聚合物基钨/碳化硼-铅复合材料在医用直线加速器中的双模式光子与中子屏蔽研究

为解决医用直线加速器(LINACs)产生的混合光子与中子辐射防护难题，研究人员开发了五种聚合物基复合材料，通过调控钨/铅与碳化硼的配比优化屏蔽性能。最佳配方(M5)含60 wt%钨、7.5 wt%碳化硼和32.5 wt%弹性体，兼具轻量化与高效防护特性，为放疗环境提供了新型解决方案。

　　

在肿瘤放射治疗领域，医用直线加速器(LINACs)产生的超高能X射线(如IMRT和VMAT技术)虽能精准打击深部肿瘤，却会引发棘手的"副作用"——当光子能量超过8 MeV时，会在高Z材料中通过巨偶极共振(GDR)效应产生光中子。这些平均能量0.7-2.0 MeV的中子具有20倍生物有效性因子，不仅增加患者额外剂量，还可能诱发次生癌症。传统铅屏蔽对中子束手无策，而混凝土又笨重难加工，这成为放疗防护的"阿喀琉斯之踵"。

针对这一挑战，研究人员开发了革命性的聚合物基复合材料。通过将微米级钨/铅颗粒与碳化硼(B₄C)嵌入天然橡胶(NR)和氯丁橡胶(CR)的弹性基质，成功制备出兼具柔韧性与防护性能的新型材料。最佳配方M5(60%钨+7.5%碳化硼+32.5%弹性体)在⁶⁰Co源测试中展现卓越性能：10mm厚度即可显著衰减1.17/1.33 MeVγ射线，同时通过硼-10(n,α)反应有效俘获热中子。蒙特卡罗模拟(MCNP 6.1)验证其双重防护机制：钨层通过光电/康普顿效应拦截光子，氢元素慢化中子，硼原子完成最终吸收。

关键方法

1. 采用35.45%NR与64.55%CR制备弹性基质
2. 微米级钨粉(1-3μm)与碳化硼(97%纯度)复合填充
3. ⁶⁰Co源γ射线屏蔽测试结合NaI(Tl)闪烁体探测
4. 镅-铍中子源(5Ci)慢化性能评估
5. MCNP 6.1模拟验证材料性能

研究结果
光子屏蔽性能
M5对⁶⁰Co的γ射线线性衰减系数达0.214 cm^-1，较纯弹性体提升8.7倍。钨的K吸收边缘效应在80 keV处形成显著屏蔽峰。

中子防护特性
含硼样品使热中子通量降低96%，7.5%碳化硼的添加使材料具备1.84×10²² atoms/cm³的硼原子密度，远超常规聚乙烯屏蔽。

机械性能
弹性基质赋予材料300%断裂伸长率，经50 kGy辐照后仍保持85%原始强度，克服了传统聚合物辐照脆化缺陷。

这项研究开创性地解决了放疗防护材料的"鱼与熊掌"难题——M5复合材料仅2.3 g/cm³密度，却实现了对15 MV LINACs产生的混合辐射场的全面防护。其模块化设计允许根据临床需求调整厚度，既可集成于治疗室墙体，也能制成患者防护毯，标志着辐射防护材料从"刚性时代"迈入"柔性纪元"。论文发表于《Radiation Physics and Chemistry》，为下一代智能放疗装备研发提供了关键材料基础。