Новости

May 05, 2023

Оптимизация защиты от гамма-излучения с помощью кобальта

Научные отчеты, том 13,

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8936 (2023) Цитировать эту статью

217 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Были изготовлены нанокомпозиты титана, легированные кобальтом, для использования в целях радиационной защиты. Химический состав композитов измеряли с помощью энергодисперсионного рентгеновского спектрометра. Кроме того, структуру композитов оценивали с помощью рентгеновского дифрактометра, а морфологию изготовленных композитов представляли с помощью сканирующего электронного микроскопа. Кроме того, с помощью моделирования Монте-Карло были оценены свойства защиты от γ-лучей в диапазоне от 0,059 до 2,506 МэВ. Коэффициент линейного затухания полученных композитов снизился на 93% для всех образцов за счет увеличения падающей γ-энергии от 0,059 до 2,506 МэВ. Более того, частичная замена Ti4+ на Co3+ несколько увеличила коэффициент линейного затухания с 0,607 до 0,630 см-1 при увеличении содержания Co3+ от 0 до 3,7 мас.%. Улучшение коэффициента линейного ослабления приводит к улучшению других свойств защиты от излучения.

Высокоэнергетические ионизирующие излучения, такие как рентгеновские лучи, используются в лучевой терапии для уничтожения раковых клеток и для визуализации тела. Эта форма электромагнитного излучения также используется в сфере производства энергии, сельском хозяйстве и многих других, причем каждый год создаются новые способы применения этой технологии1,2,3. Поскольку ионизирующее излучение имеет такую ​​высокую энергию, эти фотоны могут также вызывать негативные побочные эффекты на организм человека, такие как острое радиационное отравление, рак и смерть. Распространенным методом уменьшения этих эффектов является использование радиационного щита, который поглощает поступающие фотоны и снижает количество радиации до безопасного уровня4,5,6. Наноматериалы превосходят обычные радиационные защиты из-за небольшого размера частиц, что приводит к более равномерному распределению наполнителей оксидов тяжелых металлов (HMO), которые вводятся в защиту. Большая дисперсия означает, что входящее излучение с большей вероятностью будет поглощено или отклонено атомами внутри материала, что приведет к большему ослаблению. Наночастицы широко используются в строительстве цементных строительных материалов, таких как цементное тесто, строительные растворы и бетоны, которые улучшают свойства материалов при введении нано-HMO7,8,9,10,11,12.

Наноструктуры оксида титана часто используются в качестве противомикробного агента в пищевой упаковочной промышленности или в качестве фотокатализаторов разложения органических соединений, поскольку эти наноструктуры просты в обработке, имеют низкую стоимость, а их способность вызывать эти реакции можно легко настроить без каких-либо жертв. термическая или химическая стабильность материала. Нано-TiO2 химически стабилен, что позволяет использовать его в цементных материалах в качестве наполнителя для улучшения химических характеристик материала. Ti также имеет большее общее сечение нейтронной реакции, чем Ca и Si в большинстве энергетических областей, которые используются для производства обычного цемента. Эта характеристика приводит к тому, что цементная паста, содержащая нано-TiO2, имеет лучшую способность экранировать нейтроны, чем обычная цементная паста13,14,15,16,17.

Кроме того, сам TiO2 имеет низкую стоимость, его можно найти в большом количестве, он не токсичен и химически инертен. Он широко используется в индустрии покрытий, при очистке сточных вод и в устройствах хранения энергии. TiO2 как типичный полупроводник n-типа имеет концентрацию носителей всего 1017–1018 см–3 и высокий показатель преломления в видимом диапазоне волн. Чистый TiO2 имеет три различных полиморфа, каждый из которых имеет свою ширину запрещенной зоны. Более конкретно, это рутил (3,0 эВ), анатаз (3,2 эВ) и брукит (~ 3,2 эВ). Запрещенную зону TiO2 можно регулировать путем легирования ее различными ионами или дефектами, что активирует соединение TiO2 в спектре видимого света; чистый TiO2 активен в ультрафиолетовой области. Путем введения оксидов переходных металлов и соединений благородных металлов в TiO2 создаются фотокатализаторы TiO2 видимого света, которые можно использовать для удаления загрязнителей воды. Оксиды кобальта являются одними из этих легирующих добавок, которые привлекают внимание из-за их высокой скорости фотокаталитического восстановления углекислого газа (CO2) в видимом и ультрафиолетовом свете и сенсибилизированных красителями солнечных элементов для производства энергии18,19.