核射線防護服的研究進展

馬新安, 陳功, 張瑩, 侯琳

(1. 陜西省紡織科學研究院，陜西 西安 710038;2.北京航空航天大學 材料科學與工程學院，北京 100083)

隨著科學技術的進步，現有能源消費結構帶來的環境問題以及人們對氣候環境關注度的提升，使得原子核能在軍事領域和民用輻射技術領域都得到了長足的發展。然而，核能在為人類提供高效、清潔能源的同時，也存在著核輻射泄漏的可能性。因此，隨著核能應用領域的日趨擴大，對輻射屏蔽防護材料的需求越來越高，輻射防護材料研究的重要性日趨突顯。鑒于此，文中對現有核輻射的危害、屏蔽材料和防護機理以及評價方法進行了全面的分析和總結，并在前期研究的基礎上，提出了輕質核防護的新型理念，對輕質核防護服的功能進行了展望。

1 核輻射的理論依據

原子核是原子的核心部分，通常呈穩態存在，整個原子不顯電性；但一般情況下，每種元素都有一種可以進行放射性衰變的不穩定狀態的同位素存在，當這些不穩定的原子核發生裂變或者聚變時，釋放出原子核能。因此，核輻射是不穩定的原子核從一種結構或一種能量轉變為另一種結構或另一種能量狀態過程中所釋放出來的微觀粒子流。核輻射具有放射性，可以引起物質的電離或激發，故又稱為電離輻射。

電離輻射根據成因的不同可以分為直接致電離輻射和間接致電離輻射，根據照射途徑的不同又可分為外照射和內照射。其中：外照射是輻射源在體外對人體產生的照射傷害，主要由X射線、γ射線、中子射線和β射線產生；而內照射是指輻射源通過一定途徑進入人體內部而引起的照射傷害，只有當輻射源從體內或體表完全除去后，其傷害方可停止，內照射主要由α射線產生。因此，電離輻射不僅會對被照射人造成傷害，增加癌癥的發病率，而且有可能會引起人體基因的改變，甚至對其后代造成影響[1- 4]。

電離輻射會對人體造成很大的危害，但不同射線的電離輻射在穿透能力和電離能力等方面各不相同，不同類型射線的輻射穿透能力如圖1所示[5]。

圖1 不同類型射線的輻射穿透能力Fig.1 Radiation penetration ability of different types of ray

由圖1可以看出，α和β射線的穿透能力較弱，一塊磚就可以對β射線產生有效阻擋，α射線僅用一張薄紙便可阻擋；X射線與γ射線兩者類似，都是短波長的電磁波，能量較高，通常采用吸收能力強的鉛板進行防護；中子具有更強的穿透力，對人體產生的危害比相同劑量的X射線、γ射線更為嚴重，易誘發腫瘤導致早期死亡[6-7]。因此，在設計射線屏蔽防護材料時應著重考慮減弱射線穿透物質時的強度，在輻射源與人體之間設置一定厚度的屏蔽材料，從而降低輻射強度，使人們在作業過程中受到輻射的劑量在允許范圍內，確保人身安全，達到有效防護的目的。核輻射除了在輻射過程中釋放出α和β等帶電粒子，還有間接致電離輻射的X射線和γ射線以及中子輻射。

中子的能量決定了中子與物質的相互作用類型。在輻射防護中，根據中子能量的高低，將中子分為慢中子(能量小于1 eV(多為0.025 eV)的熱中子和能量小于5 keV的中子)，中能中子(能量在5～100 keV范圍)和快中子(能量在0.1～500 MeV范圍)三大類。中子與物質間的相互作用通常可分為散射和吸收兩種形式。慢中子主要通過吸收與原子核發生作用；中能中子和快中子與原子核的作用形式為散射。這兩種作用形式又會產生次級輻射。中子與物質之間的相互作用，首先是快中子的散射和減速，之后是慢中子被吸收后引起次級輻射放出共化粒子或γ射線。因此，對中子的屏蔽可以從兩個方面考慮，即將快中子慢化和對慢中子的吸收[8]。

2 國內外屏蔽材料研究現狀

2.1 X/γ射線防護材料

鉛和鐵是單質類防護材料應用最廣泛的金屬材料。鉛是最早應用于輻射屏蔽的材料，也是最常用的。鉛不僅對低能和高能的 X 光子和 γ 光子具有優異的屏蔽性能，而且加工方便，產量充足。純金屬鉛制作成鉛皮或鉛板可以用于移動頻繁的小型或局部屏蔽設備中。但是鉛對低能 X 射線反向散射高、對能量介于40～88 keV之間的射線存在 “Pb弱吸收區”。SINGH K J等[9]制備的 PbO-SiO2系玻璃具有較高的γ 射線吸收性能；SING S等[10]和陳博等[11]采用熔體淬火方法，以氧化鋇、氧化硼和粉煤灰為原料，制備出具有良好輻射防護性能的新型玻璃。然而陶瓷基復合材料硬度大、易碎、加工困難，使得陶瓷基復合防護材料的應用上存在局限性。

2.2 中子防護材料

由于中子的質量與質子質量相近，氫含量較高的聚乙烯、聚丙烯是較好的快中子慢化材料；而含鋰、硼等元素的化合物，如氟化鋰、溴化鋰、硼酸、碳化硼等對慢中子有較強的吸收能力。此外，若將快中子慢化物質和熱中子吸收物質的微粉混合使用，則可發揮二者的協同效應，實現同時屏蔽中能和低能中子的目的。

聚合物基復合材料作為防中子輻射纖維，通常由聚合物纖維和中子吸收添加劑組成。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯均具有較好的快中子慢化能力，可作為聚合物基體并通過熔融紡絲的方法得到相應的纖維；中子吸收劑則主要包括重元素、具有較大吸收截面的元素和化合物[12]。

20世紀70年代，日本東麗公司采用中子吸收劑與高聚物熔融混合作為芯層，再以純高聚物為皮層，通過復合紡絲法制得了具有皮芯結構的防中子輻射纖維[13]。此后，又有科研人員通過共聚的方法將鋰、硼化合物微粉加入聚乙烯中，同樣利用皮芯復合紡絲工藝制備了防中子輻射纖維，獲得了較好的防輻射效果[14-15]。

國內的相關研究始于20世紀80年代，王學晨等[16]在纖維芯部添加偶聯劑和中子吸收物質，制得具有皮芯結構的纖維，該碳化硼質量分數約為35%，同時具有較好的力學性能，適宜于制作輻射防護織物。碳化硼含量的提高有利于耐輻照性的改善，但可紡性則隨之下降，為保證纖維的力學性能，碳化硼含量應適當控制。齊魯等[17]采用碳化硼微粉和聚乙烯醇為原料，通過濕法紡絲工藝制備防中子輻射纖維，該纖維對熱中子具有較好的屏蔽效果，對中能中子也有一定的屏蔽作用。段謹源等[18]以聚乙烯醇和碳化硼為主要原料，采用濕法紡絲工藝制得一種中子防護纖維，同時研究了該纖維的加工成型方法，并測試了纖維的性能。結果表明，該纖維具有很強的熱中子屏蔽能力，對中能中子也有一定的屏蔽功能，其防護效果達到國外同類水平。

劉力等[19]也對中子防護復合材料進行研究，結果表明，硼/聚乙烯和硼/聚甲基丙烯酸甲酯復合材料具有良好的屏蔽中子能力，但由于吸收中子后所形成的氦、鋰沒有吸收中子的能力，屏蔽性能隨著吸收的進行逐漸遞減。為此提出在該復合材料中加入一定量的稀土元素(稀土元素中的許多元素對熱中子的n，γ反應截面比硼和鎘高出幾十倍，對慢中子和中能中子的反應截面也比后者高出許多倍)，在保證良好界面相容的前提下，稀土高分子復合材料有效地彌補了鉛的弱吸收區，是屏蔽中子輻射的理想材料。

3 核防護的評價標準

目前，核射線防護安全相關標準可查詢到的有GB 16757—2016《X射線防護服》、LD 86—1996《100 keV 以下輻射防護服》、GBZ130—2013《醫用X射線診斷放射防護要求》、GBZ 179—2006《醫療照射放射防護基本要求》、GB Z/T 271—2016《核或輻射應急準備與響應通用準則》及GBZ/T 279—2017《核和輻射事故醫學應急處理導則》。其中，GB 16757—2016《X射線防護服》適用于接觸X射線人員穿用的防護服。該標準以鉛當量為指標評價防護材料的屏蔽能力，同時規定了X射線防護服材料的物理性能(如拉伸強度，拉斷伸長率，撕裂強度及材料硬度)并進行分級；另外，該標準還對X射線防護服的內外面覆蓋材料性能進行了規定。LD 86—1996《100 keV 以下輻射防護服》適用于防100 keV以下輻射用不含鉛的材料制成防護服產品系列。該標準規定了操作者按照不同照射劑量選用不同級別的防護服，防護服的防護效率采用X(γ)劑量儀測定，防護效率以服裝上、中、下3處的平均值為有效值，具體如下：

國內核射線防護服安全標準及相應技術要求見表1。

表1 核射線防護服安全標準

GBZ130—2013《醫用X射線診斷放射防護要求》、GBZ 179—2006《醫療照射放射防護基本要求》、GBZ/T 271—2016《核或輻射應急準備與響應通用準則》和GBZ/T 279—2017《核和輻射事故醫學應急處理導則》為職業衛生指標。GBZ130—2013主要對醫用診斷放射學、牙科放射學和介入放射學用設備防護性能、機房防護設施及X射線診斷操作的通用防護安全要求及其相關檢測要求進行了規定，適用于醫用診斷放射學、牙科放射學和介入放射學的實踐。該標準主要規定了設備的防護性能要求，而未對暴露在射線下人員的防護穿著進行規定。GBZ 179—2006規定醫療照射的放射防護基本要求，適用于患者在醫學診斷和治療、職業健康監護、健康檢查等過程中所接受的照射，對醫療照射的正當性判斷、醫療照射防護的最優化給出一般要求，并對檢查部位、投照方位，每次攝影入射體表劑量等給出了指導水平。GBZ/T 271—2016規定了核或輻射應急準備與響應防護行動和其他響應行動的通用準則，適用于核或輻射應急的準備與響應。該標準給出了應急響應準則體系，為通用準則，給出了限制應急工作人員受照劑量的指導值。GBZ/T 279—2017規定了核和輻射事故醫學應急處理的原則和要點，適用于核和輻射事故的醫學應急處理。

以上防護標準中多是防護X射線的相關標準，而對于中子輻射防護還沒有國標，基本上都是企業標準。

4 輕質核防護服

4.1 輕質核防護服的設計思路

隨著現代多種輻射核防護技術的發展，核輻射防護研究從大型固定傳統輻射防護的重質材料轉向緊湊型可移動防護輕質材料；從注重核設施的輻射防護轉向注重核設施的輻射防護和輻射危險人群的防護并重。然而，由于鉛的密度大，市面上以鉛為主要屏蔽材料的防護服笨重不易取用，使得作業人員可操作性差，同時作為重金屬的鉛在使用過程中會對環境造成嚴重污染，且不易回收處理。因此，研究中子輻射、X/γ射線等多種輻射環境下輕質防護紡織材料的結構和本體抗核輻射能力對防護效應的影響顯得尤為重要。

傳統的輻射防護屏蔽材料已經不能滿足應用要求，核工業技術應用領域對屏蔽材料的要求推動著輻射屏蔽材料不斷更新。因此，開發多功能復合、輕質、高效的輻射屏蔽材料將是未來的研究熱點[20-21]。

4.1.1輕質 穿著舒適性是防護服的重要指標之一。服裝的舒適性包括手感、硬挺度、懸垂性，以及穿著服裝過程中排出人體產生的熱量和濕氣的能力。若穿著厚重的防護服，在很短的時間內就會達到熱負荷輕度極限，從而降低人體運動的靈活性，增加作業人員在操作過程中的事故發生率；舒適性差的防護服，不易長時間穿著。因此，在保證防護性能的前提下，應盡可能控制防護材料的厚度和質量，增加作業人員的可操作性。

4.1.2高效 在已研制使用的輻射屏蔽材料中，鉛是一種較好的輻射屏蔽材料，雖然增加鉛的比例可在一定程度上提高材料的吸收性能，但由于鉛的密度大，也降低了材料物理性能和使用性能，并且鉛回收會對環境造成一定的污染。因此，希望研制出具有優異輻射屏蔽性能的防護材料。

4.1.3質密 作業人員在接觸核輻射材料的過程中，某些有毒物質會從防護材料的縫隙、孔洞或其他缺陷處以非分子水平透過防護材料，從而使防護材料發生降解，導致一種或多種物理性能降低。因此，研制過程中要求核防護服質密，防護材料不得有孔隙、裂痕、氣泡等薄厚不勻；不得修補、拼接或有補丁的現象。

4.2 輕質核防護的研究進展

傳統的中子輻射防護材料，通常是將無機硼化物與聚合物物理共混制成復合材料或纖維，這類混合材料雖然具有一定的抗中子輻射性能，但是無機物與聚合物之間存在無法克服的相容性以及不易分散等缺點，并且當硼元素增加到一定量后材料的力學性能下降，從而使材料的屏蔽效能變差。

北京航空航天大學在前期研究的基礎上，采用有機雜化的方式，在聚酯PET和PBT分子鏈結構中引入含有多硼和多氫的有機硼氫籠型結構，制備出有機硼氫含量可控的聚酯纖維，賦予核輻射防護服輕質、屏蔽效率高等特點，大大改善了材料的中子屏蔽性能和機械性能[22-25]，具體合成路線如圖2和圖3所示；同時通過紡絲設備制備出含硼量可控的屏蔽纖維，具體如圖4所示。

圖2 含多硼多氫籠型結構的PET聚酯合成路線 Fig.2 Synthesis of PET-containing polyboron and polyhydrogen cage structure

圖3 含多硼多氫籠型結構的PBT聚酯合成路線 Fig.3 Synthesis of PBT-containing polyboron and polyhydrogen cage structure

圖4 含硼量的屏蔽纖維Fig.4 Shielding fiber containing boron

選擇252Cf為中子源，中子途經聚乙烯慢化層及直線通道(d=100 mm)，再經過樣品槽，最后被3He中子探測器檢測，由數據處理儀器得到中子穿過數目，檢測示意如圖5所示。采用該測試儀測得含硼聚酯PET和PBT的中子屏蔽性能見表2和表3。

圖5 熱中子屏蔽檢測示意Fig.5 Schematic diagram of thermal neutron shielding detection

Tab.2 Neutron shielding properties of PET-contai-ning boron

樣品硼質量分數/%中子透過率/%吸收截面/cm-1空白樣100PET099.81.9351# B-PET1.37599.62.7402# B-PET2.69298.83.8973# B-PET3.95397.75.7054# B-PET5.16396.68.696

注：薄膜厚度為0.02 mm。

表3 含硼聚酯PBT的中子屏蔽性能

Tab.3 Neutron shielding properties of PBT-contai-ning boron

樣品硼質量分數/%中子透過率/%吸收截面/cm-1空白樣100PBT099.50.4301# B-PBT2.36297.73.1242# B-PBT4.55397.46.7403# B-PBT6.59197.111.5604# B-PBT8.49196.617.0375# B-PBT10.26695.622.609

注：薄膜厚度為0.02 mm。

圖6為聚酯薄膜中硼元素質量與熱中子透過率的關系，以薄膜的厚度表征硼元素質量的增加。

圖6 硼質量與熱中子透過率的關系Fig.6 Relationship between boron mass and thermal neutron transmittance

由圖6可以看出，熱中子的透過率隨著聚酯中硼元素質量的增加而減弱，當薄膜厚度分別增大10倍和20倍，即薄膜厚度增大到0.2和0.4 mm時，熱中子透過率分別為58.7%和17.5%，由此可以說明薄膜具有良好的熱中子屏蔽效果。

陜西省紡織科學研究院與北京航空航天大學合作研究，計劃采用X/γ屏蔽層專用樹脂柔性涂料構建核心防護層，通過紡織技術配備特種面料外層和舒適里襯層，形成“三明治”夾心復合防護技術，從而實現輕質中子和X/γ射線防護功能集成方案，滿足防護服整體質量小于4 kg、而整體防護面積不小于0.5 m2的要求，熱中子屏蔽率達到50%；當γ射線能量為120 keV時，X/γ射線的防護能力不小于0.5 mmPb；整件防護服帶電電荷量不大于0.6 μC。

5 結語

目前，輻射防護用輕質紡織材料多采用物理混合的方法將防護功能體添加到高分子聚合物基體中。在共混過程中，隨著防護功能體的增加，材料的輻射防護性能增強，但是當防護功能體增加到一定量后，若進一步提高防護功能體的含量，則防護材料的質量和體積都會隨之增大，由于分子極性、密度差異和易團聚等問題使得材料的力學性能明顯下降，并且材料的輕質化、防護性能與其他性能難以兼顧，以至無法應用。而采用化學共混法將屏蔽功能體以化學鍵的形式引入聚合物中，能夠得到具有良好物理機械性能的本征性多種輻射防護材料。通過計算機模擬，計算中子和X/γ射線在材料中的通量，從而優化材料的厚度和功能體的含量，是一種全新的研究思路，具有廣闊的發展前景。