Otimização de vidros silicatos para blindagem de radiação ionizante por inclusão de óxidos formadores e modificadores de rede

Abstract

Resumo: A relevância das questões relacionadas à proteção radiológica é importante, dada a capacidade deleteria das radiações ionizantes. Este estudo emerge da demanda de desenvolver materiais para blindagem contra tais radiações, buscando mitigar o problema genera-lizado, buscando preparar vidros não plumbíferos que possuam alta transparência. A pesquisa abrangeu a produção e análise de sistemas vítreos de silicato (50Si02 - 6, 67CaO -15, 67N a203 - 16, 67CaF2 - 1Al203 - 10MO, MO = BaO, ZnO, CoO, TeO2 e BizO3,em mol%), com o propósito de avaliar sua eficácia de blindagem contra radiação. Conduzimos uma análise abrangente das propriedades físicas, ópticas, mecânicas e estruturais dos vidros produzidos. Utilizamos técnicas de caracterização, incluindo Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier por Reflectância Total Atenuada, Espectroscopia Raman, Difração de Raios X, Análise Térmica Diferencial, Espectroscopia UV-VIS-NIR, Espectroscopia de Raios X por Dispersão de Energia, Fluorescência de Raios X, Elipsometria e Dureza Vickers-Microdureza. A efetividade de blindagem das amostras foram determinadas teoricaemnte via simulações via software Phy-X/PSD. Os valores experimentais foram realizados utilizando uma montagem com isótopos de 241 Am e 5TCo. Os dados provenientes das análises térmicas destacaram a consistente manutenção da estabilidade térmica (> 100 °C) para a maioria dos vidros produzidos. Pela espectroscopia UV-VIS-NIR, observa-se que os vidros preparados possuem uma elevada transmitância mantendo-se (> 80%) em todo o espectro medido. As análises de FRX e EDS desmonstraram que os elementos modificadores e formadores de rede não foram volatilizados durante a produção dos vidros. Notavelmente, foi possível observar, que todas as adições de óxidos geraram um aumento considerável na dureza. As amostras SCSBi, SCSBa e SCSTe demonstraram as maiores capacidades de blindagem. Especificamente, a amostra SCSBi apresentou atenuações 50 vezes maiores para energias específicas, superando os índices encontrados em vidros comerciais atuais, os quais contém alta concentração de chumbo em suas composições.

Abstract: The undeniable significance of issues surrounding radiological protection in today's world is underscored by the harmful potential of ionizing radiations. This study is driven by the urgent need to pioneer materials for robust shielding against such radiations, with the overarching goal of alleviating the prevalent challenge, seeking to prepare lead-free glasses that have high transparency. The research involved the meticulous production and examination of silicate glass systems, (50Si02 - 6, 67CaO - 15, 67N a203 - 16, 67C aF2 -141203 - 10MO, MO = BaO, ZnO, CoO, Te02 e BizO3, mol%), aiming to assess their effectiveness as agents for shielding against radiation. In addition to optimizing the glass production process, we conduct a thorough analysis of the physical, optical, mechanical, and structural properties of the fabricated glasses. To achieve this, we employ a suite of advanced characterization techniques, including Fourier Transform Infrared Attenuated Total Reflectance Spectroscopy, Raman Spectroscopy, X-ray Diffraction, Differential Thermal Analysis, UV-VIS-NIR Spectroscopy, Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, X-ray Fluorescence, Ellipsometry, and Vickers-Microhardness testing. The shielding effectiveness of the samples was determined theoretically through simulations using the Phy-X/PSD software. Experimental values were obtained using a setup with 241 Am and 5'Co isotopes. Data from thermal analyses underscored the consistent maintenance of thermal stability (> 100 °C) for the majority of produced glasses. UV-VIS-NIR spectroscopy revealed that the prepared glasses exhibited high transmittance, consistently ranging between 80% and 90% across the measured spectrum. XRF and EDS analyses demonstrated that network-forming and modifying elements were not volatilized during glass production. Remarkably, all oxide additions led to a significant increase in mechanical strength. SCSBi, SCSBa, and SCSTe samples exhibited superior shielding capabilities, with SCSBi demonstrating 50 times greater attenuation for specific energies, surpassing current commercial glasses with high lead concentrations.