[发明专利]辐射屏蔽结构

说明书

在本说明书中所引用的所有出版物、专利和专利申请均据此全文以引用方式并入。

技术领域

本发明涉及包含块体凝固型无定形合金的辐射屏蔽和影响结构，以及制备近似网状形式的辐射屏蔽结构和组件的方法。

背景技术

辐射屏蔽(有时称为辐射防护和放射防护)是一门保护人类和环境免受电离辐射(其包括粒子辐射和高能电磁辐射两者)的有害影响的科学。电离辐射广泛应用于工业和医学领域中，但其显示出显著的健康危害。其导致活组织的微观损伤，从而在高暴露时引起皮肤灼伤和辐射病，并且在低暴露时引起在统计学上增高的患上癌症、肿瘤及遭受遗传损伤的风险。在实施过程中，辐射屏蔽包括采用以下的其他方式影响辐射的传播：散射、准直、聚焦、重新定向或封装。

据辩称，由于不同辐射类型以独特的方式与凝聚物质(固体材料)相互作用，因此制备简单的辐射屏蔽结构将非常困难。不同类型的电离辐射以不同方式发挥作用，因此必须使用不同的屏蔽技术。粒子辐射包括带电或中性粒子流，所述带电或中性粒子包括带电离子和亚原子基本粒子两者。这包括太阳风、宇宙辐射以及核反应堆中的中子流。α粒子(氦核)的穿透性最弱。即使能量非常高的α粒子也能够被单张纸阻挡。β粒子(电子)的穿透性较强，但仍可被几毫米的铝吸收。然而，在发射高能β粒子的情况下，必须用低密度材料如塑料、木材、水或丙烯酸玻璃(树脂玻璃，Lucite)来实现屏蔽。这用于减少轫致X射线辐射的生成。在β+辐射(正电子)的情况下，来自电子-正电子湮没反应的γ辐射引起额外的关注。

中子辐射不像带电粒子辐射那样容易被吸收，这使得该类辐射具备高穿透性。中子在核反应中被原子核吸收。该现象在很多时候会产生二次辐射危害，因为吸收核变形成下一个更重的同位素，而这些同位素中的很多是不稳定的。宇宙辐射不受到普遍关注，因为地球的大气会将其吸收并且磁层充当其屏障，但是它对卫星和宇航员而言会造成问题，并且飞行常客也会承受轻微的风险。宇宙辐射具备极高的能量，并且穿透性很强。电磁辐射包括电磁波的发射，其中电磁波的特性取决于波长。X射线和γ辐射被具有重核的原子最佳地吸收；核越重，吸收就越好。在一些特殊应用中，使用了贫铀，但铅要常见得多；通常需要数厘米的厚度。在一些应用中还使用了硫酸钡。然而，当成本至关重要时，可以使用几乎所有的材料，但该材料必须厚得多。大多数核反应堆使用厚混凝土屏蔽来构建生物防护罩，该生物防护罩在内部具有铅的薄水冷层以保护多孔混凝土免受内部冷却剂侵蚀。混凝土还使用诸如重晶石的重骨料来制备，以有助于强化混凝土的屏蔽特性。紫外线(UV)辐射是电离辐射，但其不具备穿透性，因此其可通过诸如防晒剂、衣服和护目镜等薄的不透明层来屏蔽。防护紫外线比防护上述其他形式的辐射更简单，因此通常将其独立地考虑。在一些情况下，当辐射与屏蔽材料相互作用并产生更容易吸收进有机体中的二次辐射时，不恰当的屏蔽可能实际上使情况变得更糟。

来自放射性同位素或放射性核素的辐射通常由在核衰变过程中发射的高能粒子或射线组成。此类辐射通常不包括非电离辐射(诸如无线电-微波、可见光、红外光或紫外光)。然而，来自自发的核衰变机制的辐射可产生α粒子、β粒子、γ射线、高能X射线、中子、高速电子、高速质子及其他粒子，这些粒子能够产生离子。在这些发射中，γ辐射和高能X射线辐射是生物有机体、灵敏电子设备等所接触的最常见形式的有害辐射(无论该辐射是人造的还是自然发生的)，因此在最常见的情况下，需要独特且有效的屏蔽解决方案。

众所周知，针对γ射线和高能X射线的原子屏蔽机制的有效性取决于屏蔽材料的原子序数和密度。具有较高原子序数的更为致密的屏蔽材料是用于高能X射线和γ射线的较好屏蔽材料。例如，铅比元素周期表中大致80％的元素重，并具有高原子序数；因此，铅是大多数辐射屏蔽结构所使用的主要材料。尽管存在具有更高密度的其他元素，诸如钽和钨，但由于铅容易获得、便于制造且具有更低的成本，因此选择铅。

在过去，高能(电离)辐射屏蔽结构通常已经是大尺寸结构，诸如可用于容纳辐射源的建筑物和大型容器。因而，除材料应具备屏蔽辐射的一般有效性之外，还没有对材料的结构特性提出严格要求。因此，混凝土和铅已经是用于构造此类大型结构的合格材料。