بخشی از مقاله
چکیده
هدف اصلی این کار طراحی حفاظی سبکتر برای پرتوهای گاما با استفاده از نانو کامپوزیت ها می باشد. نمونه های میکروئی و نانوئی که در این پروژه مورد استفاده قرار گرفته ترکیبی از میکرو و نانوذرات اکسید روی در زمینه پلیمر آکریل آمید است. نانوذرات در سه ترکیب درصد وزنی با ذرات اکسید روی تهیه شده است. میزان جذب، ضریب تضعیف خطی و جرمی نمونه ها نیز برای دو منبع 137Cs و60Co در دوحالت - در حضور و در نبود موازی ساز - اندازه گیری شدند. نتایج بدست آمده نشانگر این است که با اینکه در نانو کامپوزیت ها - با چگالی در حدود - 1 g/cm3 درصد کمی از نانوذرات ZnO وجود دارد اما ضریب تضعیف جرمی و خطی معادل حالت جثه ای ZnO - با چگالی در حدود 5/6 g/cm3 - دارند که بیانگر تأثیر سایز ذرات در تضعیف پرتوهای گاما است.
مقدمه
امروزه در جهان و از جمله در کشور ما استفاده از تکنولوژی هسته ای در زمینه های گوناگون صنعتی، کشاورزی و پزشکی، هر روز گسترش بیشتری می یابد. یکی از مهمترین مسائل در کاربرد فناوری هسته ای، حفاظت در برابر تابش های هسته ای می باشد تا از اثرات زیان آور زیست محیطی آنها جلوگیری شود. جهت حفاظت در برابر تابشهای هسته ای نافذ ممکن است از مواد گوناگونی نظیر بتن، سرب، گرافیت، آب استفاده شود. اندرکنش اشعه گاما با ماده بستگی به انرژی فوتون فرودی دارد.[1] ساختحفاظ کامل در مقابل فوتون هایی که بدون جرم و بار می باشند کار سختی است. ضریب تضعیف خطی بیانگر احتمال اندرکنش تابش با ماده در واحد طول مسیر می باشد.
این کمیت به انرژی فوتون فرودی، عدد اتمی و چگالی - - ماده حفاظ بستگی دارد.[2] تا به حال سرب، بتن و ترکیبات سربی به علت چگالی بالا و فراوانی نسبتاً زیاد به عنوان ماده متداول در حفاظ سازی بیشترین استفاده را داشته اند. تابش های یونساز توسط موادی با چگالی بالا همچون سرب و باریوم بهتر جذب می شوند. از حفاظ سربی بیشتر در محیط های تابشی رادیولوژی، برای حفاظت تکنسین هاو بیمارها در میدان های اشعه ایکس و پرتوهای یونساز پزشکی هسته ای استفاده می شود. متأسفانه با اینکه سرب در حفاظ بندی مؤثر است، اما این فلز سمی و دارای خواص مکانیکی ضعیف و وزن زیاد است.[4,3] به همین دلیل تحقیقات زیادی برای ساخت مواد جدیدی که معایب سرب را نداشته باشد انجام یافته است. مواد و کامپوزیت های مختلفی ساخته و مورد آزمایش قرار گرفته و ضریب تضعیف خطی و جرمی شان نیز اندازه گیری و محاسبه شده است.
نتایج بدست آمده نشانگر این است که مواد جدید هم از نظر اقتصادی و هم زیست محیطی در مقایسه با سرب بسیار مطلوبند. این روزها در بیشتر تحقیقات، اغلب از مواد کامپوزیتی با بستر های مختلفی از پلیمرها و ذرات با چگالی بالا ساخته می شوند. دلیل استفاده از پلیمرها، نقش مهم آنها در حفاظت اولیه و نهایی در برابر اشعه گاما می باشد.[6,5] در یک کار تحقیقاتی مک آلیستر از یک کامپوزیت که ترکیبی از پلیمر، پودر تنگستن و آهن به نام - - T-Flex ساخته است، استفاده کرده و اشعه گاما را با نسبت انرژی های مختلف مورد آزمایش قرار داده است. در این آزمایش ضریب تضعیف خطی توسط کد کامپیوتری X-COM مورد محاسبه قرار گرفته است.[7]
در آزمایش دیگری از کامپوزیت تنکستن کاربید - / - WC اتیلن ویلین آکیتات - - EVA به عنوان حفاظ در برابر اشعه گاما با سه انرژی مختلف و در فواصل مختلف مورد استفاده شده است.[8] بررسی دیگری توسط یک گروه ایرانی در دانشگاه امام حسین - ع - و دانشگاه آزاد اسلامی تهران انجام شده است. در این آزمایش از چهارمیزان درصد وزنی از سرب در بستر پلی آنیلی تهیه و استفاده شده است.[9] یک نمونه دیگر، بررسی میزان جذب اشعه گاما توسط نانو و میکرو ذرات تیتانیوم دی براید در زمینه برن کاربید و سیلیکون کاربید است. دلیل استفاده از این زمینه وجود مقدار زیاد برون کاربید در ابزار های هسته ای مانند راکتورها و حفاظ های نوترونی است.[10] در بررسی دیگری از نانو ذرات تنگستن در زمینه پلی اتیل گلیکول به عنوان ماده حفاظ پرتو گاما استفاده شده است.[11]
در این کار سه نمونه نانو کامپوزیت با بستر آکریل آمید و نانوذراتZnO با درصدهای متفاوت و یک نمونه میکروکامپوزیت تهیه و مورد آزمایش قرار گرفته است. درصد هرکدام از نمونه ها بر اساس نسبت جرم نانوذره بر جرم کل نانوکامپوزیت و میکروکامپوزیت حساب شده است.ابتدا مقدار حساب شده با وزن معینی از آکریل آمید داخل بشر ریخته و سپس به اندازه معینی به آن آب مقطر اضافه کردیم و توسط همزن تمام مونومر را داخل آب حل کردیم. سپس به اندازه لازم از نانوذره اکسید روی را دقیقاً وزن کرده و داخل محلول آکریل آمید ریخته و دوباره مقداری آب مقطر به آن اضافه کردیم. برای گرم کردن ماده به طور غیرمستقیم آنرا داخل ظرفی که دارای آب گرم بود، قرار داده و یک مگنت نیز داخل محلول در بشر قرار دادیم - در واقع مگنت وسیله ای است برای جلوگیری از رسوب نانوذره داخل محلول - . زمانی که دمای محلول به هشتاد درجه سانتی گراد رسید، مقدار ناچیزی ماده آغازگر پلیمریزاسیون به آن اضافه کردیم.
پس از مدت زمانی در حدود دو دقیقه فرآیند پلیمریزاسیون شروع می شود و زمانی که ماده ژل مانند شکل گرفت، قبل از سفت شدن، ماده مخلوط را داخل ظرفی ریخته و برای خشک شدن آنرا درونوِآن که دمای آن از قبل روی هشتاد درجه سانتی گراد تنظیم شده بود، به مدت دوازده ساعت قرار دادیم تا نانوکامپوزیت کاملاً خشک شود - در نمونه های با نانوذرات بیشتر لازم است تا مقدار آب مقطر بیشتری به آن اضافه شود - . پس از خشک شدن نمونه، آن را به وسیله خرد کنی برقی تا اندازه میکروسایز به صورت پودر درآوردیم. پس از آن با استفاده از دستگاه پرس چهل تنی از پودر، قرص هایی با مساحت یکسان 4/9cm2 و ضخامت کمتر از 1 cm ساختیم. شکل - - 1 و - 2 - نمایی از نانوکامپوزیت های %20 و 15% است، که نحوه پخش شدگی نانوذرات را درون پلیمر نشان می دهد. برخی ار مشخصات فیزیکی نمونه ها در جدول - 1 - نشان داده شده است.
روش تهیه مواد:
روش انجام آزمایش:
برای سنجش میزان تضعیف اشعه گاما توسط نمونه های تهیه شده و مقایسه آنها، آزمایشی به شرح زیر مطابق شکل - - 2 طراحی کردیم. میزان سهم شمارش زمینه را در حالت حفاظ بندی آشکارساز اندازه گیری کردیم. منظور از گذاشتن موازی سازها در آزمایش، ایجاد یک هندسه خطی و یک سو و حذف پرتوهای ناشی از پراکندگی است. در واقع موازی ساز اول برای ایجاد باریکه ای از پرتوهای گسیلی از چشمه و موازی ساز دوم برای حذف پرتوهای پراکنشی توسط نمونه ها استفاده می شود. فاصله چشمه گاما از آشکارساز در سرتاسر آزمایش و برای همه نمونه ها، برابر 8cm انتخاب شده و برای اندازه گیری ضریب کاهش از دو موازی ساز استفاده شده است. نمونه های تهیه شده را درست در مقابل روزنه و بین دو موازی ساز قرار می دهیم.نکته قابل توجه اینکه چگالی حجمی نمونه ها - مطابق جدول - - - 1 که از طریق اندازه گیری بدست آمده اند با چگالی نظری برای درصد های مختلف نمونه ها که به صورت رابطه - 1 - محاسبه می شود متفاوت اند.علت را دو عامل می توان در نظر گرفت:
- 1 یکی اینکه به هنگام تهیه خود ماده پلیمر حفره های میکروسکوپی هوا درون آن شکل می گیرد.
- 2 به هنگام تهیه و قالب گیری نمونه ها حفره های هوا بین ذرات پلیمر، نانوکامپوزیت و میکروکامپوزیت ایجاد شده است که باعث کاهش چگالی حجمی نمونه ها می شود.به همین دلیل با افزایش درصد، چگالی نیز افزایش نمی یابد.
