CC BY
12
УДК 621.039.58:537.531:62
РЕНТГЕНОЗАХИСН1 ВЛАСТИВОСТ1 Г1ПСОВОГО В'ЯЖУЧОГО З Р1ДКОЗЕМЕЛЬНИМ НАПОВНЮВАЧЕМ
К. С. Голов, астрант, Ю. В. Мисовець, л1кар вищ. категорИ' 1нститут геотехмчног мехашки ¡м. М. С. Полякова НАН Украгни, м. Днтропетровськ
Забезпечення вимог радiацiйного захисту шляхом застосування певних матерiалiв i3 прагненням надати im бшьшо! компактносп з одночасним зменшенням товщини захисного шару неминуче веде до зростання !х маси через необхiднiсть використання вiдносно важких нaповнювaчiв. I навпаки, збереження певного рiвня рaдiaцiйного захисту при одночасному зниженш щiльностi мaтерiaлу веде до збшьшення товщини захисного шару мaтерiaлу.
Така взaeмодiя мiж рiвнем рaдiaцiйного захисту, товщиною та масою захисного шару мaтерiaлу виходить з основоположного закону класично! фiзики - закону Бугера, зпдно з яким послаблення вузького пучка квaнтiв шаром мaтерiaлу товщиною х вiдбувaeться за експоненщальною зaлежнiстю:
I _ 10 • e~mx, (1)
де I та Iо - вщповщно iнтенсивнiсть випромшювання, яке пройшло через шар речовини товщиною х (см), та штенсившсть падаючого випромiнювaння, квант/с; ß - лшшний коефiцieнт послаблення, см-1;
Чим вища щiльнiсть рaдiaцiйно-зaхисного (РЗ) наповнювача, тим вищий його лшшний коефщент послаблення. Так, наприклад, при щшьносп свинцю 11,34 г/см3 його лшшний коефщент послаблення при енергп квaнтiв, що дорiвнюe 100 кеВ, складае 62,0 см-1. У той же час вольфрам, при щшьносп 18,7 г/см3, мае лшшний коефщент послаблення при цш же енергп 81,5 см-1.
З виразу (1) величина коефщента послаблення k дорiвнюе:
k _ 10 = eßx, (2)
I
звiдки товщина шару x дорiвнюе:
_ lnk
ß ' (3)
З цього виходить, що при забезпеченш постшного рiвня захисту (k _ const) зменшення товщини х захисного шару РЗ мaтерiaлу неминуче пов'язане зi збiльшенням лiнiйного
коефщента послаблення, а значить, зi збшьшенням щiльностi наповнювача (отже, i зi
зростанням його маси). Та навпаки, збереження певного рiвня рaдiaцiйного захисту (k _ const)
при зниженш щшьносп наповнювача (а значить, i зниження його лшшного коефiцiентa
послаблення ß) неминуче веде до збшьшення товщини х захисного шару мaтерiaлу.
Подолання цього протирiччя можливе тiльки шляхом створення РЗ мaтерiaлiв нового
поколiння, яю забезпечують феноменально високi РЗ властивосп при одночасно невисокому вмiстi металовмюного РЗ наповнювача та при знижених товщинi та мaсi РЗ мaтерiaлу в цiлому. Цiлком зрозумiло, що таких показниюв у РЗ мaтерiaлiв можна досягти тiльки всупереч закону Бугера.
1нтенсивний пошук i розробка шновацшних технологiй створення РЗ мaтерiaлiв нового поколiння розпочався з вщкриття невiдомого рaнiше явища аномально! змши iнтенсивностi потоку квaнтiв проникаючого випромшювання моно- i багатоелементними середовищами [1]. Проте численш спроби безпосередньо реaлiзувaти на прaктицi можливостi вiдкритого явища засвщчили, що це пов'язано з необхщшстю освоення так званих високих технологш, якi до
тепершнього часу ще недостатньо вивченi i являють собою доволi серйозну перешкоду на шляху отримання надiйних результат навiть у лабораторних умовах. Однак на сьогодшшнш день накопиченими результатами наукових дослiджень переконливо доведено, що введення полiдисперсних металовмiсних РЗ наповнювачiв у рiзнi матричнi матерiали забезпечуе прояв в останнiх синергетичного ефекту. Зокрема, введення згаданих, наприклад, вольфрамових РЗ наповнювачiв типу «Протектор» i «Конгломерат» в матричнi матерiали вщповщно у виглядi гiпсу i силшатно! маси забезпечуе аномально високе шдвищення РЗ властивостей i не при збшьшенш, а навпаки - при зменшенш концентраци РЗ наповнювача [2]. Аналопчний ефект виявлений i при модифшуванш полiмерних матриць РЗ наповнювачем у виглядi складного ОРЗЕ [3].
Проте отримаш результати поки що не реалiзованi на промисловому рiвнi, оскiльки не вдаеться адаптувати феноменальш результати лабораторних дослiджень, отриманi на основi використання високих технологiй, до умов промислового виробництва. Вихiд iз ще! ситуаци очевидний - накопичення результатiв системних дослiджень технологiчних параметрiв РЗ модифiкування, якi спрямованi на досягнення згаданого вище сенергетичного ефекту.
У межах системного шдходу до розв'язання ще! проблеми найбiльш привабливим матричним матерiалом слiд вважати будiвельне гiпсове в'яжуче, ефективне радiацiйно-захисне модифшування якого дозволить вирiшити вельми актуальне питання, а саме - забезпечити Укра1ну разгалуженою номенклатурою будiвельних РЗ виробiв i, в першу чергу, медичного спрямування, якi зараз у переважнш бiльшостi iмпортуються з-за кордону.
При цьому як металовмюний полщисперсний наповнювач доцiльно застосувати складний окис рщкоземельних елементiв (ОРЗЕ), оскiльки вш мае певнi переваги порiвнянно з шшими елементами таблицi Менделеева, яю використовують при виконаннi завдань захисту вщ рентгенiвського та гамма-випромiнювань (табл. 1).
Таблиця 1
Пор1вняльна характеристика РЗ елемент!в
Елемент X Р, г/см Переваги Недолiки
Свинець (РЬ) 8 2 11,3 Токсичний; невеликий строк служби; велика вага i жорстюсть свинецьумiсних матерiалiв
Складний ОРЗЕ, в тому числi: Лантан (Ьа) Церiй (Се) Празеодим (Рг) Неодим (№/) 5 7 5 8 5 9 6 0 6.76 6,70 6,78 6.77 7,00 Можливють вилучення з техногенних родовищ Украши
Гафнiй (И/) 7 2 13,2 нешкiдливий дорогий
Вольфрам (Ж) 7 4 19,3 нешюдливий дорогий; дефщитний
Барiй (Ва) 5 6 3,51 нешкiдливий дефiцитний
Складний ОРЗЕ церiевоl групи вщ лантану до неодиму забезпечуе «розтягнутий» максимум поглинання рентгешвського випромiнювання у дiапазонi (40 ^ 44) кеВ за рахунок рiзницi в енерги зв'язку електронiв А"-оболонок окремих елементiв. Окрiм цього, порiвняно зi свинцем, вольфрамом та гафшем складний ОРЗЕ мае кращу сумюшсть iз гiпсовим в'яжучим через його бшьш наближену до нього густину (табл. 1).
Метою дано! роботи е дослiдження впливу концентраци РЗ-наповнювача у виглядi складного ОРЗЕ у матричному матерiалi у виглядi будiвельного гiпсового в'яжучого на рентгенозахисш властивостi останнього.
Робота виконувалася вiдповiдно до Закону Верховно! Ради «Про захист людини вiд впливу юшзуючого випромшювання». Один i3 пунктов цього Закону передбачае необхiднiсть використання засобiв iндивiдуального та колективного захисту людей вщ впливу iонiзуючого випромшювання.
Для дослiдження РЗ властивостей було виготовлено 12 гшсових зразюв i3 шiстьма сходинами в кожному (висотою в межах вiд 6 до 20 мм) та з концентращею складного ОРЗЕ у них (мас. %) з певним кроком у дiапазонi (9 39) %.
Для опромшювання зразюв був використаний рентгешвський апарат типу «РУМ» iз дiагностичним рентгенiвським випромiнювачем типу «РИД-2-2» за ТУ 25-06.910-76, який мае рентгешвську трубку «2,5-50 БД21-150». Кожний зразок пiддавався рентгенiвському опромшюванню при дев'яти режимах у дiапазонi вiд 40 до 125 кВ. Пщ час опромiнювання РЗ матерiалiв змiнювалась тiльки прискорювальна напруга U0 . Вщповщно до прискорювально! напруги U0 змiнювалася i енергiя квантiв гальмiвного випромшювання Wt , максимум iнтенсивностi яких мютиться у безперервному спектрi, а !х енергiя приблизно вiдповiдае
2
спiввiдношенню Wj = —-U0. Виходячи з того, що вироби медичного призначення, якi
застосовуються в рентгенiвськiй дiагностицi, тестують при прискорювальнiй напрузi U 0 = 100 кВ, в умовах експерименту нами була використана саме ця величина прискорювально! напруги. Решта параметрiв режиму тестування зразюв була така: середня енергiя квантов WT = 67 кеВ, кшьюсть електрики i = 25 мА-с, час експонування t = 0,32 с та фокусна вщстань дорiвнювала R = 1,0 м.
Використовуючи негативи зображень усiх дванадцяти сходинних зразкiв, виконали денситометричну оцiнку оптично! щiльностi негативiв порiвняно з вщповщною оптичною щiльнiстю негативiв сходинок свинцевого клина (табл. 2). Для денситометр^ рентгешвських знiмкiв було використано сканувальне обладнання з люмiнесцентною лампою з холодним катодом EPSON Perfection V700 Photo, завдяки якому були отримаш електронш варiанти негативiв рентгенiвсько!' плiвки. Обробку плiвки виконували з використанням програмного забезпечення Adobe Photoshop CS3 Extended. Це дозволило одержати об'ективш значення свинцевих еквiвалентiв, яким вщповщають РЗ властивостi модифiкованого гiпсового в'яжучого при рiзних товщина його шару та рiзнi iнтенсивностi рентгенiвського випромшювання залежно вiд концентраци складного ОРЗЕ.
Таблиця 2
Негативи рентгетвськог плгвки \з зображенням 12 зразкгв, отриманих при U0 = 100 кВ та Wt = 67 кеВ
Результати денситометрично1 ощнки у виглядi вщповщних свинцевих еквiвалентiв наведенi в таблиц 3. Слiд звернути увагу на те, що при певнiй концентрацп можливо побачити рiзке зростання захисних властивостей наведених зразюв. При концентрацп наповнювача 29 % значно збшьшуеться свинцевий е^валент, що говорить про аномальне збiльшення лiнiйного еквiвалента.
Таблиця 3
Значения свинцевих еквiваленmiв вiдповiдно до концентрацп наповнювача та товщини
зразка
Тов щина шару гшсо вого в'яж учог о, мм Свинцевий е^валент А (РЬекв, мм)
Концентращя, %
9 13 17 20 23 26 29 31 33 35 38 39
6,0 0,05 0,05 0,10 0,10 0,15 0,17 0,25 0,27 0,30 0,30 0,30 0,30
9,0 0,07 0,07 0,17 0,17 0,22 0,20 0,40 0,40 0,50 0,60 0,70 0,70
12,5 0,10 0,10 0,20 0,20 0,25 0,30 0,60 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90
15,0 0,15 0,17 0,22 0,22 0,30 0,45 0,70 0,70 0,75 0,90 0,95 1,00
18,0 0,20 0,22 0,23 0,25 0,40 0,55 0,80 0,80 0,80 1,00 1,05 1,10
20,0 0,22 0,25 0,30 0,30 0,60 0,60 0,85 0,85 0,90 1,05 1,10 1,15
Рис. Залежшстъ величин свинцевого еквгвалента в1д концентрацш РЗ наповнювача.
Прискорювальна напруга Uо = 100 кВ.
Для бшьшоУ наочност отримаш результати денситометричноУ оцiнки на рисунку наведеш ще i у графiчному виглядь
З аналiзу результатiв (табл. 3, рис.) можна зробити таю висновки:
1) на всiх без винятку товщинах шару гшсового в'яжучого, як дослiджувались, вiд 6 мм до 20 мм при концентраци складного ОРЗЕ у дiапазонi 29 % зафжсоваш явнi екстремальнi збiльшення значень свинцевих екшваленпв (отже, i вщповщних перетинiв фотопоглинання), якi не можна пояснити виходячи з класичного експоненщального закону Бугера [4];
2) прояв експериментально зафжсованоУ закономiрностi збiльшуеться при збшьшенш товщини шару гiпсового в'яжучого;
3) зафжсоваш екстремуми, вочевидь, слщ розглядати як прояви вiдкритого не ведомого ранiше явища аномальноУ змши iнтенсивностi потоку квантiв проникаючого випромшювання [1];
4) експериментально виявленi аномалГ^' РЗ властивостей при додаванш в гшсове в'яжуче наповнювача у виглядi складних ОРЗЕ свiдчать про принципову можливють досягнення феноменально високого рiвня РЗ властивостей не тшьки у дiелектричних матричних матерiалах [5; 6], а й у гшсових в'яжучих, матриця яких у процесi затворення водою е електропровщною;
5) слiд продовжити експериментальш дослiдження технологiчних параметрiв, яю забезпечують аномально високi РЗ-властивостi гшсових виробiв, у напрямi оптимiзацГí умов кристалiзащl гiпсового в'яжучого при певних концентращях складних ОРЗЕ.
ВИКОРИСТАНА Л1ТЕРАТУРА:
1. Явление аномального изменения интенсивности потока квантов проникающего излучения моно- и многоэлементными средами [Иванов В. А., Катращук Г. К., Конюхов С. Н. и др. Диплом на открытие № 57] / Научные открытия ученых СНГ : краткий справочник / Клименко Ф. К., Зыбайло С. Н. - Д. : Новая идеология, 2008. - С. 112 - 113.
2. Булат А. Ф. Радиационно-защитные материалы нового технического уровня / Булат А. Ф., Иванов В. А. // Геотехшчна мехашка: Мiжвiд. зб. наук. праць / 1н-т геотехн. мехашки iM. М. С. Полякова НАН Украши. - Д., 2006. - Вип. 64. - С. 3 - 14.
3. Булат А. Ф. Исследование радиационно-защитных свойств резиновых матриц с «квантовыми ловушками» из полидисперсной смеси сложного окисла редкоземельных элементов / Булат А. Ф., 1ванов В. А., Голов К. С. // Геотехшчна мехашка: Мiжвiд. зб. наук. праць / 1н-т геотехн. мехашки iм. М. С. Полякова НАН Украши. - Д., 2007. - Вип. 69. - С. 25 - 34.
4. Хараджа Ф. Н. Общий курс рентгенотехники / Хараджа Ф. Н. - М. : Энергия, 1966. - 3-е изд. - 568 с.
5. Пат. Украши № 81644 МПК7 G 21 F 1/10. Радiацiйно захисна гума / Пилипенко М. I., Булат А. Ф., Ткаченко В. I., 1ванов В. А. Та ш. - опубл. 15.12.00, Бюл. № 7.
6. Пат. Украши № 32469 МПК7 g 21 f 1/00. Матерiал для захисту вщ рентгешвського i гамма-випромшювання (варiанти) / Алексеев Ю. С., Джур С. О., 1ванов В. А. Та ш. -опубл. 25.01.08, Бюл. № 7.
УДК 621.039.58:537.531:62
Рентгенозахисш властивост rincoBoro в'яжучого з рщкоземельним наповнювачем / К. С. Голов, Ю. В. Мисовець // BicHiiK Приднiпрoвcькoï державно'1 академп будiвництва та архiтектури : ПДАБА, 2009. - № 5 - С. 46 - 51. - 1 рис., 3 таб., Бiблioгр:6 назв.
Розглянуто результати дослщження впливу концентраци радiацiйно-захисного наповнювача у виглядi складного окислу рiдкоземельних елементiв у матричному матерiалi у виглядi гшсового в'яжучого на рентгенозахиснi властивостi останнього.
