聚酯/黄铁矿/二硼化钛复合材料的辐射屏蔽协同机制：中子与伽马射线的衰减性能、次级辐射及损伤研究

为解决核设施及医疗场景中辐射防护材料的性能瓶颈，研究人员创新性地开发了含聚酯树脂、黄铁矿(FeS2)和二硼化钛(TiB2)的多组分复合材料。通过理论计算、实验测量及PHITS/MCNP6蒙特卡洛模拟的协同验证，发现FeSTiB-50样品对快中子的移除截面优于传统混凝土（接近石蜡效率），且所有样品对热中子均具优异衰减能力。该材料同时实现次级辐射能量抑制（FeSTiB-50次级粒子平均能量最低），但伽马屏蔽性能随TiB2含量增加而下降，揭示了中子与伽马屏蔽的权衡机制，为多功能防护材料设计提供新范式。

　　

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辐射防护材料的突破：多组分复合材料的协同屏蔽机制
在核电站、医疗放射治疗及太空探索等领域，电离辐射如同无形的双刃剑——既能造福人类又潜藏致命风险。中子因其不带电特性可穿透常规屏障，伽马射线则凭借高能量破坏生物分子结构，传统防护材料往往顾此失彼：含硼物质善俘获中子却对伽马束手无策，高原子序数金属（如铅）阻挡伽马射线却可能因中子碰撞产生次级辐射。更严峻的是，现有研究多聚焦单一添加剂体系，难以实现协同防护。当电子设备在辐射环境中出现信号漂移，或人体组织面临癌变风险时，开发兼具中子与伽马双屏蔽功能的材料已成为迫切需求。

针对这一挑战，土耳其科研团队在《Applied Radiation and Isotopes》发表创新研究，通过将黄铁矿(FeS₂)的铁/硫元素与二硼化钛(TiB₂)的硼元素嵌入聚酯树脂基体，构建六组不同配比的复合材料。采用三轨并行策略——理论建模、实验测量（基于²⁵²Cf中子源和¹³⁷Cs伽马源）及PHITS/MCNP6蒙特卡洛模拟，首次系统揭示了材料在辐射场中的交互机制：FeSTiB-50样品（50%填料）快中子移除截面达0.103 cm^-1，较普通混凝土提升47%，同时量化了次级辐射生成规律与辐射损伤参数（TID与DPA），为核防护工程提供了兼具理论深度与应用价值的设计蓝图。

关键技术方法

1. 材料制备：以商业聚酯树脂为基质，机械混合FeS₂/TiB₂填料，固化成型六组不同质量分数（10%-50%）的复合材料
2. 辐射实验：
   • 中子屏蔽：使用²⁵²Cf源测量快/热中子透射率，³He正比计数器探测
   • 伽马衰减：¹³⁷Cs源结合NaI(Tl)闪烁体探测器，测量质量衰减系数
3. 模拟验证：PHITS与MCNP6模拟粒子输运过程，计算次级辐射产额及能量谱
4. 损伤评估：基于位移截面积模型计算原子位移损伤(DPA)，结合电离能损评估总电离剂量(TID)

研究结果解析

1. 中子相互作用机制

• 快中子移除能力：FeSTiB-50的宏观移除截面达0.103 cm^-1，比普通混凝土（0.070 cm^-1）提高47%，仅比石蜡基准（0.118 cm^-1）低12.7%。该性能源自TiB₂中硼-10的高弹性散射截面（3,837靶恩）与FeS₂中铁核的强非弹性散射协同作用。
• 热中子屏蔽：所有样品对0.025 eV热中子衰减率>99%（2 cm厚度），归因于硼的俘获反应（¹⁰B(n,α)⁷Li）。
• 次级辐射抑制：FeSTiB-50产生的次级中子平均能量最低（1.24 MeV），次级伽马光子能量峰值在2-6 MeV区间，较其他样品低15%-20%，有效降低二次伤害风险。

2. 伽马射线衰减特性

• 屏蔽性能权衡：质量衰减系数随TiB₂含量增加呈下降趋势（10%组分：0.072 cm²/g → 50%组分：0.063 cm²/g）。原因在于TiB₂（密度4.52 g/cm3）取代部分高原子序数FeS₂（Z_Fe=26），削弱康普顿散射主导作用。
• 积累因子分析：在40 MeV高能区，FeSTiB-50的积累因子达4.21，表明多次散射导致屏蔽效能降低，需增加厚度补偿。

3. 辐射损伤评估

• 位移损伤：DPA值随中子注量上升呈线性增长，FeSTiB-50在10¹⁷ n/cm²注量下DPA为0.018，优于常规混凝土（0.027）。
• 电离损伤：TID累积速率与填料含量正相关，50%组分在伽马场中TID积累速率为3.2 kGy/h，揭示材料在长期辐照下的稳定性瓶颈。

结论与意义

该研究首次通过FeS₂/TiB₂双填料体系在聚酯基体中构建“中子吸收-伽马散射”协同网络：FeSTiB-50展现出接近石蜡的快中子屏蔽能力（移除截面0.103 cm^-1）与近乎绝对的热中子屏蔽效率（>99%），同时通过抑制次级辐射能量（次级光子峰值<6 MeV）降低二次伤害风险。但伽马屏蔽性能与TiB₂含量的负相关关系（质量衰减系数下降14%）揭示关键矛盾——中子屏蔽增强剂可能削弱伽马防护，这一发现为未来材料设计指明优化方向：需引入钨、铋等高Z元素平衡屏蔽谱系。

从核反应堆压力容器涂层到航天器辐射屏蔽舱，该复合材料体系凭借可加工性强、重量轻（密度1.8-2.3 g/cm3）的优势，为多场景防护提供新选择。研究团队开创性地整合辐射损伤参数（TID/DPA）与次级粒子量化分析，建立多维度评估标准，推动防护材料研究从经验设计迈向理论精准调控。正如研究者所言：“真正的突破不在于单项参数的极致，而在于掌握屏蔽性能的平衡艺术”——这项研究正是这种艺术的前沿实践。