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新型复合材料如何代替铅应用于辐射防护?

辐射屏蔽材料 辐射防护
发布:2020-11-17 15:17:33    

辐射屏蔽材料在许多商业和工业应用中都扮演着至关重要的角色,例如医学成像和治疗,核废料存储,太空探索和食品灭菌。不必要地暴露于电离辐射中可能对人体和环境造成危害,因为它可能导致器官损伤或活生物体中的细胞突变,机械组件故障以及其他有害影响。

北卡罗莱纳州立大学的研究人员已经开发出一种新型的复合材料,该材料包含三氧化二铋颗粒,显示出巨大的潜力来替代传统的辐射屏蔽材料,从而成为一种轻巧且易于制造的替代品。

辐射屏蔽材料通过康普顿散射,光电效应以及在高能辐射的情况下通过产生电子-正电子对来散射或吸收电离的电磁(EM)辐射,例如X射线或伽马射线。

所有这些过程都涉及入射辐射光子与屏蔽材料核周围的电子壳之间的能量转移。

重原子可更好地防止电离辐射

包含高原子序数(Z)和原子中大量电子的元素的材料,例如铅,铜和不锈钢,具有更好的衰减高能EM辐射的能力。

防止辐射暴露的最广泛使用的材料是铅,但是其相对较高的价格,化学反应性,高密度和毒性使其远非理想的工业和研究应用范围。

聚合物复合材料作为辐射屏蔽应用的无毒替代品

北卡罗来纳州立大学核工程系的葛阳博士及其同事进行的新研究导致开发了一种新型的辐射屏蔽材料,该材料由嵌入三甲基氧化铋陶瓷颗粒中的聚甲基丙烯酸甲酯基质构成。 PMMA,通常被称为``丙烯酸塑料'')。铋是一种原子序数较高的元素(Z = 83,铅的Z = 82),密度略低于铅(密度为 9.78 g cm-3 和 11.34 g cm-3)。它可以有效地散射和吸收EM辐射(例如,比钢更好),并且被认为是无毒的。

铋用于铋浸渍的乳胶防护罩中,以在医学检查(例如X射线成像或计算机断层扫描)中最小化暴露。但是,它是一种易碎的材料,容易破裂。这是一个重大的缺点,因为裂纹会损害其辐射屏蔽性能。

辐射衰减性高的高密度陶瓷

另一方面,三氧化铋是一种天然存在的陶瓷材料,被广泛用于一系列工业应用中,例如半导体器件,电子和电光组件,磁存储和催化。

尽管三氧化二铋纳米粒子的密度略低于铋(密度为8.9 g cm-3),但由于其生物相容性和出色的EM辐射衰减,它们被越来越多地用作医学成像的造影剂。

具有成本效益的丙烯酸基体增强辐射屏蔽性能

将PMMA用作新型复合材料中陶瓷颗粒的轻质基质的主要优点是其低成本,出色的耐化学和机械性能以及易于制造。

重要的是,丙烯酸塑料是屏蔽高能带电粒子(β辐射)的首选材料,在这种情况下,使用高Z材料是不利的,因为当带电粒子与重质粒子碰撞时,它们会产生大量的二次X射线。原子失去能量。

这使得低Z丙烯酸塑料与高Z陶瓷材料的结合特别适用于辐射屏蔽应用。

快速的紫外线交联可以缩短制造时间

杨博士团队开发的复合材料的另一个显着优势是可以非常快速地制造。

研究人员开发了一种通过紫外线(UV)引发的交联过程,而不是使用热量来固化聚合物基质(类似于传统的热固性聚合物)。交联聚合物链网络赋予材料机械强度,并增强其在辐射环境中的性能。

使用紫外线固化方法,研究人员能够在室温下几分钟而不是在高温下几小时来制造这种新的复合材料。这证明了新方法的快速制造潜力。

适用于苛刻工业应用的轻质复合材料

较短的制造时间使科学家可以制备一系列样品,其中三氧化二铋颗粒的负载量在0%至44%(wt。)之间变化,并使样品经受一系列的伽马辐射屏蔽测试。

用于评估材料的屏蔽性能的一个重要参数是半值层(HVL)的厚度,该厚度是导致入射伽马射线强度衰减50%的材料厚度。纯PMMA(0%三氧化二铋)的HVL为38厘米,而负载44%三氧化二铋颗粒的PMMA的HVL只有5厘米。

将三氧化二铋颗粒增强的复合材料的屏蔽性能与铅,钢和混凝土等传统辐射屏蔽材料的屏蔽性能进行比较,可以发现HVL值介于混凝土和钢之间,并具有大大减轻重量的好处。

这使得这种新型复合材料轻巧,易于制造,并且是传统铅基材料的替代品,可在诸如太空探索,医学成像和放射疗法等一系列应用中屏蔽电离的X射线和伽马射线。

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