工程砖中添加CaO、Al?O?和Fe?O?对辐射屏蔽性能的比较分析：热稳定性及Phy-X模拟对衰减特性的洞察

《Radiation Physics and Chemistry》：A Comparative analysis of radiation shielding character in engineered bricks blended with CaO, Al 2O 3, and Fe 2O 3 additives: thermal stability and Phy-X simulation insights into attenuation characteristics.

本研究通过Phy-X软件探究了粘土与CaO、Al?O?、Fe?O?混合制成的砖材辐射防护效能，发现添加5g Fe?O?的CL5Fe样本密度（2.40g/cm3）和0.6MeV处LAC（0.154cm?1）最优，因Fe?O?提升有效原子数和密度。结论指出氧化物添加剂显著增强砖材的防护性能、热稳定性和结构完整性，建议后续研究覆盖更高能量范围（1.47-15MeV）以评估医疗、放疗和核环境适用性。

　　

阿努德·沙特·阿尔沙马里|乌尔·里尔万|费拉斯·阿拉费尔|M.F.S.H. 阿尔-卡马利|阿姆尔·阿尔穆特里|阿特夫·埃尔-塔赫尔

沙特阿拉伯阿拉尔北部边境大学物理系

摘要

本研究使用Phy-X软件研究了由粘土、CaO（氧化钙）、Al₂O₃（氧化铝）和Fe₂O₃（氧化铁）混合物制成的不同砖块的辐射防护效果。随着氧化物添加剂的加入，样品的密度有所增加，其中CL5Fe的密度最高，达到2.40 g/cm³。线性衰减系数（LAC）也有所改善，CL5Fe在0.6 MeV时的LAC值为0.154 cm^-1，这可能与其中含有Fe₂O₃有关。选择0.6 MeV作为康普顿主导区域内的137Cs能量代表值。进一步评估了0.0459–1.46 MeV范围内的屏蔽性能，涵盖了光电效应到康普顿效应之间的相互作用。CL5Fe在热稳定性和结构完整性方面也优于其他样品，使其成为最佳的伽马辐射防护材料。未来的研究应评估1.47–15 MeV范围内的屏蔽性能，以评估该材料在医学成像、放射治疗和核辐射环境中的适用性。

引言

辐射屏蔽技术是一种现代技术，用于阻挡公众受到有害射线的伤害[1]。在这种技术中，将高密度材料放置在辐射源与辐射工作人员或公众之间[2]。需要注意的是，电离辐射的危险影响使得在不同领域必须采取屏蔽措施[3]、[4]、[5]、[6]。例如，在医院、核电站和工业场所，屏蔽可以减少环境和人员的辐射暴露，同时降低辐射引起的健康风险，确保辐射安全标准和法规得到遵守，并防止产品和设备受到辐射损坏[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。

目前有许多研究致力于寻找更好的屏蔽材料，以提供足够的有效防护来抵御伽马辐射[13]。铅是一种传统的屏蔽材料，由于其较高的原子序数（Z）和优异的密度而被使用了数十年[14]。然而，铅作为屏蔽材料存在许多缺点，如成本高、重量大且有毒[15]。这些限制促使全球许多研究者继续寻找替代材料[16]。在寻找比传统铅更好的可持续屏蔽材料的过程中，研究人员报告了玻璃、陶瓷、砖块、钨和聚合物等作为替代品[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。

尽管玻璃的化学成分可调，使其在辐射屏蔽方面表现出色[24]，但其机械强度较低[25]是一个局限性。其他材料如陶瓷、砖块、钨和聚合物在屏蔽电离辐射方面也有一定效果，但它们存在机械强度低、购买成本高和供应有限等问题，这对许多用户（尤其是发展中国家）来说并不理想，因为这些国家需要可持续、环保、经济实惠且易于获得的屏蔽材料[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。

后来，混凝土作为一种环保且经济实惠的替代材料被引入，可以弥补上述材料的不足[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。混凝土中包含沙子、水泥和花岗岩等骨料，由于其中含有Fe₂O₃、SiO₂和CaO，因此密度较高[36]、[37]、[38]。水泥水化物（C-S-H）与沙子之间的化学反应增强了混凝土的结合效果，提高了其机械强度[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]。尽管混凝土材料具有良好的机械性能和屏蔽效果，但其占用空间大、重量重以及二氧化碳排放的风险成为其在辐射屏蔽技术中的主要限制[47]、[48]、[49]、[50]。

因此，研究者建议使用粘土砖，因为它们易于获取且二氧化碳排放量较低。粘土具有中等密度，能够衰减伽马辐射并承受电磁辐射产生的高温[51]、[52]、[53]、[54]。为了提高粘土砖的密度和机械性能，许多研究者建议在普通砖中添加氧化物添加剂[55]、[56]、[57]、[58]、[59]。某些氧化物（如Fe₂O₃）具有较高的原子序数（Z），加入后可以增加砖块的总体有效原子序数（Z_eff）和密度，从而增强其辐射屏蔽能力。同样，CaO和Al₂O₃等化学物质也能提高粘土砖的屏蔽能力[60]、[61]、[62]、[63]。

本研究利用Phy-X模拟技术研究了Al₂O₃、Fe₂O₃和CaO等金属氧化物对粘土砖辐射屏蔽性能的影响，评估了这些氧化物对粘土砖热稳定性和结构完整性的影响。

部分内容

砖块样品的制备与表征

本研究使用了不同的成分制备了四种不同的砖块样品，以研究各种添加剂对其性能的影响。如图1所示，四种砖块样品分别标记为CL0（参考或对照样品，含10克粘土）、CL5Al、CL5Fe和CL5Ca，它们分别含有5克粘土和5克Al₂O₃、Fe₂O₃和CaO（见表1）。通过搅拌碗进行混合

结果与讨论

图2中的微观结构图（SEM）显示了制备的砖块样品的表面形态差异。对照样品CL0显示了紧密的粘土颗粒结构，但存在一些裂纹。颗粒尺寸为11.09 μm，颗粒高度为6.15 mm。主要成分是O（53.26%）、Si（21.91%）和Al（16.15%）。样品CL5Al的表面形状不规则且表面粗糙

结论

研究表明，添加氧化物显著增强了砖块的物理、热学、结构和辐射防护性能。研究发现，砖块的密度从CL0的2.13 g/cm³提高到了CL5Fe的2.40 g/cm³。在0.122 MeV光子能量下的LAC值也从0.381 cm^-1提高到了0.466 cm^-1。砖块的透光率降低，如TF值从0.8265下降所示

作者贡献声明

阿特夫·埃尔-塔赫尔：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件使用，资源管理，项目规划，方法论，研究设计，资金获取，数据分析，概念构建。M.F.S.H. 卡马利：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件使用，资源管理，项目规划，方法论，研究设计，资金获取，数据分析

参与同意

不适用。

数据可用性

本研究期间未生成或分析任何数据集。

伦理批准

不适用。

出版同意

不适用。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

资助

本研究由沙特阿拉伯阿拉尔北部边境大学科学研究系通过项目编号“NBU-FFR-2026-1101-01”资助。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯阿拉尔北部边境大学科学研究系通过项目编号“NBU-FFR-2026-1101-01”对这项研究的资助