BaCO3/Bi2O3填料木质复合材料的低能X射线衰减特性

《Applied Radiation and Isotopes》：Low-energy X-ray attenuation properties of BaCO3/Bi2O3-filled wood-based composites

　　

Jamon Wasuratmanee | Songwit Srijunruk | Natsonsop Chutithanapanon | Dusit Ngamrungroj | Chadet Yenchai | Poonnaphob Sopapan | Amorn Thedsakhulwong | Thunyaras Akharawutchayanon | Suttiwat Madlee

泰国曼谷北皇家蒙固科技大学工业技术学院工业工程技术系，邮编10800

摘要

使用窄束传输装置，在60、81和342 keV的光子能量下，实验研究了填充了BaCO₃/Bi₂O₃的木质复合材料的X射线衰减特性。通过线性和质量衰减系数、半值层厚度、平均自由路径、透射系数和辐射防护效率来评估其屏蔽效果。研究结果表明，添加Bi₂O₃显著提高了衰减效率，尤其是在低光子能量下，这是由于有效原子数和材料密度的增加。在铋的K边（约90 keV）附近观察到增强效应，导致质量衰减系数增加，而半值层厚度和平均自由路径减小。实验结果与XCOM数据库中的理论数据吻合良好。这些发现表明，填充了BaCO₃/Bi₂O₃的木质复合材料是用于诊断X射线能量范围内辐射屏蔽的理想选择，因其具有轻质和环保的特点。

引言

由于X射线具有较高的穿透能力和成像效率（Shepp和Kruskal，1978年），它被广泛用于医学诊断、工业检测和科学研究。然而，尽管有这些优点，暴露于电离辐射仍会对健康造成相当大的风险，尤其是在需要反复或长时间暴露的医疗环境中（Dartnell，2011年；Abuzaid等人，2018年；Nabil等人，2024年；Aygün，2020年，2021年；Alsaif等人，2021年；Tapio等人，2021年）。因此，开发有效的辐射屏蔽材料仍然是一个重要的挑战，特别是对于诊断成像系统中常用的低能X射线。辐射屏蔽的关键目标是通过吸收和散射来减少入射光子的强度，从而降低人类和周围环境的辐射暴露。X射线光子的衰减受到光子能量、材料密度和原子组成的显著影响。在低能范围内，光子相互作用主要受光电效应控制，其截面强烈依赖于原子数（Z⁴–Z⁵）。因此，含有高Z值成分的材料表现出更高的衰减能力。常用的屏蔽参数，如线性衰减系数（LAC）、质量衰减系数（MAC）、半值层厚度（HVL）和平均自由路径（MFP），用于测量屏蔽效率并将实验数据与理论预测进行比较。

传统的屏蔽材料，如铅和混凝土，因其优异的衰减性能和易获得性而被广泛使用。然而，这些材料存在一些缺点，包括高密度、毒性（尤其是铅）以及混凝土的裂缝和延迟断裂等结构缺陷。这些局限性引发了对替代屏蔽材料的兴趣，因为它们可以减轻重量、提高机械性能并增加设计灵活性（Bagheri等人，2017年；Geidam等人，2022年；Aktas等人，2022年；Sharma等人，2019年）。复合材料作为辐射屏蔽应用的可行替代品正在受到研究，因为它们可以将轻质基体与功能性填料结合，从而改变其物理和屏蔽特性（Zhu等人，2016年；Gérardin，2016年；Tu等人，2020年）。木质复合材料特别有吸引力，因为它们密度低、可再生且易于加工。然而，它们的内在局限性在于有效原子数较低，导致辐射衰减能力较差。结合高原子数填料被认为是提高衰减能力的同时保持材料轻质特性的有效方法（Dong等人，2022年；Ramage等人，2017年；Zanuttini和Negro，2021年）。可持续性已成为屏蔽材料开发的重要方面，同时也要考虑材料的实际效果。牡蛎壳大约含有95%的碳酸钙（CaCO₃），是工业废物的主要组成部分，尤其是在废物处理不当的东南亚地区（Yoon等人，2004年；Chilakala等人，2019年）。将回收的牡蛎壳中的CaCO₃添加到木质复合材料中，是一种改善机械性能（如强度、热稳定性和耐久性）的绿色方法。CaCO₃的原子数低于重金属，但它作为次要填料可以增强结构并提高衰减效果，使其更加致密并增加散射。掺杂有重金属氧化物的玻璃和陶瓷具有优异的衰减性能，因为它们的高密度和有效原子数，适用于医疗和核屏蔽应用（El-Khatib等人，2019年；Osman等人，2023年）。添加了高Z值填料（如Bi₂O₃、BaO和PbO）的聚合物基复合材料表现出柔韧性、重量减轻和衰减性能改善等特性，这些特性对于可穿戴和个人屏蔽系统特别有利（Obeid等人，2021年；Osman等人，2022年）。此外，使用天然橡胶和木材基体的绿色复合材料与合适的无机填料结合时，可以进一步提高衰减性能（Alharshan等人，2020年）。混合填料系统与纳米结构添加剂的结合通过密度、原子数和微观结构均匀性相关的机制增加了光子相互作用的可能性（Badawi，2015年），从而增强了屏蔽材料阻挡有害辐射的整体效果。

钡和铋基化合物由于其高原子数和强光子相互作用截面而特别适合用于辐射屏蔽。碳酸钡（BaCO₃）有助于提高结构稳定性并改善填料分散，而氧化铋（Bi₂O₃）在低能X射线区域表现出优异的光子吸收能力，尤其是在光电效应占主导的情况下。因此，将BaCO₃和Bi₂O₃协同加入到木质复合基体中，有望显著提高衰减性能，同时保持轻质特性。尽管对复合材料屏蔽材料的兴趣日益增加，但对填充了BaCO₃/Bi₂O₃的木质复合材料，特别是在与诊断应用相关的低能X射线范围内的系统，系统的实验研究仍然有限。之前的研究主要集中在含有硼的木质系统中的中子屏蔽（El-Sersy，2016年；Afrozi等人，2020年），或含有BaCO₃的聚合物基屏蔽薄膜（Muhammad等人，2022年）。然而，对这些混合木质系统中光子衰减行为的全面研究仍然不足。

因此，本研究提出了一种基于木质复合材料的系统，其中包含BaCO₃和Bi₂O₃，将轻质木质纤维素基体与高Z值填料结合。本研究的目的是实验研究填充了BaCO₃和Bi₂O₃的木质复合材料的低能X射线衰减特性。制备了不同填料浓度的复合材料样品，并使用窄束传输装置进行了评估。在与诊断成像相关的光子能量下进行了衰减测量，并确定了关键屏蔽参数（包括LAC、MAC、HVL、MFP、透射系数和辐射防护效率），并将实验结果与理论预测进行比较，以评估所开发材料的可靠性和有效性。

片段

材料

复合屏蔽材料是由木材制成的，主要使用回收的锯末作为木质纤维素基体。锯末来自木材加工废弃物，经过高度清洗以去除任何杂质，然后干燥以确保稳定的加工条件。碳酸钡（BaCO₃）和氧化铋（Bi₂O₃）粉末作为功能性填料，以增强木质复合材料的X射线衰减性能。选择Bi₂O₃是因为其较高的原子数（Z = 83），这显著

密度和结构特性

图3显示了所制备的木质复合材料的物理结构。所有样品都表现出一致的均匀宏观结构，没有明显的裂纹或缺陷，木材颗粒、填料和粘合剂之间的界面粘附力很强（Rebolledo等人，2018年）。对照样品（WCB0）具有更多样化和多孔的纹理，这是由于木质纤维素颗粒不规则的形态所致。随着填料含量的增加（WCB1–WCB5），

结论

使用窄束传输方法，在60、81和342 keV的光子能量下，系统评估了填充了BaCO₃/Bi₂O₃的木质复合材料的X射线屏蔽性能。结果表明，增加Bi₂O₃含量显著提高了衰减性能，表现为更高的线性和质量衰减系数以及更低的半值层厚度和平均自由路径。这种改进的屏蔽性能主要归因于有效原子数的增加

CRediT作者贡献声明

Jamon Wasuratmanee：研究、方法论、撰写 – 原稿。Songwit Srijunruk：研究、撰写 – 原稿。Natsupon Chutithanapanon：概念构思、研究、方法论、监督、撰写 – 审稿与编辑。Dusit Ngamrungroj：研究。Chadet Yenchai：研究、方法论、撰写 – 原稿。Poonnaphob Sopapan：研究、撰写 – 原稿。Amorn Thedsakhulwong：研究、方法论。Thunyaras Akharawutchayanon：

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的报告内容。

致谢

本研究由曼谷北皇家蒙固科技大学的工业技术学院资助（资助编号：Res-CIT-IL001/2025）。作者对泰国核技术研究所（公共机构）在TINT-to-University Program (2025)项目下提供的财政支持表示衷心的感谢。最后，作者还要感谢科学学院物理系的Amorn Thedsakhulwong