Ослабление гамма-излучения композиционными материалами с наночастицами Bi₂O₃

Цель – комплексная характеризация композиционных материалов c Bi₂O₃, предназначенных для радиационной защиты биологических объектов и компонентов электронного оборудования от гамма-излучения в диапазоне энергий до 662 кэВ.

Методы. Экспериментальные образцы композиционного материала цилиндрической формы изготовлены из эпоксидно-диановой смолы ЭД-20 с отвердителем ПЭПА c добавлением либо порошка Bi₂O₃, либо со смесью Bi₂O₃ и ZnO в равном молярном соотношении. Характеризация их проводилась методами атомно-силовой и сканирующей (растровой) электронной микроскопии, а также энергодисперсионного и рентгенофазового анализа. Сравнивалось ослабление гамма-излучения лабораторного источника ¹³⁷Сs мощностью до 10 мкЗв/ч по интенсивности скорости счёта модулей газоразрядных счетчиков Гейгера – Мюллера СБМ20-1, заключенных в оболочку из композиционного материала и без него.

Результаты. С применением наноинструментария и структурного анализа определен гранулометрический состав наполнителей и распределение их в эпоксидной матрице, а также структура наночастиц оксидов висмута и цинка. С помощью источника гамма-излучения определены линейный и массовый коэффициенты ослабления композиционного материала, а также слой половинного ослабления полученных покрытий.

Заключение. В композиционном поглотителе на основе либо порошка Bi₂O₃, либо со смесью Bi₂O₃ и ZnO в указанном диапазоне гамма-излучения задействованы два механизма взаимодействия: фотоэффект и комптоновское рассеивание. При использовании веб-базы данных XCOM: Photon Cross Sections Database для всех композиционных материалов с учётом их химической формулы и массового содержания оценены спектральные диапазоны основных механизмов ослабления. Поглощение за счёт проявления фотоэффекта для композиционных материалов преобладает вплоть до 400 кэВ. Максимум излучения источника ¹³⁷Cs приходится на энергию фотонов при 662 кэВ, при котором массовые коэффициенты образцов с наночастицами Bi₂O₃ и со смесью Bi₂O₃ и ZnO равны с точностью до 10% и обусловлены эффектом Комптона.

1. Control of structural parameters and thermal conductivity of BeO ceramics using heavy ion irradiation and post-radiation annealing / A.V. Trukhanov, A.L. Kozlovskiy, A.E. Ryskulov, V.V. Uglov, S.B. Kislitsin, M.V. Zdorovets [et al.] // Ceramics International. 2019. Vol. 45, no. 12. P. 15412-15416. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.05.039.

2. Gamma-ray attenuation properties of some heavy metal ferroalloys for potential applications / M. Büyükyıldız, S. Thakur, A. Levet, P. Kaur // Progress in Nuclear Energy. 2024. Vol. 176. P. 105382. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2024.105382.

3. Development of polymer composites in radiation shielding applications: a review / C. Zeng, Q. Kang, Z. Duan, B. Qin, X. Feng, H. Lu [et al.] // Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. 2023. Vol. 33. P. 2191-2239. https://doi.org/10.1007/s10904-023-02725-6.

4. Ihsani R.N., Gareso P.L., Tahir D. An overview of gamma radiation shielding: enhancements through polymer-lead (Pb) composite materials // Radiation Physics and Chemistry. 2024. Vol. 218. P. 111619. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2024.111619.

5. Salawu M.A., Gbolahan J.A., Alabi A.B. Assessment of radiation shielding properties of polymer-lead (II) oxide composites // Journal of the Nigerian Society of Physical Sciences. 2021. Vol. 3, no. 4. P. 423-428. https://doi.org/10.46481/jnsps.2021.249.

6. Armstrong J.T., Donovan J., Carpenter P. CALCZAF, TRYZAF and CITZAF: the use of multi-correction-algorithm programs for estimating uncertainties and improving quantitative X-ray analysis of difficult specimens // Microscopy and Microanalysis. 2013. Vol. 19, no. S2. P. 812–813.

7. Aygün H.H., Alma M.H Bismuth (III) oxide/polyethylene terephthalate nanocomposite fiber coated polyester spunbonds for ionizing radiation protection // Applied Physics A. 2020. Vol. 126, no. 9. P. 693. https://doi.org/10.1007/s00339-020-03880-0.

8. Gamma-ray protection properties of bismuth-silicate glasses against some diagnostic nuclear medicine radioisotopes: a comprehensive study / G. ALMisned, H.M.H. Zakaly, S.A.M. Issa, A. Ene, G. Kilic, O. Bawazeer [et al.] // Materials. 2021. Vol. 14, no. 21. P. 6668. https://doi.org/10.3390/ma14216668.

9. Bismuth modified gamma radiation shielding properties of titanium vanadium sodium tellurite glasses as a potent transparent radiation-resistant glass applications / M.H.M. Zaid, K.A. Matori, H.A.A. Sidek, I.R. Ibrahim // Nuclear Engineering and Technology. 2021. Vol. 53, no. 4. P. 1323-1330. https://doi.org/10.1016/j.net.2020.10.006.

10. Антибактериальные и физико-химические свойства наночастиц серебра и оксида цинка / Р.И. Довнар, С.М. Смотрин, С.С. Ануфрик, Т.Н. Соколова, С.Н. Анучин, Н.Н. Иоскевич // Журнал Гродненского государственного медицинского университета. 2022. Т. 20, №1. С. 98-107. https://doi.org/10.25298/2221-8785-2022-20-1-98-107.

11. Validation of a new and cost-effective method for mercury vapor removal based on silver nanoparticles coating on micro glassy balls / H. Shirkhanloo, M. Osanloo, M. Ghazaghi, H. Hassani // Atmospheric Pollution Research. 2017. Vol. 8, no. 2. P. 359-365. https://doi.org/10.1016/j.apr.2016.10.004.

12. An experimental investigation on combined effects of nano-WO3 and nano-Bi2O3 on the radiation shielding properties of magnetite concretes / I.M. Nikbin, M. Shad, G.A. Jafarzadeh, S. Dezhampanah // Progress in Nuclear Energy. 2019. Vol. 117. P. 103103. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2019.103103.

13. Comparative mechanical, self-healing, and gamma attenuation properties of PVA hydrogels containing either nano- or micro-sized Bi2O3 for use as gamma-shielding materials / P. Tiamduangtawan, C. Kamkaew, S. Kuntonwatchara, E. Wimolmala, K. Saenboonruang // Radiation Physics and Chemistry. 2020. Vol. 177. P. 109164. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2020.109164.

14. A study of gamma attenuation property of UHMWPE/Bi2O3 nanocomposites / A.H. Abdalsalam, M.I. Sayyed, T.A. Hussein, E. Şakar, M.H.A. Mhareb, B.C. Şakar [et al.] // Chemical Physics. 2019. Vol. 523. P. 92-98. https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2019.04.013.

15. Pavlenko V.I., Cherkashina N.I., Yastrebinsky R.N. Synthesis and radiation shielding properties of polyimide/Bi2O3 composites // Heliyon. 2019. Vol. 5, no. 5. P. e01703. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e01703.

16. Development of BaO–ZnO–B2O3 glasses as a radiation shielding material / N. Chanthima, J. Kaewkhao, P. Limkitjaroenporn, S. Tuscharoen, S. Kothan, M. Tungjai [et al.] // Radiation Physics and Chemistry. 2017. Vol. 137. P. 72-77. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2016.03.015.

17. Туласынова Н.Ю., Дьячковский М.Р. Экологическая безопасность строительных материалов в жилых и общественных зданиях поселка Нижний Бестях // Научно-исследовательские публикации. 2022. №4. С. 25–27.

18. Investigation of gamma radiation shielding characteristics of bismuth reinforced ternary composites in wide photon energy region / H.G. Özdemir, M.R. Kaçal, F. Akman, H. Polat, O. Agar // Radiation Physics and Chemistry. 2023. Vol. 208. P. 110924. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2023.110924.

19. Bismuth oxide films for X-ray shielding: effects of particle size and structural morphology / L. Yu, A.L.C. Pereira, D.N.H. Tran, A.M.C. Santos, D. Losic // Materials Chemistry and Physics. 2021. Vol. 260, no.15. P. 124084. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2020.124084.

20. Structural studies of α-Bi2O3 by neutron powder diffraction / S.A. Ivanov, R. Tellgren, H. Rundlo¨f, V.G. Orlov // Powder Diffraction. 2001. Vol. 16, no. 4. P. 227–230. https://doi.org/10.1154/1.1401200.

21. Synthesis of bismuth oxide nanoparticles at 100°C / M.M. Patil, V.V. Deshpande, S.R. Dhage, V. Ravi // Materials Letters. 2005. Vol. 59, no. 19-20. P. 2523–2525. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2005.03.037.

22. Bismuth oxide nanoparticles (Bi2O3 NPs) embedded into recycled- Poly(vinyl chloride) plastic sheets as a promising shielding material for gamma radiation / R.M. El-Sharkawy, F.S. Abdou, M.A. Gizawy, E.A. Allam, M.E. Mahmoud // Radiation Physics and Chemistry. 2023. Vol. 208. P. 110838. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2023.110838.