钨合金在伽马射线辐射吸收方面的卓越性能，源于其原子结构、高密度和与辐射相互作用的机制，以及合金化优化的效果。这一能力根植于钨的原子结构，并通过其与辐射的相互作用进一步提升。让我们深入探讨其背后的科学原理。
- 高原子序数（Z）和电子密度 钨的原子序数为74，这意味着其原子核中包含74个质子，周围环绕着密集的电子云。伽马辐射——高能电磁波——主要通过三种过程与物质相互作用：光电效应、康普顿散射和对产生。所有这三种过程都与原子序数（Z）成比例，因此钨在这些方面相较于轻元素具有巨大优势。
- 光电效应：在较低伽马能量（例如，<0.5 MeV）下占主导地位，该过程涉及光子将其所有能量转移给内层电子，后者被弹出。光电效应的概率大致与Z的五次方（Z^5）成正比，因此钨（Z=74）吸收的光子比铅（Z=82，但密度较小）或钢（Fe，Z=26）要多得多。
- 康普顿散射：在中等能量（例如，0.5-3 MeV，常见于Co-60或Ir-192）下，光子与外层电子发生散射，损失部分能量。钨的高电子密度——与其原子序数和物理密度相关——意味着更多的散射事件，从而更快地耗散光子的能量。
- 对产生：当光子能量超过1.022 MeV时，光子在原子核附近转化为电子-正电子对。这一过程与Z的平方（Z^2）成正比，再次有利于钨的重核。 较高的Z值意味着单位体积内更多的相互作用，因此钨比低Z材料更有效地阻止伽马射线。
- 极高的物理密度 钨的密度（纯钨为19.25 g/cm³，钨合金如W-Ni-Fe为17-19 g/cm³）增强了其辐射吸收能力。密度反映了原子如何紧密堆积，更多的原子每立方厘米意味着伽马射线有更多的目标可以撞击。相比之下：
- 铅：11.34 g/cm³
- 钢：约7.8 g/cm³
- 钨合金：约18 g/cm³
这种高密度转化为更高的线性衰减系数（μ），这是衡量辐射强度在穿透材料时下降的速度的指标。辐射强度公式 I = I₀e^(-μx) （其中 I₀ 是初始强度，x 是厚度，I 是透过强度）显示，较大的μ能更快速地减少I。对于Co-60伽马射线（1.17-1.33 MeV），钨的μ约为0.7-0.8 cm⁻¹，而铅为0.55 cm⁻¹，使得钨的半值层（HVL，强度减半的厚度）为9-10毫米，而铅为12.5毫米。
- 合金化的实用性 纯钨虽然具有出色的辐射吸收性能，但脆且加工困难，因此通常采用含镍、铁或铜的合金（例如95W-3.5Ni-1.5Fe）。这些合金稍微降低了密度，但仍保持钨的大部分吸收能力，同时增加了延展性和加工性。这种折衷几乎可以忽略不计：95%的钨合金由于其较高的有效Z和密度，仍远超铅的性能。
- 相互作用效率的实际应用 让我们通过一些数字来说明这一点。对于1 MeV的伽马射线：
- 钨合金（18 g/cm³，有效Z约为70）：HVL ≈ 9.5 mm
- 铅（11.34 g/cm³，Z=82）：HVL ≈ 12 mm
- 混凝土（2.4 g/cm³，有效Z约为20）：HVL ≈ 60 mm
要使辐射强度减少90%（即1/10，约3.3个半值层），所需的厚度为：
- 钨：约31 mm
- 铅：约40 mm
- 混凝土：约200 mm
钨的优势显而易见：它能够以较薄的厚度实现相同的屏蔽效果，得益于其更为密集、电子更为丰富的结构。
- 二次辐射管理 当伽马射线与物质相互作用时，会产生二次辐射——例如散射光子或电子跃迁产生的X射线。钨的高吸收效率通过直接捕获更多的能量，最大限度地减少了这些二次辐射。钨的密度还帮助将散射辐射困在材料内部，减少了相比于低密度材料的泄漏。
- 能量依赖性 随着伽马能量的增加，钨的优势愈加明显。在较低能量（<0.5 MeV）下，铅的略高Z赋予其光电效应的优势，但随着能量的增加（例如1-5 MeV，常见于核源或工业源），康普顿散射和对产生占主导地位，而钨的密度则发挥了重要作用。对于铯-137（0.662 MeV）或钴-60（平均1.25 MeV）等源，钨始终表现优异，使其成为理想的伽马源屏蔽材料。
- 热和结构优势 尽管这与辐射吸收无关，钨的高熔点和强度（通过合金化增强）确保它能够在辐射引起的热量或机械应力下保持稳定——这对于长时间保持屏蔽完整性至关重要，尤其是在源容器或储存罐中。
实际中的物理应用
假设一个100 Ci的铱-192源（0.2-1.4 MeV）被放置在一个钨合金容器中。一个25毫米厚的壁可以将表面剂量率从数千mSv/h降低到1米处的0.02 mSv/h以下——对于工作人员来说是安全的。这一切都得益于钨的高Z、高密度和高效的能量转移能力，使得这种效果可以在最小体积下实现。
====================================================================
钨钼制品客制化研发与生产
中钨智造科技有限公司及中钨在线科技有限公司在钨制品行业长期耕耘近30年，专业从事钨钼制品柔性定制全球服务，是全球范围内具有较高知名度和信誉度的钨钼设计、研发、生产、整体解决方案集成商。
中钨智造/中钨在线主要产品包括：氧化钨产品，如APT/WO3等钨酸盐；钨粉和碳化钨粉；钨丝、钨球、钨条、钨电极等钨金属制品；高比重合金制品，如飞镖杆、渔坠子、车用钨曲轴配重、手机、钟表的振子、放射性医疗设备钨合金屏蔽材料等；用于电子电器的钨银、钨铜制品。硬质合金产品包括切、割、磨、削、铣、钻、刨等切削工具、耐磨零件、喷嘴、球体、防滑钉、模具、结构零件、密封件、轴承、耐高压高温腔体、顶锤等各类标准和客制化高硬度、高强度、耐强酸碱高性能产品。钼制品包括氧化钼、钼粉、钼及合金烧结材料、钼坩锅、钼舟、TZM、TZC、钼丝、、钼加热带、钼流口、钼铜、钼钨合金、钼溅射靶材、蓝宝石单晶炉部件等。
更多高比重钨合金产品信息, 请访问网站: tungsten-alloy.com
如对相关产品感兴趣，欢迎与我们联系：
邮箱: sales@chinatungsten.com
电话: 0592 5129696 / 0592 5129595
