CN106816195B - γ射线屏蔽材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种γ射线屏蔽材料，属于辐射防护材料技术领域。该γ射线屏蔽材料由以下质量百分比的原料组成：镀锌渣90％‑95％、金属添加剂5％‑8％以及余量的非金属添加剂。本发明还公开γ射线屏蔽材料的制备方法，包括以下步骤：S1、按照各组分的用量称取各组分，然后将镀锌渣、金属添加剂与非金属添加剂混合，搅拌混匀，得到混合物Ⅰ；S2、将混合物Ⅰ加热熔融，之后在常温条件下冷却成型，得到γ射线屏蔽材料。本发明为低成本、高效的应用镀锌渣提供了一种全新的思路，应用前景可观，同时为γ射线防护材料的生产提供了十分廉价的原料，具有对γ射线的屏蔽效果良好，成本低、生产操作简单、绿色环保等特点。

Description

γ射线屏蔽材料及其制备方法

技术领域

本发明属于辐射防护材料技术领域，涉及γ射线屏蔽材料及其制备方法。

背景技术

20世纪，我国核工业有了很大的进步，同时放射性同位素与射线装置在各行各业被广泛应用。随着加速器、反应堆的使用，人们接触到放射性的种类逐渐增加，除常接触的X、γ射线外，还有中子、质子及电子等带电粒子，接触电离辐射的机会也逐渐增大。

在日常生活中，人们接触较多的是诸如微波、紫外线等电磁辐射、计算机辐射以及其他电磁辐射等，这些电磁辐射对人体都有不同程度的危害，但是，总体来说，电磁辐射的程度还是较轻的，高能核辐射比电磁辐射的严重程度要大得多，尤其是γ射线对人体的伤害和对环境的破坏，因此，寻找一种安全可靠的防护材料对于从事放射性工作人员的安全至关重要，γ射线的屏蔽材料的研究便成为一项十分重要的课题。

在现有的屏蔽材料中，主要采用铅板及铅制品作为屏蔽材料，但是目前制品存在以下缺点：第一，不环保，对人体有害，对环境有污染：因铅及铅制品极易在空气中氧化，生成Pb₂O₃或PbO₄，同时可以游离于空气中，增大空气中铅含量，导致接触中毒或呼吸中毒，产生一系列中毒症状，对周围环境也有较大污染；第二，成本高：由于铅是重金属，因此使用铅板防辐射成本较高；第三，防护效果不理想：铅板密度较高，虽对射线有较强的防护能力，但易产生二次射线和散射线，二次射线以及散射线又会对人员造成严重危害；第四，施工难度大：因铅板质地较软，在使用铅板以及铅制品防射线时，均需使用其它支撑材料，这样增加了施工难度，进而增大了施工成本。

另外，铁也是常见的γ射线屏蔽材料，原子序数中等，但其屏蔽效果不如铅，且价格较高。

镀锌渣中锌含量高，密度较大，可具备作为γ射线屏蔽材料的条件。但是，目前国内外还未有镀锌渣应用于γ射线屏蔽材料研究的报道出现。

综上所述，亟需提供一种利用镀锌渣制备，对γ射线屏蔽效果好，成本低，环保、无毒，可回收利用，制备简单的γ射线屏蔽材料及该γ射线屏蔽材料的制备方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种γ射线屏蔽材料，充分利用价格低廉的镀锌渣作为原材料，具有对γ射线屏蔽效果好，成本低，环保、无毒，可回收利用等特点。

本发明还提供一种制备工艺简单的γ射线屏蔽材料的制备方法，通过该制备方法制备出对γ射线屏蔽效果好，成本低、环保、无毒，可回收利用的γ射线屏蔽材料。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种γ射线屏蔽材料，该γ射线屏蔽材料由以下质量百分比的原料组成：镀锌渣90％-95％、金属添加剂5％-8％以及余量的非金属添加剂。

作为一种γ射线屏蔽材料的优选方案，所述金属添加剂为铝、镍、钨、铋、铜、钛、铁中的一种或多种。

作为一种γ射线屏蔽材料的优选方案，所述非金属添加剂为硅、硼、碳中的一种或多种。

作为一种γ射线屏蔽材料的优选方案，所述镀锌渣中锌的质量分数为85％-98％。

作为一种γ射线屏蔽材料的优选方案，所述金属添加剂的粒度为400目-1000目。

作为一种γ射线屏蔽材料的优选方案，所述非金属添加剂的粒度为200目-800目。

一种如以上所述的γ射线屏蔽材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照各组分的用量称取各组分，然后将镀锌渣、金属添加剂与非金属添加剂混合，搅拌混匀，得到混合物Ⅰ；

S2、将混合物Ⅰ加热熔融，之后在常温条件下冷却成型，得到γ射线屏蔽材料。

作为一种γ射线屏蔽材料的制备方法的优选方案，所述S2具体为：将混合物Ⅰ盛入容器中，置于电炉中加热熔融，然后倒入模具中，在常温条件下冷却成型，从模具中取出，得到γ射线屏蔽材料。

作为一种γ射线屏蔽材料的制备方法的优选方案，所述S2的加热熔融具体为将混合物Ⅰ加热至处于熔融状态。

作为一种γ射线屏蔽材料的制备方法的优选方案，所述S2的冷却成型温度为24℃-26℃，冷却成型时间为10h-30h。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

与现有的γ射线屏蔽材料相比，本发明利用价格低廉的镀锌渣为原料，通过添加金属添加剂和非金属添加剂制备出γ射线屏蔽材料。该γ射线屏蔽材料成本低，不含铅，环保、无毒，可回收利用，对γ射线的屏蔽效果好。其中，γ射线屏蔽材料的密度为6.5-7.2g·cm^-3，线性衰减系数为0.4003-0.5317cm^-1，半值层厚度为1.7312-1.3034cm，厚度为1cm的此种材料对采用¹³⁷Cs放射源的γ射线的屏蔽率为32.99％-41.24％。

本发明将镀锌渣、金属添加剂及非金属添加剂均匀混合，之后加热熔融，在常温下冷却成型，制备出具有上述特性的γ射线屏蔽材料。整个制备方法操作简单，容易成型，制作成本低，绿色环保。通过该制备方法制备的γ射线屏蔽材料再进行定厚、抛光、切边制成不同规格的标准射线防护板材，而标准射线防护板材可根据实际需求，进行切割、磨、削等工艺进行实际加工，用于制作防护门、防护墙等防护装置，且标准射线防护板材可拆卸安装，能够多次使用。

综上所述，本发明克服了现有镀锌渣应用技术的局限性，为低成本、高效的应用镀锌渣提供了一种全新的思路，应用前景可观，同时为γ射线防护材料的生产提供了十分廉价的原料，具有对γ射线的屏蔽效果良好，成本低、生产操作简单、绿色环保等特点。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的γ射线屏蔽材料的制备方法的流程图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

实施例1提供了一种γ射线屏蔽材料，该γ射线屏蔽材料由以下质量百分比的原料组成：镀锌渣92％、铝2％、铁3％，其余为硅。

其中，镀锌渣原料是选择钢厂镀锌车间残余的热镀锌渣，热镀锌渣中含锌的质量分数为90％。硅、铝和铁均以固态粉末形式存在。铝粉末、铁粉末两者的总质量百分比为5％，铝粉末和铁粉末的粒度均为400目，硅粉末的粒度为200目。

此外，如图1所示，实施例1还提供了上述γ射线屏蔽材料的制备方法，具体步骤依次如下：

S1、称量92g的镀锌渣、2g的铝、3g的铁和3g的硅，三者机械搅拌15min，充分混合均匀，得到混合物Ⅰ。

S2、将混合物Ⅰ盛入容器中，置于电炉中800℃下加热熔融25min，以使混合物Ⅰ被加热至处于熔融状态，然后倒入长×宽×高为160mm×160mm×5mm的模具中，在常温25℃条件下冷却成型24h，与模具脱离，取出，得到γ射线屏蔽材料。

制备的γ射线屏蔽材料再进行定厚、抛光、切边制成标准射线防护板材，最后切割成一定厚度(如1cm)的样品，用于γ射线屏蔽材料的密度ρ的测试及对γ射线的屏蔽性能测试。

1、γ射线屏蔽材料的密度ρ测试

实施例1制备的γ射线屏蔽材料为形状规则的复合材料，该复合材料的密度ρ通过以下公式计算得出：

ρ＝M/V

式中：ρ——复合材料的密度(g/cm³)；

M——复合材料的质量(g)；

V——复合材料的体积(cm³)。

称量γ射线屏蔽材料样品的质量，通过上述公式计算得出，γ射线屏蔽材料的密度ρ为6.7g·cm^-3。

2、γ射线屏蔽材料对γ射线的屏蔽性能测试

实施例1制备的γ射线屏蔽材料对γ射线的屏蔽性能测试是在¹³⁷Csγ射线标准准直辐射场中，并在空气条件下进行的，探测器采用NaI晶体。¹³⁷Csγ射线平均能源为0.661MeV。γ射线屏蔽材料经测试后，其线性衰减系数μ_t、半值层厚度T_1/2及屏蔽率DB可通过以下几个公式计算得到：

线性衰减系数μ_t的关联公式：

ln(I/I₀)＝-μ_td

半值层厚度T_1/2的计算公式：

T_1/2＝ln2/μ_t

屏蔽率DB的计算公式：

DB＝(I₀-I)/I₀

式中：I₀——无屏蔽时γ射线的强度(μGy)；

I——γ射线穿过屏蔽材料后的强度(μGy)；

d——屏蔽材料的厚度(cm)；

T_1/2——半值层厚度(cm)；

μ_t——线性衰减系数(cm^-1)。

通过上述公式计算得出，γ射线屏蔽材料的线性衰减系数μ_t为0.4279cm^-1，半值层厚度T_1/2为1.6195cm，厚度为1cm的此种材料对γ射线的屏蔽率DB为35.46％。

实施例2-5

同实施例1的步骤类似，实施例2-5是通过调整步骤S1中的镀锌渣中锌的质量分数，金属添加剂及非金属添加剂的类型，镀锌渣、金属添加剂及非金属添加剂各自的质量，金属添加剂的粒度，非金属添加剂的粒度，步骤S2中的加热熔融温度，加热熔融时间，冷却成型温度，冷却成型时间等参数条件来实现。

实施例2-5的γ射线屏蔽材料分别经定厚、抛光、切边制成标准射线防护板材，最后切割成1cm厚的两份样品，其中一份样品用于密度ρ的测试，另一份样品则置于¹³⁷Csγ射线标准准直辐射场中，在空气条件下进行对γ射线的屏蔽性能测试，实施例2-5得出各自的密度ρ、线性衰减系数μ_t、半值层厚度T_1/2、屏蔽率DB等性能测试结果。实施例2-5的制备工艺条件及γ射线屏蔽材料的密度ρ、屏蔽性能测试结果具体如表1所示。

表1实施例2-5的制备工艺条件及γ射线屏蔽材料的屏蔽性能测试结果。

本发明利用价格低廉的镀锌渣为原料，通过添加上述的金属添加剂和非金属添加剂制备出γ射线屏蔽材料。制备的γ射线屏蔽材料成本低，不含铅，环保、无毒，可回收利用，对γ射线的屏蔽效果好。其中，γ射线屏蔽材料的线性衰减系数为0.4003-0.5317cm^-1，半值层厚度为1.7312-1.3034cm，厚度为1cm的γ射线屏蔽材料对采用¹³⁷Cs放射源的γ射线的屏蔽率为32.99％-41.24％。

具体的，镀锌渣原料含有大量的锌，少量的铁和氧化锌等物质，由于锌是比较软的金属之一，其在常温下性脆，延展性差，机械加工将导致越加工越硬，故锌的机械加工常在高于其再结晶的温度下进行，当温度高于250℃以上时，会失去展性而变脆，也不易加工，因此，在采用镀锌渣原料制备γ射线屏蔽材料时可通过添加金属添加剂来增强γ射线屏蔽材料的比重、硬度和抗折强度等物理机械性能，通过添加非金属材料来增强γ射线屏蔽材料的辐射屏蔽性能，例如非金属硼对γ射线辐射和中子辐射性能都强。与单独采用镀锌渣制备的γ射线屏蔽材料相比，通过添加金属添加剂和非金属添加剂制备的γ射线屏蔽材料比重更大，硬度更高、抗折强度更强，辐射屏蔽效果更好，辐射屏蔽使用范围(如对中子辐射的屏蔽)更广。

为了增强γ射线屏蔽材料的上述物理机械性能，降低生产成本，保证无毒无污染，金属添加剂可选择实施例1-5涉及的镍、铜、钛、铝、铁等固体粉末中的一种或多种，还可以选择钨、铋等固体粉末中的一种或多种，也就是说，金属添加剂为铝、镍、钨、铋、铜、钛、铁中的一种或多种，当金属添加剂含有钨和/或铋时，其添加量比其他金属添加剂的添加量都少。

为了增强γ射线屏蔽材料的上述辐射屏蔽性能，降低生产成本，保证无毒无污染，非金属添加剂可选择实施例1-5涉及的硅、碳等固体粉末中的一种或多种，还可以选择硼或硼的合金等固体粉末。

本发明将镀锌渣、金属添加剂及非金属添加剂均匀混合，之后高温加热熔融，在常温(24℃-26℃)下冷却成型(10h-30h)，即可制备出具有上述特性的γ射线屏蔽材料。整个制备方法操作简单，容易成型，制作成本低，绿色环保。通过该制备方法制备的γ射线屏蔽材料再进行定厚、抛光、切边制成不同规格的标准射线防护板材，而标准射线防护板材可根据实际需求，进行切割、磨、削等工艺进行实际加工，用于制作防护门、防护墙等防护装置，且标准射线防护板材可拆卸安装，能够多次使用。

通过上述实施例1-5的说明，本发明在制备γ射线屏蔽材料过程中，为了使得镀锌渣、金属添加剂和非金属添加剂混合更均匀，保证制备的γ射线屏蔽材料质地均匀紧密，金属添加剂和非金属添加剂可适当进行过筛处理。过筛能够将分散的大粒度固态金属添加剂和固态非金属添加剂通过筛子(金属添加剂采用400目-1000目的筛子，非金属添加剂采用200目-800目的筛子)筛选后获得粒度较细的金属和非金属颗粒，从而使固态金属和非金属的组成更均一，方便与镀锌渣的均匀混合，从而保证制备的γ射线屏蔽材料具有质地均匀、紧密，屏蔽效果好等特点。

在上述实施例1-5所述的加热熔融混合物Ⅰ的过程中，加热熔融的温度为700℃-1000℃，加热熔融时间为15min-30min。当金属添加剂的类型发生变化时，加热熔融温度发生变化，可能为700℃-1000℃以外的加热温度，具体根据各自金属添加剂的熔点来决定；加热熔融时间还可能为40min、1h等，只要满足将混合物Ⅰ加热至处于熔融状态的要求即可。

在加热熔融处理后，可根据最终产品的需求，将混合物Ⅰ倒入一定尺寸的模具中，在常温(24℃-26℃)下冷却成型一定时间(10h-30h)，直至与模具分离，从模具中取出，最后经过切割加工成不同尺寸，易于后期商业应用的γ射线屏蔽材料产品。

本发明通过对比实施例1-5制备的γ射线屏蔽材料的屏蔽性能测试结果，可以看出，实施例4制备的γ射线屏蔽材料对γ射线的屏蔽率最高，屏蔽效果最优。

综上所述，本发明克服了现有镀锌渣应用技术的局限性，为低成本、高效的应用镀锌渣提供了一种全新的思路，应用前景可观，同时为γ射线防护材料的生产提供了十分廉价的原料，具有对γ射线的屏蔽效果良好，成本低、生产操作简单、绿色环保等特点。

以上结合具体实施方式描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种γ射线屏蔽材料，其特征在于，该γ射线屏蔽材料由以下质量百分比的原料组成：镀锌渣90％-95％、金属添加剂5％-8％以及余量的非金属添加剂；

所述金属添加剂为铝、镍、钨、铋、铜、钛、铁中的一种或多种；

所述非金属添加剂为硅、硼、碳中的一种或多种；

所述镀锌渣中锌的质量分数为85％-98％；

所述金属添加剂的粒度为400目-1000目；所述非金属添加剂的粒度为200目-800目。

2.一种如权利要求1所述的γ射线屏蔽材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、按照各组分的用量称取各组分，然后将镀锌渣、金属添加剂与非金属添加剂混合，搅拌混匀，得到混合物Ⅰ；

S2、将混合物Ⅰ加热熔融，之后在常温条件下冷却成型，得到γ射线屏蔽材料。

3.如权利要求2所述的γ射线屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述S2具体为：将混合物Ⅰ盛入容器中，置于电炉中加热熔融，然后倒入模具中，在常温条件下冷却成型，从模具中取出，得到γ射线屏蔽材料。

4.如权利要求2或3所述的γ射线屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述S2的加热熔融具体为将混合物Ⅰ加热至处于熔融状态。

5.如权利要求2或3所述的γ射线屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述S2的冷却成型温度为24℃-26℃，冷却成型时间为10h-30h。