کامپوزیت‌های پلیمری تقویت‌شده با عناصر سنگین برای محافظت از پرتو گاما و نوترون: یک مطالعه شبیه‌سازی

مهندسی متالورژی و مواد

مقاله 5، دوره 36، شماره 3 - شماره پیاپی 39، شهریور 1404، صفحه 65-84   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jmme.2025.89902.1161

نویسندگان

محمدرضا علی پور^{* 1}؛ مهدی عشقی²

¹گروه فیزیک، دانشگاه جامع امام حسین(ع)، تهران، ایران.

²گروه فیزیک، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران

چکیده

محافظ‌های کامپوزیت پلیمری بدون سرب در پرتو پرشکی برای محافظت از بیماران در برابر قرار گرفتن در معرض تشعشعات غیرضروری استفاده می‌شوند. از شبیه‌سازی مونت‌کارلو برای تخمین خواص محافظ پرتو گاما کامپوزیت‌های پلیمری تقویت‌شده با تنگستن، در محدوده انرژی فوتون 15 کیلو الکترون‌ولت تا 10 مگا الکترون‌ولت استفاده شد. ضریب تضعیف خطی و جرمی، لایه نیم مقدار، لایه یک‌دهم مقدار، عدد اتمی موثر و ضریب انباشت را محاسبه شد. برای اعتبارسنجی شبیه‌سازی، نتایج با داده‌های نظری حاصل از برنامه Phy-x، مقایسه شد. مشاهده شد که داده‌های برنامه Phy-X و ابزار شبیه‌سازی Geant4 مطابقت خوبی داشتند. برای ارزیابی تعدیل نوترون‌ها، سطح مقطع حذف نوترون‌های سریع و حرارتی کامپوزیت‌های پلیمری مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به نتایج مشاهده شد که نمونه P-6 ، به‌دلیل افزودن تنگستن، افزایش قابل توجهی در تراکم نشان داد که منجر به بهبود حفاظت در برابر تشعشعات گاما شد. نتایج نشان داد که سطوح انرژی به‌طور قابل توجهی بر نفوذ پرتو گاما تأثیر می‌گذارد. نتایج نشان داد که همیشه افزایش تنگستن در نمونه‌ها منجر به افزایش مقادیر سطح مقطع حذف نوترون‌های سریع نخواهد شد. در نتیجه، باتوجه به این نتایج نمونه P-3 قابلیت محافظت بهتری نسبت به نمونه‌های دیگر در برابر پرتو گاما و نوترون نشان داد. این نتایج نشان می‌دهد که ترکیب و ریزساختار کامپوزیت پلیمری را می‌توان برای بهبود خواص تضعیف تشعشعات برای کاربردهای فیزیک پزشکی بهینه کرد.

کلیدواژه‌ها

پرتو گاما؛ نوترون؛ حفاظ؛ کامپوزیت‌های پلیمری؛ Phy-x؛ Geant4

مراجع

[1] D. Regonini, C. R. Bowen, A. Jaroenworaluck, and R. Stevens, “A review of growth mechanism, structure and crystallinity of anodized TiO₂ nanotubes,” Materials Science and Engineering: R: Reports, vol. 74, pp. 377–406, 2013. https://doi.org/10.1016/j.mser.2013.10.001 

[2] C. M. Taylor, D. Mattia, and J. Wenk, “Photocatalytic immobilised TiO₂ nanostructures via fluoride-free anodisation,” Journal of Environmental Chemical Engineering, vol. 8, p. 103798, 2020. https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.103798

[3] M. Sarraf, E. R. Ghomi, and S. Alipour, “A state-of-the-art review of the fabrication and characteristics of titanium and its alloys for biomedical applications,” Bio-Design and Manufacturing, vol. 5, no. 2, pp. 371–395, 2022. https://doi.org/10.1007/s42242-021-00170-3

[4] M. Mansoorianfar, R. Rahighi, and A. Hojjati-Najafabadi, “Amorphous/crystalline phase control of nanotubular TiO₂ membranes via pressure-engineered anodizing,” Materials & Design, vol. 198, p. 109314, 2021. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109314

[5] J. Wang and Z. Lin, “Anodic formation of ordered TiO₂ nanotube arrays: Effects of electrolyte temperature and anodization potential,” Journal of Physical Chemistry C, vol. 113, no. 10, pp. 4026–4030, 2009. https://doi.org/10.1021/jp811201x

[6] A. F. Cipriano, C. Miller, and H. Liu, “Anodic growth and biomedical applications of TiO₂ nanotubes,” Journal of Biomedical Nanotechnology, vol. 10, pp. 2977–3003, 2014. https://doi.org/10.1166/jbn.2014.1927

[7] X. Zhou, N. T. Nguyen, S. Özkan, and P. Schmuki, “Anodic TiO₂ nanotube layers: Why does self-organized growth occur—A mini review,” Electrochemistry Communications, vol. 46, pp. 157–162, 2014. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2014.06.021

[8] C. Adán, J. Marugán, and E. Sánchez, “Understanding the effect of morphology on the photocatalytic activity of TiO₂ nanotube array electrodes,” Electrochimica Acta, vol. 191, pp. 521–529, 2016. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.01.088

[9] D. Khudhair, A. Bhatti, and Y. Li, “Anodization parameters influencing the morphology and electrical properties of TiO₂ nanotubes for living cell interfacing and investigations,” Materials Science and Engineering: C, vol. 59, pp. 1125–1142, 2016. https://doi.org/10.1016/j.msec.2015.10.042

[10] J. A. Chacón and A. Cerdán-Pasarán, “Anodized TiO₂ nanotubes sensitized with selenium doped CdS nanoparticles for solar water splitting,” Energies, vol. 17, no. 7, p. 1592, 2024. https://doi.org/10.3390/en17071592

[11] S. Simbolon and Mahesa, “Fabrication of TiO₂ nanotubes on a Ti6Al4V substrate by anodisation under high voltage,” Ceramics-Silikáty, vol. 68, no. 1, pp. 88–95, 2024. https://doi.org/10.13168/cs.2024.0008

[12] P. Nakpan and A. Aeimbhu, “Fabrication of titanium dioxide nanotubes by difference the anodization voltage and time,” Materials Today: Proceedings, vol. 47, pp. 3436–3440, 2021. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.03.290

[13] A. L. Escada and R. Z. Nakazato, “Influence of anodization parameters in the TiO₂ nanotubes formation on Ti-7.5Mo alloy surface for biomedical application,” Materials Research, vol. 20, no. 5, pp. 1282–1290, 2017. https://doi.org/10.1590/1980-5373-MR-2016-0520

[14] Z. Lockman and S. Sreekantan, “Influence of anodisation voltage on the dimension of titania nanotubes,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 503, no. 2, pp. 359–364, 2010. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.12.093

[15] S. Sreekantana and Z. Lockman, “Influence of electrolyte pH on TiO₂ nanotube formation by Ti anodization,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 485, no. 1–2, pp. 478–483, 2009. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.05.152

[16] T. Guo, S. Ivanovski, and K. Gulati, “Optimizing titanium implant nano-engineering via anodization,” Materials & Design, vol. 223, p. 111110, 2022. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111110

[17] V. Sivaprakash and R. Narayanan, “Synthesis of TiO₂ nanotubes via electrochemical anodization with different water content,” Materials Today: Proceedings, vol. 37, pp. 142–146, 2020. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.04.657

[18] M. Erol, T. Dikici, M. Toparli, and E. Celik, “The effect of anodization parameters on the formation of nanoporous TiO₂ layers and their photocatalytic activities,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 604, pp. 66–72, 2014. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.03.105

[19] D. R. Barjaktarević and I. Lj. Cvijović-Alagić, “Anodization of Ti-based materials for biomedical applications: A review,” Metallurgical and Materials Engineering, vol. 22, no. 3, pp. 129–144, 2016. https://doi.org/10.5937/metalmateng1603129B

[20] I. S. Park and T. G. Woo, “Surface characteristics of titanium anodized in the four different types of electrolyte,” Electrochimica Acta, vol. 53, no. 2, pp. 863–870, 2007. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.07.067

[21] S. Minagar, C. C. Berndt, and J. Wang, “A review of the application of anodization for the fabrication of nanotubes on metal implant surfaces,” Acta Biomaterialia, vol. 8, no. 8, pp. 2875–2888, 2012. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.04.005

[22] V. Galstyan, A. Vomiero, and E. Comini, “TiO₂ nanotubular and nanoporous arrays by electrochemical anodization on different substrates,” RSC Advances, vol. 1, no. 6, pp. 1038–1044, 2011. https://doi.org/10.1039/C1RA00077B

[23] S. Berger, J. Kunze, and P. Schmuki, “Influence of water content on the growth of anodic TiO₂ nanotubes in fluoride-containing ethylene glycol electrolytes,” Journal of The Electrochemical Society, vol. 157, no. 1, p. C18, 2010. https://doi.org/10.1149/1.3251338

[24] K. Indira, U. K. Mudali, T. Nishimura, and N. Rajendran, “Review on TiO₂ nanotubes: Influence of anodization parameters, formation mechanism, properties, corrosion behavior, and biomedical applications,” Journal of Bio- and Tribo-Corrosion, vol. 1, no. 4, p. 28, 2015. https://doi.org/10.1007/s40735-015-0024-x

[25] B. Li, X. Han, and L. Qin, “Relationship between the growth rate of nanotubes and the current−time curve of the anodizing process,” Journal of Physical Chemistry C, vol. 128, no. 28, p. 18138, 2024. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.4c03809

[26] T. Tian and X.-f. Xiao, “Study on titania nanotube arrays prepared by titanium anodization in NH₄F/H₂SO₄ solution,” Journal of Materials Science, vol. 42, no. 14, pp. 5641–5646, 2007. https://doi.org/10.1007/s10853-006-1104-6

[27] Y. Liu and Y. Wang, “Impact of TiO₂ nanoparticles and nanowires on corrosion protection performance of chemically bonded phosphate ceramic coatings,” Ceramics International, vol. 48, no. 4, pp. 5091–5099, 2022. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.11.047

[28] C.-T. Yip and M. Guo, “Open-ended TiO₂ nanotubes formed by two-step anodization and their application in dye-sensitized solar cells,” Nanoscale, vol. 4, no. 2, pp. 448–450, 2012. https://doi.org/10.1039/c2nr11317a

[29] L. Suhadolnik and Ž. Marinko, “Influence of anodization-electrolyte aging on the photocatalytic activity of TiO₂ nanotube arrays,” Journal of Physical Chemistry C, vol. 124, no. 7, pp. 4073–4080, 2020. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b09522