CN111554426B

CN111554426B - 一种硬x射线和光电子屏蔽复合材料

Info

Publication number: CN111554426B
Application number: CN202010419641.6A
Authority: CN
Inventors: 朱小锋; 刘珉强; 赵洪超; 许献国; 周开明; 王艳
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2020-05-18
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2040-05-18
Also published as: CN111554426A

Abstract

本发明公开了一种硬X射线和光电子屏蔽复合材料，包括X射线屏蔽层和光电子屏蔽层，所述X射线屏蔽层的双面或单面设置光电子屏蔽层，所述X射线屏蔽层采用高Z材料制成，所述光电子屏蔽层采用低Z材料制成。本发明采用高Z材料和低Z材料组成的层叠型功能复合材料，不仅能够有效屏蔽X射线，又能对光电子进行有效屏蔽，减少光电子对电子设备的影响，解决了现有硬X射线屏蔽的屏蔽性能较差的问题。

Description

一种硬X射线和光电子屏蔽复合材料

技术领域

本发明涉及硬X射线屏蔽技术领域，具体涉及一种硬X射线和光电子屏蔽复合材料。

背景技术

X射线辐射环境对电子器件和系统造成电离损伤，会造成电子线路功能失效而导致整个系统瘫痪。因此，需要X射线屏蔽材料对X射线进行屏蔽以降低电子器件和系统的电离损伤。

现有的X射线屏蔽材料主要采用高原子序数金属材料(高Z金属材料)，如采用铅、含钨材料等进行抗硬X射线屏蔽以降低在系统中器件上的电离总剂量。

但是现有X射线屏蔽材料在一定重量限制下屏蔽效率较差，同时X射线透过金属屏蔽材料时将产生大量光电子，在电子设备内部产生系统电磁脉冲(SGEMP)，仍可能导致电子系统工作失效或损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硬X射线和光电子屏蔽复合材料，解决现有硬X射线屏蔽的屏蔽性能较差的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种硬X射线和光电子屏蔽复合材料，包括X射线屏蔽层和光电子屏蔽层，所述X射线屏蔽层的双面或单面设置光电子屏蔽层，所述X射线屏蔽层采用高Z材料制成，所述光电子屏蔽层采用低Z材料制成。

本发明所述高Z材料为高原子序数材料，所述低Z材料为低原子序数材料，所述双面、单面具体是指与射线穿透方向垂直的面，其中，双面为2个对称面。

本发明所述X射线屏蔽层能够对X射线进行高效屏蔽，所述光电子屏蔽层能够对光电子进行有效屏蔽，因此，本发明采用X射线屏蔽层和光电子屏蔽层的层叠型功能复合材料，既能对X射线进行高效屏蔽，又能对光电子进行有效屏蔽，可应用于电子系统结构屏蔽、封装屏蔽等领域。

其中，本发明的X射线屏蔽层采用高Z材料制成、光电子屏蔽层采用低Z材料制成，其原理是利用X射线与物质作用时，光电吸收截面具有共振吸收特性，即在物质原子的K、L壳层的结合能量点处有较大的光电吸收截面，原子序数愈高的物质对X射线的吸收截面就相对越大，吸收作用就越强，而低原子序数材料有较强的电子阻止能力，且光电吸收截面小，产生光电子数量少。

综上，本发明采用高Z材料和低Z材料组成的层叠型功能复合材料，不仅能够有效屏蔽X射线，又能对光电子进行有效屏蔽，减少光电子对电子设备的影响，解决了现有硬X射线屏蔽的屏蔽性能较差的问题。

申请人利用蒙特卡罗方法研究了可伐、铝钨、铁合金、钽合金对X射线的屏蔽效果，结果表明在面密度相同条件下，对100KeV以下能量X射线，钽钨合金屏蔽X射线效果最好，面密度为0.5g/cm²的TaW屏蔽效能为86％，不同材料的屏蔽效能如图2所示。面密度为0.85g/cm²的TaW合金屏蔽效能为97％，对钨含量的增加屏蔽效果增加不明显，但会增加钽钨合金密度，当钨质量分数为10％～12％时，在密度增加不大情况下，屏蔽效果达到最佳，对40KeV能量X射线的屏蔽效能为99％，对60KeV能量X射线的屏蔽效能为94％。

理想的电子屏蔽材料应满足与光子作用截面小，电子射程小。对于低Z材料的设计选取氮化硼(B₄C)、氮化硼(BN)、氧化铍(BeO)和氧化铝(Al₂O₃)的电子射程和光子反应截面进行了数值计算与分析，几种材料光子作用截面见图3所示；从图3可以看出氮化硼(B₄C)的光子作用截面最小，所产生光电子最少，其次是氮化硼(BN)和氧化铍(BeO)；图4为几种低Z材料的电子射程，从图中可以看出B₄C的射程最小，Al₂O₃最大，氮化硼(BN)和氧化铍(BeO)居于之间，因此B4C的电子阻止能力强，其次是氮化硼(BN)和氧化铍(BeO)，即便100keV的电子，4种材料对应的射程也不超过100μm。

进一步地，高Z材料为TaW合金，低Z材料为B₄C。

申请人通过对多种高Z材料和低Z材料进行理论计算及试验验证，获得最优屏蔽效果材料组合为TaW合金和B₄C，TaW合金和B₄C的组合能够同时兼顾工程应用的热力学要求。

参考理论计算结果，设计了实验样件，并通过实验模拟，对样件的性能进行了实验测量和验证。实验样件高Z材料选面密度为0.85g/cm²的TaW合金、AlW、可伐、钨材料，低Z材料厚度分别为100μm、200μm、300μmB₄C材料。图5为TaW合金和B₄C复合材料截面形貌；在稳态X射线源上，测量不同能量X射线的透过率如图6所示，钽钨合金的屏蔽效能大于94％。在瞬态X射线源上对复合屏蔽材料进行了抑制光电子发射效率试验，测量结果为90％以上。

通过研究表明：以TaW合金材料和B₄C设计的复合屏蔽材料对100KeV以下能量段X射线及次生光电子有很好的屏蔽作用。面密度为0.85g/cm²的TaW合金屏蔽效能为94％以上，100μm厚度的B₄C材料对次生光电子发射数量屏蔽效果达到90％以上。该技术在有效降低电子器件、模块及系统受X射线电离辐射损伤的同时，对次生光电子进行有效屏蔽，进而大幅减小系统内SGEMP效应强度。

综上，TaW合金和B₄C复合材料为最优组合。

进一步地，X射线屏蔽层的厚度为0.3mm～1mm，所述光电子屏蔽层的厚度为50μm～200μm。

X射线屏蔽层的厚度是材料面密度与体密度的比值，材料组分一定，其体密度就是定值，材料的屏蔽性能通常是在某一个相同面密度条件进行比较，即屏蔽相同面积增加的重量相同条件下比较屏蔽效能的大小。

以TaW12合金为例，W占12％，材料体密度是17g/cm³，面密度0.85g/cm²÷体密度17g/cm³＝厚度0.5mm；面密度0.51g/cm²÷体密度17g/cm³＝厚度0.3mm，厚度为0.3mm～0.5mm屏蔽效果在90％以上，再增加厚度屏蔽效果增长趋于平缓，实际应用需在屏蔽增重和屏蔽效果、实现工艺间综合考虑，从增材制造可实现工艺条件来看厚度太薄容易开裂变形。

在TaW基体上做B₄C喷涂，理论上是越厚越好，实际实验结果是100μm屏蔽91％电子、200μm屏蔽率93％、300μm屏蔽率94％，厚度的增加屏蔽效果变化不大，但实际应用中厚度增加了一两倍，重量就增加了一两倍，实际应用中希望在较小的增重条件下达到更好屏蔽效果，即效费比高。另外从B₄C与TaW基体的结合力实验看，B₄C越薄结合力才越强，实验测试结果50μm厚度B₄C与TaW结合力是35MPa，150μm厚度B₄C与TaW结合力是18MPa。实际应用中结合力是需要考虑的问题。从图4可以看出，即便100keV的电子，4种材料对应的射程也不超过100μm，因此对于能量在100keV以下的电子，选取100μm屏蔽效果为90％满足需求和增重，50μm的厚度下限，满足70％以上屏蔽效果，同时喷涂工艺便于实现。

进一步地，TaW合金中W的质量分数为0％～12％，Ta的质量分数为88％～100％。

进一步地，TaW合金中W的质量分数为10％～12％，Ta的质量分数为88％～90％。

TaW合金W的质量分数为10％-12％，主要是在满足屏蔽效率的同时，需考虑材料力学性能，随着W比例的再增加，材料的力学性能会降低。

进一步地，TaW合金的热导率为47～52W/(m×K)，热膨胀系数为4～6×10^-6/K，抗拉强度R_m大于800Mpa，屈服强度R_p0.2大于800Mpa，伸长率A大于8％。

进一步地，B₄C的热导率为0.68～0.9W/(m×K)，热膨胀系数为3.56×10^-6/K(0～100℃)。

进一步地，TaW合金采用增材制造技术制备。

采用增材制造技术的效费比更高，例如：采用基于增材制造TaW合金比采用传统粉末冶金的TaW合金材料效费比更高，加工成本更低，效率更高，力学性能更好。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明采用高Z材料和低Z材料组成的层叠型功能复合材料，不仅能够有效屏蔽X射线，又能对光电子进行有效屏蔽，减少光电子对电子设备的影响，解决了现有硬X射线屏蔽的屏蔽性能较差的问题。

2、本发明采用TaW合金和B₄C复合材料，具有最好的屏蔽效果，且与AlW材料相比力学性能更优。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为实施例1所述屏蔽复合材料的示意图；

图2为不同钽合金和铁合金质量分数屏蔽效能理论计算图；

图3为不同低Z材料的光子作用截面示意图；

图4为不同低Z材料的电子射程示意图；

图5实施例2所述屏蔽复合材料的截面形貌图；

图6为不同高Z材料的透过率测量结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，一种硬X射线和光电子屏蔽复合材料，包括X射线屏蔽层和光电子屏蔽层，所述X射线屏蔽层的单面设置光电子屏蔽层，所述X射线屏蔽层采用TaW合金制成，所述光电子屏蔽层采用B₄C制成，所述TaW合金的厚度为0.3mm，所述B₄C的厚度为50μm，其中，TaW合金W的质量分数为10％，Ta的质量分数为90％。

本实施例中，所述TaW合金的面密度为0.5061g/cm²，体密度为16.87g/cm³,热导率为47W/(m×K)，热膨胀系数为5×10^-6/K，抗拉强度R_m 830MPa，屈服强度R_p0.2 840MPa，伸长率A为10％；所述B₄C的热导率为0.68～0.9W/(m×K)，热膨胀系数为3.56×10^-6/K(0～100℃)

本实施例的屏蔽的效果：

0.3mmTaW10屏蔽能量为60KeV的X射线85％，屏蔽40KeV的X射线99％；50μmB₄C屏蔽100KeV以下光电子70％。

实施例2：

本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：

所述TaW合金的厚度为0.5mm，所述B₄C的厚度为100μm。

本实施例中，所述TaW合金的面密度为0.8435g/cm²，体密度为16.87g/cm³，热导率为47W/(m×K)，热膨胀系数为5×10^-6/K，抗拉强度R_m830MPa，屈服强度R_p0.2840MPa，伸长率A为10％；所述B₄C的热导率为0.68～0.9W/(m×K)，热膨胀系数为3.56×10^-6/K(0～100℃)。

本实施例的屏蔽复合材料的截面形貌图如图5所示。

本实施例的屏蔽的效果：

0.5mmTaW10屏蔽能量为60KeV的X射线94％，屏蔽40KeV的X射线99％；100μmB₄C屏蔽100KeV以下光电子91％。

实施例3：

本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：

所述TaW合金的厚度为0.4mm，所述B₄C的厚度为80μm。

本实施例中，所述TaW合金的面密度为0.6748g/cm²的，体密度为16.87g/cm³，热导率为47W/(m×K)，热膨胀系数为5×10^-6/K，抗拉强度R_m830MPa，屈服强度R_p0.2840MPa，伸长率A为10％；所述B₄C的热导率为0.68～0.9W/(m×K)，热膨胀系数为3.56×10^-6/K(0～100℃)

本实施例的屏蔽的效果：

0.4mmTaW10屏蔽能量为60KeV的X射线90％，屏蔽40KeV的X射线99％；80μmB₄C屏蔽100KeV以下光电子85％。

实施例4：

本实施例基于实施例2，与实施例2的区别在于：

TaW合金W的质量分数为12％，Ta的质量分数为88％。

本实施例中，所述TaW合金的面密度为0.85g/cm²的，体密度为17g/cm³,热导率为52W/(m×K)，热膨胀系数为4×10^-6/K，抗拉强度R_m 810MPa，屈服强度R_p0.2 820MPa，伸长率A为8％；所述B₄C的热导率为0.68～0.9W/(m×K)，热膨胀系数为3.56×10^-6/K(0～100℃)

本实施例的屏蔽的效果：

0.5mmTaW12屏蔽能量为60KeV的X射线97％，屏蔽40KeV的X射线99％；100μmB₄C屏蔽100KeV以下光电子91％。

实施例5：

本实施例基于实施例2，与实施例2的区别在于：

TaW合金W的质量分数为5％，Ta的质量分数为95％。

本实施例中，所述TaW合金的面密度为0.8355g/cm²，体密度为16.71g/cm³，热导率为47W/(m×K)，热膨胀系数为5.5×10^-6/K，抗拉强度R_m835MPa，屈服强度R_p0.2848MPa，伸长率A为16％；所述B₄C的热导率为0.68～0.9W/(m×K)，热膨胀系数为3.56×10^-6/K(0～100℃)。

本实施例的屏蔽的效果：

0.5mmTaW5屏蔽能量为60KeV的X射线93％，屏蔽40KeV的X射线99％；100μmB₄C屏蔽100KeV以下光电子91％。

实施例6：

本实施例基于实施例2，与实施例2的区别在于：

TaW合金W的质量分数为1％，Ta的质量分数为99％。

本实施例中，所述TaW合金的面密度为0.8325g/cm²，体密度为16.65g/cm³，热导率为47W/(m×K)，热膨胀系数为6×10^-6/K，抗拉强度R_m845MPa，屈服强度R_p0.2853MPa，伸长率A为20％；所述B₄C的热导率为0.68～0.9W/(m×K)，热膨胀系数为3.56×10^-6/K(0～100℃)。

本实施例的屏蔽的效果：

0.5mmTaW1屏蔽能量为60KeV的X射线93％，屏蔽40KeV的X射线99％；100μmB₄C屏蔽100KeV以下光电子91％。

实施例7：

本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：

所述TaW合金的厚度为1mm，所述B₄C的厚度为200μm。

本实施例中，所述TaW合金的面密度为1.687g/cm²，体密度为16.87g/cm³,热导率为47W/(m×K)，热膨胀系数为5×10^-6/K，抗拉强度R_m 830MPa，屈服强度R_p0.2 840MPa，伸长率A为10％；所述B₄C的热导率为0.68～0.9W/(m×K)，热膨胀系数为3.56×10^-6/K(0～100℃)

本实施例的屏蔽的效果：

1mmTaW10屏蔽能量为60KeV的X射线97％，屏蔽40KeV的X射线99％；200μmB₄C屏蔽100KeV以下光电子93％。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种硬X射线和光电子屏蔽复合材料，其特征在于，包括X射线屏蔽层和光电子屏蔽层，所述X射线屏蔽层的双面或单面设置光电子屏蔽层，所述X射线屏蔽层采用高Z材料制成，所述光电子屏蔽层采用低Z材料制成；所述高Z材料为TaW合金，低Z材料为B₄C；所述TaW合金采用增材制造技术制备；所述TaW合金的热导率为47～52W/(m×K)，热膨胀系数为4～6×10^-6/K，抗拉强度R_m大于800Mpa，屈服强度R_p0.2大于800Mpa，伸长率A大于8%。

2.根据权利要求1所述的一种硬X射线和光电子屏蔽复合材料，其特征在于，所述X射线屏蔽层的厚度为0.3mm～1mm，所述光电子屏蔽层的厚度为50μm～200μm。

3.根据权利要求2所述的一种硬X射线和光电子屏蔽复合材料，其特征在于，所述X射线屏蔽层的厚度为0.5mm，所述光电子屏蔽层的厚度为100μm。

4.根据权利要求1所述的一种硬X射线和光电子屏蔽复合材料，其特征在于，所述TaW合金中W的质量分数为0%～12％，Ta的质量分数为88%～100%。

5.根据权利要求4所述的一种硬X射线和光电子屏蔽复合材料，其特征在于，所述TaW合金中W的质量分数为10～12％，Ta的质量分数为88～90%。

6.根据权利要求1所述的一种硬X射线和光电子屏蔽复合材料，其特征在于，所述B₄C的热导率为0.68～0.9W/(m×K)，热膨胀系数为3.56×10^-6/K（0～100℃）。