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May 05, 2023

コバルトによるガンマ線遮蔽の最適化

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8936 (2023) この記事を引用

217 アクセス

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

コバルトをドープしたチタニアナノ複合材料は、放射線遮蔽の目的で利用するために製造されました。 複合材料の化学組成は、エネルギー分散型 X 線分光計を使用して測定されました。 さらに、複合材料の構造は X 線回折装置を使用して評価され、作製された複合材料の形態は走査型電子顕微鏡を使用して表示されました。 さらに、0.059～2.506MeVの範囲でモンテカルロシミュレーションを用いてγ線遮蔽特性を推定した。 製造された複合材料の線減衰係数は、入射γエネルギーを 0.059 ～ 2.506 MeV に上昇させることにより、すべてのサンプルで 93% 減少しました。 さらに、Ｔｉ４＋をＣｏ３＋で部分的に置換すると、Ｃｏ３＋が０から３．７重量％に増加すると、線減衰係数が０．６０７ｃｍ−１から０．６３０ｃｍ−１にわずかに増加した。 線減衰係数の向上により、他の放射線遮蔽特性も向上します。

X 線などの高エネルギー電離放射線は、がん細胞の除去や身体の画像化のための放射線療法などの用途に使用されます。 この形式の電磁放射は、エネルギー生産、農業、その他多くの分野でも使用されており、この技術の新しい用途が毎年生み出されています1、2、3。 電離放射線は非常に高いエネルギーを持っているため、これらの光子は、急性放射線中毒、癌、死などの人体にマイナスの副作用を引き起こす可能性もあります。 これらの影響を軽減する一般的な技術は、入ってくる光子を吸収し、放射線の量を安全なレベルまで下げる放射線シールドを使用することです4、5、6。 ナノマテリアルは粒子サイズが小さいため、従来の放射線シールドよりも優れた性能を発揮し、その結果、シールドに導入されるフィラーの重金属酸化物 (HMO) がより均一に分散されます。 分散が大きいということは、入射放射線が材料内の原子によって吸収または偏向される可能性が高く、減衰が大きくなるということを意味します。 ナノ粒子は、セメントペースト、モルタル、コンクリートなどのセメント建材の建設に広く使用されるようになり、ナノ HMO を導入すると材料の特性が向上します 7、8、9、10、11、12。

酸化チタンのナノ構造は、加工が簡単でコストが低く、これらの反応を誘発する能力を犠牲にすることなく簡単に調整できるため、食品包装業界の抗菌剤や有機化合物の分解用の光触媒としてよく使用されます。材料の熱的または化学的安定性。 ナノ TiO2 は化学的に安定しているため、材料の化学的特性を改善するためのフィラーとしてセメント材料に使用できます。 また、Ti は、ほとんどのエネルギー領域において、従来のセメントの製造に使用される Ca や Si よりも総中性子反応断面積が大きくなります。 この特性により、ナノ TiO2 を含むセメント ペーストは普通のセメント ペーストよりも優れた中性子遮蔽能力を備えます 13、14、15、16、17。

さらに、TiO2 自体は低コストで、豊富に存在し、毒性がなく、化学的に不活性です。 コーティング産業、廃水浄化、エネルギー貯蔵装置などで広く使用されています。 典型的な n 型半導体である TiO2 のキャリア濃度はわずか 1017 ～ 1018 cm-3 で、可視波長で高い屈折率を持っています。 純粋な TiO2 には 3 つの異なる多形があり、それぞれにバンドギャップ エネルギーがあります。 より具体的には、ルチル (3.0 eV の場合)、アナターゼ (3.2 eV の場合)、およびブルッカイト (〜 3.2 eV の場合) です。 TiO2 のバンドギャップは、可視光スペクトルで TiO2 化合物を活性化するさまざまなイオンや欠陥をドープすることで調整できます。 純粋なTiO2は紫外領域で活性を発揮します。 遷移金属酸化物と貴金属化合物を TiO2 に導入すると、可視光 TiO2 光触媒が生成され、水質汚染物質の除去に使用できます。 酸化コバルトは、これらのドーパントの 1 つであり、可視光および紫外光およびエネルギー生産用の色素増感太陽電池における二酸化炭素 (CO2) の光触媒還元における神速の速さのため、注目を集めています。

特定の材料の遮蔽能力を理解するには、広範囲のエネルギーにわたって放射線遮蔽パラメーターを計算および分析する必要があります。 モンテカルロ シミュレーションは、特定の条件セットを使用して線形減衰係数などのこれらの値を決定するために使用されます。 これらのシミュレーションは、これらのパラメータを実験的に決定する前に材料の特性を理解するために使用して、時間とリソースを節約したり、XCOM などの理論計算と併用して 2 つの方法が互いに一致していることを確認したりするために使用できます。 初期値が得られた後、材料の放射線遮蔽能力を完全に理解するために、さらなるパラメータを決定することができます20、21、22、23、24、25。

本研究で提示された概念は、炭素シートによって結合された酸化コバルトと酸化チタンの二次元（2D）ナノ粒子構造の正確な計画に基づいて確立されています。 コバルトを含むことにより、熱安定性、耐食性、耐摩耗性が向上し、チタンと同様に多くの産業で役立ちます。 さらに、酸化コバルトは着色能力により際立っています。 二次元カーボンシートは、調製されたナノ材料の表面積を増加させます。 新しく合成された化合物の特性評価とγ線防御の詳細が検査されました。

(I) 既知のサイズと濃度 (0.4 mL ～ 0.1 M) の含水塩化カリウム、98 mL のエタノール溶液、および 1.6 mL の (Ti4O28H12C) チタンイソプロポキシドを混合し、5 時間撹拌しました。 次に、すべての内容物を、容量 100 mL のテフロン裏地付きステンレス鋼製オートクレーブに移しました。その後、温度を 170 °C まで 35 時間上昇させました。 その後、オートクレーブを室温で自然冷却させます。 完成品を徹底的に集めてエタノールに浸し、濾過後70℃のオーブンで乾燥させました。 最後に、固体を炉に移し、500 °C の温度で 4 時間焼成して、TiO2 NP を生成しました。 （ＩＩ）コバルトドープＴｉＯ２ナノ複合材料（Ｃｏ−ＴｉＯ２）を製造するには、０．９ｇの酢酸コバルトを混合溶液に加えてからオートクレーブに移し、その後同じ前のステップに従う。 （ＩＩＩ）カーボンシート上に担持されたコバルトドープＴｉＯ２（Ｃｏ−ＴｉＯ２／Ｃ）を調製する方法は、ステップ（ｉｉ）で生成された０．５ｇのＣｏ−ＴｉＯ２ナノ複合材料を、０．０２ｇのグルコースを含有する８０ｍＬの水溶液と混合することを含む。 混合物を4時間撹拌し、次に前のステップで使用したオートクレーブに入れ、170℃で30時間加熱しました。 その後、オートクレーブを空気中で自然冷却させます。 固体を徹底的に収集し、洗浄のために水中でよく撹拌し、70℃の炉内で乾燥させました。 最後に、固体粉末を 500 °C で 4 時間焼成しました。

(PANalytical X'Pert Pro 回折計、オランダ) を利用して、XRD パターンが得られました。 結晶相を理解するために、波長 (0.15406 nm) の単色 CuKa 放射線源を 25 °C で (45 kV) および (40 mA) に設定しました。 ディフラクトグラムは、20° ～ 80° のスキャン範囲にわたって (0.013) のステップ サイズでキャプチャされました。 製造された固体粉末材料の形態をあらかじめ決定し、元素分析を評価するために、走査型電子 (SEM) 顕微鏡とエネルギー分散型 X 線分光計 (EDX) が使用されました (JEOL JSM-6400—日本電子株式会社、東京、日本) 。 ２００ｋＶの加速電圧を備えた（Ｐｈｉｌｉｐｓ ＣＭ２００、Ａｍｅｒｉｃａ）透過型電子顕微鏡を使用して実行されたＴＥＭ分析により、複合材料の形態学的構造に関する情報が得られた。 製造された複合材料中のさまざまな成分の結晶化度は、532 nm レーザー励起によるラマン分光法 (GL Gem Raman™ PL532、カナダ) を使用して測定されました。

MCNP5 コードを利用して、新しく合成されたコバルトドープ チタニア ナノ複合材料の γ 線遮蔽能力が、γ 線エネルギー範囲 (0.059 ～ 2.506 MeV) でシミュレートされました。 MCNP コードは、核データベース ENDF/B.VI.8 と集計 F4 を利用して、選択された複合材料の単位セルあたりのフラックス中央値とガンマ光子の平均飛跡長 (ATL) を推定しました。 製造された材料中のガンマ光子の ATL を推定するために、図 1 に示すように、入力ファイルには製造されたナノ複合材料、放射線源、検出器、および集計に関するすべての情報が含まれています。必要な情報は、何らかの明確な手段を通じて MCNP の入力ファイルに導入されました。セル、サーフェス、マテリアル、ソース、タリー カードなどのカード。 シミュレーション プロセスの実行後、txt 形式の新しい出力ファイルが作成されました。 作成された出力ファイルには、ATL、マテリアル セル内の衝突の数、シミュレーション プロセスの相対誤差に関する必要な情報がすべて含まれています。 すべてのサンプルで記録された相対誤差は ± 3% の範囲でした。 作成されたジオメトリと、コリメータ、サンプル、検出器、および線源のジオメトリ コンポーネントの寸法に関する詳細情報は、以前のいくつかの研究で説明されています 26、27。

入力ファイルに示されている MCNP のジオメトリ。

いくつかの数式を使用して、製造された複合材料のシミュレートされた MCNP の ATL が線形 (μ) および質量 (μm、cm2/g) 減衰係数に変換されました。 そして、推定したμに基づいて、半値厚さ（Δ0.5）、鉛等価厚さ（Δeq）、透過率（TF）、放射線防護効率（RPE）を次式28のように評価した。

\(N_{0}\)、\(N_{t}\)、および x は、放射線源から放出された光子の数、一定の厚さ (x, cm) で製造された複合材料を透過した透過光子の数です。

放出されたγフォトンの 50% を減衰できる製造された複合材料の厚さが Δ0.5 を定義し、式 1 を通じて予測できます。 (3)。

XRD 回折パターン (図 2) を利用して、合成された複合材料の相組成を説明しました。 TiO2 XRD パターンは、2θ 値 25.77°、37.72°、47.92°、53.9°、55.02°、62.57°、68.4°、70.3°における結晶相の主回折ピークである正方晶アナターゼ特性ピーク (JCPDS 9015929) をすべて示しています。 、および 74.9°は、(101)、(004)、(200)、(105)、(211)、(204)、(116)、(220)、および (215) に対応します29。 Co および C ナノ複合材料によってドープされた TiO2 の XRD 結果は、遊離コバルト相が存在しないことを示しており、これはすべてのコバルトがアナターゼ微結晶中の溶融体であることを示唆しています。 XRD の結果は、明らかな炭素ピークがないことを示しており、複合材料中の炭素の結晶化度が低いことを示しています。 驚くべきことに、2 つのサンプルの Co-TiO2 および Co-TiO2/C 回折パターンは、ピークの位置にわずかな変化があるものの、未使用の TiO2 の回折パターンに似ていました。 XRD パターンのピーク位置のわずかなシフトは、Co3+ と Co2+ の置換による Ti4+ 周囲の局所レベルでの構造の変更の結果です。 これは、コバルトが格子内に溶解したことを示唆しています。 コバルトの添加によるもう 1 つの注目すべき変化は、TiO2 の色の変化です。 すべての XRD パターンは、コバルトまたはコバルト/炭素を添加すると、純粋な TiO2 のナノ結晶粒子の平均サイズが変化することを明らかにしました。 Scherrer の式 (図 3)29 によれば、準備されたサンプルの平均結晶子サイズ: 純粋な TiO2 (TiO2 ナノ粒子)、単一ドープ TiO2 (Co-TiO2 ナノ複合材料)、および二重ドープ TiO2 (Co-TiO2/C ナノ複合材料) は 11.7 でした。 、12.4、および13.24nmそれぞれ。 サンプルの結晶サイズの増加は、TiO2 の格子 (アナターゼ相) でチタンがコバルトに置き換わっていることを強調しています。 図2（挿入図）のXRD回折のメインピーク（101）を拡大して調べると、コバルトと炭素がドーパントとして導入されると、より高い1シータ値への大幅なシフトが示されます。 さらに、C と Co による二重ドープ TiO2 (Co-TiO2/C) 材料の平均結晶子サイズは、Co のみによる単一ドープ TiO2 (Co-TiO2) の平均結晶子サイズと比較して大きいことがわかります。 これらの発見は、炭素とコバルトを組み合わせると、それらの間に相乗効果があることを示唆しています。 ＸＲＤ結果は、（Ｃｏ）および（Ｃｏ、Ｃ）によってドープされた２つの製造された材料の平均結晶子サイズがほぼ同一であることを明らかにしている。 さらに、それらの回折ピークの位置は類似しており、これは炭素ドーピングが結晶構造にわずかな影響を与えていることを示唆しています 30,31。

作製されたナノ複合材料サンプルの XRD 回折パターン。

作製されたナノコンポジットサンプルの結晶サイズ。

図 4 は、50 ～ 2000 cm-1 の範囲で製造された 3 つのサンプルのラマン スペクトルを示しています。 151.5、391.5、513、および631.5 cm-1に現れるピークは、それぞれTiO2（アナターゼ結晶相）モードEg、B1g、A1g、およびEgに割り当てられました32。 コバルトのドーピング後、すべてのピークで強度が大幅に減少し、ピーク位置に多少のシフトが見られます。 これらの発見は、アナターゼ相が Co によって完全には変化していないことを示唆していますが、顕著な長次結晶子の歪みも明らかにしており、これは XRD の発見と一致しています。 Ti4+ の Co3+ による置換とそれらのカチオン電荷の不一致により、この歪みが説明される可能性があります。 さらに、Co および C によるドーピングは、酸素鎖内の空孔の形成とも相関しており、これは Ti と O 間の結合 (Ti-O) の振動に大きく影響します。 ナノスケールの結晶相のサイズは、フォノンの閉じ込めによって引き起こされるシフトの周波数に影響を与え、ピーク位置のシフトを制限しますが、指摘することは重要です。 A1g ピークは、位置の明らかな変化と強度の明らかな上昇を示しています。 A1g ピークの変化は、主に水熱反応における炭素との反応の結果として、酸素鎖にさらに多くの空孔が形成されていることを示しています。 689 cm-1 の強いラマン ピークによれば、アナターゼ Eg モードは炭素とコバルトによってドープされた結果としてシフトしました 33。 空気中で炭素を含む材料を焼成した後でも、炭素の存在は、それぞれ D バンドと G バンドを表す 1300 cm-1 と 1850 cm-1 のピークを見ることによって確認できます。 2 つのピーク D と G の強度の比 (ID/IG) = 1.3 を考慮すると、炭素はフォーム 34 で非晶質である可能性が最も高くなります。

作製されたナノコンポジットサンプルのラマンスペクトル。

図5a〜cは、TiO2ナノ粒子、CoがドープされたTiO2（Co-TiO2）、および500℃での焼成後に炭素を添加した場合（Co-TiO2/C）のSEMを示しています。 結果は、ナノ粒子クラスターがすべてのサンプルで形成されることを示しています。 驚くべきことに、(Co) および (Co, C) によってドープされた TiO2 の 2 つのサンプルは 2D シートを形成しました。 一方、ドープされていない TiO2 ナノ粒子は、クラスター化するとより不規則な形状を形成する傾向があります。 コバルトと炭素の添加後、異なるナノシートが出現することは、特定の方向への開発の傾向を示しています。 コバルトの添加後は、C 軸に垂直な方向の状態密度が増加する可能性が高くなります。 さらに、炭素の存在により部分的な酸素の除去が発生します。 2Dシートは互いに弱く付着しているだけで、図5b、cに見られるように、細孔のあるジグザグパターンが形成されます。 TEM 画像（図 5d–f）は、製造された材料の形態に関する追加情報を提供します。 調査結果によると、テストに使用された 3 種類の材料はそれぞれ、平行な側面を持ち、平均サイズが約 23 nm のナノ粒子で構成されています。 Co を添加した後、エッジで粒子が融合し始め、2D ナノレイヤー シートが形成されます。 次に、炭素源としてグルコースを添加すると、アナターゼ相は歪むことなくクラスターと平均粒径が増大した。 EDXスペクトルと元素マッピング（図6）は純粋なTiO2を示し、図7は単一ドープで調製されたサンプル（Co-TiO2）中の（Co）元素の存在を示し、図8は（Co、C）の存在を示します。 ) 二重ドープ調製サンプル (Co-TiO2/C) の元素。 XRD パターンには Co または C に関連するピークはありませんでした。 その結果、シングルドープの場合 (Co-TiO2) の Co イオンとダブルドープの場合 (Co-TiO2/C) の (Co, C) イオンが二酸化チタン微結晶 (アナターゼ相) 中に分布します。均一なフォルム。 表１では、ＣｏおよびＣによるドーピング後のＴｉＯ２ナノ粒子の元素分析組成を決定することができる。

（a〜c）それぞれ、TiO2ナノ粒子、単一ドープTiO2（Co-TiO2）、および二重ドープTiO2（Co-TiO2/C）のSEM画像。 （ d – f ）TiO2ナノ粒子、単一ドープTiO2（Co-TiO2）、および二重ドープTiO2（Co-TiO2/C）のTEM画像。

作製した TiO2 ナノ粒子の元素分析およびマッピング (EDX)。

作製された Co-TiO2 ナノ複合材料の元素分析およびマッピング (EDX)。

作製した Co-TiO2/C ナノ複合材料の元素分析およびマッピング (EDX)。

μm と μ は、新しく合成されたコバルトドープチタニアナノシートの光子の輸送に対する抵抗能力を表す主な重要なパラメーターです。 µm と µ の両方は、MCNP コードと XCOM ソフトウェア プログラムを使用して、製造されたナノ複合材料 (純粋な TiO2 ナノ粒子、単一ドープ TiO2 (Co-TiO2) ナノ複合材料、および 2 重ドープ TiO2 (Co-TiO2/C) ナノ複合材料) について評価されました。 0.059～2.506 MeVの範囲の広いγ線スペクトル(Eγ、MeV)。 μm の挙動は、さまざまな γ 線相互作用領域 [a] 光電相互作用、[b] コンプトン散乱、および [c] 対生成相互作用の領域で図 9 に示されています。 図9aによると、Eγ値の増加に伴い、製造された両方の複合材料（純粋なTiO2ナノ粒子、単一ドープTiO2（Co-TiO2）ナノ複合材料、および2重ドープTiO2（Co-TiO2/C）ナノ複合材料）のμm値が68％減少しました。 シミュレーションされた µm 値は、TiO2 NP では 0.567 ～ 0.183 cm2/g の間、Co-TiO2 複合材料では 0.576 ～ 0.184 cm2/g の間、Co-TiO2/C 複合材料では 0.569 ～ 0.183 cm2/g の間で減少しました。 光電断面積は Eγ の 3 乗に反比例して変化し、μm 値の大幅な減少を説明しています。 図 9b は、TiO2 NP では 0.0989 ～ 0.0618 cm2/g、Co-TiO2 複合材料では 0.0991 ～ 0.0619 cm2/g、Co-TiO2/C では 0.0991 ～ 0.0619 cm2/g の µm 値の減少を示しています。 Eγ 値を 0.344 ～ 0.964 MeV の間で上昇させます。 提示された還元挙動は、Eγ に反比例して変化するコンプトン散乱の断面積を使用して研究されました。 図 9c は、エネルギー間隔 1.173 ～ 2.506 MeV 内での Eγ 値の増加に伴う µm 値のわずかな減少を示しています。 図示されたわずかな減少は、1.173 MeV と 2.506 MeV の間でも CS 相互作用が依然として主要な相互作用であるという事実によるものです。 したがって、PE および CS 相互作用は結果解析中にのみ出現し、ペア生成相互作用 (PP) は研究されたエネルギー範囲では観察されませんでした。 現在の研究における PP 相互作用の出現が遅れているのは、製造された複合材料の密度が比較的小さいことに起因すると考えられます。 現在の研究における PP 相互作用は、3 MeV を超えるガンマ線エネルギーで始まり、ガンマ エネルギーの大きな変動 (PP 間隔内) により、μm 値がわずかに増加します。 この動作は、PP 断面と Log E の比例性に起因すると考えられます。

製造された複合材料の質量減衰係数。

図 9 に示すように、MCNP を使用したシミュレーション結果は、理論上の無料プログラム XCOM を使用して確認されました。得られた結果は、± 2% の範囲でシミュレーション データとの一致を示しました。

また、二酸化チタン (TiO2 NP) を Co および C ナノ粒子で修飾すると、μm 値がわずかに向上します。 図 10 は、製造された複合材料中の Ti ナノ粒子濃度に対する µm 値の変化を示しています。 低エネルギー区間（すなわち、０．１０３ＭｅＶのＥγ）では、作製された複合材料中のＴｉナノ粒子の減少に伴ってμｍ値がわずかに増加したが、高光子エネルギーでは、Ｔｉナノ粒子の増加に伴ってμｍ値が増加した。 この挙動は、Ti ナノ粒子濃度の減少が Co ナノ粒子濃度の増加を伴う Co ナノ粒子に起因すると考えられます。 したがって、Co ナノ粒子は、低い Eγ 値では Ti ナノ粒子で記録されたμm 値よりも高いμm 値を持ちますが、Co ナノ粒子のμm 値は、高い Eγ 値では Ti のμm 値に匹敵します。 たとえば、Co のμm は 0.059 MeV の低い Eγ で 1.343cm2/g ですが、Ti 元素のμm は同じ Eγ 値で 0.782cm2/g です。 さらに、Co の μm 値は 1.408 MeV の Eγ で 0.496 cm2/g であり、Ti の μm 値 0.495 cm2/g に匹敵します35。 次に、製造されたナノ複合材料中の Ti ナノ粒子の濃度の減少は、低い γ 光子エネルギーでの μm 値の増加と関連していましたが、高い γ 光子エネルギーでは前述の傾向が逆転しました。 TiO2 ナノ粒子に添加される Co および C ナノ粒子の濃度が低いため、シミュレーションされた µm 値の変動は比較的小さくなります。

0.103、0.662、および 1.250 MeV での Ti 濃度に対する質量減衰係数 (μm、cm2/g) の変化。

Δeq は、厚さ 1 cm の純粋な鉛 (Pb) と同じ光子数を減衰できる合成複合材料の厚さを表します。 図 11 は、作製した複合材料 [a] TiO2 ナノ粒子、[b] 単一ドープ TiO2 (Co-TiO2)、および [c] 2 重ドープ TiO2 (Co) の Eγ 値に対する µ、Δ0.5、および Δeq 値の変化を示しています。 -TiO2/C) との比較。 図 11a、b、c は、μ 値と Δeq 値が減少し、Δ0.5 値が増加していることを示しています。 評価されたμ値は、1.884～0.127cm-1の間（TiO2 NPの場合）、1.970～0.131cm-1の間（Co-TiO2/Cナノ複合材料の場合）、および1.955～0.132cm-1の間（Co-TiO2/Cの場合）で順調に減少した。 C ナノコンポジット）を使用して Eγ を高めます。 μの減少は、PE、CS、および PP の相互作用の影響によって引き起こされました。 計算された最高のΔeq 値は、作製された純粋な TiO2 ナノ粒子、単一ドープ TiO2 Co-TiO2 複合材料、および二重ドープ TiO2 Co-TiO2/C 複合材料でそれぞれ 83.978、80.772、および 80.977 cm です。 計算された Δeq は、製造された複合材料の μ 値で達成された減少と比較して Pb の μ 値が大幅に減少するため、Eγ 値が増加するにつれて急速に減少します。 0.059 MeV と 0.122 MeV の間では、製造された複合材料の Δeq は約 103% 増加しました。 Δeq の前述の増加は、報告されている製造複合材料の μ 値の低下と比較して、Pb の μ の低下が低いことに起因します。 Eγ が 0.059 ～ 0.122 MeV の間で上昇すると、Pb の μ は約 34% 減少しましたが、テストされた複合材料の μ 値は約 67% 減少しました。 その後、0.344 MeV と 0.964 MeV の間の中間エネルギー間隔では、Δeq 値は約 62% 減少しました。 この減少は、製造された複合材料のμ値の減少が中程度であるのに比べて、Pb のμ値の大幅な減少によるものです。 CS 相互作用区間では、Pb のμ値は 76% 低下し、合成された複合材料のμは、TiO2 ナノ粒子、単一ドープ TiO2 (Co-TiO2)、および二重ドープ TiO2 (Co- TiO2/C)。 Pb および作製した複合材料の µ 値は γ 光子エネルギーに依存しないため、1.173 ～ 2.506 MeV の高 Eγ 区間での Eγ 値の変動による Δeq 値の大幅な変動はありません。 Δ0.5 値は、μ 値で記録された減少により Eγ 値が上昇するにつれて増加を示します。ここで、Δ0.5 値はμに反比例します (式 3 を参照)。

準備された複合材料の線減衰係数、半値厚さ、および鉛相当厚さ。

0.662 MeV の Eγ における Ti4+ および Co3+ ナノ粒子の量に対するμ、Δ0.5、および Δeq 値の変化を図 12 に示します。μ 値は Ti 濃度が増加すると減少し、一方、μ 値は Co 濃度が増加すると増加しました。 。 一方、0.662 MeV の Eγ では、Δ0.5 とΔeq は Ti 濃度が増加すると増加し、一方、Co 濃度が増加すると減少しました。 Δ０．５値は、Ｔｉ４＋濃度を５５．４重量％から６１．９重量％に上昇させると２．７３０ｃｍから２．８２７ｃｍまでわずかに増加したが、Ｃｏ濃度を０から３．７％に上昇させると減少した。 さらに、同じ Eγ 0.662 での Δeq 値は、Ti ナノ粒子濃度を 55.4 から 61.9 wt% に上げると 4.896 cm から 5.069 cm に増加しますが、Co3+ ナノ粒子濃度を 0 から 3.7 wt% に上げると 5.069 から 4.896 に減少します。 μ、Δ0.5、Δeq について示された挙動は、Ti4+ ナノ粒子の Co3+ ナノ粒子による部分的置換に起因すると考えられます。ここで、Ti の Co ナノ粒子による部分的置換により、複合材料の電子密度が増加し、通過に対する抵抗が増加します。入射光子。

TiおよびCo濃度に対する線減衰係数、半値厚さ、鉛等価厚さの変化。

図 13 は、作製した複合材料の μ 値と、以前に報告されたいくつかの複合材料および一般的な市販の遮蔽ガラスの Eγ が 0.662 MeV での μ 値との比較を示しています。 作製した複合材料TiO2、Co-TiO2、Co-TiO2/Cのμ値は0.245cm-1、0.253cm-1、0.254cm-1でした。 これらの値は、AlB12 (0.186 cm-1)、B4C (0.189 cm-1)、MgB2 (0.192 cm-1)、Al (SO4) (0.203 cm-1)、KAl (SO4) (0.132 cm-1) について報告されている値よりも高くなります。 1)、Mg(OH)2 (190 cm-1)、および Na2SO4 (0.197 cm-1) 化合物 36,37。 さらに、製造された複合材料のμ値は、一般的な市販ガラスの RS-253、RS-253 G18、および RS-323 G19 よりも高く、μ 値はそれぞれ 0.16 cm-1、0.16 cm-1、および 0.24 cm-1 です38。 。 対照的に、作製した化合物は、BaSO4、Fe2O336、およびRS-36038について報告されているμ値よりも小さいμ値を有し、μ値はそれぞれ0.347cm-1、0.388cm-1、および0.27cm-1であった。 多量の重金属 Ba、Fe、および Pb が、Ba2SO4、Fe2O3、および RS-360 の高い直線値の原因となっており、最後にはほぼ 45 wt% の PbO が含まれています。

作製した複合材料の線減衰係数と、以前に報告された化合物および市販の遮蔽ガラスの線減衰係数との比較。

選択した複合材料の TF および RPE を図 14 に示します。TF 値の減少は、15.2 ～ 88.0% (複合 TiO2 の場合)、13.9 ～ 87.7% (Co-TiO2 複合材料の場合)、および 14.2 ～ 87.8 の間でした。 Eγ が 0.059 MeV から 2.506 MeV に増加した場合の % (Co-TiO2/C 複合材料の場合)。 一方、Eγ が大きい場合、RPE は 84.8 から 12.0% (複合 TiO2 の場合)、86.1 から 12.3% (複合 Co-TiO2 の場合)、および 85.8 から 12.3% (複合 Co-TiO2/C の場合) に減少します。は 0.059 ～ 2.506 MeV の間で変化します。 両方のパラメーターについて前述した挙動は、入射 γ 光子の透過能力に起因しており、エネルギーが上昇すると光子の波長が減少するため、光子の透過力が増加します。 したがって、放出された光子 (No) は、周囲の電子との衝突回数が少なく、テストされた複合材料を通過します。 したがって、Nt の増加は、製造された複合材料に吸収される光子の数 (Na) の減少と関連しています。 前述の Nt の増加と Na フォトンの減少は、γ フォトン エネルギーの増加とともに TF の増加と RPE の減少を引き起こします。

製造された複合材料の透過率と放射線防護効率のγ光子エネルギーへの依存性。

複合材料の厚さに対する TF 値と RPE 値の依存性を図 15 に示します。複合材料の厚さが 0.025 ～ 2 cm の間で増加すると、製造されたすべての複合材料で TF 値が減少し、RPE が増加しました。 厚さが 0.25 ～ 2 cm の範囲にある場合、TF 値は 93.3 ～ 57.6% (TiO2 複合材料の場合)、86.7 ～ 56.6% (Co-TiO2 複合材料の場合)、および 86.7 ～ 56.5% (Co-TiO2 複合材料の場合) に直線的に減少しました。 /Cコンポジット)。 ただし、RPEは、 0.511 MeV のガンマ光子エネルギーで 0.25 から 2 cm まで上昇した複合材料。 複合材料の厚さが増加すると、製造された複合材料内での入射 γ 光子の経路長が増加します。 したがって、入射光子が周囲の電子と相互作用する可能性が高まります。 したがって、入射光子による消費エネルギーは、厚さが薄い材料よりも厚い材料の内部で増加し、その結果、RPE 値が大幅に増加し、それに対応して TF 値が減少しました 39。

透過率と放射線防護効率の複合材の厚さへの依存性。

酸素鎖により多くの空孔を有するコバルトドープ TiO2 ナノ複合材料を、水熱法に基づいて 1 ステップで合成し、平均結晶サイズ 13 nm 未満の 2D シートの XRD を使用して、合成された複合材料の形成と結晶性を確認しました。 さらに、コバルトドープチタニアナノ複合材料のμm は、0.059 ～ 2.506 MeV の MCNP5 を使用して推定されました。 質量減衰係数のシミュレーション値は、XCOM プログラムを使用して確認されました。XCOM と MCNP の結果の差は、約 ± 2% の範囲でした。 研究したエネルギーにおける質量減衰係数は、0.567 から 0.038 cm2/g (TiO2 複合材料)、0.567 から 0.038 cm2/g (Co-TiO2 複合材料)、0.570 から 0.038 cm2/g (Co-TiO2/C 複合材料) に減少しました。地域。 質量減衰係数値は、低いγ光子エネルギーでは作製された複合材料中のTi4+イオンが減少するにつれて増加しますが、中間および高いγ光子エネルギーではTi4+がCo3+イオンに置換されても大きな変化はありません。 さらに、製造された複合材料中の Co3+ イオンを 0 ～ 3.7 wt% の間で増加させることにより、μ がわずかに増加します。 μ 値の前述の増加は、Δ0.5 および Δeq 値のわずかな減少と関連していました。 結論付けられた結果に基づいて、作製された複合材料ベースの TiO2 ナノ複合材料は、ポリマー、セラミック、塗料材料のガンマ線遮蔽能力を向上させるための充填剤として使用できます。 製造された複合材料は、低および中間のガンマ線エネルギー範囲では優れた遮蔽能力を持っていますが、高ガンマ線エネルギーの用途には適していません。

この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、サウジアラビア、リヤドのノーラ・ビント・アブドゥルラフマン大学王女ヌラ・ビント・アブドゥルラフマン大学研究者支援プロジェクト番号（PNUURSP2023R2）に感謝の意を表します。

核物質庁、私書箱 530、エルマーディ、カイロ、エジプト

イスラム G. アヒンダウィ & カレム A. マフムード

イスラ大学理学部物理学科（ヨルダン、アンマン）

MIサイエド

イマーム・アブドゥルラフマン・ビン・ファイサル大学（IAU）、研究・医療相談研究所（IRMC）、核医学研究部、私書箱1982、31441、ダンマーム、サウジアラビア

MIサイエド

プリンセス・ノウラ・ビント・アブドゥラフマン大学理学部物理学科、POBox 84428、11671、リヤド、サウジアラビア

アルジャワラ H. アルムクリン

ウラル連邦大学、19 Mira St、エカテリンブルク、ロシア、620002

カレム・A・マフムード

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イスラム G. アヒンダウィまたはカレム A. マフムードへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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IG アルヒンダウィ、ミシガン州サイエド、AH アルムクリン 他コバルト-チタニアハイブリッドナノマテリアルによるガンマ線遮蔽の最適化。 Sci Rep 13、8936 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-33864-y

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受信日: 2023 年 2 月 17 日

受理日: 2023 年 4 月 20 日

公開日: 2023 年 6 月 1 日

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