Новые композиционные материалы для защиты от гамма-излучения

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.

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