辐射防护材料的研究

摘要：随着科学技术的高速发展，我国在辐射防护材料的研究逐渐深入，由于具有防辐射能力的材料质量、体积比较大，对于辐射防护材料的大面积推广使用产生了制约。因此有关部门应该不断提升研究辐射防护材料的力度，增加研发资金，争取研究出更为优质的辐射防护材料。该文首先分析辐射防护材料的分类，其次探讨具体的辐射防护屏蔽材料，以期对相关研究具有一定的参考价值。

关键词：辐射 防护 材料 研究

中图分类号：TB332文献标识码：A        文章编号：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辐射防护材料的分类

因为α射线以及β射线的质量比较大，穿透能力比较差，在空气中产生的射程比较短，普通衣物即能够预防，除了保证不造成内污染的情况下，因此并不需要做出特殊防护。由于X射线、γ射线以及中子射线会产生辐射问题，相关工作人员在处于这三类射线核辐射范围时，需要穿戴含有辐射防护材料的衣物。

1.1 X、γ射线防护材料

由于X射线的波长比较短，射程比较远，穿透能力比较强，早期运用在医学成像故障诊断方面，实验室一般会使用X射线管生成X射线。γ射线与X射线类似，自身并不含有电，但是波长比较短，对于人体产生的危害影响比较大。

1.2设计X、γ射线的辐射防护材料

在设计X、γ射线的辐射防护材料时，工作人员需要使用衰减系数比较大的防护材料，且应该尽量减少防护材料的厚度。正常情况下，对于原子序数比较大的材料而言，核外电子比较多，射线衰减系数比较大，因此工作人员可以运用原子序数比较大的铁元素、铅元素、钨元素设计防护材料[1]。

1.3 中子屏蔽机制及材料设计

中子是一类穿透能力比较强、不带电子的粒子，可以依照速度划分为快中子以及慢中子，中子穿过物质时主要会与靶物质的原子核相互作用，其本身具较电子与γ射线更强的穿透力，对人体造成的伤害比起同等吸收剂量下的电子、γ、X射线更大。

因为中子粒子通常不带电，目前对于中子的屏蔽分为两个环节，第一个环节是核反应产生的高能中子碰撞慢化剂发生非弹性散射损失能量。再利用含氢的物质通过弹性散射，将中子的能量降低到热能区。第二个环节是慢中子的吸收过程，主要是通过中子吸收材料将热中子吸收。因此，综合考虑中子和γ 射线的影响应选择热中子吸收截面大、俘获γ 辐射能量低的材料作为热中子吸收材料。

2辐射防护屏蔽材料的研究

2.1 X射线材料的研究

由于X射线将会对人类身体产生不可逆的核辐射影响，因此相关工作人员需要深入研究辐射防护材料，初期阶段，技术任务应用铅板、铁板防护X射线产生的辐射，但是由于铅板和铁板质量比较大，难以随身携带，若是将其作为个人辐射防护材料的体验感比较差，具有的辐射屏蔽效果比较差，因此相关科学家将研发质地比较轻的X射线辐射防护材料作为主要目标。因为铅材料的成本价格比较低、辐射屏蔽效果比较好，已经成为避免X射线辐射的首选材料。前苏联通过使用醋酸铅溶液浸泡处理黏胶纤维织物，应该运用硫酸钠溶液进行改性处理，从而制作了核辐射防治效果比较好的X射线防护服，因为这种工艺的控制难度比较大，但是推广起来比较困难[2]。

在复合型纺丝技术不断发展的背景下，科研人员需要在纤维中添加适量的防辐射剂，可以制作防辐射效果比较好的纤维材料，对X射线具备一定的辐射防护水平。因为使用纤维制作的单层材料具有的辐射防护效果比较差，双层材料又太过厚重，将其运用在防辐射安全服时舒适度比较差。通过使用溶液纺丝法制作一些防止X射线辐射的纤维材料，这种材料的质量比较轻，可以运用在辐射防护材料的制作中。若是将氧化铅以及硫酸钡添加在辐射防护材料的化学纤维中，将其加工制作成织物，对处于低能状态的X射线辐射防护效果比较差，且质量将会比之前研制的防輻射材料轻。

由于铅材料具有一定的毒性、容易挥发，将会导致人体出现铅中毒反应。因此相关专家正在研究能够代替铅板的材料，目前研发的材料主要包括钨元素、钡元素，经过试验测试可知，钨元素的辐射屏蔽能力高于铅元素，在材料厚度相似时，钨合金材料的衰减系数比铅材料大。当钨元素的质量分数已经超出80%时，辐射屏蔽效果比较好。由于稀土材料的原子结构比较特殊，可以优化弥补铅元素的弱吸收问题。除此以外，氧化镧也可以作为研制核辐射的防护材料，在氧化镧含量不断增多的情况，具有的辐射屏蔽能力不断增强，在氧化镧的质量分数已经不小于56.7%的时候时，复合纤维具有的辐射屏蔽能力最佳[3]。

在屏蔽X射线的辐射影响时，使用的材料主要是树脂–纳米铅复合型材料或是树脂–纳米硫酸铅的复合型材料。这种辐射防护材料的铅含量比较低，密度值比较小，辐射屏蔽效果比较好。在制作过程中，辐射防护材料的颗粒比较小，树脂材料的分布情况比较均匀，对于X射线的辐射防护效果比较好。

2.2 γ射线的辐射防护材料

现在防止γ射线辐射防护材料主要包括重金属材料、合金材料、特种混凝土材料、含有重金属材料的高分子材料、特种玻璃材料。在早期研究核辐射材料的过程中，需要将单质铅板视为辐射防护材料置于墙层之中运用，由于铅板的化学稳定性比较差，将会局限材料的应用效果，因为铅材料的弱吸收区域容易出现问题，铅材料和其他材料的合金已经成为目前辐射防护材料的主要研究方向。

通过使用浇铸法能够制作出强度比较高、硬度比较大的铅硼型合金防护材料，这种核辐射防护材料的屏蔽能力比较好，在厚度达到2cm以后，防护γ射线辐射的能力可以达到49.7%左右。为了切实满足核电装置、核设施等管路和阀门的应力屏蔽防护需求，最近几年相关领域的研究人员开始研发一些柔性比较强的γ射线辐射防护屏蔽材料，采用以甲基乙烯基硅橡胶为基体，重金属铅为功能填料的新型柔性屏蔽复合材料产品。该产品采用“三明治夹层”的复合结构形式，利用硫化粘结技术复合加工而成，中间层为含铅的硅橡胶（也称为辐射屏蔽层或功能层），外层为纯硅橡胶（也称为基体层或表面层）。制品通过基体层的硅橡胶提供优良的力学性能，通过功能层的铅粉复合硅橡胶提供辐射屏蔽性能，运用的功能填料主要是铅元素、钨元素[4]。

若是运用球磨法在纳米钨粉上包裹一层聚乙烯材料，使其和乙烯和丙烯的聚合物发生复合反应并生成一种辐射屏蔽材料，这种复合型材料对γ射线的辐射屏蔽能力会比钡材料高出75%，辐射防护效果更好。在处理Er2O3的时候制作环氧树脂作为核辐射防护材料，经过测试可以发现这种材料具有比较好的防腐蚀能量。铒元素能够对低能射线产生一定的辐射防护能量，比铅元素的辐射防护能力强。为了提升辐射防护材料的质量、性能，除了填料具有一定的功能，需要保证基体材料在受到高强度核辐射依旧可以具有防护屏蔽能力。

2.3中子屏蔽材料

目前所使用的中子屏蔽材料大致可分为：（1）传统中子屏蔽材料：（a）小原子序数的元素所组成的简单化合物，如水、石蜡、聚乙烯等;（b）金属材料如各类不锈钢、钨、铜等;（c）复合混凝土，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）纤维织物、经表面处理技术处理过的屏蔽材料等;（c）纳米材料。

防护中子辐射的复合型材料具有比较好的屏蔽能力，加工制造工艺比较简单。四川电子科技大学研发设计了一种新型的、柔性能力比较强的中子辐射屏蔽材料——硼基苯基硅橡胶，因为市面上存在热硫化耐辐射苯基硅生胶，具备较强的含氢量，能够使快中子出现慢化作用。与此同时，因为硼元素将会对中子产生比较大的吸收截面，因此将会对热中子产生吸收能力，辐射防护材料将会在硼元素含量不断增加的情况下提升屏蔽能力[5]。

若是将含有氨基聚合物的树脂作为基体，添加适量的碳化粉末能够制作出具有一定反复折叠能力的中子辐射防护材料，不但具有良好的中子辐射防护效果，而且可以耐高温。研究人员同时使用填料B4C以及热塑性比较强的天然橡胶材料，能够共同制作出中子辐射防护材料，深入研究复合型材料的衰减能力可以发现，在B4C填料使用量不断增多的情况下，宏观截面的面积将会随之增大，平均自由程长度将会不断缩小，对于中子核辐射的防护屏蔽能力将會升高。

2.4复合型屏蔽材料

在设计辐射防护屏蔽材料的过程中，屏蔽材料受体积和重量限制，应具有高效的中子、γ 射线慢化吸收能力;然而，传统的中子屏蔽材料如硼、水、聚乙烯和伽马屏蔽材料如铅、铁、钨等屏蔽功能单一，屏蔽性能有限，有的热力学性能不佳，难以满足现代辐射防护的要求。在这方面，复合材料可以集中各原材料的优点，取长补短，使得综合性能和应用范围优于各原材料。目前，已有大量复合屏蔽材料被开发和应用。按照基体不同可分为：（1）聚合物基复合屏蔽材料;（2）金属基复合屏蔽材料;（3）屏蔽混凝土;（4）玻璃基复合屏蔽材料;（5）陶瓷基复合屏蔽材料。不同基体材料有着各自的优势，也存在着各自的短板，根据使用环境择优选择[6]。

2.5使用模拟方式

通过对核辐射屏蔽材料展开模拟研究，能够在一定程度上降低无效物理试验的出现次数，目前可以运用的模拟软件主要包括WinXCOM程序、Auto-Zeff软件、EGS软件和MCNP软件，但是由于现在环境模拟技术不够成熟，研发人员需要进一步开发设计、优化改进模拟技术，能够为优化设计核辐射防护材料完善准备工作。

3结语

综上所述，由于核辐射对人体具有一定的危害，长时间处于核辐射工作环境下，将会导致人体出现疾病甚至死亡，研究人员需要研制一些核辐射防护屏蔽材料，能够对核辐射范围的工作人员提供安全保障。

参考文献

[1] 李晓宁.新型核辐射防护材料的设计及应用探析[J].科技创新与应用，2020（22）：100-101.

[2] 王莹.橡胶基辐射防护材料的蒙卡模拟研究[D].北京：北京化工大学，2020.

[3] 项长龙，滕晓波，贾清秀.高能辐射防护纤维材料的研究进展[J].北京服装学院学报：自然科学版，2020，40（1）：91-99.

[4] 李利娜，孙润军，陈美玉，等.辐射防护材料的研究进展[J].合成纤维，2019，48（10）：21-25.

[5] 崔玉洁.氡辐射防护材料制备及性能研究[D].中国地质大学（北京），2019.

[6] 袁微微.新型核辐射防护材料的设计及应用分析研究[J].科技创新与应用，2019（12）：79-80.

作者简介：付春亮（1988—），男，本科，工程师，研究方向为核技术。