بخشی از مقاله
چکیده:
از نانوکامپوزیتهای بر پایه پلیمر میتوان حفاظهای سبک و انعطافپذیر طراحی نمود. در این پژوهش، از کد MCNPX به منظور طراحی نانوکامپوزیت شامل نانومیلههای هسته/پوستهی سرب اکسید-آلومینیوم اکسید که در بستر پلیاستر توزیع شدهاند استفاده شد. اثر قطر نانومیلههای سرب اکسید، ضخامت پوستهی آلومینیوم اکسید و انرژی فوتون فرودی بر میزان تضعیف پرتوهای الکترون و گاما بررسی شد. نتایج نشان میدهد وجود پوستهی آلومینیوم اکسید با ضخامت 10 nm بر روی سطح نانومیلههای سرب اکسید با قطر 100 nm، میزان تضعیف الکترونها و فوتونهای با انرژی 0/1 MeV به ترتیب تا 1/5 و 2 برابر افزایش داده است. در تمام نمونهها با کاهش انرژی پرتو فرودی، میزان تضعیف افزایش یافته است.
مقدمه:
گسترش روزافزون کاربرد پرتوهای یونساز در امور مختلف پزشکی، صنایع و کشاورزی به حدی است که وجود آن در زندگی روزمره احساس میشود .[1] از طرفی کار کردن با پرتوهای ایکس و مواد پرتوزا، سبب سوختگی یا بی ست و چهارمین کنفرانس هسته ای اریان 2 و 3 اسفندماه- دااگشنه اصفهان 3:1276 آسیبهای دیگری همچون سرطان، ضایعات وراثتی، مشکلات گوارشی و طاسی سر میشود. سه روش متداول کاهش زمان پرتوگیری، افزایش فاصله از چشمه پرتوزا و بهکار بردن حفاظ مناسب میتواند خطرات پرتوگیری را به حداقل رساند.
واضح است هر چه مدت زمان حضور در میدان پرتو کمتر و فاصله از چشمه پرتوزا بیشتر باشد پرتوگیری کاهش خواهد یافت. استفاده از حفاظ مناسب بین منبع پرتوزا و فرد باعث کاهش پرتوگیری میشود و حتی در بعضی از موارد تنها راه عملی برای کاهش پرتوگیری است .[2] با توجه به نوع پرتو یونیزان، از عناصر مختلفی برای ساخت حفاظ استفاده میشود. سرب و آلومینیوم از عناصر مرسومی هستند که برای تضعیف پرتوهای یونیزان در ساختار مادهی حفاظ به کار برده که در طبیعت به وفور یافت میشوند.
سرب به دلیل جرم اتمی بالا، انعطافپذیری، ارزان بودن، مقاوم در برابر خوردگی و فراوانی در طبیعت، مادهای مناسب برای حفاظ پرتوهای ایکس و گاماست. آلومینیوم یکی از مؤثرترین عناصر برای تضعیف پرتو الکترون است. تاکنون تحقیقات زیادی برای استفاده از این عناصر در ساخت مادهی حفاظ انجام شده است. یکی از حوزههایی که اخیراً مورد توجه محققان قرار گرفته، استفاده از نانومواد به عنوان حفاظ برای تضعیف و حذف پرتوهای هستهای است. بر طبق گزارشها، نانومواد به دلیل داشتن نسبت سطح به حجم بالا، توانایی جذب فوتون بیشتر را دارند.
از نانومواد یا میکرومواد پخش شده در بستر پلیمر میتوان به منظور طراحی حفاظهای سبک و انعطافپذیر برای پرتوهای یونساز استفاده کرد. به دلیل شکلدهی و طراحی ماده با هندسه خاص، سادگی روشهای تولید و امکان تولید اشکال بسیار پیچیده با روشهای آسان میتوان از آنها برای طراحی حفاظهای مؤثر برای پرتوهای مربوط به صنعت خاص استفاده کرد. در نانوکامپوزیتها علاوه بر بستر پلیمر، نانومواد به عنوان مواد پرکننده نیز میتوانند نقش تضعیفکننده پرتوهای یونساز را داشته باشند.
تاکنون پژوهشهای کمی برای ساخت و طراحی نانوکامپوزیتها به عنوان حفاظ پرتوهای یونیزان انجام شده است. کیم1 و همکارانش از نانوذرات تنگستن کپسوله شده در پلیاتیلن در بستر پلیمر برای ساخت حفاظ پرتوهای یونیزان استفاده کردند. برطبق نتایج شبیهسازی با کد MCNPX، بیشترین اثر میرایی پرتوهای با انرژی 0/1 MeV مربوط به میکروذرات تنگستن - 100 ʽm - نسبت به نانوذرات تنگستن - 100 nm - است که این نتیجه با کار تجربی مغایرت دارد.
زیرا نانوذرات در همین انرژی، 75 درصد بیشتر از میکروذرات تضعیف دارند .[5] کالکارنی2 و همکارانش در سال 2014 نانوکامپوزیتهای بر پایهی اکسیدهای فلزی مختلف مانند آهن اکسید، روی اکسید، سیلیکا، زیرکونیوم دیاکسید و تیتانیوم دیاکسید، در بستر پلیمر پلیوینیلالکل به عنوان ماده محافظ امواج الکترومغناطیسی3، ارائه دادند. آنها نانوکامپوزیتهای لایهای با ضخامت حدود 0/5 mm با درصدهای مختلف از نانوذرات اکسید فلزی 0/1 - ، 0/5، 1، 5 و 10 درصد - استفاده کردند.
نتایج نشان میدهد نانوکامپوزیتهای شامل 10 درصد وزنی از نانوذرات سیلیکا و آهن اکسید نسبت به دیگر بی ست و چهارمین کنفرانس هسته ای اریان 2 و 3 اسفندماه- دااگشنه اصفهان 3:1276 نانوذرات اکسید فلزی تضعیف بیشتری را نشان داده است. این نانوذرات دارای پایداری حرارتی و خواص مکانیکی بالاتر نسبت به سایر نانوذرات اکسید فلزی هستند .[6]
در این پژوهش، برای ساخت مادهی محافظ سبک و انعطافپذیر که بتواند همزمان پرتوهای گاما، ایکس، الکترون و پرتوهای ثانویهای که از سرب خارج میشود را تضعیف کند، ساختار نانومیلهی هسته/پوستهی سرب اکسید-آلومینیوم اکسید که در بستر پلیمر پخش شدهاند در نظر گرفته شده است. در این مقاله، برای اولین بار ساختار نانوکامپوزیت شامل نانومیلههای هسته/پوستهی سرب اکسید-آلومینیوم اکسید پخش شده در زمینهی پلیاستر با کد MCNPX شبیهسازی و اثر قطر نانومیلهی سرب اکسید، ضخامت پوستهی آلومینیوم اکسید و انرژی فوتون فرودی بر میزان پرتوهای گاما و الکترون بررسی شد.
روش کار:
کد MCNPX، یکی از کدهای محاسبات هستهای است که براساس روش مونت کارلو کار میکند. از جمله کاربردهای این کد طراحی حفاظ، آشکارسازها و محاسبات دزیمتری در پرتوپزشکی است. در این کد هر چه هندسه تعریف شده به شکل واقعی نزدیکتر باشد، به نتایج مطلوبتری خواهیم رسید. با توجه به هدف این پژوهش یعنی تضعیف پرتو گاما و الکترون، تالی مورد استفاده F1 که تعداد ذرات خروجی را محاسبه میکند، است.
در این تحقیق، کبالت 60 با دو انرژی 1/17 MeV و 1/33 MeV به عنوان چشمهی سطحی پرتو در فاصلهی 1 cm از حفاظ در نظر گرفته شد. نانوکامپوزیت شامل نانومیلههای هسته/پوستهی سرب اکسید-آلومینیوم اکسید پخش شده در بستر پلیاستر به عنوان لایه محافظ استفاده شد. ضخامت کل لایه 1 mm و با طول و عرض 1 cm در نظر گرفته شد. اندازهگیریها - تعداد ذرات خروجی - برروی مرز بعد از لایه نانوکامپوزیت انجام شد.
در تمام مراحل، طول نانومیلهها 100 nm در نظرگرفته شده است. اثر قطر نانومیلههای سرب اکسید 25 - ، 50، 75 و - 100 nm و ضخامت نانوآلومینیوم اکسید بر میزان تضعیف بررسی و در نهایت اثر انرژی چشمهی نقطهای فوتونی و الکترونی با انرژیهای 0/1، 0/3، 0/5، 1، 2، 3، 4 و 5 MeV بر میزان تضعیف محاسبه شد. در این حالت بهینهی انرژی و بهینهی ساختار حفاظ، به عنوان بیشترین میزان تضعیف تعیین شد.
نتایج و بحث:
در شکل 1 طرحوارهای از ساختار نانوکامپوزیت نشان داده شده است. در این ساختار، نانومیلههای هسته/پوستهی سرب اکسید-آلومینیوم اکسید با طول 100 nm به عنوان مادهی تضعیفکننده در زمینهی پلیاستر با طول و عرض 1 cm و ضخامت 1 mmتوزیع شدهاند. چشمهی کبالت در فاصلهی 1 cm از حفاظ قرار دارد.
