核辐射屏蔽材料的研究进展

陈博，姜志鹏，罗青松，荫洪国

(成都理工大学，四川 成都 618000)



核辐射屏蔽材料的研究进展

陈博，姜志鹏，罗青松，荫洪国

(成都理工大学，四川 成都 618000)

介绍了辐射的危害及其产生机理，详述了防护这些射线的屏蔽材料的种类和屏蔽原理。综述了现有的复合材料对于辐射屏蔽效果的利弊，提出了新型屏蔽材料的发展方向是研究质地轻和屏蔽效果好的料的复合材料，指出了目前屏蔽材料的研究方向是通过改进材料制备工艺和提高高原子序数的元素增强相在复合材料中所发挥的作用来增强材料的屏蔽效果。

辐射；屏蔽；高原子序数

1 引言

随着辐射技术的不断进步以及核能、电子技术领域等发展，各类射频设备和辐射源工作时所产生的电磁能量将不断向四处发射，对于人类而言，当人体接受超过一定量的辐射照射时，即会造成辐射损伤，此外辐射还可能污染环境，放射性废弃物不适当的排放将会对当地的水资源、农作物造成恶劣影响，从而影响人类生活与健康。对于长期处于具有辐射环境中的电子仪器、精密设备也会受到辐照带来的损伤和电磁干扰，可引起设备结构材料内部发生各种物理和化学变化，是致使各类设备故障和失效的重要诱因。本文简介了辐射的危害及其防护机理，并且介绍了现有的防辐射材料的利弊，指出了防辐射屏蔽材料的发展方向。

2 辐射屏蔽材料的抗辐射机理主要如下

X射线和γ射线都是由强光子流组成的电磁波，两者相似点为波长较短，波长范围大约为10×10-10～14×10-10m，穿透物质能力越强，可间接引起物质电离[1]，当射线通过屏蔽物质时会与物质发生相互作用，引起多种物理变化、化学反应过程，射线能量损耗。X(γ)射线与物质相互作用的过程中引起的出射光子数减少，引起射线衰减。X(γ)射线与物质相互作用的过程很多，可以根据能量的不同，简化为以下三种方式[1-2]：康普顿散射(Compton-Wu scattering)、光电效应(Photoelectric effect)、电子对效应(Pair production)[2]，射线入射射线强度会随着穿透深度的增加按指数规律减弱，即I=I0e-(μ/ρ)ρτ(1-2)式中：I0为入射束强度、I为透射束强度、τ为穿透物质厚度(cm)、μ为线吸收系数、ρ为吸收物质的密度。

式1-2中μ/ρ确定为质量吸收系数，即单位重量物质对射线的吸收程度。假如如屏蔽材料由n种元素组成，w1，w2，w3……wn为所含各元素的重量百分数，而(μ/ρ)1，(μ/ρ)2，(μ/ρ)3……(μ/ρ)n为相应元素的质量吸收系数，则这个复杂物质的质量吸收系数为：μ/ρ=∑(μ/ρ)i·wi(1-3)，根据式1-3，μ/ρ与射线波长和物质密度有关，并不受原子间的化学结合方式或物理堆积状态的影响。

3 现有的辐射防护材料

现代工业中多采用辐射防护材料对人体和设备进行保护，传统的防护材料难以满足实际需求。众多新型防护材料得到进一步研究和发展，以重金属铅或钨为基体进行复合化或合金化的新型防护材料屏蔽性能优异，但力学性能不高，不适用于制备结构件。具有屏蔽射线功能的微粉以复合方式加入无机或有机高分子材料中[3-5]，经加工制备的有机纤维与玻璃等新型辐射防护材料都进入了人们的视野。目前，辐射防护材料大致有以下几类：(1)金属单质类防护材料单质类防护材料应用最广泛的主要是以铅和铁元素为单质的金属材料。铅是最早应用于辐射屏蔽的材料，也是最常用的辐射屏蔽的材料。铅不仅对低能和高能的X光子和γ光子均优异的屏蔽性能，而且加工方便，产量充足[6]。纯金属铅以铅皮或铅板形式可以用在移动频繁的小型或局部屏蔽设备中。但是铅对低能X射线反向散射高、对能量介于40～88 keV之间的射线存在“Pb弱吸收区”[7]。(2)辐射防护玻璃与陶瓷张兴祥等[8]将碳酸钡、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯先后混合，经自由共聚，可制备有机钡玻璃材料，材料的防辐射性能、硬度以及耐热性均有大范围的提高。K J Singh 等[9]制备的PbO-SiO2系玻璃具有较高的γ射线吸收性能。另外S Sing等[10]采用熔体淬火方法，以氧化钡、氧化硼和粉煤灰为原料，制备了新型玻璃，这类玻璃同样具有良好的辐射防护性能。然而陶瓷基复合材料硬度大、易碎、加工困难。使得陶瓷基复合防护材料的应用上存在局限性[11]。(3)高分子类复合防护材料从70年代末开始，逐步开发和生产以有机聚合物为骨架材料，经一定方法引入具有吸收射线功能的微小颗粒制成的防护材料[3,11,12]。Q.Lin等[13]采用以类似的方法制备了光学树脂，也具有良好的辐射防护功能。齐鲁等[14]用聚丙烯及固体屏蔽剂进行复合，所制备纤维材料纤度在2.0dtex以上，断裂强度和延伸性能够满足纺织加工的要求，所制成纺布对中、低能量X射线具有良好的屏蔽效果。(4)金属基复合防护材料金属基复合屏蔽材料一类以具有抗辐射强化相，以轻金属为基体复合制备而成的复合材料。李德安[15]等通过将碳化硼与铅锑合金粉末进行混合，采用热压烧结制得含有屏蔽效果的复合材料，其综合性能优异。中国核动力研究设计院[16]研制的高硼不锈钢(硼含量：0.5 wt.%)对屏蔽中子辐射效果显著，已用于反应堆防护系统中，但不锈钢的比重较大限制了材料在更多领域的应用。姚利丽[17]等将Al基体熔融，并加入Pb、Ba、TiO2、TiB抗辐射强化相，通过控制冷却速度和电磁场来控制抗辐射相的分布，从而制备一种抗辐射的自生梯度复合材料，该材料可有效降低高能射线带来的辐射伤害。

4 高原子序数钨作为增强相的金属基复合材料

近年来以高原子序数钨元素为主的增强体金属基复合材料或者合金成为射线屏蔽材料研究的新方向。王建等人[30]通过将钨和铅在物理化学、抗辐射性能等多个方面进行了对比研究，经过理论计算得出，在达到相同屏蔽效果时，钨所需的厚度远低于铅，加之钨具有良好的稳定性、可塑性和环保无害等优势，钨元素在辐射防护领域越来越受到更多青睐。杨剑[18]等同样以粉末冶金法制备不同含量W颗粒的Wp/2024Al复合材料，复合材料具有良好的力学性能，研究也表明W含量的增加，经T4热处理后，复合材料的抗拉强度和屈服强度有所提高。

5 结束语

防辐射屏蔽材料广泛应用于太空和军事等诸多领域，随着核技术应用的发展，传统、单一的屏蔽材料已不能满足诸如移动式反应堆、太空防辐射和可携带辐射源等设备的防护要求，如混凝土、铁重量重，可移动性差；Pb有毒性，存在弱吸收区等。

具有质量轻，有优异的综合力学性能，且易于加工、成本低的铝做为基体，添加具有高原子序数元素(如：钨)的防辐射增强相具有重要的研究价值和意义。因此，制备出具有满足使用条件的良好屏蔽效果的铝基复合材料成为了目前较为热门的研究方向。目前已经有了对于WC做为屏蔽元增强铝基复合材料的报道。[19-20]但在工艺优化和屏蔽效果上有待进一步的研究提高。

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陈博(1991.4-)，男，汉族，四川遂宁人，在校学生，研究生，成都理工大学材料与化学化工学院，金属矿产与金属材料学专业，研究方向：铝基复合屏蔽材料。

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1671-1602(2016)20-0023-02