基于X,γ射线及中子屏蔽探究

基于X，γ射线及中子屏蔽探究

摘要介绍了常见的几种具有较强放射性射线的产生机理和特点,详述了防

护这些射线的屏蔽材料的种类和屏蔽原理,提出了新型屏蔽材料的发展方向是研究质地轻、体积小和蔽效果好的纤维材料及添加稀土合金的复合材料,指出了目前屏蔽材料的研究方向是通过改材料制备工艺和提高稀土元素在复合材料中所发挥的作用来增强这些材料的屏蔽效果。

关键词辐射屏蔽材料复合材料

前言

随着国防科研、放射性医学和核技术应用的不断发展,各种放射性射线被广泛应用,射线对人体的伤害和对环境的破坏也逐渐被人类所认识。经常接触放射性射线的人会出现皮肤烧伤、毛发脱落、眼痛、白血球减少甚至骨髓瘤等症状,因此,对防护这些射线的各种屏蔽材料的研究便成为一项十分重要和迫切的课题,同时也取得了较大的成果。本文对这些成果进行了简要的介绍,并提出了该领域未来研究和应用的主要方向。

1 防X射线屏蔽材料

X射线是一种光子辐射,本质上是一种电磁波,有很强的穿透力[1 ] ,其波长范围为0. 01～100 ! (1 ! = 1 ×10 - 8 cm) ,主要是由原子内层轨道电子跃迁或高能电子减速时与物质的能量交换作用产生,实验室常用具有高真空的X 射线管来产生。目前对低能X射线的屏蔽一般采用含铅玻璃、有机玻璃及橡胶等制品,考虑到含铅氧化物的毒性,现在一般采用混凝土或纤维织物来防护X 射线。最初前苏联科研人员用粘胶纤维织物为对象,通过对聚丙烯腈接枝,用硫酸钠溶液处理接枝共聚材料,最后用醋酸铅溶液处理被改性的织物来制成防护服,此防护服屏蔽效果好,但工艺较复杂,制取难度大。日本和奥地利的研究人员分别将硫酸钡添加到粘胶纤维中制成防辐射纤维,用该纤维加工的织物经层压或在织物中填加含有屏蔽剂的粘合剂后热压制成的层压织物,均是防护X 射线辐射的良好材料;美国一家辐射公司通过对聚乙烯和聚氯乙烯进行改性成功研制出一种叫demron 的防辐射织物,该聚合物基体的分子结构会使任何一种辐射均遭受大量电子云作用,从而减慢和吸收核辐射。我国齐鲁等研制成功的新型防X 射线的纤维材料主要是用聚丙烯及固体屏蔽剂复合材料制备而成,其成品纤维的纤度在2. 0dtex 以上,其断裂强度和伸长能够满足纺织加工的要求,用这种纤维制成的织布,经测试,随着X 射线仪管电压的增高,无纺布的屏蔽率会有些下降,对中、低能量X 射线具有良好的屏蔽效果。

将丙烯酸钆[ Gd (AA) 3 ]与天然橡胶(NR) 通过机构共混2过氧化物交联成型制成复合材料,通过研究发现Gd2(AA) 3在橡胶中分散好、粒子小、界面作用强。随着Gd (AA) 3添加量的增加,复合材料防X 射线辐射性能提高,高填充下的材料力学性能仍能满足应用要求。对高能X 射线的屏蔽,现在比较流行用树脂/ 纳米铅复合材料和树脂/ 纳米硫酸铅复合材料。制备树脂/ 纳米铅复合材料时,利用带

有均匀分布活性基团2SO3- 的交联聚苯乙烯磺酸钠阳离子交换树脂作为模板,在一定条件下,将Pb (NO3 ) 2溶液缓慢加入到上述树脂中,并在容器中熟化处理,静置一段时间后,用去离子水洗至流出液中无Pb2 + 为止,再放入110 ℃烘箱中烘至恒重,便得到了树脂/ 纳米铅复合材料.

同样,可利用活性基团为2SO3- 的交联聚苯乙烯磺酸钠阳离子交换树脂、活性基团为2COO- 的交联或交联大孔径聚丙烯酸树脂为模板,把本身为氢型的聚丙烯酸树脂10 %的NaOH 溶液处理成钠型树脂,再加入10 %的Pb (NO3 ) 2 溶液进行交换,用去离子水洗至流出液中无Pb2 + ,接着再慢慢加入10 %的Na2 SO4 溶液,静置一段时间后再用去离子水洗至流出液中无SO2 -4 ,最后放入110 ℃烘箱中烘至恒重,这样,便得到了树脂/ 纳米硫酸铅复合材料。这两种材料相比较,如果仅有树脂,屏蔽作用应该是一致的,但加了铅之后就与复合材料的含铅量有关。安骏等[13 ]经过仔细研究,认为复合材料中的铅和硫酸铅的纳米颗粒经X射线照射后便趋于更稳定的状态,且纳米颗粒的小尺寸效应等特性没有降低;而且在铅或硫酸铅的质量分数、试样厚度相同的条件下,铅或硫酸铅颗粒越小,分布越均匀,对X 射线的屏蔽性能越好;还有,在铅或硫酸铅颗粒大小、分布均匀程度相同的条件下,试样中铅或硫酸铅的质量分数越大(即密度越高) ,对X射线的屏蔽性能越好。综合各种因素对X 射线屏蔽能力的影响,认为目前聚苯乙烯磺酸钠/ 纳米铅复合材料是一种密度小、铅含量少、对X 射线屏蔽能力强的复合材料。

2 防γ射线屏蔽材料

γ射线与X 射线一样,也是一种比紫外线波长短得多的电磁波。通常由重核裂变、裂变产物衰变、辐射俘获、非弹性散射、活化产物衰变产生。γ光子不带电,与物质相互作用机制不同于带电粒子,主要以光电效应、康普顿效应和电子对效应为主,与物质发生一次相互作用会导致其损失大部分或全部能量。屏蔽γ射线的材料很多,如水、土壤、铁矿石、混凝土、铁、铅、铅玻璃、铀以及钨、铅硼聚乙烯等。这些材料对γ射线的屏蔽效果各不相同,其中重金属最有效,体积小、总重量轻,但通常对γ射线具有良好减弱性能的材料也会因发生中子非弹性散射和辐射俘获而产生二次γ射线,此时次级辐射的产生就必须要考虑,我们可在相应屏蔽材料中再加入一定量的铅,目的是屏蔽掉一次和二次γ射线。日本曾用甲基丙烯酸铅与乙烯基酯共聚的方法制取了防γ射线透明材料,防护效果较好,并申请了专利;国内蒋平平等通过溶剂法、重结晶法合成了纯度较高,适合本体聚合的有机铅化合物,制备了透光率大于80 % ,有一定力学性能的防辐射有机材料,经实验,此聚合物对中、低能γ射线具有明显的防护作用;张兴祥等经过仔细研究,在碳酸钡与甲基丙烯酸反应的钡溶液中直接加入甲基丙烯酸甲酯后,经自由共聚,制备了有机钡玻璃材料,可以大大提高防辐射性能、硬度以及耐热性;徐希杰对含金属聚合材料屏蔽γ射线效果的测定实验,结果表明,同一含铅聚合材料中铅含量的多少及材料厚度、不同金属元素聚合材料(微乳) 及不同厚度对γ射线屏蔽率的影响较大。

由于铅有毒,近年来人们为了防止公害、保护环境,提出了开发代替铅的辐射屏蔽材料的要求。日本东京都立产业技术研究所与橡胶、塑料生产厂商合作,通过在氯丁橡胶里混入10 %的钨、铋、氧化铋等3 种添加料而获得了高密度橡胶。与铅橡胶相比,此高密度橡胶更薄、更轻,屏蔽辐射效果优于铅。

3 防中子屏蔽材料中子不带电,与物质相互作用主要有两种形式:快中子的散射和减速;慢中子的吸收及二次释放的共化粒子或γ射线。中子的屏蔽实际上是将快中子减速和慢中子吸收。中子的质量与质子很接近,因此,含氢量较高的石蜡、聚乙烯、聚丙烯等材料是优良的快中子慢化材料,而含锂元素的氟化锂、溴化锂、