作者简介:李 涌(1996—),深圳大学硕士研究生,研究方向:粒子物理与原子核物理.E-mail: 1800211007@email.szu.edu.cn
中文责编:坪 梓; 英文责编:远 鹏
深圳大学物理与光电工程学院,广东深圳 518060
College of Physics and Optoelectronic Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, Guangdong Province, P.R.China
metal material; radiation protection technology; X-ray shielding material; mass attenuation coefficient; waterborne polyurethane; Er2O3; WO3
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2020.03293
为制备性能优良的辐射防护材料,以水性聚氨酯为基底,以氧化铒(Er2O3)、氧化钨(WO3)为射线屏蔽剂,制得无铅、环保、高效的Er2O3-WO3-水性聚氨酯X射线屏蔽材料.用高纯锗探测器测试和分析了材料的屏蔽性能,用蒙特卡罗程序MCNP对光子在材料中的运输过程进行模拟,用扫描电镜对材料表面进行观察分析. 结果表明,该复合材料可有效屏蔽X射线,屏蔽剂在材料内部分布均匀.材料对59.5 keV(241Am)和81.0 keV(133Ba)射线的质量减弱系数分别为5.5 cm2/g和4.2 cm2/g,优于传统铅屏蔽材料的防护效果(5.1 cm2/g和2.4 cm2/g). 样品质量减弱系数的实验测量值与MCNP模拟计算结果相对误差在5%以内.
To prepare an excellent radiation protective material with excellent performance, a lead-free environment-friendly efficient X-ray shielding material is prepared by using waterborne polyurethane as the substrate while Er2O3 and WO3 as the radiation shielding agents. The shielding property of the material is tested and analyzed with a HPGe detector. MCNP software is used to simulate the transportation process of photons in the materials. The surface of the material is observed and analyzed by scanning electron microscope(SEM). The results show that the composite material could effectively shield X-rays, and the shielding agents within the material are dispersed evenly. The mass attenuation coefficients of the material at 59.5 keV(241Am)and 81.0 keV(133Ba)are 5.5 cm2/g and 4.2 cm2/g, respectively. The shielding ability is better than those of traditional Pb(5.1 cm2/g and 2.4 cm2/g, respectively). The relative errors between the measured values of mass attenuation coefficients and the simulated results of MCNP are within 5%.
X射线作为一种成像工具,在医学领域得到广泛应用,全世界每年有超过30亿次X光照射用于医疗诊断[1-2].不受控的辐射或长期接触X射线可能会对人体细胞造成伤害,破坏组织和器官,甚至导致皮肤癌、白血病和白内障等疾病的发生[3-4].因此,X射线的防护已成为重要的研究课题.
传统的X射线屏蔽材料通常选用含铅有机玻璃或铅橡胶制品等[5-8].医用X射线的能量一般介于40~88 keV,铅对于该能量区的X射线吸收能力相对较弱[9-10]; 另外,铅具有毒性,对人体和环境均有负面影响,且含铅辐射防护材料比较笨重,耐用性较差[11-15].2014年7月,欧盟禁止在欧洲的医疗保健中使用铅[1,16].无铅X射线屏蔽材料的开发是当前研究的一个热点.
当入射光子的能量较低时,其与物质的相互作用以光电效应为主.K层边界吸收是指入射光子能量稍高于电子结合能时,该壳层电子发生光电效应的截面急剧增大的现象[17]. 在选择替代铅的X射线屏蔽材料时,K层边界吸收效应对于提高材料的屏蔽性能具有重要意义.金属铒和钨的K层吸收边分别为57.5 keV和69.5 keV,对医用X射线的屏蔽效果优于铅.水性聚氨酯(waterborne polyurethane, WPU)是一种不含有机溶剂的绿色涂料,具有机械性能优良、相容性好和易于改性等特点,广泛应用于汽车涂料和皮革装饰等领域[18-20].本研究以水性聚氨酯为基体,以氧化铒(erbium oxide, Er2O3)和氧化钨(tungsten trioxide, WO3)作为功能粒子,充分利用Er和W的边界吸收效应,制备了一种无铅、环保、高效的X射线屏蔽材料.
试剂:水性聚氨酯防水涂料,由衡阳瑞康建筑防水工程有限公司生产; 硅烷偶联剂KH-560,由鼎海塑胶化工有限公司生产; 聚羧酸钠盐型分散剂,由广州市润宏化工有限公司生产; 有机硅消泡剂,由广州市润宏化工有限公司生产; 微米氧化铒,纯度99%,由上海水田材料科技有限公司生产; 微米氧化钨,纯度99%,由美国姆雷达科技公司生产; 凡士林,自备.
仪器:GEM5970型高纯锗探测器; Quanta450 FEG型场发射扫描电子显微镜.
1)分别称取质量比为4:1、3:2、1:1、2:3和1:4 的Er2O3和WO3粉末,倒入容器中,搅拌10 min,使两种金属氧化物混合均匀; 再加入质量分数为1%的硅烷偶联剂,搅拌10 min,使屏蔽剂表面润湿、活化.
2)在经上述表面处理后的Er2O3-WO3体系中加入质量分数为47%的WPU,搅拌分散15 min,使屏蔽剂功能性粒子与WPU均匀混合; 依次加入质量分数为1%的分散剂和质量分数为1%的消泡剂,持续搅拌分散10 min.
3)在聚四氟乙烯专用模具(直径8 cm,高0.5 cm)表面涂上凡士林,将上述第2)步制得的混合液倒入模具中,在通风柜下放置48 h,使其自然晾干固化.脱模即得到Er2O3-WO3-水性聚氨酯基X射线屏蔽材料,外观如图1.
以241Am和133Ba作为放射源,用高纯锗探测器测试材料的屏蔽性能.具体方法如图2所示,将放射源置于探头上方10 cm处,将样品置于放射源与探头中间,设置时间30 min,分别测试射线通过样品后59.5 keV和81.0 keV两个全能峰处的净计数N及无样品时的净计数N0. 通过式(1)计算样品的质量减弱系数μm:
μm=(ln(N0/N))/(d ρ)(1)
其中, d为样品厚度; ρ为样品密度.各样品均设3组平行样,取其质量减弱系数平均值.
本研究在模拟过程中通过蒙特卡罗程序(Monte Carlo N particle transport code, MCNP)中的F2计数卡,计算样品在59.5 keV和81.0 keV处的质量减弱系数.整个模型处在空气环境中,假设放射源为点源,单向垂直入射屏蔽材料,设置的粒子数为108.模拟计算时采用光子与电子的联合输运方式,包含了光电效应和康普顿散射等光子与物质相互作用过程.
用扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)对材料表面进行分析,观察Er2O3和WO3颗粒在样品中的分布均匀性.
表1为通过式(1)计算得出的不同Er2O3和WO3质量比样品的质量减弱系数,P为空白样品.由表1可见,填充Er2O3和WO3的样品对能量为59.5 keV和81.0 keV射线的质量减弱系数均很高,具有很好的屏蔽效果.随着Er2O3质量的减少,WO3质量的增加,样品在59.5 keV处的质量减弱系数明显减小,81.0 keV处的质量减弱系数增加.
表1 不同Er2O3、WO3质量比的样品质量减弱系数
Table 1 Mass attenuation coefficients of samples with different mass ratios of Er2O3 and WO3
铒和钨的K层吸收边分别为57.5 keV和69.5 keV.样品中Er2O3的相对含量越高,对能量稍高于57.5 keV的X射线的屏蔽效果越好; WO3相对含量越高,对能量高于69.5 keV射线的屏蔽效果越好.结合表1中各样品的质量减弱系数,综合考虑能量介于40~88 keV区间的X射线,本研究选用m(Er2O3):m(WO3)=1:1制备屏蔽材料.
将样品中的金属氧化物质量分数由50%分别增加至60%、70%,在相同条件下制备样品并测试其屏蔽性能,结果如表2. 由表2可见,随着金属氧化物质量分数的增加,样品对59.5 keV和81.0 keV射线的质量减弱系数均明显增大.
考虑到金属氧化物质量分数高于80%时,复合材料的力学性能影响显著,样品变得易脆,实际制样时,选择金属氧化物质量分数为70%,m(Er2O3):m(WO3)=1:1,制得X射线屏蔽材料.
表3为通过MCNP模拟计算所得各样品的质量减弱系数.对比表1和表2中的测量值可见,实验测得样品的质量减弱系数与模拟计算结果基本吻合,相对误差在5%以内. 模拟计算结果稍高于实验测量值,主要是由于模拟的屏蔽材料处于绝对均匀分布的理想状态,这在实验中是较难实现的[21-23].
图3为样品表面的SEM图.可以看出,Er2O3和WO3颗粒在复合材料中分布较为均匀,没有出现明显团聚现象,说明硅烷偶联剂的加入对金属氧化物起到了较好的修饰作用,分散剂的加入也使屏蔽剂功能粒子在复合材料中分散较为均匀.
以水性聚氨酯为基底,以氧化铒(Er2O3)和氧化钨(WO3)为射线屏蔽剂制备了一种无铅、环保、高效的X射线屏蔽材料.当Er2O3和WO3质量比为1:1、金属氧化物的质量分数为70%时,该复合材料对能量为59.5 keV和81.0 keV的射线质量减弱系数可达5.5 cm2/g和4.2 cm2/g,实验测量的质量减弱系数与MCNP模拟结果基本吻合,相对误差在5%以内. Er2O3和WO3颗粒在样品内部分散均匀,未见明显团聚现象.该材料制备工艺简单,可广泛应用于涉核人员的X射线防护.
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
(1984年创刊 双月刊)
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