沙特阿拉伯水泥基复合材料的γ射线屏蔽性能优化：实验与模拟研究

为解决传统γ射线屏蔽材料重量大、毒性高的问题，研究人员通过实验和GEANT4模拟优化了水泥基复合材料的屏蔽性能。研究发现，添加Bi2O3、PbO等高Z氧化物可显著提升线性衰减系数(μ)，其中UltraShield复合材料在59.5 keV下μ达2.42 cm?1，为医疗和核工业提供了环保高效的屏蔽解决方案。

　　

γ射线因其强穿透性对环境和人体健康构成威胁，传统屏蔽材料如铅和混凝土虽有效但存在重量大、毒性高等缺陷。随着γ射线在医疗、工业和科研领域的广泛应用，开发兼具高效、轻量化和环境友好特性的新型屏蔽材料成为迫切需求。在此背景下，A. Alharbi团队聚焦沙特阿拉伯市售水泥板的γ射线屏蔽性能，通过实验与模拟相结合的方式探索其优化路径。

研究采用能量色散X射线光谱(EDX)分析水泥板元素组成，并利用Cs-137(662 keV)和Am-241(59.5 keV)放射源实测线性衰减系数(μ)。通过GEANT4蒙特卡洛模拟工具，团队进一步评估了添加Bi₂O₃、PbO等高原子序数(Z)氧化物对屏蔽性能的提升效果。

3.1 材料结构分析

EDX显示水泥板含C、O、Si、Ca等元素，其中CB4样品因含Fe、Cu等高Z元素表现出最佳屏蔽性能，μ值在662 keV和59.5 keV下分别达0.1110 cm^?1和0.4752 cm^?1。

3.2 辐射防护特性

实验数据与NIST XCOM数据库及GEANT4模拟结果高度吻合。对比传统混凝土材料，水泥板虽密度较低(1.4–1.5 g/cm³)，但凭借轻量化优势展现出应用潜力。

3.3 材料模拟增强

通过设计三种复合材料：含PbO/Bi₂O₃的CM_PbBi、含WO₃的UltraShield及含BaSO₄/CuO的CM_BiBaCu。模拟显示UltraShield在59.5 keV下μ值达2.42 cm^?1，较基础材料提升5倍以上，证实高Z氧化物的协同增效作用。

研究结论指出，优化后的水泥基复合材料可实现与铅相当的屏蔽效率，同时解决毒性问题。特别是无铅配方的CM_BiBaCu，在59.5 keV下μ值达2.1 cm^?1，为医疗放射防护提供了兼具结构强度与环境安全性的解决方案。该成果发表于《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》，为辐射防护材料设计提供了新范式，推动行业向可持续发展转型。