添加氧化钐（Sm2O3）的聚乙烯复合材料对中子和伽马辐射防护特性的研究

《Radiation Physics and Chemistry》：Investigation of radiation-protective characteristics of a polyethylene composite with samarium oxide to neutron and gamma radiation

　　

本文讨论了基于填充氧化钐（Sm2O3）的高压聚乙烯新型辐射防护聚合物复合材料的开发与研究工作。研究人员对该开发复合材料的微观结构进行了研究，并研究了其物理机械特性。研究表明，氧化钐的引入提高了整个研究能量范围内的伽马辐射线性衰减系数。因此，在0.662 MeV能量下，线性衰减系数从0.08增加到0.14 cm-1，质量系数从0.085增加到0.109 cm2/g。研究发现，15.8 cm的PE/Sm2O3层在整个能谱上使积分伽马剂量多重减少，并且在0.5-2 MeV能量范围内（这是结构后方大部分次级伽马背景的特征）尤其有效。由于矩阵氢原子上的快中子有效减速以及随后钐核对热中子的俘获，15.8 cm PE/Sm2O3屏蔽层后方的中子通量强度降低了1-2个数量级。该材料可用于防护混合电离辐射场，特别是来自快中子和热中子的辐射，在外层空间中尤其如此，这对于确保长距离星际飞行任务中乘组人员的安全极为重要。

论文解读：聚乙烯/氧化钐复合材料的辐射防护特性研究

本文原载于《Radiation Physics and Chemistry》。在现代技术发展中，电离辐射源的应用日益广泛，尤其在医学、电力生产、工业及太空探索领域。然而，辐射照射仍是生物体和技术系统的主要风险因素之一。在深空探索背景下，保护乘组和设备免受高能粒子流和伽马辐射变得至关重要，这限制了远征持续时间及星际飞行任务的能力。宇航员暴露于银河系宇宙辐射中，平均每日当量剂量可达1.8 mSv/天，而对于火星任务（650天，太阳活动极小期），总剂量将超过NASA规定的600 mSv限值。这限制了飞行时间，并使每暴露1 Sv的癌症风险增加5%。因此，创造高效、轻质且功能稳定的辐射防护材料是现代材料科学和航天材料工程的关键任务。

传统材料如铅或混凝土虽然具备高辐射防护属性，但其显著的质量和较低的可制造性使其难以应用于航空航天工业。辐射防护玻璃因其特定的光学密度等属性受到关注，且可通过添加金属氧化物（如氧化钆）来有效防护伽马辐射甚至中子，但其缺点在于脆性大、机械强度低且易开裂。合金（如无铅Sn-Zn-Bi体系）可调控高密度和高原子序数以屏蔽X射线和伽马辐射，但因其高比重和潜在腐蚀性，在航空航天领域的适用性有限。铁氧体和单晶虽有独特属性，但分别面临陶瓷结构脆性和生产成本高、各向异性等问题。

在此背景下，基于聚合物基质（特别是聚乙烯PE）的新型复合材料因结合了轻质性、高强度及高电离辐射吸收能力而备受关注。聚乙烯因其高氢含量可有效慢化快中子，且具有耐腐蚀性和外形稳定性。传统填料（如铅、钨、铁粉）仅能屏蔽伽马辐射，几乎不能防护中子，且密度大、基质-填料结合困难。近年来，一些稀土元素因具有比硼更高的热中子吸收截面，并能补偿重金属铅的弱吸收区且生物毒性更低，作为辐射防护填料受到特别关注。含有稀土填料（Sm, Gd, Dy等）的复合材料对伽马射线具有高质量衰减系数，对热中子俘获具有大的微观截面。其中，钐-149（Sm-149）的热俘获截面σ为42,100 barns（部分数据高达58,500 barns）。此外，氧化钐（Sm₂O₃）相较于氧化钆（Gd₂O₃）具有更低的次级伽马射线级联能量范围（0.071–7.5 MeV vs 0.079–7.8 MeV），且其主要转换能量低于750 keV（钆则高达1.3 MeV）。硼-10虽是重要的热中子吸收剂，但其热中子吸收截面（3,840 barns）显著低于钐和钆，且其吸收机制通过核反应（n, α）产生锂-7和α粒子（氦-4原子核），可能导致复合材料迅速达到辐照耐受极限，且硼化合物因低密度和低原子序数Z不能改善伽马屏蔽特性。

基于此，开发基于聚乙烯和氧化钐、针对混合电离辐射场（尤其是快中子和热中子）且具有高伽马辐射防护性能的综合防护复合材料仍研究不足。本研究旨在开发并研究基于改性氧化钐聚乙烯基质的辐射防护复合材料，评估其物理机械和辐射防护属性。工作的科学新颖性在于研究PE/Sm₂O₃复合材料结构与性能形成的规律，分析稀土氧化物与聚合物基质的相互作用机制，并研究中子和伽马射线穿过复合材料时的辐射防护提供规律。所得结果可用于创建用于空间环境或危险辐射暴露条件的轻质防护材料。

为开展研究，研究人员主要采用高压聚乙烯（牌号15303-003，颗粒大小130至190 μm，纯度>99%，密度900-930 kg/m³）作为聚合物基质；选用氧化钐（Sm₂O₃，轻黄色粉末，熔点2270 °C，密度8.35 g/cm³）作为填料。通过热压制法实现复合材料的制备，并借助微观结构研究（如电子显微镜）、粒度组成分析、物理机械性能测试以及辐射衰减测试（伽马线性衰减系数、中子通量强度测试等）等手段进行表征与评价。

研究结果如下：

Materials and Synthesis（材料与合成）：明确了所用高压聚乙烯和氧化钐（Sm₂O₃）的原料规格与属性，高密度的氧化钐与其高原子序数（62）使其成为吸收高能辐射的有效填料。

Physical-Mechanical Properties of PE/Sm₂O₃Composites（PE/Sm₂O₃复合材料的物理机械性能）：首先研究了氧化钐的粒度组成，氧化钐颗粒尺寸范围在0.09至106.9 μm之间，模态直径为14.7 μm，比表面积为48,669 cm²/cm³。因此，Sm₂O₃以纳米级和微米级形式存在，这对辐射屏蔽和有效填充聚合物基质内孔隙非常重要。通过研究PE/Sm₂O₃复合材料的结构，考察了分散情况。

Conclusion（结论）：工作中成功开发并研究了基于聚乙烯基质和稀土填料氧化钐（Sm₂O₃）的新型聚合物复合材料。使用热压制法使得复合材料密度达到1.29 g/cm³，接近理论值，表明不存在不良孔隙率。电子显微镜证实了最优两相结构的形成，其中聚乙烯作为重质氧化物分散颗粒的可靠结合相。

讨论部分总结：研究人员在讨论中指出，开发的PE/Sm₂O₃复合材料通过基质中的氢 atoms 慢化快中子，并利用钐核俘获热中子，使得15.8 cm厚层后方中子通量强度降低1-2个数量级；同时氧化钐的添加提高了宽能量范围内的伽马线性衰减系数（如在0.662 MeV下由0.08增至0.14 cm^-1），15.8 cm层能有效多重减少积分伽马剂量，尤其在0.5-2 MeV的次级伽马背景特征能量范围表现突出。该复合材料轻质、具有一定机械性能且能防护混合场，适用于太空探索等需屏蔽快中子、热中子及伽马射线的场景。

研究结论部分译文：在研究过程中，研究人员成功开发并研究了基于聚乙烯基质和稀土填料氧化钐（Sm₂O₃）的新型聚合物复合材料。使用热压制法使得复合材料密度达到1.29 g/cm³，接近理论值，表明不存在不良孔隙率。电子显微镜证实了最优两相结构的形成，其中聚乙烯作为重质氧化物分散颗粒的可靠结合相。