高能射线及其屏蔽材料(1)

第１３卷第ｔ期２００６年２月金属功能材料

ＭｅｔａＵｉｅＦｕｎｅｔｉｏｎａ【Ｍａｔｔｉｌａｉｓ

Ｖｏ【１３，Ｎ０１Ｆｅｂ．

２００６

高能射线及其屏蔽材料

刘显坤１一，刘

颖１，唐

杰１，涂铭旌１

代君龙２，李润东２，胡春明２

（１四川大学材料科学与工程学院，四川成都６１００６５；２．中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳，６２１９００）

摘要：综述了日常放射性工作中常遇到的几种电离射线，如ｘ射线、７射线、中子及其他带电粒子的产生机理及其特点，指出了防护这些射线的最有效和最实用的办法是选用适当的屏蔽材料，并详述了这些屏蔽材料的种类和相关的屏蔽原理，提出了屏蔽材料发展方向是研究添加稀土合金的复合材料，并努力提高这些稀土元素在复合材料中所发挥的作用来提高其屏蔽效果。关键词：射线；肪护；屏蔽材料：复合材料中图分类号：ＴＭ２５

文献标识码：Ａ

文章编号：１００５

８１９２（２００６）０１—００３６—０５

ＲａｄｉａｌｓａｎｄＴｈｅｉｒＳｈｉｅｌｄｉｎｇ

Ｍａｔｅｒｉａｌ

ＬＩＵＸｉａｎ—ｋｕｎｌ一，ＬＩＵＹｉｎ９１，ＴＡＮＧＪｉｅｌ，ＴＵＭｉｎｇ—ｊｉｎ９１

ＤＡＩＪｕｎ—ｌｏｎ９２，ＨＵＣｈｕｎ—ｍｉｎ９２，ＬＩＲｕｎ—ｄｏｎ９２

（ＩＳｃｈｍｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌ

２

ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｉ

ＣｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｄｕ６１００６５；

ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮｕｃｌｅａｒＰｈｙｍｃｓａｎｄＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，ＣＡＲＰ．Ｍｉａｎｙａｎｇ，Ｃｈｉｎａ）

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅ

Ｆ，ｏｕｒｃｅ

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ｔｈｅｓｈｉｅ［ｄｉｎｇ

ＫＥｙＷＯＲＤＳ：ｒａｄｉａｌ；ｄｅｆｅｎｄ；ｓｈｉｅｌｄｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌ；ｃｏｏｍｐｏｓｉｔｅ

１８９５年伦琴发现ｘ射线，不久人们便发现了它对人体的损伤作用，如长期接受过ｘ射线照射的人，经常出现皮肤烧伤、毛发脱落、眼痛、白血球减少

等症状；１８９８年居里夫人发现镭以后，人们发现７

们接触较多的是诸如微波、紫外线等电磁辐射【１２１、

计算机辐射【３３以及其他电磁辐射【４“３等，这些电磁

辐射对人体都有不同程度的危害．使得人们对各种

射线及其辐射极为关注。但与高能的核辐射相比较，这些辐射是较轻的。鉴于此，笔者主要介绍了几种放射性射线的产生机理和特点，并着重介绍了有

射线对人体也有类似的损伤作用。此后，随着加速

器、反应堆的问世，人们接触放射性射线的种类逐渐增加，除ｘ射线和７射线外，常接触的还有中子、质子及电子等带电粒子；接触电离辐射的机会空前增

关这些射线的屏蔽材料的研究进展和发展方向。但

需要说明的是，通常“射线源”产生的电离射线不只

大。对辐射危害的研究也逐渐深入，特别是在广岛、

长崎遭受核武器袭击后，人们对电离辐射的危害与

是单一的一种射线，两是几种射线的混合体，所以要求屏蔽材料并不是只屏蔽一种射线，它也对其他的

射线有或多或少的屏蔽作用。

防护的研究进入了一个新的阶段。而日常生活中人

作者简介：刘显坤（１９７５一），男，四川仁寿人，四川大学材料学院研究生，中国工程物理研究院校物理与化学所助理研究员．从

万方数据　万方数据

事核技术及其材料应用研究。Ｔｅｌ：（０２８）８５４０５３３２；Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｉａｎｋｕｎ一｜ｉｕ＠１６３

ｃｏｉｎ．

第ｌ期刘显坤等：高能射线盈其解敝材料

１．ｘ射线及其屏蔽材料

ｘ射线是一种光子辐射。本质上是电磁波，有很

强的穿透力［ＴＪ。其波长范围为０．０ｌ～ｚｏｏＡ（１Ａ＝ｌ×１０“ＣＩ＇ＩＩ）。主要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，实验室里常利用具有高真空度的ｘ射线管来产生￣８Ｊ。

这种ｘ射线管管壁用玻璃或透踞陶瓷制成，管内高真空可减少电子运动的阻力。阴极由钨灯丝制阳极金属靶（Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉ等熔点高而导热性好的金针对ｘ射线的特点及能量范围，目前对低能ｘ

３

匾圃｛》圆

ｌ醴钠树脯ｌ

Ｐｂ（ｎｎ）：溶液

Ｉ塾些竺里ｌ

匝巫巫堕巫卫———也圆

图１

耐脂／纳米铅复台材料制备工艺流程

Ｆｉｇ．１

Ｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆ

ｒ８ｉｎ／ｎａｎｏ－ｌｅａｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅ

在制备树脂／纳米硫酸铅复合材料时，分别利用万　万方数据

方数据聚丙烯酸树脂为模板，为便于比较，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（ＮＯ，）：溶液进行交换，然后再用去离子水洗至流出液中无Ｐｂ２‘，接着再慢慢加入

１０％的Ｎａ，Ｓ０４溶液，静止一段时间后再用去离子

水洗至流出液中无ｓ明，最后放入ｕＯ℃烘箱中烘

至恒重。这样，就得到了树脂／纳米硫酸铅复合材料。工艺流程如图２所示。

幽蹦翌

医聂丽司

竺尘１１１

．

ｎⅡ人１０％

Ｎａ，ＳＯ，溶液

兰兰笙一

图２树艚／纳米硫酸铅复合材料的

制备工艺流程

Ｆｉｇ．２

Ｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｊｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆ

ｒｅｓｉｎ／ｎａｎｏ－ｌｅａｄｓｕｌｐｈａｔｅ

ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ

对这两种材料丽言，如果仅有树脂，那他们的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。安骏等人“７’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

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Ｙ射线及其屏蔽材料

７射线与ｘ射线一样，也是～种比紫外线波长

成，灯丝被３～４Ａ的电流加热后发出大量的热电子．电子经聚焦和５０００～８０００Ｖ的电压加速后撞击

属）时，电子猝然减速或停止运动，使大部分能量以热辐射形式耗散掉，少部分则以ｘ射线的形式向外辐射产生ｘ射线谱。

射线的屏蔽一般采用含铅玻璃、有机玻璃及橡胶等

制品”，ｉｏ），但考虑到铅氧化物有一定的毒性，对环境也有污染，现在一般采用混凝土”１’或纤维【”。６

来防护ｘ射线，该纤维是由聚丙烯及固体屏蔽剂混

合制备而成，其屏蔽效果比较理想。对高能ｘ射线的屏蔽，现在比较流行的是采用树脂／纳米铅复合材料和树脂／纳米硫酸铅复合材料ｕ“。在树脂／纳米

铅复合材料的制备过程中，利用带有活性基团一ＳＯｉ的交联聚苯乙烯磺酸钠阳离子交换树脂作为模板，树脂中一ｓｏｉ是均匀分布的。在一定条件下，把Ｐｂ（ＮＯ，）２溶液慢慢加入到上述树脂中，并在一定

的容器中熟化处理，静止一段时间后，用去离子水洗至流出液中无Ｐｂ”为止，然后放人１１０℃烘箱中烘

后趋于更稳定的状态，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

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，安骏等人“７’的研究结果指出，聚苯乙

至恒重，由此就得到了树脂／纳米铅复合材料。其工

艺流程如图１所示。

烯磺酸钠／纳米铅复台材料是一种密度小、铅含量少、而对ｘ射线屏蔽能力强的复合材料。

２

短得多的电磁波¨ｊ。它可以通过重核裂变、裂变产

物衰变、辐射俘获、非弹性散射、括化产物衰变等情形产生。Ｎ．Ｍ．谢弗指出“”，其中裂变产生的７射线由２３５Ｕ及类似重核裂变时产生，通常可以把裂变过程中释放的７射线划分为四个时同间隔，各个时间闻隔内的射线类型及能量见表１。从表中可以

看出，第一和第四两个时间同隔的贡献占释放７射

活性基团为一ｓｏｆ的交联聚苯乙烯磺酸钠阳离子交换树脂、活性基团为一ｃｏＯ一的交联或交联大孔径

金属功能材料

２００６妊

线总能量的９０％以上。

表１裂变Ｔ射线分类及能量

Ｔａｂｌｅ１

Ｔｈｅｓｏｒｔａｎｄｅｎｅｒｇｙｏｆ

ｇａｍｍａｒａｙｓ

根据７射线的特点和使用经验，用来屏蔽ｙ射

线的材料是很多的，如水、土壤、岩石、铁矿石、混凝土、铁、铅、铅玻璃、铀以及钨、铅硼聚乙烯、含硼聚丙

烯（１２、１９－－２１３等。这些材料对７射线的屏蔽效果各不

相同，其中重金属对７屏蔽最有效，而且具有体积小，总重量轻等优点，但是通常对ｙ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７射线，此时次级辐射的产生也必须要考虑，我们可以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７射线。因为铅具有高的耐腐蚀性，能抵抗空气的氧化和酸的腐蚀，熔

点低（３２７．４℃），在高温（２６０℃以上）下会发生蠕变，

熔化浇注容易。而与铅相比，钨也是屏蔽７射线的

理想材料，但钨价格昂贵，使用成本较高。所以，实际工作中铅是使用频率最高，效果较理想的屏蔽７射线的介质材料。

３中子及其屏蔽材料

产生自由中子的中子源设备很多，常见的有核反应堆中子源，加速器及同位素中子源。如热式反应堆中由热中子引起的２”ｕ的每一次裂变大约发

射出２．５个中子；某些情况下，放射性核发生衰变时也会紧跟着发射一个中子，这种中子我们通常称之

为活化中子；ａ粒子与锂、铍、氧、硼、氟等元素的原子核发生相互作用也能产生中子。

中子由于不带电，不与原子核外的电子相互作用，只能与原子核相互作用。按能量可划分为慢中子（Ｅ＜１０３ｅＶ），中能中子（１０３～５Ｘ１０５ｅＶ）和快中子（５×１０５～１０”ｅＶ）。中子的质量与质子很接近，

所以含氢量较高的石蜡、聚乙烯、聚丙烯等材料是优

良的快中子慢化材料”“。石墨还是很好的反射材料，而含锂元素的氟化锂、溴化锂、氢氧化锂，含硼元

素的氧化硼、硼酸和碳化硼等是优良的慢中子吸收

物１２”。如将这两种类型的快中子慢化材料和慢中

子吸收物质微粉混合后使用，可得到具有优良的中

低能中子屏蔽性能的新材料。所以，实验室通常用

万　万方数据

方数据含硼聚乙烯、含硼聚丙烯等材料来屏蔽中子。而对

快中子的屏蔽，吴文圣指出【２“，最好是用ｗ，因为其

１０ｃｍ厚度的材料对中子的屏蔽率可达９３％，但是

由于ｗ较贵，可以用Ｃｕ来代替。胡华四等采用遗

传算法设计了一些新型的屏蔽材料【ｌｏ】，在厚度适宜的情况下，对裂变中子的屏蔽效果远大于Ｆｅ。

另外，复合纤维对中子也有较好的屏蔽作

用［１”。

值得注意的是，选择中子屏蔽材料时首先考虑

的是对中子的减弱性能，其次才是对中子的吸收。

通常对固定式反应堆和加速器的屏蔽，混凝土是最常用的辐射屏蔽材料”Ｊ，因为混凝土成分复杂、变

化也很大，其骨料通常为铁或铁矿石、重晶石（硫酸

钡）、钢粒、钢冲块、剪切成小段的钢筋或其它的金属填料，这些材料构成的混合物，经过适当配制和成行

后，使混凝土具有最佳的结构和屏蔽性能，采用重混

凝土比起用压实的土壤、铁、铅和水等，这些材料有很多优点。

除混凝土常用作中子的屏蔽材料外，现在用得较多反应良好的还有铅硼聚乙烯、含硼聚丙烯。其使用原理是利用聚乙烯中碳氢化合物高的含氢量对快中子有良好的减弱能力，硼能吸收热中子，铅能屏蔽射线。因此，铅硼聚乙烯具有屏蔽快中子、热中予的综合屏蔽效果，其推广和应用有利于屏蔽结构的

简化、减轻屏蔽体的重量、缩小屏蔽体的体积。我国

核动力研究设计院已经研制出了几种铅硼聚乙烯材料【２“，其组成成分见表２。

表２铅硼聚乙烯材料的成分／％（质量）

Ｔａｂｌｅ２

Ｔｈｅ

ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｌｅａｄ．ｂｏｒｏｎ

ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ

ｍａｔｅｒｉａｌ／ｗｔ％

材料代号Ｂ２０１２０２Ｂ２０３ＰＢ２０２Ｐ２０２

Ｐ２０４

Ｐ２０６

碳化硼粉５０１０

０

２０．０

１０一

一

一

铅粉一

一

８０

０

３００

５００７６５

聚乙烯９５

０９００８００

１９．０７００５０

０

２３．５

对由表２中成分构成的铅硼聚乙烯材料，目前核动力研究院””可以生产硼聚乙烯和代号为ＰＢ２０２的铅硼聚乙烯，均具有良好的工程性能、尺寸

稳定性和较满意的耐７辐照性能，使用温度可以达

到８０～１００℃。实验效果表明”“，屏蔽热中子、快中子和７辐照性能明显优于聚乙烯，使用单位反应

良好。

同样，通过在聚丙烯中加入一定量的碳化硼及助纺剂，可以织成纤维状的屏蔽布、屏蔽衣等防护用

第１期刘显坤等：高能射线盈其屏敲材料

具，随碳化硼含量的增加，体系的粒度增大，可纺性

下降，材料的辐照性能也逐步提高，随碳化硼粒度增

大，纤维强度会有所下降，经综台测试，加入的碳化

硼含量在４０％为摄佳。如在聚丙烯中加入碳化硼

的混合体系成品纤维经输棉、针刺加工成两种不同

厚度的非织造布（Ａ和Ｂ），单位面积质量分别为５８０９／ｍ２和１３００９／ｍ２，经原子能研究院测试后的结果见表３。

从表中３中可看出，聚丙烯／碳化硼共混材料制

成的非织造布对热中子具有较强的屏蔽作用，对中

能中子也有一定屏蔽作用”“。

表３肪中子辐射非织造布的中于屏蔽率／％

Ｔ曲ｌｅ．３

ＮｅｕｔｒｏｎｓｈｉｅｌｄｉｎｇｒａｔｅｏｆｎＯＢ－ｍａｋｅｌａｂｔｉｃｐｒｅｖｅｎｔ－

ｉｎｇ

ｎｅｔｒｏｎ

ｒａｄｉａｔｉｏｎ／％

另外，刘力等【２７’的研究结果表明，硼／聚乙烯和

硼／聚甲基丙烯酸甲脂复合材料具有良好的屏蔽中子的能力，但因吸收中子后所形成的氦、锂没有吸收中子的能力，屏蔽性能随吸收的继续而递减，于是便提出在上述材料中加入一定量的稀土元素，因稀土元素中的许多元素对热中子的ｎ、７反应截面比过去

认为吸收热中子的权威材料硼和镉高出几十倍，对

慢中子和中能中子的反应截面也此后者高出许多倍。

４其他带电粒子及其屏蔽材料

通常概念的带电粒子包括：电子、质子、ａ粒子和核反应产生的一切带电重粒子【２’２…。由放射性核素放射出的ａ粒子，能量一般在几兆电子伏特量级，与靶原子电子多次碰撞后逐渐损失能量，射程较短，一般无外照射危险，用普通的衣服均可以防护，

但当一定量的ａ放射性核素进入体内时，可造成严

重的内照射，因此，对ｎ射线主要是内防护。

８射线由高速运动的电子流构成”］，带负电，质

量很小，但速度很大，在运行中容易被其它电子所偏

转，但与ｎ射线相比，具有更大的穿透能力，仅次于７射线，还容易被组织表层吸收，引起组织表层的辐

万　万方数据

方数据射损伤。Ｂ射线与物质相互作用方式主要是使物质

原子电离或激发、辐射损失，后者会产生轫致辐射，

辐射强度与射线能量、屏蔽材料的有效原子序数有

关。辐射能量损失率与靶物质的原子序数的平方成

正比。可见，防护Ｂ射线时必须考虑两层屏蔽，第～层用低原子序数的材料屏蔽Ｂ射线，第二层用高原子序数的材料屏蔽轫致辐射。

因此，对８射线的防护一般可以选用低原子序

数的材料屏蔽以减少轫致辐射，常用材料有烯基塑料、有机玻璃及铝等“”，对屏蔽轫致辐射，常用铁、钢板和铅板等材料。

５结束语与展望

射线的辐射与防护是一门涉及原子核物理、放

射化学、辐射剂量学、核电子学、放射医学、放射生物

学及放射生态学等学科领域的综合性边缘学科，内容广泛、复杂，远不止本文所涉及的内容。随着移动

式反应堆和可携带辐射源应用的增加，传统、单一的屏蔽材料已经不能满足现代防护的使用要求，如混凝土重量重，可移动性差；Ｐｂ对能量高于８８ｋｅＶ和

１３～４０ｋｅＶ之间的射线有良好的吸收能力，但对能

量介于４０－－８８ｋｅＶ之间的射线却存在一个“Ｐｂ的弱

吸收区”。因此，人们试图寻找一种具有良好综台性能的屏蔽材料，这就要求其既要有理想的屏蔽效果、又要有可操作性较强的制备工艺。为解决这些问

量轻、密度大、含氢量大。

高稀土含量的高分子复合材料因其具有上述几种特点便成为了目前最热门的屏蔽材料研究方向。通常的做法是利用混合镧系元素取代Ｐｂ，以弥补

在高分子复合材料中体现出来，且合成这种复合材料的机制研究较少，材料制备手段单一，这些因素均

制约了稀土倩分子复合材料的开发利用。

总之，未来屏蔽材料的研究开发重点是探索综

的制备工艺中，不仅要寻找适当的稀土元素还要寻

求适当的方法来充分利用所加入的稀土元素的优异

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Ｔｈｅｄｅｓ峨ｎｏｆｂａｓｅｍｅｎｔｒｅｂｕｌｔｄ—

题，目前对新型屏蔽材料的要求是尽可能体积小、重

Ｐｂ的弱吸收区，制成稀土，橼胶复合材料。这种复

合材料在与铅制品具有同样的防护能力下，密度更

低，有良好的屏蔽效果，但稀土的许多特殊性能还未合屏蔽效果优异的稀土倩分子复合材料。在材料

性能，从而进一步提高稀土倩分子复合材料的屏蔽

性能。

金屑功能材料

２００６年

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ＯＤ

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收搞日期：２００５—０ｌ一０ｌ

高能射线及其屏蔽材料

作者：作者单位：

刘显坤， 刘颖， 唐杰， 涂铭旌， 代君龙， 李润东， 胡春明， LIU Xian-kun， LIUYing， TANG Jie， TU Ming-jing， DAI Jun-long， HU Chun-ming， LI Run-dong

刘显坤,LIU Xian-kun(四川大学材料科学与工程学院,四川,成都,610065;中国工程物理研究院核物理与化学研究所,四川,绵阳,621900)， 刘颖,唐杰,涂铭旌,LIU Ying,TANG Jie,TUMing-jing(四川大学材料科学与工程学院,四川,成都,610065)， 代君龙,李润东,胡春明,DAI Jun-long,HU Chun-ming,LI Run-dong(中国工程物理研究院核物理与化学研究所,四川,绵阳,621900)

金属功能材料

METALLIC FUNCTIONAL MATERIALS2006,13(1)

刊名：英文刊名：年，卷(期)：

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