科學(xué)家發(fā)明中子和伽馬射線無鉛復(fù)合屏蔽材料

2021年12月30日整理發(fā)布：中國科學(xué)院合肥物理研究所(HFIPS)霍志鵬博士和他的學(xué)生趙勝最近開發(fā)出一種具有高屏蔽性能且環(huán)保的無鉛中子和伽馬射線復(fù)合屏蔽材料。他們的研究結(jié)果發(fā)表在核材料和能源雜志上。

通過一系列復(fù)雜而全面的實(shí)驗(yàn)，對改性氧化釓/碳化硼/高密度聚乙烯 (Gd2O3/B4C/HDPE)復(fù)合材料進(jìn)行了安全有效的測試，以屏蔽中子和伽馬射線。

中子作為一種電中性粒子，具有很強(qiáng)的穿透性，在粒子碰撞過程中總是放射出二次伽馬射線?？茖W(xué)高效的中子屏蔽方案是同時(shí)選擇高Z(原子序數(shù))、低Z材料和中子吸收材料進(jìn)行組合屏蔽。然而，含鉛材料具有生物毒性，應(yīng)用受到限制。

稀土元素釓在自然界中通常以無毒的Gd2O3形式存在，一直表現(xiàn)出較高的平均熱中子吸收率、耐高溫性和良好的伽馬屏蔽性能。

研究人員首先研究了屏蔽機(jī)理，然后采用偶聯(lián)劑對Gd2O3表面進(jìn)行改性，以提高Gd2O3在基體中的界面相容性和分散性。

“它不含鉛，對環(huán)境和人類沒有任何威脅，”從事輻射和環(huán)境保護(hù)多年的霍博士說。

他進(jìn)一步解釋了這種輻射屏蔽系統(tǒng)是如何工作的?？熘凶优c釓 (Gd) 發(fā)生非彈性碰撞，與氫發(fā)生彈性碰撞，直至成為熱中子，最后被高 Z 元素 Gd 和硼吸收。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合材料在Cf-252環(huán)境下15 cm厚度條件下的中子屏蔽率可達(dá)98%。在 Cs-137 和 Co-60 環(huán)境中，相同厚度的復(fù)合材料的伽馬屏蔽率分別為 72% 和 60%。

其綜合屏蔽性能優(yōu)于傳統(tǒng)的硼聚乙烯準(zhǔn)直屏蔽，適用于實(shí)驗(yàn)先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克(EAST)的中子能譜和伽馬能譜診斷系統(tǒng)。據(jù)研究人員稱，它有望成為一種有前途的中子-伽馬混合場輻射屏蔽材料。

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