近日，等離子體所在核輻射防護材料性能研究方面取得新進展，等離子體診斷研究室輻射防護組霍志鵬副研究員及其指導的碩士研究生趙盛成功研制了一類高性能、無鉛化的中子及伽馬射線復合屏蔽材料，并圍繞材料的屏蔽性能與機制展開了實驗研究和模擬計算驗證，相關成果發表在核科學技術1區期刊Nuclear Materials and Energy上，并申請了發明專利。

　　中子是電中性粒子，不受庫侖力作用，穿透性極強，且在碰撞過程中會產生次級伽馬射線，是現代核輻射防護的研究重點。科學高效的中子屏蔽方案是同時選用高Z、低Z材料和中子吸收材料進行復合屏蔽，例如常用的鉛、硼、聚乙烯組合。然而鉛的強生物學毒性對環境不友好，其應用范圍受到限制。而稀土元素釓在自然界中通常以無毒的氧化釓（Gd₂O₃）形式存在，且其平均熱中子吸收截面高達36300靶恩，耐高溫且具備良好的伽馬屏蔽性能。該研究基于材料特性設計了一種高性能無鉛的表面改性氧化釓/碳化硼/高密度聚乙烯（Modified-Gd₂O₃/B₄C/HDPE）復合屏蔽方案。采用偶聯劑對Gd₂O₃進行表面改性處理，提高了填料在基體內部的界面相容性和彌散性，使輻射粒子更充分地與材料內部的功能組元相互作用而迅速衰減。復合材料采用釓(Gd)-氫(H)-硼(B)體系對中子進行慢化和吸收，利用輕、重核與中子的相互作用特性以及釓和硼的高熱中子吸收截面特性，使高能入射中子與釓產生非彈性碰撞，與氫、碳、氧發生彈性碰撞直至成為熱中子，最后被釓和硼吸收，其中釓作為重核元素還兼具吸收伽馬射線的功能。研究表明改性納米Gd₂O₃對復合材料的性能提升明顯優于改性微米Gd₂O₃及未改性的納米和微米Gd₂O₃。并且在較薄的材料厚度時（6cm以下），填料的改性處理對復合材料輻射屏蔽性能的提升尤為明顯。

　　該研究通過正交實驗分析結合蒙特卡羅模擬驗證，獲得了最優的中子屏蔽材料方案。蒙卡模擬結果顯示在加載最優屏蔽材料之后，探測器測得的中子和伽馬能譜在全部能區均明顯衰減。送往北京市射線應用研究中心的樣品屏蔽測試結果顯示，在锎（Cf）-252（平均能量2.45 MeV）中子源輻照環境下，優選復合材料在厚度為15 cm時達到了98%的中子屏蔽率；在銫（Cs）-137（平均能量0.662 MeV）和鈷（Co）-60（平均能量1.25 MeV）伽馬源輻照環境下，該復合材料在厚度為15 cm時分別達到了72%和60%的伽馬屏蔽率。其綜合屏蔽性能優于EAST裝置中子伽馬能譜診斷系統原有的摻硼聚乙烯準直屏蔽體，可作為改進型替代材料，也可作為其他中子-伽馬混合場的防護材料。

　　該研究得到中國科學院合肥大科學中心“高端用戶培育基金”、 CRAFT項目、能源研究院（安徽省能源實驗室）項目、國家磁約束核聚變能研究專項、國家自然科學基金等項目的資助。

　　論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352179121001617?via%3Dihub

圖1 （a）納米/微米復合材料和改性納米/微米復合材料的中子透射率對比，（b）多種復合材料在4.5 cm和15 cm厚度時的中子透射率對比

　　圖2 改性納米復合屏蔽材料的屏蔽機制示意圖

圖3 探測器面處的（a）Cf-252中子能譜和（b）Cs-137伽馬能譜 （黑線：未加載復合材料, 紅線：加載4.5 cm厚度復合材料, 藍線：加載15 cm厚度復合材料）

圖4 北京市射線應用研究中心屏蔽測試裝置（a）中子屏蔽性能測試（b）伽馬屏蔽性能測試