بررسی اثر غلظت نانو ذرات اکسید روی (ZnO) در پلی‌اتیلن بر روی ضریب عبور حفاظ پرتوهای گامای حاصل از چشمه‌های 241Amو 137Cs

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده فیزیک و مهندسی هسته‌ای، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، سمنان، ایران

چکیده

اخیراً در بین پژوهشگران تلاش برای ساخت حفاظ‌های غیر سربی به دلیل وزن پایین و غیر سمی بودن آن اهمیت پیدا کرده است. در این پژوهش تلاش کردیم تا با ساخت حفاظ‌های نانوکامپوزیتی به دلیل سبکی، قیمت مناسب و غیر سمی بودن آن، جایگزینی مناسب برای حفاظ‌های سربی قرار دهیم. در این راستا ابتدا پلیمر پلی‌اتیلن با چگالی( g/cm3923/0) (LDPE) با حلال زایلین به صورت محلول ذوب کرده و پس از تبخیر کامل حلال در دمای محیط، پلی‌اتیلن را به صورت پودر به دست آوردیم. سپس به روش مخلوط سازی با غلظت‌های مختلف درصد وزنی نانوذرات اکسید روی در دو حالت جرم و حجم ثابت ترکیب کردیم. سپس با دستگاه پرس تحت فشار, قرص هایی با ابعاد مختلف ساختیم. قرص های ساخته شده را در معرض دو چشمه‌ی 241Am MeV) 059/0) و 137Cs (MeV 662/0) قرار دادیم. سپس با آشکارساز سوسوزن NaI(Tl)، شدت پرتوهای فرودی را اندازه‎‌گیری کردیم. با استفاده از داده‌های XCOM ضریب تضعیف خطی کل µƖ, HVL وMFP را به روش تحلیلی به دست ‌آوردیم. نتایج همخوانی خوبی بین داده‌های XCOM و تجربی نشان می‌دهد. همچنین نتایج داده‌های محاسبه شده تجربی و تئوری نشان می‌دهد, نانوذرات اکسیدروی با داشتن عدد اتمی و چگالی کمتر از سرب برای انرژی‌های پایین‌تر می‌تواند عملکرد حفاظتی مناسبی را از خود نشان دهد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigation of the Effect of ZnO Nano particle Concentration in Polyethylene on the Gamma-Ray Transmission Coefficient from 241Am and 137Cs Sources

نویسندگان [English]

  • Somaye Salari
  • Hussain Tavakoli Anbaran
Faculty of Physics and Nuclear Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Semnan, Iran
چکیده [English]

In recent years, increasing attention has been paid to the development of lead-free shielding materials due to the high density and toxicity of lead. In this study, polyethylene-based nanocomposite shields were fabricated using ZnO nanoparticles, taking advantage of their light weight, low cost, and non-toxic nature as potential alternatives to lead shields. Low-density polyethylene (LDPE) with a density of 0.923 g/cm³ was first dissolved in xylene, and after complete solvent evaporation at room temperature, powdered polyethylene was obtained. ZnO nanoparticles were added in various weight concentrations under two different conditions: fixed mass and fixed volume. The mixtures were compressed into discs using a hydraulic press. These discs were then exposed to two gamma-ray sources: 241Am (0/059 MeV) and 137Cs (0/662 MeV). The incident gamma-ray intensity was measured using a NaI(Tl) scintillation detector. The linear attenuation coefficient (μ), half-value layer (HVL), and mean free path (MFP) were also analytically calculated using XCOM database. The results showed good agreement between theoretical (XCOM) and experimental values. It was also observed that ZnO nanoparticles, due to their relatively high atomic number and lower density compared to lead, offer promising shielding performance, particularly at lower photon energies.

کلیدواژه‌ها [English]

  • radiation shielding
  • gamma rays
  • nanocomposite
  • polyethylene
  • ZnO nanoparticles

مراجع

  1. H. Al-Ghamdi, E. A. Allam, N. A. M. Alsaif, N. Alfryyan, Y. S. Rammah, I. M. Nabil, M. E. Mahmoud, R. M. El-Sharkawy. Sustainable wastewater sludge@bimetallic cadmium-MOFs and nano-copper oxide as a promising shielding composite for gamma rays: Experimental and simulation investigations. Mater. Sci. Eng.: B 308 (2024) 117609.
  2. S. Harris, M. D. Chan, J. F Lovato, T. L. Ellis, S. B. Tatter, J. D. Bourland, M. T. Munley, A. F. deGuzman, E. G. Shaw, J. J. Urbanic, K. P. McMullen. Gamma knife stereotactic radiosurgery as salvage therapy after failure of whole-brain radiotherapy in patients with small-cell lung cancer. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 83(1) (2012) e53–e59.
  3. P. Vaz. Radiological protection, safety and security issues in the industrial and medical applications of radiation sources. Radiat. Phys. Chem. 116 (2015) 48–55.
  4. X. B. Wang, C. N. Wang, Y. C. Zhang, T. T. Liu, J. P. Lv, X. Shen, M. R. Guo. Effects of gamma radiation on microbial, physicochemical, and structural properties of whey protein model system. J. Dairy Sci. 101 (6) (2018) 4879-4890.
  5. V. Parvaneh. Fabrication of polymer/CNTs nanocomposites using a spray method for improvement of their mechanical properties. PhD Thesis, Shahrood University of Technology (2016) P. 3.
  6. S. Y. Fu, X. Q. Feng, B. Lauke, Y. W. Mai. Effects of particle size, particle/matrix interface adhesion and particle loading on mechanical properties of particulate–polymer composites. Composites Part B: Eng. 39 (2008) 933-961.
  7. M. M. Mourad, T. Sharshar, F. Elhussiny, M. R. Berber, Y. Abdou, H. M. Badran, Structural, morphological, thermal, mechanical, positron annihilation, and γ-ray shielding studies of nano-tungsten oxide/polyvinyl alcohol composites. Chem. Phys. 580 (2024) 112239.
  8. P. Mehnati, R. Malekzadeh, M. Yousefi-Sooteh, F. Yazdansetad. Comparison of X-ray dose reduction capability of bismuth micro- and nanocomposite shields using chest CT test. J. Radiat. Safety Measurement 7 (3) (2019) 35–40.
  9. M. Alshipli, T. A. Altaim, M. W. Aladailah, A.A. Oglat, S. A. Alsenany, O. L. Tashlykov, S. M. F. Abdelaliem, M. W. Marashdeh, R. Banat, D. O. Pyltsova, E. V. Kuvshinova, R. A. Gaowgzeh. High-density polyethylene with ZnO and TiO2 nanoparticle filler: Computational and experimental studies of radiation-protective characteristics of polymers. J. Radiat. Res. Appl. Sci. 16 (2023) 100720.
  10. K. G. Mahmoud, O. L. Tashlykov, S. Praveenkumar, M. I. Sayyed, S. Hashim. Synthesis of a new epoxy resin reinforced by ZnO nanoparticles for γ-ray shielding purposes: Experimental and Monte Carlo simulation assesments. Radiat. Phys. Chem. 208 (2023) 110938.
  11. M. Dejangah, M. Ghojavand, R. Poursalehi, R. Gholipour Peyvandi. Study of gamma radiation protection properties of silicon rubber-bismuth oxide nanocomposites: Synthesis, characterization and simulation. J. Radiat. Safety Measurement 5 (4) (2016) 37-46.
  12. M. Z. Botelho, R. Künzel, E. Okuno, R. S. Levenhagen, T. Basegio, C. P. Bergmann. X-ray transmission through nanostructured and microstructured CuO materials. Appl. Radiat. Isot. 69 (2) (2011) 527-530.
  13. R. A. Elsad, K. A. Mahmoud, Y. S. Rammah, A. S. Abouhaswa. Fabrication, structural, optical, and dielectric properties of PVC-PbO nanocomposites, as well as their gamma-ray shielding capability. Radiat. Phys. Chem. 189 (2021) 109753.
  14. M. Nasrabadi, H. Tavakoli-Anbaran, E. Ebrahimibasab. Investigation of nano MgO loaded polyvinyl chloride polymer in protective clothing as a nonlead materials. Heliyon 10 (2024) e32711.
  15. M. M. Mourad, Y. Abdou, M. R. Berber, F. Elhussiny. Using nano tungsten oxide polymer composite as a gamma radiation shielding. Delta J. Sci. (2021) 126-132.
  16. N. A. Kawady, M. Elkattan, M. Salah, A. A. Galhoum. Fabrication, characterization, and gamma ray shielding properties of PVA-based polymer nanocomposite. J. Mater. Sci. 57 (2022) 11046-11061.
  17. S. Choudhar. Structural, morphological, thermal, dielectric, and electrical properties of alumina nanoparticles filled PVA–PVP blend matrix-based polymer nanocomposites. Polymer Composites 39 (S3) (2018) E1788-E1799.
  18. A. M. El-Khatib, T. I. Shalaby, A. Antar, M. Elsafi. Improving Gamma Ray Shielding Behaviors of Polypropylene Using PbO Nanoparticles: An Experimental Study. Materials 15 (11) (2022) 3908.
  19. O. L. Tashlykov, I. I. Milman, M. W. Aladailah, I. A. Bessonov, S. V. Chalpanov, V. Yu Yarkov, D. O. Pyltsova, E. V. Kuvshinova, K. A. Mahmoud. An extensive experimental study on the role of micro-size pozzolana in enhancing the gamma-ray shielding properties of high-density polyethylene. Radiat. Phys. Chem. 212 (2023) 111079.
  20. H. Alavian, H. Tavakkoli Anbaran, Investigation of the effect of detector type on the  estimation of gamma-ray buildup factors using Monte Carlo simulation with variance reduction. J. Radiat. Safety Measurement  7 (4) (2018) 65-79.
  21. A. Rasouli, H. Tavakkoli Anbaran. Study the location and the direction of detector in order to minimize the gamma-rays buildup factor. J. Radiat. Safety Measurement 15 (2016) 1-10.
  22. G. F. Knoll. Radiation Detection and Measurement (4th ed.). John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, 2010.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار