Lead-free flexible shielding from natural rubber for nuclear medicine

Abstract

Radiation shielding is an important tool for the protection of patient and medical staffs from ionizing radiation. In this work, lead-free flexible shielding was developed for replacement of lead shielding. Natural rubber (NR) with barium sulfate (BS) and barium sulfate nanoparticles (BSN) of 0, 10, 20, 30 and 50 parts per hundred of natural rubber (phr) was produced. Then, the physical and mechanical properties were tested according to ASTM (American Society for Testing and Materials). The shielding properties of these shielding were measured using NaI(Tl) scintillation detector with 57Co (122.06 keV) and 133Ba (356.01 keV) in nuclear medicine. The results showed that increasing of filler concentration into NR raised the density, hardness, tensile modulus, tensile strength and elongation at break whereas the flexible properties were reduced. However, BSN can increase the flexible properties. For radiation shielding properties, the mass attenuation coefficient ({u1D707}m) were found to increase with BS and BSN concentration for 57Co and 133Ba radionuclides. The highest mass attenuation coefficient was observed in NR with BSN 50 phr, the {u1D707}m were calculated to be 0.25 cm2/g and 0.22 cm2/g for 57Co and 133Ba respectively. Additionally, our results showed that the {u1D707}m of BSN were higher than BSN along with filler concentration. This was because nanoparticles dispersed better in the NR composite and the specific surface area also increased with the filler particle size decreased. In conclusion, the novel lead-free flexible shielding base on NR with BSN showed a promising result for developing potential shielding in nuclear medicine due to their flexibility, lightweight and lead-free composite.

อุปกรณ์ป้องกันอัตรายจากรังสีเป็นสิ่งที่สำคัญในการช่วยลดปริมาณรังสีที่ผู้ป่วยหรือเจ้าหน้าที่ปฏิบัติติงานจะได้รับ โดยในงานวิจัยนี้เป็นการพัฒนาอุปกรณ์ป้องกันอันตรายจากรังสีชนิดใหม่ที่มีความยืดหยุ่นและไม่มีส่วนประกอบของตะกั่วโดยจะใช้ยางธรรมชาติผสมกับแบเรียมซัลเฟตที่มีขนาดไมโครและขนาดนาโนในสัดส่วน 0, 10, 20, 30 และ 50 phr เพื่อนำไปทดสอบเปรียบเทียบคุณสมบัติทางกายภาพและประสิทธิภาพการกำบังรังสีแกมมาจาก 57Co (พลังงาน 122.06 keV) และ 133Ba (พลังงาน 356.01 keV) ที่ใช้ในแผนกเวชศาสตร์นิวเคลียร์โดยใช้หัววัดรังสีชนิดโซเดียมไอโอไดด์ซินทิลเลชัน จากการศึกษาพบว่าการเพิ่มปริมาณแบเรียมซัลเฟตทำให้อุปกรณ์ กำบังรังสีมีความยืดหยุ่นน้อยลง ในขณะที่แบเรียมซัลเฟตขนาดอนุภาคนาโนสามารถเพิ่มคุณสมบัติความยืดหยุ่นของวัสดุได้ สำหรับคุณสมบัติการกำบังรังสีพบว่าการเพิ่มปริมาณแบเรียมซัลเฟตทำให้สัมประสิทธิ์การลดทอนรังสีเชิงมวลของวัสดุมีค่าเพิ่มขึ้นและยิ่งกว่านั้นพบว่าแผ่นยางธรรมชาติที่ผสมกับแบเรียมซัลเฟตขนาดอนุภาคนาโน 50 phr มีค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนรังสีเชิงมวลสูงสุดอยู่ที่ 0.25 และ 0.22 ตารางเซติเมตรต่อกรัมสำหรับ 57Co และ 133Ba ตามลำดับ อีกทั้งค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนรังสีเชิงมวลของแบเรียมซัลเฟตขนาดนาโนจะมีค่าสูงกว่าแบเรียมซัลเฟตขนาดไมโครในทุกสัดส่วนการผสม ทั้งนี้เป็นผลมาจากแบเรียมซัลเฟตขนาดนาโนมีการกระจายตัวในยางธรรมชาติได้ดีกว่าและมีสัดส่วนของพื้นที่ผิวต่อมวลมากกว่า ดังนั้นวัสดุชนิดใหม่นี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้สำหรับการกำบังรังสีแกมมาที่ใช้ในงานเวชศาสตร์นิวเคลียร์ได้เนื่องจากยืดหยุ่นได้ดีกว่าตะกั่ว