輻射防護(hù)材料的研究

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，我國在輻射防護(hù)材料的研究逐漸深入，由于具有防輻射能力的材料質(zhì)量、體積比較大，對于輻射防護(hù)材料的大面積推廣使用產(chǎn)生了制約。因此有關(guān)部門應(yīng)該不斷提升研究輻射防護(hù)材料的力度，增加研發(fā)資金，爭取研究出更為優(yōu)質(zhì)的輻射防護(hù)材料。該文首先分析輻射防護(hù)材料的分類，其次探討具體的輻射防護(hù)屏蔽材料，以期對相關(guān)研究具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：輻射 防護(hù) 材料 研究

中圖分類號：TB332文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2022）07（a）-0000-00

Research on Radiation Protection Materials

FU Chunliang

（Wuhan Second Ship Design Institute， Wuhan， Hubei Province， 430205 China）

Abstract： With the rapid development of science and technology， the research of radiation protection materials in China is gradually deepened. Due to the large quality and volume of materials with radiation prevention capacity， the large-area promotion and use of radiation protection materials are restricted.Therefore， the relevant departments should constantly improve the research intensity of radiation protection materials， increase the research and development funds， and strive to study more high-quality radiation protection materials.This paper first analyzes the classification of radiation protection materials， and then discusses the specific radiation protection shielding materials， in order to have some reference value for related research.

Key Words： Radiation; Protection; Material Science; Research

1輻射防護(hù)材料的分類

因為α射線以及β射線的質(zhì)量比較大，穿透能力比較差，在空氣中產(chǎn)生的射程比較短，普通衣物即能夠預(yù)防，除了保證不造成內(nèi)污染的情況下，因此并不需要做出特殊防護(hù)。由于X射線、γ射線以及中子射線會產(chǎn)生輻射問題，相關(guān)工作人員在處于這三類射線核輻射范圍時，需要穿戴含有輻射防護(hù)材料的衣物。

1.1 X、γ射線防護(hù)材料

由于X射線的波長比較短，射程比較遠(yuǎn)，穿透能力比較強，早期運用在醫(yī)學(xué)成像故障診斷方面，實驗室一般會使用X射線管生成X射線。γ射線與X射線類似，自身并不含有電，但是波長比較短，對于人體產(chǎn)生的危害影響比較大。

1.2設(shè)計X、γ射線的輻射防護(hù)材料

在設(shè)計X、γ射線的輻射防護(hù)材料時，工作人員需要使用衰減系數(shù)比較大的防護(hù)材料，且應(yīng)該盡量減少防護(hù)材料的厚度。正常情況下，對于原子序數(shù)比較大的材料而言，核外電子比較多，射線衰減系數(shù)比較大，因此工作人員可以運用原子序數(shù)比較大的鐵元素、鉛元素、鎢元素設(shè)計防護(hù)材料[1]。

1.3 中子屏蔽機制及材料設(shè)計

中子是一類穿透能力比較強、不帶電子的粒子，可以依照速度劃分為快中子以及慢中子，中子穿過物質(zhì)時主要會與靶物質(zhì)的原子核相互作用，其本身具較電子與γ射線更強的穿透力，對人體造成的傷害比起同等吸收劑量下的電子、γ、X射線更大。

因為中子粒子通常不帶電，目前對于中子的屏蔽分為兩個環(huán)節(jié)，第一個環(huán)節(jié)是核反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子碰撞慢化劑發(fā)生非彈性散射損失能量。再利用含氫的物質(zhì)通過彈性散射，將中子的能量降低到熱能區(qū)。第二個環(huán)節(jié)是慢中子的吸收過程，主要是通過中子吸收材料將熱中子吸收。因此，綜合考慮中子和γ 射線的影響應(yīng)選擇熱中子吸收截面大、俘獲γ 輻射能量低的材料作為熱中子吸收材料。

2輻射防護(hù)屏蔽材料的研究

2.1 X射線材料的研究

由于X射線將會對人類身體產(chǎn)生不可逆的核輻射影響，因此相關(guān)工作人員需要深入研究輻射防護(hù)材料，初期階段，技術(shù)任務(wù)應(yīng)用鉛板、鐵板防護(hù)X射線產(chǎn)生的輻射，但是由于鉛板和鐵板質(zhì)量比較大，難以隨身攜帶，若是將其作為個人輻射防護(hù)材料的體驗感比較差，具有的輻射屏蔽效果比較差，因此相關(guān)科學(xué)家將研發(fā)質(zhì)地比較輕的X射線輻射防護(hù)材料作為主要目標(biāo)。因為鉛材料的成本價格比較低、輻射屏蔽效果比較好，已經(jīng)成為避免X射線輻射的首選材料。前蘇聯(lián)通過使用醋酸鉛溶液浸泡處理黏膠纖維織物，應(yīng)該運用硫酸鈉溶液進(jìn)行改性處理，從而制作了核輻射防治效果比較好的X射線防護(hù)服，因為這種工藝的控制難度比較大，但是推廣起來比較困難[2]。

在復(fù)合型紡絲技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，科研人員需要在纖維中添加適量的防輻射劑，可以制作防輻射效果比較好的纖維材料，對X射線具備一定的輻射防護(hù)水平。因為使用纖維制作的單層材料具有的輻射防護(hù)效果比較差，雙層材料又太過厚重，將其運用在防輻射安全服時舒適度比較差。通過使用溶液紡絲法制作一些防止X射線輻射的纖維材料，這種材料的質(zhì)量比較輕，可以運用在輻射防護(hù)材料的制作中。若是將氧化鉛以及硫酸鋇添加在輻射防護(hù)材料的化學(xué)纖維中，將其加工制作成織物，對處于低能狀態(tài)的X射線輻射防護(hù)效果比較差，且質(zhì)量將會比之前研制的防輻射材料輕。

由于鉛材料具有一定的毒性、容易揮發(fā)，將會導(dǎo)致人體出現(xiàn)鉛中毒反應(yīng)。因此相關(guān)專家正在研究能夠代替鉛板的材料，目前研發(fā)的材料主要包括鎢元素、鋇元素，經(jīng)過試驗測試可知，鎢元素的輻射屏蔽能力高于鉛元素，在材料厚度相似時，鎢合金材料的衰減系數(shù)比鉛材料大。當(dāng)鎢元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)已經(jīng)超出80%時，輻射屏蔽效果比較好。由于稀土材料的原子結(jié)構(gòu)比較特殊，可以優(yōu)化彌補鉛元素的弱吸收問題。除此以外，氧化鑭也可以作為研制核輻射的防護(hù)材料，在氧化鑭含量不斷增多的情況，具有的輻射屏蔽能力不斷增強，在氧化鑭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)已經(jīng)不小于56.7%的時候時，復(fù)合纖維具有的輻射屏蔽能力最佳[3]。

在屏蔽X射線的輻射影響時，使用的材料主要是樹脂–納米鉛復(fù)合型材料或是樹脂–納米硫酸鉛的復(fù)合型材料。這種輻射防護(hù)材料的鉛含量比較低，密度值比較小，輻射屏蔽效果比較好。在制作過程中，輻射防護(hù)材料的顆粒比較小，樹脂材料的分布情況比較均勻，對于X射線的輻射防護(hù)效果比較好。

2.2 γ射線的輻射防護(hù)材料

現(xiàn)在防止γ射線輻射防護(hù)材料主要包括重金屬材料、合金材料、特種混凝土材料、含有重金屬材料的高分子材料、特種玻璃材料。在早期研究核輻射材料的過程中，需要將單質(zhì)鉛板視為輻射防護(hù)材料置于墻層之中運用，由于鉛板的化學(xué)穩(wěn)定性比較差，將會局限材料的應(yīng)用效果，因為鉛材料的弱吸收區(qū)域容易出現(xiàn)問題，鉛材料和其他材料的合金已經(jīng)成為目前輻射防護(hù)材料的主要研究方向。

通過使用澆鑄法能夠制作出強度比較高、硬度比較大的鉛硼型合金防護(hù)材料，這種核輻射防護(hù)材料的屏蔽能力比較好，在厚度達(dá)到2cm以后，防護(hù)γ射線輻射的能力可以達(dá)到49.7%左右。為了切實滿足核電裝置、核設(shè)施等管路和閥門的應(yīng)力屏蔽防護(hù)需求，最近幾年相關(guān)領(lǐng)域的研究人員開始研發(fā)一些柔性比較強的γ射線輻射防護(hù)屏蔽材料，采用以甲基乙烯基硅橡膠為基體，重金屬鉛為功能填料的新型柔性屏蔽復(fù)合材料產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用“三明治夾層”的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式，利用硫化粘結(jié)技術(shù)復(fù)合加工而成，中間層為含鉛的硅橡膠（也稱為輻射屏蔽層或功能層），外層為純硅橡膠（也稱為基體層或表面層）。制品通過基體層的硅橡膠提供優(yōu)良的力學(xué)性能，通過功能層的鉛粉復(fù)合硅橡膠提供輻射屏蔽性能，運用的功能填料主要是鉛元素、鎢元素[4]。

若是運用球磨法在納米鎢粉上包裹一層聚乙烯材料，使其和乙烯和丙烯的聚合物發(fā)生復(fù)合反應(yīng)并生成一種輻射屏蔽材料，這種復(fù)合型材料對γ射線的輻射屏蔽能力會比鋇材料高出75%，輻射防護(hù)效果更好。在處理Er2O3的時候制作環(huán)氧樹脂作為核輻射防護(hù)材料，經(jīng)過測試可以發(fā)現(xiàn)這種材料具有比較好的防腐蝕能量。鉺元素能夠?qū)Φ湍苌渚€產(chǎn)生一定的輻射防護(hù)能量，比鉛元素的輻射防護(hù)能力強。為了提升輻射防護(hù)材料的質(zhì)量、性能，除了填料具有一定的功能，需要保證基體材料在受到高強度核輻射依舊可以具有防護(hù)屏蔽能力。

2.3中子屏蔽材料

目前所使用的中子屏蔽材料大致可分為：（1）傳統(tǒng)中子屏蔽材料：（a）小原子序數(shù)的元素所組成的簡單化合物，如水、石蠟、聚乙烯等;（b）金屬材料如各類不銹鋼、鎢、銅等;（c）復(fù)合混凝土，如含硼水泥、含聚乙烯水泥等。（2）新型中子屏蔽材料：（a）高分子化合物、以及稀土高分子材料等;（b）纖維織物、經(jīng)表面處理技術(shù)處理過的屏蔽材料等;（c）納米材料。

防護(hù)中子輻射的復(fù)合型材料具有比較好的屏蔽能力，加工制造工藝比較簡單。四川電子科技大學(xué)研發(fā)設(shè)計了一種新型的、柔性能力比較強的中子輻射屏蔽材料——硼基苯基硅橡膠，因為市面上存在熱硫化耐輻射苯基硅生膠，具備較強的含氫量，能夠使快中子出現(xiàn)慢化作用。與此同時，因為硼元素將會對中子產(chǎn)生比較大的吸收截面，因此將會對熱中子產(chǎn)生吸收能力，輻射防護(hù)材料將會在硼元素含量不斷增加的情況下提升屏蔽能力[5]。

若是將含有氨基聚合物的樹脂作為基體，添加適量的碳化粉末能夠制作出具有一定反復(fù)折疊能力的中子輻射防護(hù)材料，不但具有良好的中子輻射防護(hù)效果，而且可以耐高溫。研究人員同時使用填料B4C以及熱塑性比較強的天然橡膠材料，能夠共同制作出中子輻射防護(hù)材料，深入研究復(fù)合型材料的衰減能力可以發(fā)現(xiàn)，在B4C填料使用量不斷增多的情況下，宏觀截面的面積將會隨之增大，平均自由程長度將會不斷縮小，對于中子核輻射的防護(hù)屏蔽能力將會升高。

2.4復(fù)合型屏蔽材料

在設(shè)計輻射防護(hù)屏蔽材料的過程中，屏蔽材料受體積和重量限制，應(yīng)具有高效的中子、γ 射線慢化吸收能力;然而，傳統(tǒng)的中子屏蔽材料如硼、水、聚乙烯和伽馬屏蔽材料如鉛、鐵、鎢等屏蔽功能單一，屏蔽性能有限，有的熱力學(xué)性能不佳，難以滿足現(xiàn)代輻射防護(hù)的要求。在這方面，復(fù)合材料可以集中各原材料的優(yōu)點，取長補短，使得綜合性能和應(yīng)用范圍優(yōu)于各原材料。目前，已有大量復(fù)合屏蔽材料被開發(fā)和應(yīng)用。按照基體不同可分為：（1）聚合物基復(fù)合屏蔽材料;（2）金屬基復(fù)合屏蔽材料;（3）屏蔽混凝土;（4）玻璃基復(fù)合屏蔽材料;（5）陶瓷基復(fù)合屏蔽材料。不同基體材料有著各自的優(yōu)勢，也存在著各自的短板，根據(jù)使用環(huán)境擇優(yōu)選擇[6]。

2.5使用模擬方式

通過對核輻射屏蔽材料展開模擬研究，能夠在一定程度上降低無效物理試驗的出現(xiàn)次數(shù)，目前可以運用的模擬軟件主要包括WinXCOM程序、Auto-Zeff軟件、EGS軟件和MCNP軟件，但是由于現(xiàn)在環(huán)境模擬技術(shù)不夠成熟，研發(fā)人員需要進(jìn)一步開發(fā)設(shè)計、優(yōu)化改進(jìn)模擬技術(shù)，能夠為優(yōu)化設(shè)計核輻射防護(hù)材料完善準(zhǔn)備工作。

3結(jié)語

綜上所述，由于核輻射對人體具有一定的危害，長時間處于核輻射工作環(huán)境下，將會導(dǎo)致人體出現(xiàn)疾病甚至死亡，研究人員需要研制一些核輻射防護(hù)屏蔽材料，能夠?qū)溯椛浞秶墓ぷ魅藛T提供安全保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 李曉寧.新型核輻射防護(hù)材料的設(shè)計及應(yīng)用探析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（22）：100-101.

[2] 王瑩.橡膠基輻射防護(hù)材料的蒙卡模擬研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2020.

[3] 項長龍，滕曉波，賈清秀.高能輻射防護(hù)纖維材料的研究進(jìn)展[J].北京服裝學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2020，40（1）：91-99.

[4] 李利娜，孫潤軍，陳美玉，等.輻射防護(hù)材料的研究進(jìn)展[J].合成纖維，2019，48（10）：21-25.

[5] 崔玉潔.氡輻射防護(hù)材料制備及性能研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2019.

[6] 袁微微.新型核輻射防護(hù)材料的設(shè)計及應(yīng)用分析研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（12）：79-80.

作者簡介：付春亮（1988—），男，本科，工程師，研究方向為核技術(shù)。