Development of novel shielding material based on epoxy matrix loaded by high-Z chemical powders used for mammographic, diagnostic and industrial X and gamma ray energy range, and determination of its photon attenuation properties by ionization chamber method with use of standard beam qualities

Abstract

İyonlaştırıcı radyasyona karşı zırhlama malzemesi kullanımı, pasif bir güvenlik elemanı olarak tıbbi ve endüstriyel radyasyon uygulamalarında önemli bir yer teşkil eder. Son yıllarda malzeme biliminin hızlı gelişimi ile birlikte bu alanda yeni kompozit malzemeler kullanılmaya başlanmıştır. Bu malzemeler, kurşun ve demir metalleri gibi klasik radyasyon zırhlayıcı malzemelerle birlikte rekabetçi bir şekilde ve hatta bazı pratik nedenlerden dolayı metaller yerine de kullanılırlar. Bu tezde, kurşun oksit tozuna ve epoksi matrisine dayalı yeni bir kompozit zırhlayıcı malzeme üretilmesi amaçlanmıştır. Mamografik, radyolojik ve endüstriyel enerji aralıklarındaki x ve gama ışınlarına karşı kullanımının uygunluğu, radyometrik tezgâhlarda iyon odası yöntemiyle test edilmiştir. Koruyucu numunelerin üretimi kurşun oksit tozunun uygun bir epoksi malzeme ile karıştırılma ve kalıplanma tekniğine dayanmaktadır, numunelerin homojenliği a-Si / CsI dijital görüntüleme detektörü kullanılarak en az % 99 homojenlik olacak şekilde elde edilmiştir. Numuneler farklı kurşun oksit / epoksi yükleme oranları, farklı şekiller ve kalınlıklar kullanılarak üretilmiştir. Örneklerin fiziksel yoğunlukları özel bir terazi seti kullanılarak belirlenmiştir. Üretilen numunelerin kurşun eşdeğerliği, zayıflama katsayısı ve HVL değerleri gibi foton zayıflama özellikleri, IEC 61331-1 protokolüne göre standart dar demet kalitelerinde tanımlanmıştır. 7 mm kalınlıkta % 20 PbO yüklü numunenin mamografi enerji aralığında (20-30 kVp) hiçbir doz değeri göstermediği ve gelen tüm fotonları durdurduğu, 4 mm kalınlıkta % 60 PbO yüklü numunenin radyoloji enerji aralığı (80-100 kVp) için 0.5 mm saf kurşun levhaya eşit olduğu gözlenmiştir. Örnekleri endüstriyel enerji aralığında test etmek amacıyla, kurşun eşdeğeri, zayıflama katsayısı ve HVL'lerini belirlemek için bir ISO s-137Cs (0.662 MeV) kaynağı kullanılmıştır. Ayrıca numunelerin darbelere dayanıklılığı için yapılan testlerde tatmin edici sonuçlara ulaşılmıştır. Numuneler için elde edilen tüm sonuçlar, bu yeni koruyucu malzemenin bazı tıbbi ve endüstriyel uygulamalarda kullanılabileceğini göstermiştir.

The shielding against ionizing radiation is an important issue in the medical and industrial radiation applications as a passive safety element. In recent years, with fast development of material science new composite materials have been developed and they are increasingly used in this field. Those materials are competitively employed together with classical radiation shielding materials such as lead and iron metals, and even they are also replaced by metals due to some practical reasons. In this thesis, it was aimed to produce a novel composite shielding material based on epoxy matrix by adding lead oxide powder. The suitability of its use in mammographic, radiological and industrial x and gamma ray energy ranges was tested by ionization chamber method. The new shielding samples were produced by mixing lead oxide powder and a suitable epoxy matrix, thus resulting in at least 99% homogeneity in which the homogeneity of samples was determined using the radiological images taken by a-Si/CsI based digital imaging detector. In the production procedure, the samples were produced using different loading ratios of lead oxide/epoxy, different shapes and thicknesses. Physical densities of the samples were determined by using a special balance kit. The attenuation properties of the produced samples such as lead equivalence, attenuation coefficient and HVL values were measured on standard narrow beam qualities according to IEC 61331-1 protocol, using the experimental setups installed in the radiometric benches. It was observed that the 20 % PbO loaded sample with 7mm thickness showed no transmission and shielded all incoming photons in mammography energy range (20-30 kVp), the 60% PbO loaded sample with 4mm thickness is found to be equivalent to 0.5mm lead metal for radiology (80-100 kVp). To test the samples industrial energy range, an ISO s-137Cs (0.662 MeV) source was used to determine lead equivalence, attenuation coefficient, and HVLs. Then the mechanical properties of the samples were determined and the results obtained for impact strength are satisfactorily to demonstrate their durability. All results obtained for the samples indicated that, this new shielding material can be used in some medical and industrial applications.