Новые композиционные материалы для защиты от гамма-излучения

Тишкевич Д. И.; Герман С. А.; Желудкевич А. Л.; Вершинина Т. Н.; Роткович А. А.; Бондарук А. А.; Леончик С. В.; Урбанович В. С.; Дашкевич Е. С.; Труханов А. В.

Новые композиционные материалы для защиты от гамма-излучения

Тишкевич Д. И., Герман С. А.,

Желудкевич А. Л.,

Вершинина Т. Н., Роткович А. А.,

Бондарук А. А., Леончик С. В., Урбанович В. С., Дашкевич Е. С.,

Труханов А. В.

2023

https://doi.org/10.29235/1561-8358-2023-68-3-183-195

В качестве защиты от ионизирующего излучения предложен новый композиционный материал системы W–Bi2O3. Представлена усовершенствованная методика горячего изостатического прессования для получения композиционных материалов. Длительность спекания в условиях высокого давления и температуры составила 3 мин. Исследование микроструктуры и химического состава образцов композитов W–Bi2O3 проводили с использованием сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии соответственно. Оценку плотности полученных материалов осуществляли с помощью метода Архимеда. Наиболее плотными оказались образцы, полученные при давлении 5 ГПа и температурах 25 и 500 °C, плотность которых составила 18,10 и 17,85 г/см3 соответственно. Установлено, что воздействие высоких температур в процессе спекания негативно сказывается как на микроструктуре, так и на плотности образцов из-за протекания окислительно-восстановительной реакции, сопровождающейся восстановлением Bi и окислением W. Результаты исследования структуры композиционных материалов системы W–Bi2O3 методом рентгеноструктурного анализа показали, что все образцы включают основную объемно-центрированную фазу W, а наличие фазы WO2 отмечается лишь при увеличении температуры синтеза до 850 °С, что подтверждается возникновением рефлексов 111 и 22-2. Проведено исследование эффективности экранирования композиционных материалов от гамма-излучения с помощью программного комплекса Phy-X/PSD. В качестве источника гамма-квантов использовали Co60 с энергией 0,826–2,506 МэВ. Результаты моделирования были сравнены с расчетами для Pb и Bi. Определены основные параметры: линейный коэффициент ослабления, длина свободного пробега и слой половинного ослабления. Результаты расчета показали, что композит системы W–Bi2O3 по своим экранирующим свойствам превосходит Pb и Bi, что делает его перспективным для использования в качестве материала радиационной защиты.

Тишкевич Д. И., Герман С. А., Желудкевич А. Л., Вершинина Т. Н., Роткович А. А., Бондарук А. А., Леончик С. В., Урбанович В. С., Дашкевич Е. С., Труханов А. В. Новые композиционные материалы для защиты от гамма-излучения. Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук. 2023;68(3):183-195. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2023-68-3-183-195

Цитирование

Список литературы

1. Nanomaterials for radiation shielding / S. Thibeault [et al.] // MRS Bulletin. – 2015. – Vol. 40, iss. 10. – P. 836–841. https://doi.org/10.1557/mrs.2015.225

2. Shultis, J. K. Radiation shielding technology / J. K. Shultis, R. E. Faw // Health Phys. – 2005. – Vol. 88, iss. 4. – P. 297–322. http://doi.org/10.1097/01.HP.0000148615.73825.b1

3. Zinkle, S. Radiation Effects in Refractory Alloys / S. Zinkle, F. Wiffen // AIP Conf. Proc. – 2004. – Vol. 699, iss. 1. – P. 733–740. https://doi.org/10.1063/1.1649637

4. Егранов, А. В. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом: учеб. пособие / А. В. Егранов. – Иркутск: Изд-во ИрГУ, 2013. – 114 с. – (Сер. «Методы экспериментальной физики конденсированного состояния»).

5. Воздействие ионизирующего излучения на вещество / Г. В. Новиков [и др.] // Вестн. Том. гос. ун-та. – 2008. – Т. 13, вып. 1. – С. 62–64.

6. Townsend, L. W. Overview of active methods for shielding spacecraft from energetic space radiation / L. W. Townsend // 1st International Workshop on Space Radiation Research and 11th Annual NASA Space Radiation Health Investigators Workshop Arona (Italy), May 27–31, 2000. – P. 84–85.

7. Buyuk, B. Comparison of Lead and WC-Co Materials against Gamma Irradiation / B. Buyuk, A. B. Tugrul // Acta Phys. Pol., A. – 2014. – Vol. 125. – P. 423–425. http://doi.org/10.12693/APhysPolA.125.423

8. Tungsten-based material as promising new lead-free gamma radiation shielding material in nuclear medicine / N. J. AbuAlRoos [et al.] // Physica Medica. – 2020. – Vol. 78. – P. 48–57. https://doi.org/10.1016/j.ejmp.2020.08.017

9. Effect of BaO on lead free zinc barium tellurite glass for radiation shielding materials in nuclear application / K. Boonin [et al.] // J. Non-Cryst. Solids. – 2020. – Vol. 550. – Art. ID 120386. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2020.120386

10. Feasibility of polymer-based composite materials as radiation shield / M. Almurayshid [et al.] // Radiat. Phys. Chem. – 2021. – Vol. 183. – Art. ID 109425. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2021.109425

11. Gurler, O. Determination of Radiation Shielding Properties of Some Polymer and Plastic Materials against Gamma- Rays / O. Gurler, U. Tarim // Acta Phys. Pol., A. – 2016. – Vol. 130, iss. 1. – P. 236–238. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.130.236

12. A lanthanum-barium-borovanadate glass containing Bi2O3 for radiation shielding applications / R. Kurtulus [et al.] // Radiat. Phys. Chem. – 2021. – Vol. 186. – Art. ID 109557. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2021.109557

13. Polymeric composite materials for radiation shielding: a review / C. V. More [et al.] // Environ. Chem. Lett. – 2021. – Vol. 19, iss. 3. – P. 2057–2090. https://doi.org/10.1007/s10311-021-01189-9

14. Radiation attenuation by lead and nonlead materials used in radiation shielding garments / J. P. McCaffrey [et al.] // Medical Physics. – 2007. – Vol. 34, iss. 2. – P. 530–537. https://doi.org/10.1118/1.2426404

15. McCaffrey, J. P. Optimizing non-Pb radiation shielding materials using bilayers / J. P. McCaffrey, E. Mainegra-Hing, H. Shen // Medical Physics. – 2009. – Vol. 36, iss. 12. – P. 5586–5594. https://doi.org/10.1118/1.3260839

16. Waly, El-Sayed A. Comparative study of different concrete composition as gamma-ray shielding materials / El-Sayed A. Waly, M. A. Bourham // Ann. Nucl. Energy. – 2015. – Vol. 85. – P. 306–310. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2015.05.011

17. Soylu, H. M. Gamma radiation shielding efficiency of a new lead-free composite material / H. M. Soylu, F. Yurt Lambrecht, O. A. Ersöz // J. Radioanal. Nucl. Chem. – 2015. – Vol. 305, iss. 2. – P. 529–534. https://doi.org/10.1007/s10967-015-4051-3

18. Isostatic Hot Pressed W–Cu Composites with Nanosized Grain Boundaries: Microstructure, Structure and Radiation Shielding Efficiency against Gamma Rays / D. I. Tishkevich [et al.] // Nanomaterials. – 2022. – Vol. 12, iss. 10. – Art. ID 1642. https://doi.org/10.3390/nano12101642

19. Nano-W Dispersed Gamma Radiation Shielding Materials / Jaewoo Kim [et al.] // Adv. Eng. Mater. – 2014. – Vol. 16, iss. 9. – P. 1083–1089. https://doi.org/10.1002/adem.201400127

20. Function composites materials for shielding applications: Correlation between phase separation and attenuation properties / D. I. Tishkevich [et al.] // J. Alloys Compd. – 2019. – Vol. 771. – P. 238–245. https://doi.org/10.1016/j.jall-com.2018.08.209

21. Laser powder bed fusion additive manufacturing of highly conductive parts made of optically absorptive carbu- rized CuCr1 powder / Suraj Dinkar Jadhav [et al.] // Materials & Design. – 2021. – Vol. 198. – Art. ID 109369. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109369

22. The crystallization character of W-Cu thin films at the early stage of deposition / Tianle Xie [et al.] // Thin Solid Films. – 2019. – Vol. 690. – Art. ID 137555. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2019.137555

23. Directed energy deposition additive manufacturing of functionally graded Al-W composites / J. P. Kelly [et al.] // Additive Manufacturing. – 2021. – Vol. 39. – Art. ID 101845. https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.101845

24. AbuAlRoos, N. J. Conventional and new lead-free radiation shielding materials for radiation protection in nuclear medicine: A review / N. J. AbuAlRoos, N. A. Baharul Amin, R. Zainon // Radiat. Phys. Chem. – 2019. – Vol. 165. – Art. ID 108439. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2019.108439

25. Muhammad Arif Sazali. A review on multilayer radiation shielding / Muhammad Arif Sazali, Nahrul Khair Alang Md Rashid, Khaidzir Hamzah // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. – 2019. – Vol. 555, iss. 1. – Art. ID 012008. https://doi.org/10.1088/1757-899X/555/1/012008

26. Таиров, Ю. М. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов: учеб. для вузов / Ю. М. Таи- ров, В. Ф. Цветков. – 3-е изд. – СПб.: Лань, 2002. – 424 с. – (Учебники для вузов. Специальная литература).

27. Порошковая металлургия: материалы, технология, свойства, области применения: справочник / И. М. Федор- ченко [и др.]; отв. ред. И. М. Федорченко. – Киев: Наук. думка, 1985. – 624 с.

28. Development of oxide dispersion strengthened W alloys produced by hot isostatic pressing / J. Martínez [et al.] // Fusion Eng. Des. – 2011. – Vol. 86, iss. 9–11. – P. 2534–2537. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2011.01.134

29. Electrodeposition conditions-dependent crystal structure, morphology and electronic properties of Bi films / A. Fedotov [et al.] // J. Alloys Compd. – 2021. – Vol. 887. – Art. ID 161451. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.161451

30. Preparation and characterization of nanosized W-Cu powders by a novel solution combustion and hydrogen reduction method / Xi Zhu [et al.] // J. Alloys Compd. – 2019. – Vol. 793. – P. 352–359. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.163

31. Microstructure and mechanical properties investigation of WCu composites prepared from dual-layer coated powders / Yuan Li [et al.] // Appl. Surf. Sci. – 2020. – Vol. 516. – Art. ID 146098. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.146098

32. Phy-X/PSD: Development of a user friendly online software for calculation of parameters relevant to radiation shielding and dosimetry / E. Şakara [et al.] // Radiat. Phys. Chem. – 2020. – Vol. 166. – Art. ID 108496. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2019.108496

33. Chen, S. Attenuation efficiency of X-ray and comparison to gamma ray and neutrons in composite metal foams / S. Chen, M. Bourham, A. Rabiei // Radiat. Phys. Chem. – 2015. – Vol. 117. – P. 12–22. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2015.07.003

34. Radiochemistry and Nuclear Chemistry / G. Choppin [et al.]. – 4th Ed. – Academic Press, 2013. – Chapter 7: Absorption of Nuclear Radiation. – P. 163–208. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-405897-2.00007-0

Источник

Информация

Автор

Тишкевич Д. И. Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению
Герман С. А. Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению
Желудкевич А. Л. Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению
Вершинина Т. Н. Объединенный институт ядерных исследований ; Университет «Дубна»
Роткович А. А. Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению
Бондарук А. А. Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению
Леончик С. В. Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению
Урбанович В. С. Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению
Дашкевич Е. С. Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению
Труханов А. В. Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению

Страницы

183-195

Год издания

2023

Ключевые слова

Коллекции

Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук