CN104051040B - 光子晶体核辐射防护面具 - Google Patents
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Abstract
光子晶体核辐射防护面具防御其它中、轻微辐射，该面具不仅能够高效率地防核辐射，并且根据光子晶体的禁带特性和局域特性，使γ射线不能通过而被反射回去从而达到对γ射线的防护作用。再加上光子晶体材料的价格比较便宜，利用光子晶体镀膜的铅玻璃的造价就会降低，在达到对人体进行防护的同时更经济，更实用。
Description
技术领域
本发明专利属于核辐射防护用具，采用前沿的光子晶体技术设计出对于X射线、γ射线都有防护效果。适用于核泄漏或者核辐射区域的救援、科学探测、核及核射线的紧急处理、核恐怖事件、核及核化学环境下以及核设备检修等工作人员的防护。
背景技术
核辐射的主要射线由X射线、γ射线，其中危害最大的γ射线波长是短于0.2A的电磁波；其中X射线的波长要比γ射线的长，其穿透能力低于γ射线的穿透能力。故防核辐射主要防γ射线产生的辐射。
为了解决核辐射给人们带来的危害，从事防护的人员极力寻求密度大的材料作为防护材料,故在材料成分中引入重金属元素,如铁、铅、钡、铋等一些含有高原子序数的物质，对γ射线的屏蔽效果好；另外，原子序数小的元素, 通过弹性散射能使中子能量大幅度减小, 于是能够很容易发生辐射俘获反应之类的吸收反应, 所以含有大量氢的物质, 屏蔽中子的效果就好。
日本曾用甲基丙烯酸铅与乙烯基醋共聚的方法制取了防γ射线透明材料，国内蒋萍萍等人通过溶剂法，重结晶法合成了纯度较高，适合本体聚合的有几铅化合物，制备了透光率大于80%，有一定力学性能的防辐射有机材料，经检验，该聚合物对中、低能γ射线具有明显的防护作用；张兴等人经过仔细研究，在碳酸钡与甲基丙烯酸反应的钡溶液中直接加入甲基丙烯酸甲醋后，经自由共聚，制备了有机钡玻璃材料，可以大大提高防辐射性能、硬度以及耐热性。徐希杰等人通过对含金属聚合材料屏蔽下射线效果的测定实验，证明同一含铅聚合材料中铅含量的多少及材料厚度、不同金属元素聚合材料（微乳）及不同厚度对γ射线屏蔽率影响较大。
在国内，1995年李连波、范六一等发明一种用于解决低能辐射问题的低能防护玻璃。这种玻璃是根据防护理论---物质与低能辐射在发生相互作用时是以光电效应为主。虽然这种玻璃造价相对比较低、减少了铅的污染、化学稳定性能强，但只能用在低能量辐射中，而且透光率一般在60%—80%，对视觉感觉还是有影响，因此其推广使用受到限制。从国内外的研究现状，我们可知，防辐射材料的研究正在随着科技的发展而不断的创新，。并且防护材料的毒性、质量、宽度有所降低，但是降低毒性的材料价格昂贵，虽然研制出来对辐射吸收效果好、密度小的材料，但是对射线具有良好减弱性能的重金属元素也会因发生中子非弹性散射和辐射俘获而产生二次射线，故应针对不同的设计需要选择不同的屏蔽材料, 而且他们的透明性，以及经济性都不是太好。现在世界上对于防辐射材料的研究都以解决成本、防护效果以及助剂的加入对成品性能的影响，所以目前为止，我们依然需要一种低廉高效的防辐射工具。
发明内容
为了克服现有的防辐射面具不能很好的防核辐射和透明性以及经济性的缺点。本发明旨在设计一种防核辐射面具防御其它中、轻微辐射，该面具不仅能够高效率地防核辐射，并且根据光子晶体的禁带特性和局域特性，使γ射线不能通过而被反射回去从而达到对γ射线的防护作用。再加上光子晶体材料的价格比较便宜，利用光子晶体镀膜的铅玻璃的造价就会降低，在达到对人体进行防护的同时更经济，更实用。
为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案是：光子晶体核辐射防护面具，由相啮合的头罩和护颈罩组成，在头罩上设有透明视窗、呼吸通道口和听觉感应区，头罩的内外侧上均设有防辐射层，防辐射层依次由防核辐射面料、铅粉层、胶粘层和织物层组成，织物层均位于远离头罩（1）的一侧；所述的织物层由经纬交叉组成的合金铅金属丝与植物纤维捻制而成，在头罩内侧固定有用于吸氧的供氧管道，透明视窗由防辐射玻璃和设置在防辐射玻璃上的光子晶体层组成，所述的光子晶体层由8层A介质层、8层B介质层、8层C介质层、8层D介质层、8层E介质层、8层F介质层、8层H介质层、8层L介质层、8层M介质层、8层N介质层、8层G介质层和8层K介质层相互交替叠加构成（AB）8（CD）8（EF）8（HL）8（MN）8（GK）8型复合结构，其中（AB）8表示8层A介质和B介质交替叠加构成的复合介质层，其中A为3.9nm厚的硫化锌，B为2.7nm厚的氟化镁，该复合介质层设置在光子晶体层的内侧，并与防辐射玻璃连接；其中（CD）8表示8层C介质和D介质交替叠加构成的复合介质层，其中C为3.2nm厚的硅，D为3.4nm厚的氟化镁，其中（EF）8表示8层E介质和F介质交替叠加构成的复合介质层，其中E为2.8nm厚的硅，F为2.2nm厚的氟化镁，其中（HL）8表示8层H介质和L介质交替叠加构成的复合介质层，其中H为2.6nm厚的硅,L为2.4nm厚的氟化镁，其中（MN）8表示8层M介质和N介质交替叠加构成的复合介质层，其中M为2.0nm厚的硅，N为1.8nm厚的氟化镁，其中（GK）8表示8层G介质和K介质交替叠加构成的复合介质层，其中G为1.0nm厚的硅，K为1.6nm厚的氟化镁，该复合介质层设置在光子晶体层外侧。
本发明的有益效果是：可以在实现对γ射线有较好的防护基础上，形成质量轻，更适合人面部的防护面具。既实现了造价的经济性，又对人体进行了较好的防护。而且可用于其它低能辐射，高效长时间使用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的防辐射层的结构示意图。
图3是本发明的光子晶体层的结构示意图。
图4是光子晶体层中A、B两种材料的MATLAB仿真图。
图5是光子晶体层中C、D两种材料的MATLAB仿真图。
图6是光子晶体层中E、F两种材料的MATLAB仿真图。
图7是光子晶体层中M、N两种材料的MATLAB仿真图。
图8是光子晶体层中H、L两种材料的MATLAB仿真图。
图9是光子晶体层中G、K两种材料的MATLAB仿真图。
图中：1、头罩，2、护颈罩，3、透明视窗，301、防辐射玻璃，302、光子晶体层，4、呼吸通道口，5、听觉感应区，6、防核辐射面料，7、织物层，8、胶粘层，9、铅粉层，10、供氧管道。
具体实施方法
如图所示，光子晶体核辐射防护面具，包括设置在头罩上的头面罩，透明视窗，呼吸通道口，类大气环境区和护颈罩，透明视窗采用光子晶体层和防核辐射玻璃相结合制成，内嵌在头面罩的眼睛部位，类似于玻璃窗上玻璃的安装，采用内外防辐射压条，并压条与光子晶体防辐射玻璃强力胶合，采用无缝隙镶嵌压合；头罩的内外侧均采用防核辐射面料和织物层，胶粘层，铅粉层的面料相互反向设置的防辐射层，织物层均位于外侧；所述的织物层由经纬交叉组成的合金铅金属丝与植物纤维捻制而成。类大气环境区沿头罩表面向外部延伸1cm为一椭圆形，为使工作人员在呼吸时感到舒适，不致于引起由于高强度工作以及紧张因素致使人员呼吸困难。护颈罩是头面罩在颈部的延伸，护颈罩与防护服采用二次连接，第一处连接采用啮合连接，类似于塑料袋的压合，第二处连接采用拉链连接；两次连接使得防护面具与防护服近乎无隙连合；护颈内部设有两条通道，其中有两条通道大小相同，管道从护颈两侧通入，管道采用防辐射材料制成软性管道，管道一端通入鼻子鼻孔部位偏上，供氧管道连接到储氧罐，为使用人员提供氧气，在罩上设有用于排气的小孔，或者废气是通过听力感应区将废气排出。
所述的光子晶体层由8层A介质层、8层B介质层、8层C介质层、8层D介质层、8层E介质层、8层F介质层、8层H介质层、8层L介质层、8层M介质层、8层N介质层、8层G介质层和8层K介质层相互交替叠加构成（AB）8（CD）8（EF）8（HL）8（MN）8（GK）8型复合结构，其中（AB）8表示8层A介质和B介质交替叠加构成的复合介质层，其中A为3.9nm厚的硫化锌，B为2.7nm厚的氟化镁，该复合介质层设置在光子晶体层的内侧，并与防辐射玻璃连接；其中（CD）8表示8层C介质和D介质交替叠加构成的复合介质层，其中C为3.2nm厚的硅，D为3.4nm厚的氟化镁，其中（EF）8表示8层E介质和F介质交替叠加构成的复合介质层，其中E为2.8nm厚的硅，F为2.2nm厚的氟化镁，其中（HL）8表示8层H介质和L介质交替叠加构成的复合介质层，其中H为2.6nm厚的硅,L为2.4nm厚的氟化镁，其中（MN）8表示8层M介质和N介质交替叠加构成的复合介质层，其中M为2.0nm厚的硅，N为1.8nm厚的氟化镁，其中（GK）8表示8层G介质和K介质交替叠加构成的复合介质层，其中G为1.0nm厚的硅，K为1.6nm厚的氟化镁，该复合介质层设置在光子晶体层外侧。
由图4-图9的以上六幅仿真图可以清楚地看出，将此六种材料复合到一起可以很好的防X射线辐射，并且六种材料之间没有干扰，按这样的设计方法可以高效率的达到防核辐射的功能，各层材料的光子禁带很好的拟合，防护无死角。该光子晶体镀膜对X射线及其以上高能射线都具有很好的防护效果。
考虑材料的透明区外，镀膜材料的机械强度、附着力、热膨胀系数、热稳定性、熔点、应力等也要考虑在内。冰晶石（Na3AlF6）在可见区折射率大约1.35，透明区为0.2~14mm，虽然折射率比较低，且在透明区是透明的,但是应力小、易于吸潮、易损伤。很显然不适合做X射线防护膜。在选择X射线的防护膜的材料时，我选择硫化锌(ZnS)和氟化镁（）以及硅（Si）和氟化镁（），其中氟化镁（）透明区为0.12~10mm。它是所有低折射率的卤化物中最牢固的，特别是当基板温度250℃左右时，非常坚硬耐久，在减反膜中广泛应用，膜层折射率接近体材料，聚集密度接近于1，同时还具有很好的张应力。硫化锌()是一种常用的最重要的一种镀膜材料。在可见区通常与低折射率的氟化物组合。在可见区的折射率为2.3~2.6，其透明区为0.38~14mm。经过筛选选择硫化锌()和氟化镁（）以及硅（Si）和氟化镁（），作为组成光子晶体材料。在针对γ射线设计的光子晶体反射膜时，由于诊断γ的波长范围段比较长，在设计时采用从较长波长段开始设计，首先是23~35nm段的反射光子晶体膜的设计，然后采用异质的形式进行光子晶体的复合。在复合时为了得到比较好的防护效果，逐步更改影响光子晶体禁带宽度的各种参数，找到防护效果最好的进行异质结构的复合。通过逐个波段的不断累加，最终形成结构的光子晶体实现对整个γ射线波段的反射。A代表3.9nm厚的硫化锌，B代表2.7nm厚的氟化镁，C代表3.2nm厚的硅，用D代表3.4nm厚的氟化镁，E代表2.8nm厚的硅，F代表2.2nm厚的氟化镁，H代表2.6nm厚的硅,L代表2.4nm厚的氟化镁，M代表2.0nm厚的硅，N代表1.8nm厚的氟化镁，G代表1.0nm厚的硅，K代表1.6nm厚的氟化镁。由于光子晶体膜可以使大部分γ射线不能穿过光子晶体膜，这样其依附的防护铅玻璃的厚度就会减少，也减少铅玻璃中重金属的含量，从而提高了γ射线防护玻璃的透明度。
对于面罩的其它部位均采用防高能辐射纤维合成材料制成。本设计的纤维合成材料采用聚合物基复合材料，聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组成的复合材料，其强度大，耐疲劳性能好，减震性好。为了使其具有防中子以及防γ射线辐射功能，本设计使用类似铅硼聚乙烯复合材料的制作方法，由聚乙烯、B4C粉和铅粉复合而成,其中聚乙烯是碳氢化合物,含氢量高,对快中子有良好的减弱能力; B4C（碳化硼）粉有很高的硼含量,吸收中子截面u高,吸收能谱宽,中子俘获能力强,在吸收中子时会伴随能量的释放,产生γ射线;而铅粉对γ射线有很高的吸收率,是理想的γ射线及中子屏蔽材料。这使得该复合材料能同时屏蔽多种不同的射线,屏蔽功能完备。
该设计面罩及光子晶体视窗均可以防核辐辐射中产生的主要的两种高能辐射——γ射线以及中子辐射。同时可以防其它中低能辐射，防护效果好，并且可以长时间为工作人员提供氧气供应。
Claims (1)
1.光子晶体核辐射防护面具，由相啮合的头罩（1）和护颈罩（2）组成，在头罩（1）上设有透明视窗（3）、呼吸通道口（4）和听觉感应区(5)，其特征在于：头罩（1）的内外侧上均设有防辐射层，防辐射层依次由防核辐射面料（6）、铅粉层（9）、胶粘层（8）和织物层（7）组成，织物层（7）均位于远离头罩（1）的一侧；所述的织物层（7）由经纬交叉组成的合金铅金属丝与植物纤维捻制而成，在头罩（1）内侧固定有用于吸氧的供氧管道（10），透明视窗（3）由防辐射玻璃（301）和设置在防辐射玻璃（301）上的光子晶体层（302）组成，所述的光子晶体层（302）由8层A介质层、8层B介质层、8层C介质层、8层D介质层、8层E介质层、8层F介质层、8层H介质层、8层L介质层、8层M介质层、8层N介质层、8层G介质层和8层K介质层相互交替叠加构成（AB）8（CD）8（EF）8（HL）8（MN）8（GK）8型复合结构，其中（AB）8表示8层A介质和B介质交替叠加构成的复合介质层，其中A为3.9nm厚的硫化锌，B为2.7nm厚的氟化镁，该复合介质层设置在光子晶体层（302）的内侧，并与防辐射玻璃（301）连接；其中（CD）8表示8层C介质和D介质交替叠加构成的复合介质层，其中C为3.2nm厚的硅，D为3.4nm厚的氟化镁，其中（EF）8表示8层E介质和F介质交替叠加构成的复合介质层，其中E为2.8nm厚的硅，F为2.2nm厚的氟化镁，其中（HL）8表示8层H介质和L介质交替叠加构成的复合介质层，其中H为2.6nm厚的硅,L为2.4nm厚的氟化镁，其中（MN）8表示8层M介质和N介质交替叠加构成的复合介质层，其中M为2.0nm厚的硅，N为1.8nm厚的氟化镁，其中（GK）8表示8层G介质和K介质交替叠加构成的复合介质层，其中G为1.0nm厚的硅，K为1.6nm厚的氟化镁，该复合介质层设置在光子晶体层（302）外侧。
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