科学家发明中子和伽马射线无铅复合屏蔽材料

2021年12月30日整理发布：中国科学院合肥物理研究所(HFIPS)霍志鹏博士和他的学生赵胜最近开发出一种具有高屏蔽性能且环保的无铅中子和伽马射线复合屏蔽材料。他们的研究结果发表在核材料和能源杂志上。

通过一系列复杂而全面的实验，对改性氧化钆/碳化硼/高密度聚乙烯 (Gd2O3/B4C/HDPE)复合材料进行了安全有效的测试，以屏蔽中子和伽马射线。

中子作为一种电中性粒子，具有很强的穿透性，在粒子碰撞过程中总是放射出二次伽马射线。科学高效的中子屏蔽方案是同时选择高Z(原子序数)、低Z材料和中子吸收材料进行组合屏蔽。然而，含铅材料具有生物毒性，应用受到限制。

稀土元素钆在自然界中通常以无毒的Gd2O3形式存在，一直表现出较高的平均热中子吸收率、耐高温性和良好的伽马屏蔽性能。

研究人员首先研究了屏蔽机理，然后采用偶联剂对Gd2O3表面进行改性，以提高Gd2O3在基体中的界面相容性和分散性。

“它不含铅，对环境和人类没有任何威胁，”从事辐射和环境保护多年的霍博士说。

他进一步解释了这种辐射屏蔽系统是如何工作的。快中子与钆 (Gd) 发生非弹性碰撞，与氢发生弹性碰撞，直至成为热中子，最后被高 Z 元素 Gd 和硼吸收。

实验结果表明，复合材料在Cf-252环境下15 cm厚度条件下的中子屏蔽率可达98%。在 Cs-137 和 Co-60 环境中，相同厚度的复合材料的伽马屏蔽率分别为 72% 和 60%。

其综合屏蔽性能优于传统的硼聚乙烯准直屏蔽，适用于实验先进超导托卡马克(EAST)的中子能谱和伽马能谱诊断系统。据研究人员称，它有望成为一种有前途的中子-伽马混合场辐射屏蔽材料。

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