防中子射線(xiàn)的材料

        中子是一種不帶電荷的中性粒子，中子通過(guò)物質(zhì)時(shí)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(guò)程是俘獲反應。在這一過(guò)程中原子核俘獲中子后形成復合核，成為放射性核素，釋放γ射線(xiàn)?？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(shí)，中子能量損失*大，因此人們?yōu)榱说玫铰凶踊驗榱似帘沃凶?，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(xiàn)更為嚴重。研究表明，中子致腫瘤的生物效應(RBE)約為2～3倍于X射線(xiàn)，由中子引起的染色體畸變大大高于X射線(xiàn)和γ射線(xiàn)。

        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(xiàn)。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70年代中期開(kāi)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(shí)極易脫落，故屏蔽效果較差。后來(lái)日本又對原來(lái)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。它采用復合紡絲方法制取防中子輻射復合纖維。具體做法為中子吸收物質(zhì)與高聚物在捏合機上熔融混合后作為芯層組份，以純高聚物為皮層進(jìn)行熔融復合紡絲，所得纖維為皮芯結構，經(jīng)干熱或濕熱拉伸制得具有一定強度的纖維，但該纖維紡織設備較復雜，投資比較大。

        日本專(zhuān)利還報道了另一種纖維狀中子防護物的制取方法。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。但該種纖維強度低，斷裂伸長(cháng)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、受摩擦時(shí)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(shù)脂共聚后，采用熔融皮芯復合紡絲工藝研制了防中子輻射纖維材料。纖維的強度可達20～30CN/tex，斷裂伸長(cháng)率為21～32%。由于纖維中鋰或硼化合物的含量高達纖維重量的30%，因而具有較好的防護中子輻射的效果，可加工成機織物和非織造布，定重為430g/m2的機織物的熱中子屏蔽率可達40%，常用于院放療室內生和病人的防護。

        我國從上世紀70年代開(kāi)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(jià)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。該項研究立足國內現有技術(shù)水平，盡管采用的方法與國外不同，但對中子射線(xiàn)的屏蔽效果達到和超過(guò)了已知的國外同類(lèi)研制水平，同時(shí)該纖維還具有較好的γ射線(xiàn)屏蔽功能，現已研制成無(wú)紡布、機織布并已制成防護服裝開(kāi)始使用。

        國內采用硼化合物、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(xiàn)纖維。纖維中碳化硼含量高達35%，纖維強度可達23～27CN/tex，斷裂伸長(cháng)率達20～40%，可加工成針織物、機織物和非織造布，用在原子能反應堆周?chē)?，可使中子輻射防護屏蔽率達到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(guò)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(lèi)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，材料的輻射防護性能提高，隨碳化硼粒度的增大，纖維強度下降。綜合考慮，碳化硼的添加量為40%；
         ②鈦酸酯類(lèi)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(guò)高或過(guò)低，都對紡絲不利。當剪切速率不變，溫度升到250℃以上時(shí)，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(guò)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)行復合紡絲。成品復合纖維斷裂強度為2106CN/dtex，斷裂伸長(cháng)為37%，熱熔溫度為163℃，在130℃以下可滿(mǎn)足一般使用要求；
         ⑤經(jīng)測試，復合纖維制成的無(wú)紡布對熱中子具有較強的屏蔽作用，對中能中子也有一定的屏蔽作用。這類(lèi)材料適合用于防護衣具、門(mén)窗簾和遮蓋包裝等。

        透明防中子輻射材料是近年來(lái)研究開(kāi)發(fā)起來(lái)的防中子輻射材料又一新品種。它是含硼、鋰元素的有機玻璃。這類(lèi)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(guān)察窗，使人眼部免受中子輻射損傷。這類(lèi)材料的研制成功是防中子輻射材料研究史上的一大突破。研究了含鉛有機玻璃、含鋇有機玻璃、含硼有機玻璃和普通有機玻璃的X、γ射線(xiàn)和中子射線(xiàn)防護性能及其耐60Coγ射線(xiàn)輻照穩定性。結果表明，含鉛有機玻璃板材具有良好的X射線(xiàn)、反應堆熱柱γ射線(xiàn)屏蔽性能；含硼有機玻璃板材具有良好的熱中子屏蔽性能；含鋇有機玻璃板材的褪化裂變譜中子輻射屏蔽性能良好；含鋇有機玻璃和普通有機玻璃可耐105～106Gy的60Coγ射線(xiàn)輻照；含鉛有機玻璃板材耐60Coγ射線(xiàn)照射能力小于105Gy。

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