软体材料在γ射线条件下的屏蔽性能分析.docx

? ? 软体材料在γ射线条件下的屏蔽性能分析 ? ? 李 平 王 鹏 支凯锋 胡 光 李志亮 （1.中核陕西铀浓缩有限公司化工科创中心，陕西 汉中 723000；2.西安交通大学能源与动力工程学院，陕西 西安710049） 0 前言 远距离操作技术是核工业不可缺少的工具，是核工业的生命线。在核设施正常运行期间的维修和更换以及核泄漏极端条件时的搜救等情况下，高性能核工业机器人的作用日益凸显，因此国内、外对核工业机器人的研究日益频繁。软体机器人由于采用了柔韧性强的材料和仿生学设计，能更好实现弯折、扭曲等动作，这些特性使其在人机交互和复杂的核工业环境下具有广泛的应用前景。 软体材料对软体机器人的研发制造具有重要作用，其一般由大分子或基团组成，杨氏模量大多在10Pa～10Pa，质感与人体皮肤相似，通常在外界的微小作用下即可产生显著的宏观效果。目前的实际研究中，研究较多的有凝胶、橡胶、聚合物弹性体和液晶等。橡胶是使用最早且运用最广的材料，其中硅橡胶材料（Silica）别名硅酸凝胶，是一种高活性吸附材料，广泛应用于国民经济各个部门，在核工业机器人等领域也表现出独特的性能和巨大的应用潜力。 为此，该文聚焦硅酸凝胶/铅（Pb）粉制作的软体材料，采用蒙特卡洛方法，模拟计算在不同能量场、不同种类γ射线源条件下材料的屏蔽效果，据此评估将该材料用于核与辐射防护领域的可行性。 1 不同组合软体材料屏蔽效果MCNP模拟 1.1 MCNP软件建模介绍 材料的屏蔽效果模拟采用的试粒子输运软件Monte Carlo N Particle Transport Code（MCNP），其是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）开发的基于蒙特卡罗方法的用于计算三维复杂几何结构中的中子、光子、电子或者耦合中子、光子、电子输运问题的通用软件包[7]，具有较强的通用性，在源描述、空间物质的几何分布上具有很大的灵活性，可任意处理三维几何结构问题，广泛应用于射线无损检测系统、辐射屏蔽与核仪器设计、跟踪计算、物理实验模拟和保健物理等领域。该文模拟计算示意图如表1和图1所示，其由放射源、屏蔽材料和探测器3个部分组成，放射源选取类型包括： 图1 结构示意图 表1 被测材料信息表 主要是U裂变产生的γ射线源，其产生的平均能量为2.19 MeV。 肿瘤治疗设备常用的是Ir衰变γ源，产生的能量单一性好，约为0.36 MeV左右。 反应堆辐照是制造多种放射性同位素的重要方法，比较典型的就是N吸收中子生成N，N衰变γ源产生的主要能量为2种，即6.13 MeV和7.12 MeV。 在工业生产中，样品辐照常用的Co衰变γ源产生的能量主要包括2种，即1.17 MeV和1.33 MeV。 表1中的被测材料由硅酸凝胶和铅（Pb）粉复合而成，第1组为质量分数50%Pb和50%硅酸凝胶、第2组为60%Pb和40%硅酸凝胶、第3组为70%Pb和30%硅酸凝胶，材料单次厚度为1 cm，并逐级累加到10 cm，探测器选择面探测器，大小与材料大小一致。 1.2 模拟结果及讨论 3组材料在4种典型γ射线源情况下的屏蔽效果模拟计算如图2所示，其中图2（a）是Ir 衰变产生的γ射线下的屏蔽效果，图2（b）是U裂变γ射线下的屏蔽效果，图2（c）是Co衰变产生的γ射线下的屏蔽效果， 图2（d）是反应堆中N产生的γ射线下的屏蔽效果。横坐标是材料的厚度，纵坐标是射线的穿透率。 根据图2可知，随着铅含量的增加，材料对4种源的屏蔽效果都有明显的增加，对源来说，能量越高，材料的相对衰减效果越一般。这里对厚度点2 cm的和5 cm进行了列表分析，见表2。该软件材料对Ir产生的能量较低的γ射线源有很好的屏蔽效果。对Co源和反应堆燃料裂变产生的γ射线有一定的屏蔽效果，2 cm厚度就可使γ射线衰减一半左右。对N源产生的γ射线源的屏蔽效果较为一般，2 cm厚度使γ射线衰减10%左右，5 cm厚度使其衰减20%～30%左右。 图2 3组材料在4种典型γ射线源情况下的屏蔽效果 表2 3组材料在2 cm和5 cm情况下的屏蔽效果 2 测试材料制备及测试 2.1 材料制备工艺 该文涉及的硅酸凝胶是一种高活性吸附材料，属于非晶态物质，其无机型材料通用化学分子式为SiO·HO，有机型硅酸凝胶多以硅油、硅氧烷为基础材料制备。该材料的特性是除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应，不溶于水和任何溶剂，无毒无味，化学性质稳定。各种型号的硅酸凝胶因其制造方法不同形成了不同的微孔结构，其不同的化学组分和物理结构决定了它具有许多其他同类材料难以取代的特点：吸附性能高、热稳定性好、化学性质稳定以及有较高的机械强度等。通过基础试验，即在pH=1.0～14.0的情况下制备硅酸溶液，并静置和加热，观察溶胶稳定性随pH值