一種中子屏蔽材料及其製作方法
2023-05-16 19:41:26 4
專利名稱：一種中子屏蔽材料及其製作方法
技術領域：
本發明屬於中子防護領域，涉及一種中子屏蔽材料及其製作方法，針對從快中子到熱中子的寬能區中子屏蔽。
背景技術：
中子是組成原子核的核子之一，不帶電荷，在與物質發生相互作用時不受原子電場的影響，而直接與原子核發生相互作用，故其與X射線、Y射線相比具有更強的穿透性。 中子在核能、核武器、材料探傷、測井、活化分析等方面都有著巨大的作用，在國防、工業生產中都佔有重要的地位。但是由於中子的強穿透性，使其對人體、環境、儀器設備等產生很強的輻射損傷，威脅生命安全和儀器的正常工作，所以對中子進行良好地屏蔽是使中子正常為人類服務的必要手段。對中子的屏蔽一般通過輕元素慢化快中子至較低能量，再使用硼、鋰、鎘等材料進行吸收，以達到減低屏蔽體外中子劑量至安全水平的目的。傳統的中子屏蔽材料包括含硼聚乙烯(參考文獻朱廣寧等.西安脈衝堆中子照相屏蔽體.原子能科學技術，Vol. 40，No. 5s印.2006)、含硼水泥、鎢合金(參考文獻吳文聖.中子γ測井儀的中子屏蔽研究.核電子學與探測技術，Vol. 24，No. 1 Jan. 2004)等，新開發的如硼氫化鋯(Zr(BH4)4)和氫化鋯(ZrH2)(參考文獻:T. Hayashi, Journal of Nuclear Materials 386-388 (2009) 119-121)等，這些材料對中子有較好的屏蔽效果，但存在成本高、成型速度慢、工藝複雜等問題。隨著中子應用的發展，不同場合對中子屏蔽材料提出了不同的要求。
發明內容
本發明的目的是提供一種中子屏蔽材料及其製作方法，主要針對小型加速器中子源、同位素中子源等；綜合成本和屏蔽效果，本發明能夠對現有的中子屏蔽材料起到很好的補充作用，傳統的屏蔽材料加工周期較長，本發明由於較快的成型速度能夠應對突發情況， 如核洩漏的前期封堵；在屏蔽材料體積不是主要考慮因素的情況下，本發明可以作為含硼聚乙烯的替代品，大大降低屏蔽成本；本發明同時提供該屏蔽材料的製備方法。本發明的技術方案為一種中子屏蔽材料，其特徵在於包括硼砂、水玻璃、氟矽酸鈉；其中，所述硼砂、水玻璃、氟矽酸鈉的重量份數的配比為100 m η ;m取值為50 70，η取值為5 15。—種中子屏蔽材料的製作方法，其步驟為1)取設定份數硼砂、氟矽酸鈉混合物和水玻璃；其中，所述硼砂、水玻璃、氟矽酸鈉的重量份數的配比為100 m η ;m取值為50 70，η取值為5 15 ；2)將水玻璃加水稀釋後，加入到硼砂和氟矽酸鈉混合物中攪拌均勻；3)將攪拌均勻的混合物加入壓制模具中，擠壓成型後脫模。進一步的，所述水玻璃與水按照1 10 1 15的重量份數的配比進行稀釋。進一步的，所述水玻璃與水按照1 10的重量份數的配比進行稀釋。
進一步的，所述硼砂、水玻璃、氟矽酸鈉的重量份數的配比為100 60 6。本發明針對中子的特徵，屏蔽材料中應富含中子減速劑和吸收劑，故本發明的材料包括硼砂、水玻璃和少量氟矽酸鈉固化劑。所述的屏蔽材料為硼砂、水玻璃、氟矽酸鈉按照100 m η的重量份數的配比進行混合，其中水玻璃的份數在50份到70份可調，份數越少，粘合能力越差，機械強度差，反之粘合能力越強，機械強度大，但是硼砂相對含量下降，影響熱中子吸收；固化劑的份數在5到15份可調整，影響材料的成型速度。硼砂和水玻璃為常用的化工和建築材料，來源廣泛，成本低，操作簡便。使用時根據需要選擇水玻璃和固化劑的配比，對於機械強度要求高的場合適當提高水玻璃和固化劑的份數。成型材料中含有大量結晶水和自由水，對快中子有較好的減速能力(硼砂為Na2B4O7 · IOH2O,含有大量的結晶水；水玻璃固化提供自由水和部分結晶水，硼砂和水玻璃中的氫元素都能對快中子起到很好的慢化作用)；硼砂中的硼元素對減速後的熱中子有極強的吸收能力。本發明的材料對中子的屏蔽略遜於含硼聚乙烯，但是在價格和加工難度上都比含硼聚乙烯有優勢。與現有技術相比，本發明的積極效果為本發明的有益之處在於所提供的材料具有較好的中子屏蔽能力，並有一定的機械強度，成型速度隨固化劑量在一定範圍內可控，工藝簡單，成本低廉。通過快中子成像的方式對所發明的材料進行了中子屏蔽能力測試，對比材料為 1釐米厚度的含硼聚乙烯、環氧樹脂硼砂混合物1(質量比為35 100)、環氧樹脂硼砂混合物2(質量比為40 100)以及本發明所述的材料(硼砂、水玻璃、固化劑質量比為 100 60 6)；附圖1為Icm厚度的四種材料對中子的屏蔽結果示意，橫軸為材料，縱軸為屏蔽能力(以含硼聚乙烯的屏蔽能力為1，進行歸一化處理)。
圖1為Icm厚度的四種材料對中子的屏蔽結果示意；圖2為本發明製作方法流程圖。
具體實施例方式如圖2所示，為本發明的屏蔽材料的製作方法實施例一1按照100 50的份數取硼砂和氟矽酸鈉混合物混合；其中，硼砂、水玻璃、氟矽酸鈉的重量份數的配比為100 50 5；2將水玻璃加水稀釋，水的比例為水玻璃質量的十分之一到十五分之一。較大的水比例利於攪拌，但是會降低粘合性能，選擇1 10的稀釋比例為較優的平衡點。3將稀釋後的水玻璃緩慢加入硼砂和氟矽酸鈉混合物，並迅速攪拌均勻。4將攪拌均勻的混合物加入壓制模具中，擠壓成型，脫模後使用。所述屏蔽材料初步凝結時間為5-30分鐘(隨固化劑量有所不同)，完全固化時間約6-Μ小時，固化溫度為室溫。實施例二1按照100 60的份數取硼砂和氟矽酸鈉混合物混合；其中，硼砂、水玻璃、氟矽酸鈉的重量份數的配比為100 60 6 ；
2將水玻璃加水稀釋，水的比例為水玻璃質量的十二分之一。較大的水比例利於攪拌，但是會降低粘合性能。3將稀釋後的水玻璃緩慢加入硼砂和氟矽酸鈉混合物，並迅速攪拌均勻。4將攪拌均勻的混合物加入壓制模具中，擠壓成型，脫模後使用。所述屏蔽材料初步凝結時間為5-30分鐘(隨固化劑量有所不同)，完全固化時間約6-M小時，固化溫度為室溫。實施例三1按照100 70的份數取硼砂和氟矽酸鈉混合物混合；其中，硼砂、水玻璃、氟矽酸鈉的重量份數的配比為100 70 15；2將水玻璃加水稀釋，水的比例為水玻璃質量的十五分之一。3將稀釋後的水玻璃緩慢加入硼砂和氟矽酸鈉混合物，並迅速攪拌均勻。4將攪拌均勻的混合物加入壓制模具中，擠壓成型，脫模後使用。所述屏蔽材料初步凝結時間為5-30分鐘(隨固化劑量有所不同)，完全固化時間約6-M小時，固化溫度為室溫。
權利要求
1.一種中子屏蔽材料，其特徵在於包括硼砂、水玻璃、氟矽酸鈉；其中，所述硼砂、水玻璃、氟矽酸鈉的重量份數的配比為100 m η ;m取值為50 70，η取值為5 15。
2.如權利要求1所述的中子屏蔽材料，其特徵在於所述水玻璃與水按照1 10 1 15的重量份數的配比進行稀釋。
3.如權利要求2所述的中子屏蔽材料，其特徵在於所述水玻璃與水按照1 10的重量份數的配比進行稀釋。
4.如權利要求1或2或3所述的中子屏蔽材料，其特徵在於所述硼砂、水玻璃、氟矽酸鈉的重量份數的配比為100 60 6。
5.一種中子屏蔽材料的製作方法，其步驟為1)取設定份數硼砂、氟矽酸鈉混合物和水玻璃；其中，所述硼砂、水玻璃、氟矽酸鈉的重量份數的配比為100 m η ;m取值為50 70，η取值為5 15;2)將水玻璃加水稀釋後，加入到硼砂和氟矽酸鈉混合物中攪拌均勻；3)將攪拌均勻的混合物加入壓制模具中，擠壓成型後脫模。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於所述水玻璃與水按照1 10 1 15的重量份數的配比進行稀釋。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於所述水玻璃與水按照1 10的重量份數的配比進行稀釋。
8.如權利要求5或6或7所述的方法，其特徵在於所述硼砂、水玻璃、氟矽酸鈉的重量份數的配比為100 60 6。
全文摘要
本發明公開了一種中子屏蔽材料及其製作方法，屬於中子防護領域。本發明的中子屏蔽材料包括硼砂、水玻璃、氟矽酸鈉；其中，硼砂、水玻璃、氟矽酸鈉的重量份數的配比為100∶m∶n；m取值為50～70，n取值為5～15。本發明的方法為1)取設定份數硼砂、氟矽酸鈉混合物和水玻璃；其中，所述硼砂、水玻璃、氟矽酸鈉的重量份數的配比為100∶m∶n；m取值為50～70，n取值為5～15；2)將水玻璃加水稀釋後，加入到硼砂和氟矽酸鈉混合物中攪拌均勻；3)將攪拌均勻的混合物加入壓制模具中，擠壓成型後脫模。本發明所提供的材料具有較好的中子屏蔽能力，並有一定的機械強度，成型速度可控，工藝簡單，成本低廉。
文檔編號B28B1/14GK102214490SQ20111010573
公開日2011年10月12日 申請日期2011年4月26日 優先權日2011年4月26日
發明者唐國有, 李航, 溫偉偉, 王勝, 鄒宇斌 申請人:北京大學