铝铋合金的合成及其对1-100 keV电离辐射屏蔽性能的优化研究

本研究针对传统铅基防护材料毒性高、重量大的问题，开发了五种铋含量达10%-90%的铝铋合金（Al/Bi）。通过XCOM计算和半值层（HVL）测试，发现50Al/50Bi合金在1-100 keV光子能量范围内屏蔽厚度较纯铝减少65%以上，为乳腺X光、牙科设备等医疗场景提供了轻量化无毒防护方案。

　　

随着核技术医疗应用的普及，传统铅防护材料的毒性（铅中毒风险）和重量（防护服达50%为铅盐）问题日益凸显。国际辐射防护委员会（ICRP）建议寻求高原子序数（Z）、低毒替代材料。铋（Z=83）因其类铅的辐射屏蔽特性且生物相容性更佳成为研究热点，但纯铋价格波动大、机械性能差。铝（Z=13）作为地壳含量最丰富的金属（2022年全球产量6850万吨），其轻质（2.7 g/cm³）、可塑性强的特点为合金设计提供了可能，但现有商业Al/Bi合金铋含量不足10%，屏蔽效能有限。

为解决这一矛盾，墨西哥研究人员在《Applied Radiation and Isotopes》发表研究，首次突破商业合金铋含量上限，制备了10%-90%Bi梯度的五组Al/Bi合金。采用XCOM程序计算质量衰减系数（μ/ρ），通过实验测定密度和半值层（HVL），并与NIST标准数据比对验证。

材料与方法
研究选用99.6%纯铝颗粒（墨西哥Materiales y Abastos Especializados公司）与99.9%铋颗粒（Walfront），通过熔融法制备合金。密度测量采用阿基米德原理重复5次取均值，XCOM计算覆盖1 keV-100 MeV能谱，HVL测试使用²⁴¹Am和¹³⁷Cs放射源。

密度
测得纯铝密度2.718±0.0912 g/cm³（与文献误差仅0.667%），50Al/50Bi合金密度达5.2 g/cm³，兼具轻量化与高有效原子数（Z_eff）。

结论
50Al/50Bi合金在医疗常用1-100 keV能区展现卓越屏蔽性能：

1. 光子衰减机制以光电效应为主，Z_eff提升至47.3（纯铝仅13）
2. 乳腺X光（30 keV）所需屏蔽厚度较铝减少68%
3. 突破现有Al/Bi合金铋含量≤20%的局限，为航天辐射防护服设计提供新思路

讨论指出，该合金可替代含铅防护装备（如牙科铅围裙），其9.78 g/cm³铋组分与2.7 g/cm³铝的协同效应，实现了"高Z-低密度-低成本"三重优化。未来需进一步研究70Al/30Bi合金在>1 MeV高能区的康普顿散射增强效应。