B4C增强超高分子量聚乙烯复合材料对低能X射线的辐射屏蔽性能：实验与计算分析

《Polymer Composites》：Radiation Shielding Performance of B4C-Reinforced Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Composites Against Low-Energy X-Rays: Experimental and Computational Analysis

　　

本研究采用实验与计算相结合的方法，考察了不同碳化硼（B₄C）含量的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）复合材料对低能X射线的辐射屏蔽性能。研究人员利用断口扫描电子显微镜（SEM）对复合材料的微观结构特征进行了表征，并在30至50 kVp的X射线管电压范围内对其屏蔽性能进行了实验评估。实验结果以线性衰减系数（LAC）、质量衰减系数（MAC）、平均自由程（MFP）、半值层（HVL）、十分之一值层（TVL）、有效原子序数（Z_eff）、有效电子密度（N_eff）、有效电导率（C_eff）、原子截面（ACS）和电子截面（ECS）、透射因子（TF）、辐射防护效率（RPE）以及电子、质子、中子和α粒子的阻止本领等参数进行分析。计算分析采用MATLAB和Phy-X软件包完成，同时将计算得到的带电粒子阻止本领与NIST ESTAR、PSTAR和ASTAR参考数据库进行了验证。结果表明，增加B₄C含量通过提高LAC、MAC、Z_eff和RPE值显著增强了复合材料的光子衰减能力，同时降低了MFP、HVL、TVL和TF值。此外，实验测量与计算预测之间取得了良好的一致性，证实了所采用计算方法的可靠性。总体而言，研究结果表明，B₄C增强UHMWPE复合材料在低能X射线应用（包括医学成像、工业无损检测和辐射防护系统）中具有作为轻质、柔性且环境友好型辐射屏蔽材料的巨大潜力。

电离辐射在医学成像、放射治疗、核能发电、工业应用和科学研究等领域被广泛使用，但不受控制的X射线暴露可能引发DNA损伤和癌症风险等严重生物效应。传统铅基屏蔽材料虽具有优异的衰减性能，但其高密度导致重量过大、长期使用的人体工程学限制以及铅的毒性引发环境和生物担忧，因此急需开发轻质、环保且高性能的替代屏蔽材料。聚合物基复合材料因其低密度、设计灵活性和易加工性而成为有前景的候选材料，但纯聚合物因主要由低原子序数元素组成而固有地表现出有限的X射线衰减能力。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）具有低密度、优异冲击强度、耐磨性和化学稳定性，然而其纯态X射线衰减能力有限。碳化硼（B₄C）具有低密度、高硬度、优异的耐磨性、化学稳定性和辐射屏蔽性能，但高温烧结困难，因此常作为增强相加入聚合物基体。已有研究主要集中于γ射线和中子屏蔽，而对于B₄C增强UHMWPE复合材料在低能诊断X射线范围内的屏蔽行为研究非常有限。为此，研究人员制备了不同B₄C含量（0、1、5、10、15和30 wt%）的UHMWPE复合材料，通过实验测量、解析计算和模拟验证相结合的方法，系统评估了其在30–50 kVp低能X射线范围内的辐射交互作用特性，探讨了B₄C添加对光子、带电粒子及快中子屏蔽性能的影响，以评估其作为轻质无铅屏蔽材料的潜力。

研究人员采用机械活化辅助球磨混合结合热压工艺制备了纯UHMWPE（PE0）和含1、5、10、15、30 wt% B₄C的复合材料（PE1–PE30）。UHMWPE粉末（分子量3×10⁶–6×10⁶ g/mol）购自Sigma-Aldrich，B₄C粉末（纯度99+%，粒径22–59 μm）购自Alfa Aesar。X射线衰减测量采用Amptek Mini-X2射线管，在30–50 kVp管电压、80 μA管电流条件下进行，并使用HP3剂量率探头连接TENMAK NEB.250辐射探测器记录透射强度。微观结构通过断口SEM观察。计算方面，使用MATLAB自编脚本和Phy-X软件计算光子交互参数，带电粒子阻止本领与NIST ESTAR、PSTAR和ASTAR参考数据校验，快中子去除截面（FNRCS）依据混合物规则计算并与Phy-X结果对照。

### 3.1 能量和组成依赖的光子交互特性

通过实验和模拟比较了PE/B₄C复合材料的LAC和MAC，发现两者均随光子能量增加而单调降低，符合低能区光电吸收主导的规律。随着B₄C含量增加，LAC和MAC显著提高，其中PE30在所有能量下表现出最高值，表明B₄C增强了光子交互概率。实验与模拟之间的相对偏差低于10%，SEM证实B₄C颗粒均匀分布在UHMWPE基体中，界面结合良好，这支持了衰减性能的改善。

### 3.2 光子穿透特性

基于实验LAC计算了MFP、HVL和TVL。结果显示，随着光子能量从30升至50 kVp，所有样品的MFP、HVL和TVL均增大；而增加B₄C含量则系统性减小这些穿透参数。例如，PE30在30 kVp和50 kVp的HVL分别为2.267 cm和3.146 cm，低于PE0的2.503 cm和3.766 cm，表明B₄C增强了光子与材料的交互概率，削弱了光子的穿透深度，各参数间具有良好一致性。

### 3.3 Z_eff、N_eff和C_eff特性

利用MATLAB解析法和Phy-X模拟获得了Z_eff、N_eff和C_eff。Z_eff随能量增加而下降，随B₄C含量增加而上升，PE30表现出最高Z_eff，这与光电吸收向康普顿散射的转变一致。N_eff随B₄C含量增加而降低，因为PE中氢元素比例较高，具有较高的电子-质量比，而B₄C的引入稀释了氢含量；N_eff随能量增加略有上升。C_eff呈U形能量依赖，在低能区因光电吸收导致较高电导率，中能区降低，高能区因康普顿散射增强而回升，且随B₄C含量增加而增大。

### 3.4 带电粒子交互行为

计算了α粒子、质子和电子的质量阻止本领，并与NIST数据库对照。α粒子和质子的质量阻止本领随动能增加单调下降，而电子在约1 MeV处出现典型的最小值后回升。所有复合材料的计算结果与NIST纯PE参考数据高度一致，B₄C对带电粒子阻止本领影响很小，这是因为带电粒子的能量损失主要由介质电子密度决定，而B₄C添加导致的电子密度变化很小。FNRCS从PE0的0.133 cm^?1增至PE30的0.138 cm^?1，并与Phy-X结果吻合，表明B₄C对快中子衰减有一定贡献；与热中子屏蔽因子（TNSF）文献数据比较显示，热中子区B₄C作用更显著，而快中子区主要依赖于PE基体的弹性散射。

### 3.5 TF和RPE

TF随B₄C含量增加和光子能量降低而减小，RPE则相应增大。PE30在30–50 kVp范围内具有最低TF和最高RPE，例如在30 kVp时RPE显著高于纯PE。这直接归因于B₄C引起的LAC增加和Z_eff提升，与MFP、HVL、TVL结果相互印证，表明B₄C含量增加使光子透射率降低、防护效率提高。

### 3.6 原子和电子交互截面

ACS在低能区较高，随能量增加迅速下降后趋于平缓，且随B₄C含量增加略有升高，PE30最高，反映了硼原子对原子交互概率的贡献。ECS表现出类似的能量依赖，但不同样品间的差异较小，与N_eff的微小变化一致，说明B₄C添加对电子层面的交互行为影响有限，整体光子-电子交互仍由PE基体主导。

### 讨论总结

综合实验与计算结果，PE/B₄C复合材料的衰减性能由光子能量和B₄C含量共同控制。低能区光电吸收主导，B₄C增强效果显著；随着能量升高，康普顿散射成为主要机制，组成的影响减弱。Z_eff、N_eff、C_eff及ACS、ECS参数从微观层面揭示了B₄C对原子和电子交互环境的影响。带电粒子阻止本领几乎不随B₄C变化，表明其仅影响光子交互而几乎不改变带电粒子能量损失行为。FNRCS结果表明复合材料在快中子屏蔽方面也有一定潜力，但主要依赖于PE基体的慢化作用，B₄C在中子热区更为重要。

### 研究结论

本研究的结论是：在30–50 kVp低能X射线范围内，B₄C增强UHMWPE复合材料的衰减性能随B₄C含量提高而显著增强。纯PE0的HVL从30 kVp时的约2.50 cm增加到50 kVp时的3.77 cm，而PE30对应值分别降至2.27 cm和3.15 cm；TVL同样从PE0的8.31–12.51 cm降至PE30的7.53–10.45 cm，证实B₄C有效增加了入射光子与复合介质的交互概率。能量依赖趋势与光电效应主导机制一致。Z_eff随B₄C含量增加而升高，随能量增加而降低；N_eff随组成变化轻微，说明电子交互环境仍由PE基体决定。α粒子、质子和电子的质量阻止本领与NIST参考数据高度一致，复合材料的阻止本领几乎与纯PE无差异，表明带电粒子能量损失主要受介质电子密度控制。FNRCS随B₄C含量从0.1330增至0.1377 cm^?1，显示B₄C对快中子衰减有贡献，而热中子范围内B₄C的作用更强。TF随B₄C增加而降低，RPE随B₄C增加而升高，PE30在全部能量下具有最强衰减能力。总体而言，将B₄C颗粒纳入PE基体显著改善了光子衰减，同时基本维持了带电粒子交互行为，突出了PE/B₄C复合材料作为轻质、柔性、相对环保的辐射屏蔽材料的潜力，尤其适用于低能X射线防护，包括医学成像、工业无损检测和辐射安全应用。