陳博，姜志鵬，羅青松，蔭洪國

(成都理工大學(xué)，四川 成都 618000)

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核輻射屏蔽材料的研究進(jìn)展

陳博，姜志鵬，羅青松，蔭洪國

(成都理工大學(xué)，四川 成都 618000)

介紹了輻射的危害及其產(chǎn)生機(jī)理，詳述了防護(hù)這些射線的屏蔽材料的種類和屏蔽原理。綜述了現(xiàn)有的復(fù)合材料對(duì)于輻射屏蔽效果的利弊，提出了新型屏蔽材料的發(fā)展方向是研究質(zhì)地輕和屏蔽效果好的料的復(fù)合材料，指出了目前屏蔽材料的研究方向是通過改進(jìn)材料制備工藝和提高高原子序數(shù)的元素增強(qiáng)相在復(fù)合材料中所發(fā)揮的作用來增強(qiáng)材料的屏蔽效果。

輻射；屏蔽；高原子序數(shù)

1 引言

隨著輻射技術(shù)的不斷進(jìn)步以及核能、電子技術(shù)領(lǐng)域等發(fā)展，各類射頻設(shè)備和輻射源工作時(shí)所產(chǎn)生的電磁能量將不斷向四處發(fā)射，對(duì)于人類而言，當(dāng)人體接受超過一定量的輻射照射時(shí)，即會(huì)造成輻射損傷，此外輻射還可能污染環(huán)境，放射性廢棄物不適當(dāng)?shù)呐欧艑?huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐乃Y源、農(nóng)作物造成惡劣影響，從而影響人類生活與健康。對(duì)于長期處于具有輻射環(huán)境中的電子儀器、精密設(shè)備也會(huì)受到輻照帶來的損傷和電磁干擾，可引起設(shè)備結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部發(fā)生各種物理和化學(xué)變化，是致使各類設(shè)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(hù)機(jī)理，并且介紹了現(xiàn)有的防輻射材料的利弊，指出了防輻射屏蔽材料的發(fā)展方向。

2 輻射屏蔽材料的抗輻射機(jī)理主要如下

X射線和γ射線都是由強(qiáng)光子流組成的電磁波，兩者相似點(diǎn)為波長較短，波長范圍大約為10×10-10～14×10-10m，穿透物質(zhì)能力越強(qiáng)，可間接引起物質(zhì)電離[1]，當(dāng)射線通過屏蔽物質(zhì)時(shí)會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用，引起多種物理變化、化學(xué)反應(yīng)過程，射線能量損耗。X(γ)射線與物質(zhì)相互作用的過程中引起的出射光子數(shù)減少，引起射線衰減。X(γ)射線與物質(zhì)相互作用的過程很多，可以根據(jù)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(yīng)(Photoelectric effect)、電子對(duì)效應(yīng)(Pair production)[2]，射線入射射線強(qiáng)度會(huì)隨著穿透深度的增加按指數(shù)規(guī)律減弱，即I=I0e-(μ/ρ)ρτ(1-2)式中：I0為入射束強(qiáng)度、I為透射束強(qiáng)度、τ為穿透物質(zhì)厚度(cm)、μ為線吸收系數(shù)、ρ為吸收物質(zhì)的密度。

式1-2中μ/ρ確定為質(zhì)量吸收系數(shù)，即單位重量物質(zhì)對(duì)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?jǐn)?shù)，而(μ/ρ)1，(μ/ρ)2，(μ/ρ)3……(μ/ρ)n為相應(yīng)元素的質(zhì)量吸收系數(shù)，則這個(gè)復(fù)雜物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)為：μ/ρ=∑(μ/ρ)i·wi(1-3)，根據(jù)式1-3，μ/ρ與射線波長和物質(zhì)密度有關(guān)，并不受原子間的化學(xué)結(jié)合方式或物理堆積狀態(tài)的影響。

3 現(xiàn)有的輻射防護(hù)材料

現(xiàn)代工業(yè)中多采用輻射防護(hù)材料對(duì)人體和設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，傳統(tǒng)的防護(hù)材料難以滿足實(shí)際需求。眾多新型防護(hù)材料得到進(jìn)一步研究和發(fā)展，以重金屬鉛或鎢為基體進(jìn)行復(fù)合化或合金化的新型防護(hù)材料屏蔽性能優(yōu)異，但力學(xué)性能不高，不適用于制備結(jié)構(gòu)件。具有屏蔽射線功能的微粉以復(fù)合方式加入無機(jī)或有機(jī)高分子材料中[3-5]，經(jīng)加工制備的有機(jī)纖維與玻璃等新型輻射防護(hù)材料都進(jìn)入了人們的視野。目前，輻射防護(hù)材料大致有以下幾類：(1)金屬單質(zhì)類防護(hù)材料單質(zhì)類防護(hù)材料應(yīng)用最廣泛的主要是以鉛和鐵元素為單質(zhì)的金屬材料。鉛是最早應(yīng)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(duì)低能和高能的X光子和γ光子均優(yōu)異的屏蔽性能，而且加工方便，產(chǎn)量充足[6]。純金屬鉛以鉛皮或鉛板形式可以用在移動(dòng)頻繁的小型或局部屏蔽設(shè)備中。但是鉛對(duì)低能X射線反向散射高、對(duì)能量介于40～88 keV之間的射線存在“Pb弱吸收區(qū)”[7]。(2)輻射防護(hù)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(jīng)自由共聚，可制備有機(jī)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(hù)性能。然而陶瓷基復(fù)合材料硬度大、易碎、加工困難。使得陶瓷基復(fù)合防護(hù)材料的應(yīng)用上存在局限性[11]。(3)高分子類復(fù)合防護(hù)材料從70年代末開始，逐步開發(fā)和生產(chǎn)以有機(jī)聚合物為骨架材料，經(jīng)一定方法引入具有吸收射線功能的微小顆粒制成的防護(hù)材料[3,11,12]。Q.Lin等[13]采用以類似的方法制備了光學(xué)樹脂，也具有良好的輻射防護(hù)功能。齊魯?shù)萚14]用聚丙烯及固體屏蔽劑進(jìn)行復(fù)合，所制備纖維材料纖度在2.0dtex以上，斷裂強(qiáng)度和延伸性能夠滿足紡織加工的要求，所制成紡布對(duì)中、低能量X射線具有良好的屏蔽效果。(4)金屬基復(fù)合防護(hù)材料金屬基復(fù)合屏蔽材料一類以具有抗輻射強(qiáng)化相，以輕金屬為基體復(fù)合制備而成的復(fù)合材料。李德安[15]等通過將碳化硼與鉛銻合金粉末進(jìn)行混合，采用熱壓燒結(jié)制得含有屏蔽效果的復(fù)合材料，其綜合性能優(yōu)異。中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院[16]研制的高硼不銹鋼(硼含量：0.5 wt.%)對(duì)屏蔽中子輻射效果顯著，已用于反應(yīng)堆防護(hù)系統(tǒng)中，但不銹鋼的比重較大限制了材料在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。姚利麗[17]等將Al基體熔融，并加入Pb、Ba、TiO2、TiB抗輻射強(qiáng)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(fù)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(shù)鎢作為增強(qiáng)相的金屬基復(fù)合材料

近年來以高原子序數(shù)鎢元素為主的增強(qiáng)體金屬基復(fù)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(xué)、抗輻射性能等多個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比研究，經(jīng)過理論計(jì)算得出，在達(dá)到相同屏蔽效果時(shí)，鎢所需的厚度遠(yuǎn)低于鉛，加之鎢具有良好的穩(wěn)定性、可塑性和環(huán)保無害等優(yōu)勢，鎢元素在輻射防護(hù)領(lǐng)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(fù)合材料，復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能，研究也表明W含量的增加，經(jīng)T4熱處理后，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有所提高。

5 結(jié)束語

防輻射屏蔽材料廣泛應(yīng)用于太空和軍事等諸多領(lǐng)域，隨著核技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，傳統(tǒng)、單一的屏蔽材料已不能滿足諸如移動(dòng)式反應(yīng)堆、太空防輻射和可攜帶輻射源等設(shè)備的防護(hù)要求，如混凝土、鐵重量重，可移動(dòng)性差；Pb有毒性，存在弱吸收區(qū)等。

具有質(zhì)量輕，有優(yōu)異的綜合力學(xué)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(shù)元素(如：鎢)的防輻射增強(qiáng)相具有重要的研究價(jià)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(fù)合材料成為了目前較為熱門的研究方向。目前已經(jīng)有了對(duì)于WC做為屏蔽元增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的報(bào)道。[19-20]但在工藝優(yōu)化和屏蔽效果上有待進(jìn)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(jìn)展[J].北京：材料導(dǎo)報(bào)，2006(06)：22.

[5] 陳平，左芳，董星龍等.聚合物-金屬納米復(fù)合材料的制備與應(yīng)用[J].成都：高分子科學(xué)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(jìn)展[J].重慶：材料導(dǎo)報(bào)，2007(21)：82-85.

[8] 張興祥.有機(jī)鋇玻璃的研制與性能[J].成都：塑料工業(yè)，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(fù)合材料研究進(jìn)展[J].成都：高分子科學(xué)與工程，2004，20(2)：59-63.

[13] 楊曉軍，林敏，楊志民.金屬/聚合物復(fù)合材料對(duì)中能電子的屏蔽作用研究[J].上海：核技術(shù)，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(jǐn)源，王學(xué)晨等.防 X 射線纖維的力學(xué)性能及屏蔽效果[J].北京：紡織學(xué)報(bào)，1995，16(2)：87.

[16] 李德安，劉穎，楊文鋒等.新型鉛基復(fù)合屏蔽材料組織結(jié)構(gòu)與性能[J].重慶：材料導(dǎo)報(bào)，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(xué)與探測技術(shù)，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(duì)比研究[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(4)：19-22.

陳博(1991.4-)，男，漢族，四川遂寧人，在校學(xué)生，研究生，成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，金屬礦產(chǎn)與金屬材料學(xué)專業(yè)，研究方向：鋁基復(fù)合屏蔽材料。

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