天然矿物矿石颗粒的伽马射线与快中子屏蔽效果对比评估

《Radiation Physics and Chemistry》：Comparative Gamma-Ray and Fast-Neutron Shielding Assessment of Natural Mineral-Ore Pellets

　　

• •
  研究了天然矿物基颗粒的实验性伽马射线和理论性中子屏蔽性能
• •
  •随着光子能量的增加，衰减率降低，而所有样品的半值层（HVL）增加
• •
  •铋具有最高的屏蔽性能，而电气石的屏蔽性能最弱
• •
  •高Z元素含量在提高辐射屏蔽效果方面起着关键作用

引言

由于天然矿物结构中包含多种元素，因此可以作为一种有效的伽马射线和中子射线屏蔽材料。重元素也因其高原子序数和高密度而被研究，这些因素会影响它们与辐射的相互作用。在天然矿物中，电气石是一种复杂的硼硅酸盐矿物，其通式为XY₃Z₆(T₆O₁₈)(BO₃)₃V₃W。其化学组成多样，可能包含铁（Fe）、镁（Mg）、铬（Cr）和铝（Al）等金属元素（Wu等人，2012年；Hu和Sun，2016年；Liang等人，2021年；Zhao等人，2022年；Zhou等人，2025年）。

另一种感兴趣的天然矿物是钛铁矿（ilmenite），其通式为FeTiO₃。由于成分的自然变化，它也可以表示为(Fe, Mg, Mn)TiO₃，其中Fe²⁺可以被Mg²⁺和Mn²⁺部分替代（Didenko和Efremov，2004年）。通过自然地质过程，铝（Al）、硅（Si）、钍（Th）、磷（P）、钒（V）和铬（Cr）等元素也可以融入钛铁矿结构中（Mehdilo和Irannajad，2013年）。钛铁矿的密度约为4.7–4.8克/立方厘米（Zhai等人，2020年）。本研究中另一种研究的矿物是重晶石（witherite），这是一种碳酸钡矿物（BaCO₃），含有原子序数为56的钡。锑（Sb）是一种重元素，原子序数为51，密度约为6.68克/立方厘米。它在各种矿物和化合物中通常以+3和+5的氧化态存在（Filella等人，2002年；He等人，2019年；Zhang等人，2021年；Bolan等人，2022a）。铋（Bi）是一种重元素，原子序数为83，密度约为9.78克/立方厘米。在自然界中，它以天然铋的形式存在，并存在于多种含铋的矿物中。根据扫描电子显微镜（SEM）-能量 dispersive X 射线光谱（EDX）分析，本研究中研究的铋矿石中含有约80%的铋（Bolan等人，2022b）。在大多数先前的研究中，这些矿物主要作为复合系统中的添加剂材料进行研究。例如，Ali等人（Ali等人，2023年）研究了含有钛铁矿和电气石骨料的混凝土的伽马射线和中子衰减性能。他们的结果显示，钛铁矿的伽马射线衰减效率在23%到73%之间，电气石的衰减效率在32%到79%之间，这取决于样品厚度和辐射能量。对于基于钛铁矿和电气石的混凝土，分别获得了9%到37%和中子衰减值。同样，Yorgun（Yorgun，2026年）报告称，在锂四硼酸盐（Li₂B₄O₇）玻璃中加入重晶石（BaCO₃）显著增强了伽马射线的衰减参数，81 keV时的线性衰减系数从0.382厘米^-1增加到1.956厘米^-1。实验性中子剂量测量也表明性能有所改善，含有20% BaCO₃的样品剂量减少了高达30.45%。天然矿物和岩石也被直接作为潜在的辐射屏蔽材料进行研究。重晶石和赤铁矿已经通过比较评估了其对伽马射线和快中子的衰减能力，其性能主要归因于密度和元素组成（Masoud等人，2022a）。蛇纹石岩石也通过矿物学和辐射衰减分析进行了研究，表明了它们在屏蔽应用中的潜力（Masoud等人，2022b）。赤铁矿和重晶石矿物也通过理论和模拟方法在广泛的光子能量范围内进行了评估（Zayed等人，2025年）。此外，玄武岩、膨润土、砂岩和粘土岩也经过了实验研究，证实了天然地质材料的屏蔽效率在很大程度上取决于它们的组成和密度（Abd El-Azeem和Harpy，2024年）。

Abouhaswa等人（Abouhaswa等人，2020年）研究了Sb₂O₃对硼酸盐玻璃（成分（60?x）B₂O₃–20Bi₂O₃–20Na₂O–xSb₂O₃）的伽马射线屏蔽性能的影响。他们的研究结果表明，增加Sb₂O₃浓度提高了玻璃的密度，从而改善了伽马射线的衰减效果。同样，Sayyed等人（Sayyed等人，2020年）报告称，在成分（20 + x）Bi₂O₃–20BaO–10Na₂O–10MgO–(40?x)B₂O₃的玻璃样品中，随着Bi₂O₃浓度的增加，平均自由路径（MFP）和半值层（HVL）值降低。他们还观察到，含有最高Bi₂O₃含量的玻璃样品对快中子的宏观去除截面（ΣR）最高。

最近的研究研究了多种无机辐射屏蔽材料，包括地质聚合物、玻璃、陶瓷和天然岩石。研究表明，添加PbO可以有效提高地质聚合物系统的伽马射线衰减性能（Echeweozo等人，2024年），而含有CRT废玻璃的地质聚合物复合材料也表现出增强的辐射屏蔽性能（Alzahrani等人，2025年）。含有重金属氧化物和修饰剂的玻璃系统已被广泛用于辐射屏蔽应用（Al-Buriahi等人，2024年），基于铝硅酸盐的地质聚合物已被评估用于伽马射线和中子的衰减性能（Alomayrah等人，2024年）。稀土氧化物的添加进一步改善了硼酸盐玻璃的伽马射线和中子屏蔽性能（Alrowaili等人，2026年）。类似地，Al₂O₃–B₂O₃–ZnO–PbO陶瓷（Al-Buriahi等人，2025年）和含有PbO的沸石基地质聚合物（Al-Buriahi等人，2026年）也表现出良好的伽马射线、快中子和热中子衰减特性。天然Lece和矿渣岩石也直接被用于核屏蔽应用的研究（Alshamari等人，2026年）。

先前的研究通常将电气石、钛铁矿、重晶石、锑矿石和铋矿石作为添加剂用于混凝土、玻璃、聚合物或其他复合基质中。在这些系统中，屏蔽性能受添加剂浓度以及基体材料和物理化学性质的影响。相比之下，本研究直接评估了从选定的天然矿物和矿石制备的压实颗粒，未经二次基体稀释，从而更直接地评估了它们本身的辐射衰减行为。此外，使用实验性伽马射线衰减数据、理论计算、光子累积因子和快中子去除截面，在相同的制备和测量条件下对电气石、钛铁矿、重晶石、锑矿石和铋矿石进行了比较研究。这种综合比较提供了新的实验数据，并阐明了元素组成、有效原子序数和密度对这些材料屏蔽性能的相对贡献。

章节摘录

材料与方法

使用单轴压实技术从选定的天然矿物和矿石（包括电气石、钛铁矿、重晶石、锑矿石和铋矿石）制备了颗粒样品。在颗粒化之前，将原材料在100°C下干燥1小时，以去除可能影响颗粒压实行为和密度的水分。干燥后，将材料在实验室研磨机中研磨成细粉，然后通过200目筛网（77微米）进行筛分。

结果与讨论

研究颗粒的元素组成和密度在表1中呈现，相应的SEM–EDX光谱显示在图3中。结果证实，铋矿石、锑矿石和重晶石矿石主要由Bi、Sb–S和Ba组成，而钛铁矿主要含有O、Ti、Cr和Fe，电气石富含O、Al、Si、B和Fe。这些测量的元素重量分数和密度被用作后续所有理论计算的输入数据。

结论

在本研究中，使用实验性伽马射线衰减测量和理论计算的中子屏蔽参数评估了由天然矿物矿石制备的压实颗粒的辐射屏蔽性能。样品的元素组成通过SEM–EDX确定，并用于理论计算。实验结果表明，线性衰减系数随着光子能量的增加而降低。例如，铋矿石的LAC（线性衰减系数）

CRediT作者贡献声明

ESRA Kavaz Peri?ano?lu：撰写 - 审阅与编辑，撰写 - 原稿，监督，软件，方法论，研究。Nergiz YILDIZ YORGUN：撰写 - 审阅与编辑，撰写 - 原稿，监督，方法论，研究

未引用参考文献

Schoot, 2018.

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

Nergiz Y?ld?z Yorgun|Esra Kavaz Peri?ano?lu