《Radiation Physics and Chemistry》：Unveiling the gamma rays attenuation mechanism in Szaibelyite ore-based shielding composites: The limiting role of low atomic number elements
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Szaibelyite矿环氧复合材料在0.015-15 MeVγ射线下的屏蔽性能及衰减机制研究，通过实验与模拟发现其屏蔽效率随矿粉含量增加，但半值层（HVLγ）仅6.5-8.5 cm，显著低于普通混凝土，且因硼、氢元素的中子俘获产生二次γ射线，需加强防护。研究为硼资源高值化利用和低成本屏蔽材料开发提供理论支持。
董梦鸽|周素英|周浩飞|G. Lakshminarayana|M.I. Sayyed|薛向新
中国辽宁省冶金学院资源利用与回收研究所，沈阳 110819
摘要
Szaibelyite矿石已被证明是一种具有优异热中子屏蔽性能且成本效益高的填充材料，基于Szaibelyite矿石的环氧复合材料表现出优于某些高端商业材料的性能。然而，热中子与硼、氢等元素相互作用过程中产生的次级辐射所带来的危害尚未得到充分研究。本文结合实验测量、计算模拟和辐射防护理论，系统地研究了Szaibelyite矿石基环氧复合材料在0.015–15 MeV能量范围内的伽马射线屏蔽性能、衰减机制及相关屏蔽参数（包括窄束和宽束情况）。结果表明，虽然复合材料的伽马射线屏蔽能力随Szaibelyite矿石含量的增加而增强，但其HVLγ值在6.5119–8.5366 cm之间，相对于普通混凝土较低，因此必须认真解决次级辐射防护问题。基于元素组成的衰减机制分析表明，屏蔽效果主要取决于复合材料中的主要元素。由于镁（Mg）是系统中原子序数最高的元素，伽马射线衰减能力较弱的根本原因在于缺乏具有强屏蔽能力的高原子序数元素。本研究为将Szaibelyite矿石转化为高价值屏蔽材料提供了理论基础和数据支持，不仅有助于硼资源的高效利用和硼产业的可持续发展，也为开发低成本、高性能的屏蔽材料提供了新的途径。
引言
核科学和技术的重大突破极大地推动了核技术在能源[1]、医学[2][3][4]、科学研究[5][6]、农业[7][8]和工业[9][10][11]等领域的广泛应用，对社会产生了深远影响。然而，核技术具有双重性；过量的辐射暴露可能导致细胞结构改变，从而对人类健康构成潜在风险[12]。因此，实施有效的辐射防护措施至关重要。在辐射防护的基本原则中，时间、距离和屏蔽材料通常被强调，其中使用辐射屏蔽材料被视为最有效的防护策略[13][14]。
辐射屏蔽材料通常由基体材料和屏蔽填料组成。常见的基体材料包括金属[15]、聚合物材料[16]和混凝土[17][18]，而屏蔽填料主要由硼、铁和铅等元素组成，这些元素可以以元素形式或化合物形式存在[19][20][21][22][23]。这些屏蔽组分的获取主要通过采矿、选矿、冶炼、深加工等过程以及最终的材料制备实现。这些过程不仅成本高昂，还会造成显著的资源消耗和环境影响[24][25]。近年来，为应对这些挑战，研究人员开始探索直接使用含有硼和铁等元素的天然矿物或固体废弃物作为屏蔽填料，引起了广泛的研究兴趣[26][27][28][29][30][31][32][33][34][35][36][37][38][39][40][41][42][43][44][45][46][47][48][49][50][51]。现有研究表明，合理利用这些矿产资源可以实现有效的辐射屏蔽效果，为开发低成本、环保的防护材料提供了可行途径。
研究表明，Szaibelyite在热中子屏蔽方面表现出优异的性能[38]。通过室温混合浇铸工艺，使用环氧树脂作为粘合剂成功制备了基于矿物的复合屏蔽材料。测试结果表明，该材料在某些防护性能上超过了某些商业屏蔽产品，显示出良好的应用潜力[52]。然而，材料中的硼和氢元素可能与热中子发生中子捕获反应，释放出能量分别为0.478 MeV和2.223 MeV的次级伽马射线[53][54][55][56][57][58][59][60]，这可能导致次级辐射效应，从而带来安全问题，并限制了其在复杂屏蔽应用中的使用——这一课题近年来受到了大量研究关注[61][62][63][64][65]。因此，系统研究这种基于矿物的复合材料的伽马射线屏蔽能力和衰减机制对其实际应用至关重要。
为了解决上述问题，本研究使用Szaibelyite作为原料制备了基于矿物的复合材料，并通过60Co伽马射线源屏蔽测试系统对其屏蔽性能进行了实验评估。此外，还利用XCOM程序[66][67]建立了材料组成、能量变化与屏蔽效果之间的定性和定量关系，从而揭示了背后的衰减机制。同时，使用Phy-X/PSD软件[68]系统计算了复合材料在0.015–15 MeV能量范围内的关键辐射屏蔽参数，包括质量衰减系数（μt，cm2/g）、线性衰减系数（μ，cm?1）、半值层（HVLγ，cm）、十值层（TVLγ，cm）、平均自由路径（MFPγ，cm）、有效原子序数（Zeff）、电子密度（Neff，电子/g）、暴露积累因子（EBF）和暴露吸收积累因子（EABF）。本研究为将Szaibelyite转化为高价值屏蔽材料提供了理论基础和数据支持，不仅有助于硼资源的高效利用和硼产业的可持续发展，也为开发低成本、高性能的屏蔽材料提供了新的途径。更重要的是，本文提出了一种分析复杂屏蔽系统中伽马射线衰减机制的方法，这在文献中尚未针对这些特定材料进行报道。
章节摘录
通过室温混合浇铸工艺制备基于Szaibelyite矿石的环氧树脂复合材料
本研究使用的Szaibelyite矿石来自中国丹东的丰城钢铁集团有限公司，密度为2.58 g/cm3。矿石粉/环氧树脂复合材料的制备遵循参考文献[38]中描述的室温混合浇铸工艺。具体步骤如下：首先将原始矿石在120°C的烤箱中干燥至恒重，然后粉碎并通过60目筛网筛分。所得到的预处理粉末随后被转移
复合材料SE1-SE5对60Co伽马射线的衰减性能
如图2所示，研究了复合材料SE1至SE5对60Co伽马射线的Ln(I/I?)随厚度变化的情况。随着厚度从0增加到2.5 cm，所有复合材料的Ln(I/I?)均呈线性下降。此外，随着Szaibelyite矿石含量的增加，Ln(I/I?)先急剧下降，然后在所有厚度范围内逐渐减小。由于较低的Ln(I/I?)值对应较低的透射率，表明屏蔽效果有所提高
结论
基于Szaibelyite矿石的环氧树脂复合材料表现出优异的热中子屏蔽性能，但其衰减由中子与硼（B）和氢（H）相互作用产生的捕获伽马射线的能力尚不明确。本研究制备了基于Szaibelyite矿石的环氧树脂复合材料，并测试了其对60Co伽马射线的屏蔽能力。结果表明，屏蔽能力随Szaibelyite矿石含量的增加而增强。然而，其HVLγ值
CRediT作者贡献声明
G. Lakshminarayana：撰写——初稿。M. I. Sayyed：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿。Xiangxin XUE：监督、项目管理、资金获取。Mengge DONG：撰写——初稿、软件应用、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。Suying ZHOU：撰写——初稿、实验研究、数据分析。Haofei Zhou：撰写——审稿与编辑、软件应用
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系会影响本文所述的工作。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（52574462和52204417）、辽宁省自然科学基金联合基金（一般资助项目）（2023-MSBA-108）、中央高校基本科研业务费（N2425016）以及国家重点研发计划（2020YFC1909805）的支持。
