使用PHITS代码和实验测量数据对来自沙特阿拉伯泰夫市岩石样本的伽马射线衰减系数进行评估

《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》：Evaluation of gamma-ray attenuation coefficients of rock samples from taif city, Saudi Arabia using PHITS code and experimental measurements

辐射屏蔽材料研究：沙特Taif地区岩石的γ射线衰减特性分析

　　这项研究探讨了沙特阿拉伯塔伊夫地区采集的22种岩石样品在伽马射线防护方面的性能。伽马射线是高能电磁辐射，广泛应用于医疗成像、工业检测、核能利用以及辐射防护等场景。由于传统材料如铅具有毒性，研究人员开始寻找更安全、经济且环保的替代材料。天然岩石因其高密度和含有的元素如铁、硅和钙，被认为在伽马射线防护方面具有潜力。该研究旨在评估这些岩石的屏蔽性能，并通过实验和理论方法进行分析，以期为实际应用提供可行的解决方案。

研究团队采用NaI(Tl)闪烁探测器对岩石样品进行了实验测试，同时使用Phy-X/PSD、EPIXS、XCOM和PHITS等软件进行理论计算。实验结果显示，岩石样品的线性衰减系数（LAC）和质量衰减系数（MAC）在不同能量范围内表现各异。其中，S7样品在实验测量中表现出最高的线性衰减系数，达到1.08 cm?1，这表明它在低能伽马射线防护方面具有显著优势。这些岩石样品的化学成分分析显示，它们含有大量的铁和硅，这些元素对伽马射线的衰减具有重要影响。此外，S7的高密度和丰富的元素含量使其在低能区域表现出优异的衰减性能。

为了全面评估岩石的屏蔽性能，研究还计算了半值层（HVL）和十分之一值层（TVL），这些参数反映了材料减少伽马射线强度所需的厚度。HVL和TVL随着伽马射线能量的增加而增大，说明在高能情况下，需要更厚的材料才能达到相同的衰减效果。研究中，S7样品的HVL和TVL值最低，进一步证明了其在低能区域的高效防护能力。此外，通过计算平均自由路径（MFP），研究团队评估了伽马射线在材料中传播的平均距离。MFP随着能量的增加而增加，表明高能伽马射线在材料中传播更远，因此需要更厚的材料来实现有效的衰减。

通过比较实验数据与理论计算结果，研究团队发现两者之间存在良好的一致性，这表明理论模型在预测岩石的伽马射线衰减特性方面具有较高的可靠性。然而，某些样品的实验值与理论值之间仍存在微小差异，这可能与材料的复杂相互作用、实验误差以及理论模型的简化假设有关。尽管如此，总体上理论和实验数据的吻合度较高，支持了该研究的结论。

研究还计算了电子截面（ECS）和原子截面（ACS），这些参数反映了伽马射线与材料电子结构和原子结构的相互作用概率。ECS和ACS在低能伽马射线区域达到最大值，表明在这一能量范围内，伽马射线与材料的相互作用更为频繁。随着能量的增加，这些截面值逐渐减小，说明在高能情况下，伽马射线的相互作用概率降低。

研究结果表明，塔伊夫地区的岩石样品在低能伽马射线防护方面具有良好的性能，尤其是在59.5 keV的能量区域。S7样品的辐射防护效率（RPE）达到90.56%，这进一步验证了其作为有效屏蔽材料的潜力。此外，这些岩石样品的性能与文献中报道的其他屏蔽材料（如含铅玻璃和天然岩石）相比较，显示出竞争力。这表明，塔伊夫地区的岩石不仅可以作为低成本的替代材料，还可能在建筑、医疗设施和工业应用中提供有效的防护。

然而，该研究也存在一定的局限性。实验仅限于四种常见的伽马射线源，未能全面覆盖更广泛的能量范围。此外，实验条件为干燥和控制环境，未考虑湿度、温度变化和自然风化等因素对材料性能的影响。这些因素可能会影响岩石在实际应用中的衰减性能。

为了进一步推动该研究的应用，建议未来的工作包括：实验测量这些岩石对中子的衰减性能，以验证其作为多功能屏蔽材料的潜力；研究这些岩石在不同气候和环境条件下的长期稳定性和机械强度；探索将铁含量高的天然岩石与其他材料（如聚合物、混凝土或重晶石）结合，以优化其强度和防护性能；评估这些岩石在大型防护设施和医疗应用中的经济可行性和实际应用潜力。

总之，这项研究通过实验和理论方法，展示了塔伊夫地区天然岩石在伽马射线防护方面的潜力。这些岩石不仅具有良好的防护性能，还具有成本低和环保的优势，因此在建筑和辐射防护领域具有广泛的应用前景。未来的研究可以进一步扩展这些岩石的性能评估，并探索其在不同环境条件下的实际应用效果。