Обґрунтування параметрів та ефективності застосування рентгенозахисних конструкцій з композиційних матеріалів на основі фосфогіпсу

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ ім. М. С. ПОЛЯКОВА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Обґрунтування параметрів та ефективності застосування рентгенозахисних конструкцій з композиційних матеріалів на основі фосфогіпсу

Спеціальність: 05.26.01 - Охорона праці

Голов Костянтин Сергійович

Дніпропетровськ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної академії наук України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник: академік НАН України,

доктор технічних наук, професор

БУЛАТ Анатолій Федорович,

Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова

НАН України, директор

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

ПЕРЕПЕЛИЦЯ Валентин Григорович,

Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова

НАН України, завідувач відділу гірничої аерогазодинаміки

кандидат технічних наук, доцент

ПИЛИПЕНКО Олександр Володимирович,

ДВНЗ Придніпровська державна академія будівництва та архітектури МОНМС України,

доцент кафедри безпеки життєдіяльності (м. Дніпропетровськ)

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблема екологічної безпеки в Україні має першорядне значення. Це обумовлено тим, що на території України накопичено ряд техногенних родовищ у вигляді мінеральних відходів різних виробництв. Вони, у свою чергу, є об'єктами підвищеної екологічної небезпеки. До того ж, значні території України зазнали радіаційного забруднення через наслідки Чорнобильської катастрофи та захоронення радіоактивних відходів, отриманих при виробництві збагаченого урану. Поряд з цим, в Україні в різних сферах людської діяльності, і зокрема в гірській промисловості при дослідженні перетину бурових свердловин, медицині для рентгенодіагностики та променевої терапії, в ядерних реакторах атомних електростанцій і енергетичних установках, у практиці неруйнівних методів контролю і т.д. широке застосування отримали проникаючі випромінювання. При цьому головним завданням при поводженні з джерелами іонізуючих випромінювань є забезпечення радіаційної безпеки людини та навколишнього середовища.

У зв'язку з цим особливу привабливість для України представляє комплексне вирішення зазначених проблем на базі використання вітчизняної мінеральної сировини техногенних родовищ у вигляді хвостів гірничодобувних і хімічних переробних виробництв з метою виготовлення на їх основі рентгенозахисних матеріалів.

Одним з домінуючих видів мінеральної сировини, яка імпортується в Україну для переробки, є апатитова руда, з якої вже багато десятків років виробляють фосфорне добриво - амофос. Виробничо-технологічний процес отримання амофосу супроводжується утворенням великотоннажних відходів фосфогіпсу, накопичений обсяг яких на сьогоднішній день в Україні перевищив 45 млн т.

Розробка високоефективних технологій виготовлення рентгенозахисних матеріалів з адаптацією їх до умов сучасного промислового виробництва на базі використання вітчизняного мінеральної сировини техногенних родовищ фосфогіпсу з кожним роком для України набуває все більшої актуальності. Аналіз літературних даних та патентних джерел показав, що на сьогоднішній день не встановлені закономірності впливу параметрів рентгенозахисних конструкцій з композиційних матеріалів на основі фосфогіпсу на їх рентгенозахисні властивості.

Тому встановлення закономірностей впливу параметрів рентгенозахисних конструкцій на рівень радіаційного захисту персоналу з урахуванням властивостей композиційних матеріалів на основі фосфогіпсу та обґрунтування на цій основі параметрів та ефективності застосування таких конструкцій, є актуальною науковою задачею, що має суттєве значення для підвищення рівня безпеки праці персоналу працюючого в умовах впливу рентгенівського випромінювання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, а її основні результати є складовою частиною:

- науково-дослідної роботи «Розробка науково-технічних основ ультразвукової технології формування рентгенозахисних покриттів з аномально високими рентгенозахисними властивостями на різних матричних матеріалах з використанням рентгенозахисних модифікаторів з вторинної мінеральної сировини техногенних родовищ фосфогіпсу Україна» на замовлення Національної академії наук України, 2007-2009 рр. № держреєстрації 0107U003733 (по якій автор був виконавцем);

- науково-дослідної роботи «Дослідження впливу структури міцних фазових контактів сульфату кальцію і складних окисів рідкоземельних елементів на РЗ властивості матричного матеріалу» на замовлення Національної академії наук України, 2010-2010 рр. № держреєстрації 0110U004204 (по якій автор був виконавцем).

Вищезгадані НДР виконувалися відповідно до планів наукових досліджень відділу «Проблем розробки родовищ на великих глибинах» Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України.

Ідея роботи полягає у використанні отриманих закономірностей зміни рентгенозахисних властивостей композиційних матеріалів на основі фосфогіпсу для обґрунтування параметрів рентгенозахисних конструкцій.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи - обґрунтувати параметри та ефективність застосування рентгенозахисних конструкцій з композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу для підвищення рівня радіаційного захисту персоналу від рентгенівського випромінювання.

Для досягнення зазначеної мети вирішувалися наступні завдання:

- обґрунтувати доцільність застосування композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу для створення рентгенозахисних конструкцій;

- обґрунтувати можливість надання високих рентгенозахисних властивостей композиційним матеріалам на основі фосфогіпсу, що забезпечить створення високоефективних захисних конструкцій;

- провести експериментальні дослідження рентгенозахисних властивостей композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу і довести доцільність створення захисних конструкцій на його основі;

- обґрунтувати можливі області, параметри та ефективність застосування рентгенозахисних конструкцій з композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу.

Об'єкт дослідження - особливості процесу захисту персоналу від рентгенівського і гамма- випромінювань конструкціями з композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу.

Предметом дослідження є параметри рентгенозахисних конструкцій з композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу.

Методи дослідження. У роботі використано комплексний метод досліджень, який включає аналіз і узагальнення літературних даних при обґрунтуванні доцільності застосування композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу для створення рентгенозахисних конструкцій; розробку феноменологічної моделі та обґрунтування на її основі можливості надання високих рентгенозахисних властивостей композиційному матеріалу на основі фосфогіпсу, що забезпечує створення високоефективних захисних конструкцій; експериментальні дослідження рентгенозахисних властивостей зразків розробленого композиційного матеріалу шляхом опромінення їх рентгенівським і гамма- випромінюванням в низькому і середньому діапазонах енергій з подальшим обґрунтуванням доцільності створення захисних конструкцій на його основі; обробку результатів експериментальних досліджень з використанням методів математичної статистики для аналізу отриманих результатів та обґрунтування можливих областей, параметрів та ефективності застосування рентгенозахисних конструкцій з композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу.

Наукові положення, що виносяться на захист:

- рівень захисту персоналу від рентгенівського випромінювання конструкціями з композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу зі збільшенням товщини цих конструкцій зростає за поліноміальною залежністю на відміну від експоненціальної, - за Бугером, при цьому найбільш ефективний рівень захисту досягається при концентрації рідкоземельних елементів в композиційному матеріалі в діапазоні 28-33 % від її маси;

- ефективність захисту персоналу при використанні конструкцій зі свинецьвміщуючим матеріалом прямо пропорційна масі та її товщині, а при використанні конструкцій з композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу вона змінюється прямо пропорційно концентрації рідкоземельних елементів та обернено пропорційно щільності матеріалу, при цьому при інших рівних умовах ефективність розроблених конструкцій вище, ніж у свинецьвміщуючих конструкцій, у 1,4-1,5 рази.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше встановлено, що найбільше перевищення рівня захисту персоналу від рентгенівського випромінювання конструкціями з композиційних матеріалів на основі фосфогіпсу над рівнем захисту, регламентованих законом Бугера, досягається при концентрації рідкоземельних елементів у композиційному матеріалі у діапазоні 28-33% від її маси;

- вперше встановлено, що ефективність захисту персоналу при використанні конструкцій з композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу залежить як від концентрації рідкоземельних елементів в матриці, так і від щільності матеріалу, а це дозволяє підвищити ефективність захисту персоналу в 1,4-1,5 рази у порівнянні зі свинецьвміщуючими конструкціями;

- вперше розроблена феноменологічна модель, що дозволяє обґрунтувати можливість надання високих рентгенозахисних властивостей композиційному матеріалу на основі фосфогіпсу і створити високоефективні рентгенозахисні конструкції на його основі.

Наукове значення роботи полягає у встановленні залежностей зміни рівня захисту персоналу від рентгенівського випромінювання конструкціями з композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу від концентрації рідкоземельних елементів у ньому, щільності матеріалу і товщини конструкції.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено рентгенозахисні конструкції з композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу, призначені для колективного захисту персоналу рентгенологічних кабінетів і виконані у вигляді міжкімнатних перегородок.

Реалізація результатів роботи: полягає у позитивних результатах випробувань розробленої конструкції з композиційного рентгенозахисного матеріалу на основі фосфогіпсу:

- при опроміненні рентгенівським випромінюванням з анодною напругою 100 кВ у Державній установі КЗ «Міська клінічна лікарня № 18» (протокол № 10 від 01.12.2009 р. и № 19 від 28.04.2010 р.);

- при опроміненні гамма- випромінюванням ²⁴¹Am з енергією 60 кеВ у Спецкомбінаті МНС «РАДОН» (протокол № 8 від 27.11.2009 р.).

Отримані результати дозволяють рекомендувати створені рентгенозахисні конструкції з композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу з високими (у порівнянні з показниками відповідно до закону Бугера) рентгенозахисними властивостями в якості альтернативи традиційно використовуваним більш дорогим, а в ряді випадків екологічно небезпечним, рентгенозахисним матеріалам гірничодобувної промисловості і радіологічних установ для захисту працівників і пацієнтів від рентгенівського і гамма-випромінювань.

Методичні рекомендації по обладнанню композиційним рентгенозахисним матеріалом конструкцій колективного захисту персоналу впроваджені в рентгенологічному кабінеті міської клінічної лікарні № 18 і при створенні контейнерів для низькорадіоактивних елементів у Спецкомбінат МНС «РАДОН».

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджуються коректним, статистично значущим обсягом експериментальних даних, позитивними результатами впровадження інструкцій щодо застосування розроблених композиційних матеріалів у рентгенозахисних конструкціях, а також задовільною величиною відносної похибки експериментальних даних, яка не перевищує 10 %.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульована мета та ідея роботи, завдання досліджень, сформульовані її наукові положення і наукова новизна, проведено комплекс експериментальних досліджень, обробка та аналіз результатів, доцільність застосування композиційних рентгенозахисних матеріалів на основі фосфогіпсу для створення рентгенозахисних конструкцій, параметри рентгенозахисних конструкцій, можливі області та ефективність застосування розроблених захисних конструкцій, розроблені інструкції по застосуванню конструкцій з композиційного рентгенозахисного матеріалу на основі фосфогіпсу при захисту від рентгенівського і гамма-випромінювань. Текст роботи викладено автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи, а також результати проведених досліджень доповідались і отримали схвалення:

- на XII конференції молодих вчених «Геотехнічні проблеми розробки родовищ», Дніпропетровськ, 2009 р;

- на XII Міжнародній науково-практичній конференції «Людина і космос», Дніпропетровськ, 2010 р.

- на VIII з міжнародною участю науково-технічній конференції «Еластоміри: матеріали, технологія, обладнання, вироби», Дніпропетровськ, 2010 р.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 робіт, у тому числі 8 робіт опубліковано у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України, одна з яких без співавторів, а також тези двох науково-практичних конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел 245 найменувань на 30 сторінках і 5 додатків на 67 сторінках. Загальний обсяг дисертації 135 сторінок, у тому числі 4 повних сторінки з рисунками і таблицями. Робота містить 18 рисунків та 18 таблиць. Повний обсяг дисертації складає 232 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі «Аналіз стану питання розробки РЗ конструкцій, мета і завдання досліджень» проаналізовано літературні джерела щодо проблем переробки техногенних родовищ фосфогіпсу; визначено екологічний вплив цих родовищ на довкілля; обґрунтовано доцільності вилучення рідкоземельних елементів (РЗЕ) з фосфогіпсу; доведено необхідність комплексної переробки фосфогіпсу з вилученням РЗЕ та створенням рентгенозахисних (РЗ) конструкцій із композиційних РЗ матеріалів з високими РЗ властивостями на основі фосфогіпсового в'яжучого.

Обґрунтовано вибір фосфогіпсу, як техногенної мінеральної сировини, для перетворення її спочатку у кондиційне в'яжуче з подальшим виготовленням композиційних РЗ матеріалів нового технічного рівня. Проаналізовано особливості різноманітних технології щодо переробки фосфогіпсу у кондиційне в'яжуче, їх переваги та недоліки. Викриті технологічні ускладнення переробки фосфогіпсу, які обумовлені наявністю різноманітних хімічних домішок.

Проведено аналіз особливостей фосфогіпсових родовищ України з обґрунтуванням вибору Рівненського фосфогіпсового родовища для комплексної переробки з отриманням РЗ матеріалів. Наведено хімічний склад сировини та особливості переробки зазначеного сховища.

У даному розділі проаналізовано існуючі теорії процесу твердіння фосфогіпсового в'яжучого, та в'яжучого на основі чистого гіпсу. Зокрема, були проаналізовані роботи М.А. Ахмедова, В.Б. Братінова, П.П. Буднікова, Ю.М. Бутта, А.В. Воложенського, Х.С. Воробйова , П.Ф. Гордашевської, Л.І. Дворкіна, А.М. Касимова, В.Ю. Коровіна, А. Ле Шательє, В. Міхаеліса, В.А. Приходько, П.А. Ребіндера, С.М. Стоніса , А.В. Ферронскої та інших вчених.

Встановлено, що у сучасній науково-технічній літературі відсутні як відомості про РЗ конструкції із матеріалів конкретно на основі фосфогіпсового в'яжучого, так і відомості про механізм надання високих РЗ властивостей матрицями на його основі. Поряд з цим проаналізовано роботи багатьох видатних вчених: В.А. Артем'єва, Г.К. Катращука, А.Ф. Булата, Н.Н. Межуєва, Ю.О. Крикуна, В.І. Ткаченка, А.Ю. Андріанова, Е.А. Джура, А.В. Пилипенка, В.В. Кошеленка, В.А. Іванова, В.А. Білоуса й інших, що присвячені радіаційної безпеці та теорії взаємодії рентгенівського й гамма- випромінювань з речовиною.

У даному розділі виконано обґрунтування шляхів надання високих РЗ властивостей композиційному матеріалу на основі фосфогіпсового в'яжучого з РЗ наповнювачем у вигляді РЗЕ. Розглядається взаємодія полідисперсної суміші частинок РЗ наповнювача у вигляді РЗЕ з гідратуючим фосфогіпсовим в'яжучим.

Сформульовані вимоги щодо властивостей, яким повинен відповідати РЗ матеріал для подальшого його використання у РЗ конструкціях. Проведена оцінка можливостей створення РЗ конструкцій на основі ектропровідної гідратуючої матриці у вигляді фосфогіпсового в'яжучого.

На підставі вищезазначеного сформульовано мету та завдання досліджень.

У другому розділі «Обґрунтування можливості надання високих РЗ властивостей композиційному матеріалу на основі фосфогіпсу» обґрунтовані шляхи надання високих РЗ властивостей композиційному матеріалу на основі фосфогіпсового в'яжучого з РЗ наповнювачем у вигляді РЗЕ, які дозволять створити високоефективні РЗ конструкції на основі цих матеріалів.

Запропонована феноменологічна модель щодо технологічних процесів створення композиційних матеріалів з високими РЗ властивостями на основі фосфогіпсового в'яжучого з РЗ наповнювачем у вигляді РЗЕ. Розглянуто взаємодію агломерованих часток РЗЕ з гідратуючим фосфогіпсовим в'яжучим.

Наведені результати аналізу процесу кристалізації гідратуючого в'яжучого, які довели існування технологічних можливостей регулювання процесом збільшення кіль-кості ультрадисперсних час-ток (УДЧ) РЗ наповнювача у вигляді РЗЕ, збільшення яких призведе до збільшення пере-тину взаємодії рентгенівського випромінювання з РЗ напо-внювачем у вигляді РЗЕ, а це, в свою чергу, призведе до більшого ослаблення первинного випромінювання (рис. 1).

Обґрунтовано технологічні параметри, управління якими забезпечує надання високих РЗ властивостей композиційним РЗ матеріалам за рахунок збільшення кількості УДЧ РЗ наповнювача. Окрім цього, у розділі проаналізовані параметри вже освоєної в виробництві технології виготовлення серійних виробів на основі гіпсового в'яжучого для будівельної індустрії, які можна адаптувати до виробництва композиційних матеріалів з високими РЗ властивостями на основі фосфогіпсового в'яжучого. Встановлено, що серед технологічних параметрів, які впливають на РЗ властивості композиційного РЗ матеріалу, домінуючими є водогіпсове відношення, тривалість перемішування тіста, тривалість дії на тісто вібрації, температура й тривалість сушіння композиційного РЗ матеріалу. Проведена ретельна оцінка впливу кожного із зазначених стандартних технологічних параметрів на можливість їх використання в технології виготовлення композиційних матеріалів з високими РЗ властивостями на основі фосфогіпсового в'яжучого.

У третьому розділі «Експериментальні дослідження властивостей композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу та обґрунтування доцільності створення РЗ конструкцій» наведені результати досліджень і розробки науково-технологічних основ надання високих РЗ властивостей гідратуючим матричним матеріалам у вигляді фосфогіпсового в'яжучого шляхом введення в його матрицю часток полідисперсної суміші РЗ наповнювача у вигляді РЗЕ з наступним закріпленням їх в процесі утворення міцних фазових контактів. Досліджені фактори, які впливають на формування структур зазначеними міцними фазовими контактами з відповідним наданням РЗ властивостей композиційним матеріалам на основі фосфогіпсового в'яжучого.

Виконані дослідження підтвердили адекватність запропонованої феноменологічної моделі, що обґрунтовує збільшення перерізу взаємодії рентгенівського і гамма- випромінювань з композиційним РЗ матеріалом, завдяки збільшенню кількості УДЧ РЗ наповнювача у вигляді РЗЕ внаслідок руйнування його агломератів гідратуючими кристалами сульфату кальцію. З використанням електронної мікроскопії досліджено ефективність руйнування агломератів РЗЕ з виділенням їх УДЧ з наступним розподілом їх в об'ємі матриці у процесі гідратації (табл. 1).

Крім того, в результаті проведення експериментальних досліджень було встановлено, що ефективність захисту персоналу при використанні конструкцій зі свинецьвміщуючим матеріалом прямопропорційна масі та її товщині, а при використанні конструкцій з композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу вона змінюється прямо пропорційно концентрації РЗЕ і обернено пропорційно щільності матеріалу, при цьому при інших рівних умовах ефективність розроблених конструкцій вище, ніж у свинецьвміщуючих конструкцій, в 1,4-1,5 рази (рис. 2). Достовірність отриманих значень залежності РЗ властивостей від концентрації РЗЕ у композиційному матеріалі підтверджується статистично значущими результатами тестуванню експериментальних зразків (540 штук).

З рисунку видно, що залежність РЗ властивостей від концентрації РЗЕ у композиційному матеріалі на основі фосфополугідрату сульфату кальцію поліноміально зростає, при цьому стандартне відхилення складає 0,014, а коефіцієнта детермінації 0,99. Залежність РЗ властивостей від концентрації РЗЕ може бути виражена наступним чином:

,

де д_Pb - свинцевий еквівалент, мм;

C - концентрація РЗЕ у композиційному матеріалі, %.

Крім того, поліноміальною залежністю також виражено й кратність перевищення РЗ властивостей від концентрації РЗЕ у композиційному матеріалі, де стандартне відхилення складає 0,06, а коефіцієнта детермінації 0,93:

,

де К - кратність перевищення.

Слід зазначити, що на РЗ властивості композиційного матеріалу впливають також і технологічні параметри його створення, зокрема, до таких параметрів відносяться: температура попереднього нагріву фосфогіпсової суміші (рис. 3), величина водогіпсового відношення (рис. 4), рухливість тіста, тривалість гідратації (рис. 5) та температура сушіння (рис. 6).

При цьому залежність свинцевого еквівалента від величини водогіпсового відносини виражена поліноміальної залежністю, де стандартне відхилення складає 0,02, а коефіцієнта детермінації 0,92:

,

де ВГ - водогіпсове відношення.

У результаті виконаного аналізу вперше були виявлені технологічні параметри, які істотно впливають на РЗ властивості композиційного РЗ матеріалу на основі фосфогіпсового в'яжучого. Визначено технологічні параметри формування композиційного матеріалу, що вміщує РЗ наповнювач, при якому даний матеріал володіє найкращими РЗ властивостями, зокрема:

- залежність РЗ властивостей зразків композиційного матеріалу на основі фосфогіпсової матриці показала, що найбільшими РЗ властивостями володіє композиційний матеріал сформований на основі в'яжучого при температурі навколишнього середовища, а, отже, і температурі в'яжучого, яка дорівнює 20-40 єС;

- максимальна величина РЗ властивостей для формування композиційного РЗ матеріалу на основі фосфогіпсового в'яжучого досягається при величині водогіпсового відносини рівному 0,65;

- встановлено, що кристали сульфату кальцію, гідратація в яких мала тривалий характер, більше однієї години, зближалися аж до утворення кристалізаційних контактів. Наслідком цього є збільшення в матриці числа УДЧ РЗЕ, отриманих при руйнуванні агломератів із полідисперсних частинок;

- встановлено, що дегідратація фосфогіпсової матриці композиційного РЗ матеріалу призводить до загального ступінчастому зниження РЗ властивостей на 13-21%, зокрема:

а) дегідратація матриці з фосфодигідрату до фосфонапівгідрату сульфату кальцію призводить до зниження РЗ властивостей на 7-8%;

б) дегідратація матриці з фосфонапівгідрату до безводного сульфату кальцію призводить до зниження РЗ властивостей на 6-7%.

При дослідженні впливу параметрів базової технології існуючого виробництва гіпсових конструкцій, було встановлено, що у разі використання зазначених технологічних параметрів базової технології, забезпечується отримання зразків композиційного РЗ матеріалу з високими РЗ властивостями. Це, з одного боку, дозволяє істотно знизити витрати на технологічну підготовку виробництва РЗ конструкцій, а з іншого боку, відкриває можливості використання для їх випуску вже освоєних технологій та обладнання при виробництві гіпсових конструкцій. Витрати на технологічну підготовку виробництва РЗ конструкцій, зокрема, знижуються, завдяки тому, що ряд таких технологічних регламентів як вимоги, що пред'являються до фосфогіпсових в'яжучих, вимоги до технології їх виробництва, вимоги до технології одержання конструкцій на їх основі, а також, методики тестування кінцевого продукту можна повністю запозичувати з державних стандартів, на основі яких розроблено вже освоєні базові технології виробництва.

Таким чином, вищезазначені переваги розроблених конструкцій вказують на доцільність обґрунтування їх параметрів стосовно конструкцій щодо захисту як від рентгенівського, так і від гамма- випромінювань.

Необхідно відзначити і те, що отримані результати досліджень можуть лягти в основу розробки нових державних стандартів за технологічними параметрами РЗ конструкцій на основі фосфогіпсового в'яжучого.

Дослідження, що наводяться у четвертому розділі «Обґрунтування параметрів, областей та ефективності застосування РЗ конструкцій з композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу», розкривають галузі можливого застосування конструкцій на основі розроблених композиційних РЗ матеріалів. Так, ці матеріали найбільш доцільно застосовувати при виготовленні конструкцій колективного захисту від рентгенівського та гамма- випромінювань. Такими конструкціями, застосування яких регламентується відповідними стандартами і санітарними нормами, можуть бути РЗ ширми і ставні рентгенологічних кабінетів, захисні контейнери для зберігання радіонуклідів, а також облицювальні плити для стін кабінетів і приміщень, робота в яких пов'язана з джерелами рентгенівського і гамма- випромінювань.

У розділі наведено порівняльний аналіз РЗ властивостей конструкцій з розробленого композиційного матеріалу з РЗ наповнювачем у вигляді РЗЕ та з композиційним матеріалом, у якому в якості РЗ наповнювача використаний сульфат барію, який традиційно використовують у захисних засобах в медичній практиці. В результаті встановлено, що конструкція на основі розробленого матеріалу має більш високі РЗ властивості з більш рівномірним розподілом їх значень по площі опроміненню (рис. 7).

З рисунку можна побачити, що ступінь почорніння розробленого матеріалу перевищує той, яким володіє аналогічний матеріал в конструкціях, які вже застосовують на практиці. Слід звернути увагу на те, що розробленому композиційному РЗ матеріалу (відносно зазначеного вище традиційного матеріалу) притаманна менша щільність (на 20 %) при меншій концентрації РЗ наповнювача (на 70 %).

З рис. 7 випливає, що розроблена конструкція з композиційного матеріалу на основі фосфогіпсового в'яжучого і РЗ наповнювачем у вигляді РЗЕ забезпечує рівномірні по всій матриці високі РЗ властивості з величиною свинцевого еквівалента, рівного (0,70 ± 0,05) мм, що достатньо для забезпечення колективного захис-ту пацієнтів й персоналу рентгенодіагностичних кабінетів.

Завдяки обґрунтування параметрів композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу і ефективності радіаційного захисту розробленої конструкції, стає доцільним обґрунтування параметрів останньої з метою визначення захисних властивостей виходячи з її товщини і маси. Вибір композиційного РЗ матеріалу для захисних конструкцій в залежності від необхідних РЗ властивостей можна здійснити, керуючись рис. 8.

За результатами розрахунків величини коефіцієнта ослаблення K, конструкція з розробленого композиційного РЗ матеріалу на основі фосфогіпсовою матриці, при захисті від рентгенівського випромінювання з анодним напругою 100 кВ, має коефіцієнт ослаблення потоку квантів K, рівний 1,41; при захисті від гамма-випромінювання радіонукліда ²⁴¹Am, коефіцієнт K становить 1,57; при захисті від гамма-випромінювання радіонукліда ¹³⁷Cs коефіцієнт K становить 1,33.

При цьому достовірність отриманих результатів підтверджується коректним статистично значимим обсягом експериментальних даних, позитивними результатами впровадження інструкцій щодо застосування розроблених композиційних матеріалів у рентгенозахисних конструкціях, а також задовільною величиною відносної похибки, яка не перевищує 10 %.

Розроблені композиційні матеріали на основі фосфогіпсу, можуть бути використані при створенні ефективних рентгенозахисних виробів (рис. 9), задоволення потреби в яких на сьогоднішній день в Україні, залежить виключно від імпорту.

Крім того, у високотехнологічний процес створення конструкцій з композиційних РЗ матеріалів, залучена і переробка екологічно небезпечних техногенних родовищ фосфогіпсу, які завдають великої шкоди навколишньому середовищу.

На основі проведених досліджень розроблено науково обґрунтовані інструкції по застосуванню конструкцій при захисті від гамма-випромінювання, яку передано для використання Спецкомбінату МНС «РАДОН» та при захисті від рентгенівського випромінювання, яку передано для використання КЗ «Міська клінічна лікарня № 18», очікуваний економічний ефект від впровадження якої в одному рентгенологічному кабінеті становить 38 тис. грн.

композиційний рентгенозахисний захисний конструкція

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на базі встановлених закономірностей підвищення ефективності захисту персоналу від впливу рентгенівського випромінювання обґрунтовані параметри РЗ конструкцій створених з композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу та ефективності їх застосування, що дозволило підвищити рівень радіаційного захисту персоналу рентгенологічних кабінетів та отримати економічний ефект у розмірі 17 900 грн на один комплект конструкцій у вигляді РЗ ширм.

Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. Аналіз стану питання розроблених РЗ матеріалів показав, що відсутні як відомості про РЗ конструкції з матеріалів конкретно на основі фосфогіпсового в'яжучого, так і відомості про механізм надання високих РЗ властивостей матрицям зазначених матеріалів, тому існує необхідність обґрунтування параметрів композиційних матеріалів на основі фосфогіпсу з подальшим створенням на їх основі нових високоефективних РЗ конструкцій.

2. Вперше розроблена феноменологічна модель, що дозволила обґрунтувати можливість надання високих РЗ властивостей композиційному матеріалу на основі фосфогіпсу з подальшим створенням на його основі високоефективних РЗ конструкцій.

3. Доведена доцільність створення захисних конструкцій з композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу. При цьому встановлено і експериментально підтверджено, що на величину РЗ властивостей композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу домінуючий вплив надають наступні технологічні параметри:

- концентрація РЗ наповнювача, зокрема, техніко-економічна доцільність забезпечення максимальних РЗ властивостей досягається при концентрації 28-33 % від маси композиційного РЗ матеріалу;

- водогіпсове відношення, зокрема, максимальна величина РЗ властивостей при формуванні композиційного РЗ матеріалу на основі фосфогіпсового в'яжучого повинна становити 0,65;

- дегідратація фосфогіпсової матриці композиційного РЗ матеріалу призводить до загального ступінчатого зниження РЗ властивостей на 13-21 %, зокрема:

а) дегідратація фосфогіпсової матриці з дигідрату до напівгідрату сульфату кальцію призводить до зниження РЗ властивостей на 7-8 %;

б) дегідратація фосфогіпсової матриці з напівгідрату до безводного сульфату кальцію призводить до зниження РЗ властивостей на 6-7 %.

4. Вперше встановлено, що найбільше перевищення рівня захисту персоналу від рентгенівського випромінювання конструкціями з композиційних матеріалів на основі фосфогіпсу над рівнем захисту, регламентованих законом Бугера, досягається при концентрації РЗЕ у композиційному матеріалі у діапазоні 28-33 % від її маси. Крім того, вперше встановлено, що ефективність захисту персоналу при використанні конструкцій з композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу залежить як від концентрації РЗЕ у матриці, так і від щільності матеріалу, а це дозволяє підвищити ефективність захисту персоналу у 1,4-1,5 рази у порівнянні з свинецьвміщуючими конструкціями.

5. Визначені параметри РЗ конструкцій, при цьому для дотримання санітарних норм і правил, товщина РЗ композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу в конструкції повинна становити 12 мм, забезпечуючи при цьому кратність послаблення рентгенівського випромінювання в тій же мірі, що і свинець товщиною 0,70 мм.

6. Визначення можливих областей застосування розроблених РЗ конструкцій показало, що їх доцільно використовувати при виготовленні захисних екранів детектора і джерела радіоізотопних зондів, які здійснюють гамма-гамма-каротаж, РЗ ширм і ставень в рентгенологічних кабінетах, а також при створенні захисних контейнерів для зберігання радіонуклідів.

7. Ефективність застосування розроблених конструкцій полягає у перевищенні величини коефіцієнта ослаблення випромінювання, регламентованого законом Бугера, при захисті від рентгенівського випромінювання з анодною напругою 100 кВ, у 1,41 рази; при захисті від гамма-випромінювання радіонукліда ²⁴¹Am, у 1,57 рази; при захисті від гамма-випромінювання радіонукліда ¹³⁷Cs, у 1,33 рази.

8. Вперше, за вже освоєної в виробництві технології виготовлення серійних виробів на основі гіпсового в'яжучого для будівельної індустрії, створені композиційні РЗ матеріали нового технічного рівня, матриці яких виконані на основі фосфогіпсового в'яжучого з РЗ наповнювачем у вигляді РЗЕ; конструкції на основі створених композиційних матеріалів мають високі РЗ властивості, що перевищують РЗ властивості, які визначаються експоненціальним законом Бугера, у 1,4-1,5 рази. Зразки композиційних матеріалів були випробувані з позитивними результатами у Дніпропетровській Міській клінічній лікарні № 18 для захисту від рентгенівського випромінювання пацієнтів та обслуговуючого персоналу і в Дніпропетровському державному міжобласному спецкомбінаті Українського державного об'єднання «Радон» для захисту від низько- і середньо- енергетичного гамма-випромінювання персоналу працюючого з радіоізотопним обладнанням, що підтверджується впровадженням у даних організаціях методичних рекомендацій з розрахунку захисних конструкцій з композиційного матеріалу отриманого на основі фосфогіпсового в'яжучого.

9. Розроблені композиційні матеріали на основі фосфогіпсу, можуть бути використані при створенні ефективних РЗ конструкцій, задоволення потреби в яких на сьогоднішній день в Україні, залежить виключно від імпорту. При цьому у високотехнологічний процес створення композиційних РЗ матеріалів залучена і переробка екологічно небезпечних техногенних родовищ фосфогіпсу, які завдають великої шкоди навколишньому середовищу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Булат, А. Ф. Механизм ослабления интенсивности потока квантов проникающего излучения «квантовыми ловушками» (КЛ) / А. Ф. Булат, В. А. Іванов, К. С. Голов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. трудов / Ин-т геотехнической механики им. Н. С. Полякова НАН Украины. - Днепропетровск, 2007. - Вып. 68. - С. 37-46.

2. Булат, А. Ф. Исследование радиационно-защитных свойств резиновых матриц с «квантовыми ловушками» из полидисперсной смеси сложного окисла редкоземельных элементов / А. Ф. Булат, В. А. Іванов, К. С. Голов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. трудов / Ин-т геотехнической механики им. Н. С. Полякова НАН Украины. - Днепропетровск, 2006. - Вып. 69. - С. 25-34.

3. Выбор технологических параметров при создании радиационно-защитных тонкослойных полимерных покрытий / А. Ф. Булат, В. А. Іванов, К. С. Голов, С. Н. Зыбайло, Ю. В. Емельянов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. трудов / Ин-т геотехнической механики им. Н. С. Полякова НАН Украины. - Днепропетровск, 2008. - Вып. 78. - С. 3-9.

4. Вплив розчинників різноманітного хімічного складу на седиментаційну стійкість систем полідисперсний наповнювач - розчинник / С. М. Зибайло, К. С. Голов, В. А. Іванов, Ю. В. Ємельянов // Східноєвропейський журнал передових технологій. - Харків, 2009. - Вип. 4 (9). - С. 16-19.

5. Голов, К. С. Вплив ультразвукової дії на седиментаційну стійкість суспензії з радіаційно-захисним наповнювачем / К. С. Голов // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. - Дніпропетровськ, 2009. - Вип. 81. - С. 52-58.

6. Голов, К. С. Рентгенозахисні властивості гіпсового в'яжучого з рідкоземельним наповнювачем / К. С. Голов, Ю. В. Мисовец // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Днепропетровск, 2009. - № 5 (136). - С 46-51.

7. Булат, А. Ф. Исследование эффективности разрушения агломерированных частиц радиационно-защитного модификатора в виде сложных окислов редкоземельных элементов ультразвуком / А. Ф. Булат, В. А. Иванов, К. С. Голов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. трудов / Ин-т геотехнической механики им. Н. С. Полякова НАН Украины. - Днепропетровск, 2010. - Вып. 85 - С. 213-218.

8. Рентгенозахисні властивості фосфогіпсового в'яжучого з рідкоземельним наповнювачем / А. Ф. Булат, В. А. Іванов, К. С. Голов, Ю. В. Мисовець // Науковий вісник Національного гірничого університету. - Дніпропетровськ, 2010. - № 5. - С. 48-51.

9. Голов, К. С. Исследование процесса ультразвукового разрушения агломерированных частиц редкоземельного радиационно-защитного модификатора / К. С. Голов, А. Ф. Булат, В. А. Иванов // Тезисы докладов XII Международной молодежной конференции «Людина і космос», 7-9 апреля 2010 г., г. Днепропетровск. - Днепропетровск, 2010. - С. 428.

10. Влияние ПАВ на концентрацию модификатора, придающего радиационно-защитные свойства полимерным покрытиям / К. С. Голов, В. А. Иванов, С. Н. Зыбайло, Ю. В. Емельянов // Эластомеры: материалы, технология, оборудование, изделия: Тезисы докладов VIII с международным участием научно-технической конференции, 27-30 сентября 2010 г. - Днепропетровск, 2010. - С. 69-70.

Особистий внесок автора у наукових працях, опублікованих у співавторстві, визначається наступним: [1] - розробка теорії поглинання проникаючого випромінювання квантовими пастками; [2] - розробка методики досліджень радіаційно-захисних властивостей полімерних матриць; [3] - встановлення впливу розчинників та аналітичне розв'язання отриманих ефектів; [4] - встановлення впливу розчинників на седиментаційну стійкість РЗЕ та факторів, що впливають на отримані результати; [6] - дослідження радіаційно-захисних властивостей конструкцій на основі гіпсових матриць; [7] - дослідження умов руйнування агломерованих частинок РЗЕ; [8] - дослідження радіаційно-захисних властивостей конструкцій на основі фосфогіпсових матриць; [9] - досліджень руйнування ультразвуковими частотами радіаційно-захисного наповнювача фосфогіпсових матриць у вигляді складних окисів РЗЕ; [10] - дослідження впливу концентрації ПАВ на радіаційно-захисні властивості полімерних покриттів.

АНОТАЦІЯ

Голов, К. С. Обґрунтування параметрів і ефективності застосування рентгенозахисних конструкцій з композиційних матеріалів на основі фосфогіпсу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.01 - «Охорона праці». - Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. - Дніпропетровськ, 2011.

Дисертація присвячена обґрунтуванню параметрів рентгенозахисних конструкцій нового технічного рівня з композиційного рентгенозахисного матеріалу на основі фосфогіпсового в'яжучого з рентгенозахисним наповнювачем у вигляді рідкоземельних елементів.

У результаті проведених досліджень встановлено, що при взаємодії у процесі структурування гідратуючої електропровідної матриці у вигляді фосфогіпсового в'яжучого з частинками полідисперсної суміші рентгенозахисного наповнювача у вигляді рідкоземельних елементів з наступним закріпленням їх в твердіючий матриці з утворенням міцних фазових контактів, рентгенозахисна конструкція з композиційного рентгенозахисного матеріалу підвищено (у порівнянні з показниками відповідно до закону Бугера) послаблює інтенсивність рентгенівського і гамма-випромінювань. Це досягається за рахунок реалізації механізму кристалізації гідратуючого в'яжучого, що забезпечує руйнування агломерованих частинок рідкоземельних елементів, за рахунок чого збільшується кількість ультрадисперсної фракції, що, у свою чергу, призводить до збільшення перерізу взаємодії випромінювання з композиційним матеріалом конструкції.

Встановлено закономірності зміни рентгенозахисних властивостей конструкцій з композиційним матеріалом на основі фосфогіпсу від технологічних параметрів формування матеріалу. Визначено технологічні параметри, що впливають на механізм взаємодії гідратуючого в'яжучого з рідкоземельними і забезпечують послаблення інтенсивності рентгенівського та гамма-випромінювань у низькому і середньому діапазоні енергій у 1,4-1,5 рази.

Доведено доцільність створення рентгенозахисних конструкцій з композиційного матеріалу на основі фосфогіпсу. Обґрунтовано параметри рентгенозахисної конструкції, а також ефективність її застосування при захисті від рентгенівського і гамма-випромінювань.

Ключові слова: фосфогіпс, рідкоземельні елементи, рентгенівське випромінювання, рентгенозахисний матеріал, рентгенозахисні конструкції, обґрунтування параметрів, ефективність захисту персоналу.

Голов, К. С. Обоснование параметров и эффективности применения рентгенозащитных конструкций из композиционных материалов на основе фосфогипса. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 - «Охрана труда». - Институт геотехнической механики им. М.С. Полякова НАН Украины. - Днепропетровск, 2011.

Представленная диссертация является завершенной научно-исследовательской работой, в которой решена актуальная научная задача установления закономерностей влияния параметров рентгенозащитных конструкций на уровень радиационной защиты персонала с учетом свойств композиционных материалов на основе фосфогипса и обоснование на этой основе параметров и эффективности применения таких конструкций. Решение указанной научной задачи имеет существенное значение для повышения уровня безопасности труда персонала работающего в условиях воздействия рентгеновского излучения.

В результате проведенных исследований установлено, что при взаимодействии в процессе структурирования гидратирующейся электропроводной матрицы в виде фосфогипсового вяжущего с частицами полидисперсной смеси радиационно-защитного наполнителя в виде редкоземельных элементов с последующим закреплением их в отверждающейся матрице с образованием прочных фазовых контактов, рентгенозащитная конструкция из композиционного радиационно-защитного материала повышенно (по сравнению с показателями согласно закону Бугера) ослабляет интенсивность рентгеновского и гамма- излучений. Это достигается за счёт реализации механизма кристаллизации гидратирующегося вяжущего, обеспечивающего разрушение агломерированных частиц редкоземельных элементов, за счёт чего увеличивается количество ультрадисперсной фракции, что, в свою очередь, приводит к увеличению сечения взаимодействия излучения с композиционным материалом конструкции.

Установлены закономерности изменения рентгенозащитных свойств конструкций из композиционного материала на основе фосфогипса от технологических параметров формирования материала. Определены технологические параметры, влияющие на механизм взаимодействия гидратирующегося вяжущего с редкоземельными элементами и обеспечивающие ослабление интенсивности рентгеновского и гамма- излучений в низком и среднем диапазоне энергий в 1,4-1,5 раза.

Доказана целесообразность создания рентгенозащитных конструкций из композиционного материала на основе фосфогипса. Обоснованы параметры рентгенозащитной конструкции, а также эффективность её применения при защите от рентгеновского и гамма- излучений.

Определение возможных областей применения разработанных рентгенозащитных конструкций показало, что их целесообразно использовать при изготовлении защитных экранов детектора и источника радиоизотопных зондов, осуществляющих гамма-гамма-каротаж, рентгенологических ширм и ставней, а также при создании защитных контейнеров для хранения радионуклидов.

Приведены технико-экономические показатели эффективности использования разработанных конструкций из композиционных радиационно-защитных материалов на основе фосфогипса.

Ключевые слова: фосфогипс, редкоземельные элементы, рентгеновское излучение, рентгенозащитный материал, рентгенозащитные конструкции, обоснование параметров, эффективность защиты персонала.

Golov, K. S. Justification of parameters and the efficiency of the prima equation X-ray structures of composite materials based on phosphogypsum. - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences, specialty 05.26.01 - "Protection of labour". - Institute of Geotechnical Mechanics N.S. Polyakov NAS. - Dnepropetrovsk, 2011.

Thesis is devoted to X-ray parameters of the construction of a new technological level of the composite radiation-shielding material on the basis of phosphogypsum binder with radiation-protective fill-cords in the form of rare earth elements.

In the current study found that the interaction under the condition in the process of structuring hydrating conductive matrix in the form f phosphogypsum binder with the particles of a polydisperse mixture of radiation-protective ingredient in the form of rare earth elements, followed by closed-captured them in curing the matrix to form a solid phase contacts, comrade radiation-protection structure made of a composite radiation shielding material, high (compared to the figures under the law of Bouguer) weakens the intensity of X-ray and gamma radiation. This is achieved through the implementation of the mechanism of crystallization of hydrated cementations second, ensuring the destruction of agglomerated particles of rare earth elements, thereby increasing the number of ultra fine fraction, which in turn leads to an increase in cross-section of interaction of radiation with composite material construction.

The regularities of changes in radiation-protective properties of structures made of composite material on the basis of phosphogypsum from the technological parameters of formation material. The technological parameters affecting the mechanism of interaction between hydrated binder with radiation-protective filler and providing weakening the intensity of X-ray and gamma radiation in the low and medium energy range of 1,4-1,5 times.

The expediency of creation of radiation-protective structures made of composite material on the basis of phosphogypsum. The parameters of the radiation-protective structure and the efficiency of its use for protection against X-ray and gamma radiation.

Keywords: phosphogypsum, rare earth elements, X-ray radiation, the radiation-shielding material, radiation-protection design, validate parameters, the efficiency of security personnel.

Размещено на Allbest.ru