中子射線的材料

中子是一種不帶電荷的中性粒子，中子通過物質(zhì)時與原子核外電子幾乎不發(fā)生作用，主要與核作用。慢中子與物質(zhì)作用的主要過程是俘獲反應(yīng)。在這一過程中原子核俘獲中子后形成復(fù)合核，成為放射性核素，釋放γ射線?？熘凶优c物質(zhì)作用主要是彈性和非彈性散射。在彈性散射中同中子碰撞的靶核，其質(zhì)量與中子接近時，中子能量損失*大，因此人們?yōu)榱说玫铰凶踊驗(yàn)榱似帘沃凶?，常用含氫的物質(zhì)如水、石蠟、聚乙烯等材料做慢化劑或防護(hù)材料。中子與氫、氧、碳、氮等原子核作用能產(chǎn)生反沖核，這種反沖核在組織中能引起高密度的電離。對人體產(chǎn)生的危害比相同劑量的X射線更為嚴(yán)重。研究表明，中子致腫瘤的生物效應(yīng)(RBE)約為2～3倍于X射線，由中子引起的染色體畸變大大高于X射線和γ射線。

中子和物質(zhì)的相互作用有兩種形式。一是快中子的散射和減速；二是慢中子被吸收后放出共化粒子或γ射線。中子的屏蔽實(shí)際上是要將快中子減速和將慢(熱)中子吸收。氫元素含量較高的石蠟、聚乙烯和聚丙烯等是優(yōu)良的快中子慢化材料，而含鋰元素的氟化鋰、溴化鋰、氫氧化鋰，含硼元素的氧化硼、硼酸和碳化硼等是優(yōu)良的慢中子吸收物質(zhì)?？熘凶勇牧虾吐凶游瘴镔|(zhì)微粉混合后使用可以得到優(yōu)良的中、低能中子屏蔽性能的新材料。

國外從上世紀(jì)70年代中期開始研究纖維狀防中子輻射材料方面的技術(shù)，日本在此方面所做工作*多。日本研制成的離子交換型防中子輻射纖維是將硼、鋰或其它屏蔽物質(zhì)的離子吸附在纖維上，從而使纖維具有中子輻射屏蔽功能。由于吸附量有限、且洗滌時極易脫落，故屏蔽效果較差。后來日本又對原來的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使離子交換纖維吸附鋰或硼的化合物，從而提高了織物中子屏蔽率。在已知的國外各種防中子輻射纖維中，以日本東麗公司的研制水平為*佳。它采用復(fù)合紡絲方法制取防中子輻射復(fù)合纖維。具體做法為中子吸收物質(zhì)與高聚物在捏合機(jī)上熔融混合后作為芯層組份，以純高聚物為皮層進(jìn)行熔融復(fù)合紡絲，所得纖維為皮芯結(jié)構(gòu)，經(jīng)干熱或濕熱拉伸制得具有一定強(qiáng)度的纖維，但該纖維紡織設(shè)備較復(fù)雜，投資比較大。

日本專利還報道了另一種纖維狀中子防護(hù)物的制取方法。含有中子吸收物質(zhì)的高聚物溶液在高壓下噴射紡制纖維，提高了防中子輻射纖維的熱中子屏蔽率。但該種纖維強(qiáng)度低，斷裂伸長較大，不易加工。這種方法制得的纖維由于中子吸收物質(zhì)暴露在纖維表面，因而在洗滌、受摩擦?xí)r極易損失，使中子吸收性能降低。日本還將鋰和硼的化合物粉末與聚乙烯樹脂共聚后，采用熔融皮芯復(fù)合紡絲工藝研制了防中子輻射纖維材料。纖維的強(qiáng)度可達(dá)20～30CN/tex，斷裂伸長率為21～32%。由于纖維中鋰或硼化合物的含量高達(dá)纖維重量的30%，因而具有較好的防護(hù)中子輻射的效果，可加工成機(jī)織物和非織造布，定重為430g/m2的機(jī)織物的熱中子屏蔽率可達(dá)40%，常用于院放療室內(nèi)生和病人的防護(hù)。

我國從上世紀(jì)70年代開始防中子高分子材料的研究，到1984年天津紡院研制出4種具有實(shí)用價值的防中子輻射板材。我國的防中子輻射纖維早在1987年5月在天津紡院研制成功。該項(xiàng)研究立足國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)水平，盡管采用的方法與國外不同，但對中子射線的屏蔽效果達(dá)到和超過了已知的國外同類研制水平，同時該纖維還具有較好的γ射線屏蔽功能，現(xiàn)已研制成無紡布、機(jī)織布并已制成防護(hù)服裝開始使用。

國內(nèi)采用硼化合物、重金屬化合物與聚丙烯等共混后熔紡制成了皮芯型防中子、防X射線纖維。纖維中碳化硼含量高達(dá)35%，纖維強(qiáng)度可達(dá)23～27CN/tex，斷裂伸長率達(dá)20～40%，可加工成針織物、機(jī)織物和非織造布，用在原子能反應(yīng)堆周圍，可使中子輻射防護(hù)屏蔽率達(dá)到44%以上。采用聚丙烯與不同重量的碳化硼微粉為原料，探討了通過熔融共混紡絲工藝研制防中子輻射纖維及織物的可行性，并對共混體系的流變性能及影響流變性能的因素進(jìn)行了討論。他們討論了聚丙烯/碳化硼共混體系中碳化硼粒度、助劑種類和用量、溫度等因素對該體系流變性能及可紡性的影響，并對纖維和織物的性能進(jìn)行了測試，得出如下結(jié)果：①在聚丙烯/碳化硼共混體系中，隨碳化硼含量的增加，體系的粘度增大，可紡性下降，材料的輻射防護(hù)性能提高，隨碳化硼粒度的增大，纖維強(qiáng)度下降。綜合考慮，碳化硼的添加量為40%；②鈦酸酯類助劑可有效改善聚丙烯與碳化硼的相容性，提高碳化硼在聚丙烯中的分散均勻性。碳化硼中的助劑用量*好為115～215%；③溫度過高或過低，都對紡絲不利。當(dāng)剪切速率不變，溫度升到250℃以上時，共混體系的扭矩即粘度值則趨于恒定，選此溫度為紡絲溫度；④通過選用適宜的助紡劑和粒度合適的碳化硼，所得到的芯料共混物可順利進(jìn)行復(fù)合紡絲。成品復(fù)合纖維斷裂強(qiáng)度為2106CN/dtex，斷裂伸長為37%，熱熔溫度為163℃，在130℃以下可滿足一般使用要求；⑤經(jīng)測試，復(fù)合纖維制成的無紡布對熱中子具有較強(qiáng)的屏蔽作用，對中能中子也有一定的屏蔽作用。這類材料適合用于防護(hù)衣具、門窗簾和遮蓋包裝等。

透明防中子輻射材料是近年來研究開發(fā)起來的防中子輻射材料又一新品種。它是含硼、鋰元素的有機(jī)玻璃。這類材料不同于上述的一般由兩種或兩種以上的化合物混合而成的防輻射材料。它是一種均一的交聯(lián)(或非交聯(lián))非晶化合物，可加工成各種透明視鏡和觀察窗，使人眼部免受中子輻射損傷。這類材料的研制成功是防中子輻射材料研究史上的一大突破。研究了含鉛有機(jī)玻璃、含鋇有機(jī)玻璃、含硼有機(jī)玻璃和普通有機(jī)玻璃的X、γ射線和中子射線防護(hù)性能及其耐60Coγ射線輻照穩(wěn)定性。結(jié)果表明，含鉛有機(jī)玻璃板材具有良好的X射線、反應(yīng)堆熱柱γ射線屏蔽性能；含硼有機(jī)玻璃板材具有良好的熱中子屏蔽性能；含鋇有機(jī)玻璃板材的褪化裂變譜中子輻射屏蔽性能良好；含鋇有機(jī)玻璃和普通有機(jī)玻璃可耐105～106Gy的60Coγ射線輻照；含鉛有機(jī)玻璃板材耐60Coγ射線照射能力小于105Gy。

防輻射纖維及材料廣泛應(yīng)用于國防和民用等諸多領(lǐng)域。它的研制對于我國的現(xiàn)代化建設(shè)具有重要的意義。目前，防輻射纖維及材料正朝著“專門化”(對某一種射線具有特別好的防護(hù)能力)和“多功能化”(適用于存在多種射線的場所)方向發(fā)展。相信隨著各種射線及射線源廣泛的應(yīng)用，防輻射纖維及材料研究和應(yīng)用的前景將日益廣闊。