。這種混凝土有超高的輻射屏蔽性能，主要原因在于，和玄武巖比較，由于高鈦的重爐渣砂具有更大的表觀(guān)密度，因此由其配制的UHPC 表觀(guān)密度也要比一般水泥大，而且其中富含Ti、Fe 等超高原子序數(shù)的微量元素，這些高原子序數(shù)的微量元素存在使得UHPC 對(duì)伽馬射線(xiàn)有更優(yōu)秀的屏蔽效。

3.2.2 防輻射的玻璃

2019 年，Al-Buriahi 等[3]研究了一種用于輻射防護(hù)應(yīng)用的65B2O3-12.5TeO2-12.5 Bi2O3-5 Na2O-5 NdCl3和67 TeO2-20 WO3-10 Li2O-3 PrO11玻璃。通過(guò)GEANT 4蒙特卡羅模擬，在0.015～15 MeV 的光子能量范圍內(nèi)獲得了所提議的玻璃。通過(guò)模擬計(jì)算，玻璃的輻射屏蔽能力與傳統(tǒng)屏蔽材料、其他稀土玻璃和新開(kāi)發(fā)的HMO 玻璃進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，此種材料的玻璃對(duì)伽馬射線(xiàn)和中子都有很好的屏蔽能力。

2020 年，Hanfi 等根據(jù)Makishima-Mackenzie 模型[4]，從理論上計(jì)算了（100-x）TeO2+xMgO 玻璃的機(jī)械模量，如楊氏模量、體積模量、剪切模量、縱向模量、泊松比和顯微硬度，結(jié)果表明，隨MgO 含量的增加，玻璃的機(jī)械模量和顯微硬度提高，而泊松比隨MgO 含量的增加而降低。此外，還評(píng)估了所研究的TM 玻璃的輻射屏蔽能力。模擬了在γ 輻射的影響下，線(xiàn)性衰減系數(shù)、質(zhì)量衰減系數(shù)、透射系數(shù)和半值厚度的變化。模擬結(jié)果表明，含有10 mol%MgO的TM10 玻璃具有最高的LAC， 變化范圍在0.259～0.711 cm-1，而含有45 mol%MgO 的TM45玻璃具有最低的LAC，在伽馬光子能量0.344～1.406 MeV，變化范圍在0.223～0.587 cm-1。模擬結(jié)果表明，在碲酸鹽玻璃中加入適量的MgO 對(duì)材料的性能有一定的提升。

4 鈣鈦礦輻射屏蔽材料

4.1 鈣鈦礦材料簡(jiǎn)述

一般而言，具有與CaTiO3相同晶體結(jié)構(gòu)的材料都能稱(chēng)之為鈣鈦礦。鈣鈦礦最初是由德國(guó)的礦物學(xué)家Gustav Rose 在1839 年發(fā)現(xiàn)的，并由俄羅斯礦物學(xué)家L.A.Perovski 正式將其命名為“perovskite”，鈣鈦礦的名字由此誕生。廣義上，鈣鈦礦是指具有與CaTiO3類(lèi)似的結(jié)構(gòu)的ABX3型化合物的統(tǒng)稱(chēng)，并非單指CaTiO3本身。1956年，人們第一次在BaTiO3鈣鈦礦材料中發(fā)現(xiàn)了光致電流，后來(lái)又在LiNbO3等鈣鈦礦材料中發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應(yīng)。1980年，鈣鈦礦首次作為光伏材料被報(bào)道，KPbI3等金屬鹵化物鈣鈦礦材料的光吸收能譜能與太陽(yáng)光譜相匹配。目前，普遍應(yīng)用于太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的鈣鈦礦材料是一種結(jié)構(gòu)為ABX3型的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦，其中A 一般為正一價(jià)的有機(jī)胺陽(yáng)離子（如FA+、MA+）；B 一般為原子半徑較大的正二價(jià)金屬離子（如Pb2+或Sn2+）；X一般表示鹵素陰離子（Br-，C1-）或多種鹵素的混合，其理想結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 鈣鈦礦理想結(jié)構(gòu)

完美的鈣鈦礦具有立方相結(jié)構(gòu)，通常用容忍因子t來(lái)衡量確定一個(gè)材料能否形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且具有高對(duì)稱(chēng)性的鈣鈦礦。

其中，RA，RB，RX分別為A，B，X 元素或者基團(tuán)的離子半徑；t應(yīng)該接近1才能使鈣鈦礦具有較理想的立方結(jié)構(gòu)。

因?yàn)殁}鈦礦薄膜通常是通過(guò)溶液方式制作的，所以在制作過(guò)程中，不可避免地會(huì)在晶體內(nèi)部或表面出現(xiàn)各種缺陷。如圖7 所示，缺陷可以大致分為：①原子空位缺陷，指由MA+、Pb2+、I-等離子被電離，離開(kāi)晶格后而產(chǎn)生的空位缺陷；②間隙缺陷，由于MA+、Pb2+、I-離子在晶格與晶格的間隙中插入而產(chǎn)生的缺陷；③反位取代缺陷，因 MA+、Pb2+、I-三種離子的位置發(fā)生交換而形成的缺陷。除此之外，鈣鈦礦材料的表面也有大量的懸浮鍵和表面錯(cuò)位等缺陷存在。鈣鈦礦材料盡管在光電性能方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但是由于在制備過(guò)程中難以避免有缺陷的產(chǎn)生，鈣鈦礦材料難以大規(guī)模投入應(yīng)用。

4.2 鈣鈦礦材料輻射屏蔽性能

如圖6所示，鈣鈦礦由于其獨(dú)特的屬性，尤其是經(jīng)摻雜后形成的晶體缺陷結(jié)構(gòu)和性能，使它成為太陽(yáng)能電池、X 射線(xiàn)探測(cè)器等諸多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。而鈣鈦礦材料在射線(xiàn)屏蔽方面的研究較少，但鈣鈦礦材料在輻射屏蔽中有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如表2所示。

圖6 鈣鈦礦材料在輻射屏蔽中的優(yōu)勢(shì)

表2 輻射屏蔽材料化學(xué)式

（1）鉛基鈣鈦礦材料的中鉛元素是一種很好的γ 射線(xiàn)屏蔽元素，采用B 元素部分取代鈣鈦礦材料中的陰離子，由于B 元素具有較高的中子吸收截面，使其可以對(duì)熱中子有著良好的吸收效果，同時(shí)Pb 元素兼具對(duì)中子吸收后釋放的射線(xiàn)有著屏蔽作用。

（2）用于輻射屏蔽的復(fù)合材料中，由于各種元素分布不均導(dǎo)致有屏蔽漏洞的存在，對(duì)屏蔽效果有不利影響，而在鈣鈦礦材料中，各種元素均勻分布在晶格中，不會(huì)存在這一問(wèn)題。

（3）鈣鈦礦結(jié)構(gòu)有特殊的層狀結(jié)構(gòu)，可以在中子屏蔽中，起到輕重原子的交替排列的中子減速層，能極大提升中子減速能力。

（4）鈣鈦礦材料還具有成立低廉，原料易獲得，合成方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

因此，對(duì)于γ 射線(xiàn)與中子的屏蔽方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

楊盼等[5]采用冰浴攪拌生成了具有良好結(jié)晶性能的高純甲胺氟硼晶體粉末。并制備MABF4、MAPbI2BF4和NaCl 參比樣品用于γ 射線(xiàn)和中子的屏蔽性能測(cè)試，結(jié)果如圖8 所示。主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：三種樣品對(duì)伽馬射線(xiàn)屏蔽測(cè)試的結(jié)果來(lái)看，MAPbI2BF4對(duì)γ 射線(xiàn)的屏蔽性能最好，NaCl 次之，MABF4最弱。在中子輻射的屏蔽方面，MABF4、MAPbI2BF4和NaCl 參比樣品均有一定的慢化超熱中子能力，而MAPbI2BF4的減速能力是其他兩者的數(shù)倍；而對(duì)熱中子的吸收能力，MABF4最強(qiáng)，MAPbI2BF4

圖8 鈣鈦礦材料對(duì)伽馬射線(xiàn)及中子輻射屏蔽效果

次之，NaCl 最弱， 厚度1 cm，50 %（ω） 的MABF4樣品對(duì)中子的吸收率高達(dá)57%。最后得出結(jié)論，在MABF4、MAPbI2BF4和NaCl 參比樣品中，MAPbI2BF4對(duì)中子-伽馬輻射場(chǎng)的屏蔽效果最好。

5 總結(jié)與展望

為保障核電站的安全正常運(yùn)行，需要在電廠(chǎng)的目標(biāo)電氣設(shè)備附近安裝大量傳統(tǒng)半導(dǎo)體溫度檢測(cè)傳感器（高靈敏度、無(wú)線(xiàn)設(shè)備、自帶電池與存儲(chǔ)功能），用于測(cè)量環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。為降低輻射影響、延長(zhǎng)使用壽命，需要對(duì)溫度傳感器等進(jìn)行輻照加固。對(duì)核電廠(chǎng)中的輻射場(chǎng)和各種輻射導(dǎo)致電子器件老化的作用機(jī)制的分析中，得出中子和γ 射線(xiàn)對(duì)電子器件傷害更大，是輻射屏蔽的重點(diǎn)。

重點(diǎn)介紹了伽馬射線(xiàn)與中子的屏蔽機(jī)制，在伽馬射線(xiàn)的屏蔽中，原子序數(shù)越大的原子，核外電子數(shù)多，康普頓效應(yīng)的概率越大，能級(jí)數(shù)越多，光電效應(yīng)對(duì)光子的吸收效率越強(qiáng)。原子序數(shù)大的元素有利于伽馬射線(xiàn)的屏蔽。中子屏蔽過(guò)程需要兩個(gè)過(guò)程，需要先將快中子減速為熱中子，才能發(fā)生中子俘獲反應(yīng)吸收熱中子。在中子減速過(guò)程中，高速中子，更易與重原子核發(fā)生非彈性碰撞，中速中子與輕核發(fā)生彈性碰撞時(shí)削減的能量更多，因此常用重核與輕核交替排列作為中子減速劑。在中子俘獲過(guò)程中，俘獲截面更大的元素（如B、Gd 等）中子俘獲反應(yīng)的發(fā)生概率更高。

最后介紹了鈣鈦礦材料，鉛基鈣鈦礦材料的中鉛元素是一種很好的γ 射線(xiàn)屏蔽元素，采用B 元素部分取代鈣鈦礦材料中的陰離子，由于B 元素具有較高的中子吸收截面，使其可以對(duì)熱中子有著良好的吸收效果，同時(shí)Pb 元素兼具對(duì)中子吸收后釋放的射線(xiàn)有著屏蔽作用。且在鈣鈦礦材料中，各種元素均勻分布在晶格中，不會(huì)存在輻射漏洞。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)有特殊的層狀結(jié)構(gòu)，還可以在中子屏蔽中，起到輕重原子的交替排列的中子減速層，能極大提升中子減速能力。因此鈣鈦礦材料是一種優(yōu)秀的輻射屏蔽材料。