Effect of $P_2O_5$ Additive on Nuclear Radiation Shielding Behaviors of Lithium Aluminum Silicate (LAS) Glass System

$P_2O_5$ Katkılı Lityum Alüminyum Silikat (LAS) Cam Sistemlerinin Nükleer Radyasyon Zırhlamasına Etkisi

Abstract

In this work, shielding parameters of LAS (lithium-aluminum-silicate) $Li_2O-Al_2O_3-SiO_2$ glass samples have been reported with the helpof the WinXCom code, a Windows version of the XCOM database. The effect of increasing $P_2O_5$ concentration on the shieldingparameters has been examined in the used $Li_2O-Al_2O_3-SiO_2$ glass samples. The shielding effectuality of the materials for gamma-raycan be interpreted with the help of several different attenuation parameters which plays key role in understanding the shieldingcapabilities of the material. The mass attenuation coefficient, defined by $operatorname{𝜇}m_{}$ = 𝜇/𝜌, is the most basic coefficient used to calculate theshielding parameters. These parameters are the mean free path (MFP), half value layer (HVL), tenth value layer (TVL), effective electronnumber ($N_{e}$) and equivalent atomic number ($Z_{eq}$). The exposure buildup factor (EBF) and GP fitting parameters are also calculated bythe method of logarithmic interpolation using Zeq of a $Li_2O-Al_2O_3-SiO_2$ glass system. The EBF values for $Li_2O-Al_2O_3-SiO_2$ glasssamples show an inverse relation with Ne. Further, P1 (least Ne) offers maximum values of EBF and P6 (highest Ne) offers minimumEBF values. The change in different shielding parameters for the selected glasses was interpreted by considering three interactions withthe substance (Photoelectric effect, Compton scattering and pair production). The obtained results show that the 𝜇𝑚 strongly dependson the photon energy, chemical composition and density of the shielding materials. It is clear to see that P6 glass sample having thehighest $P_2O_5$ concentration is the most effective glass sample among the other glasses of $Li_2O-Al_2O_3-SiO_2$ system in nuclear radiationshielding ability.

Özet

Bu çalışmada, XCOM veritabanının Windows sürümü olan WinXCom programı kullanılarak LAS (lityum-alüminyum-silikat) $Li_2O-Al_2O_3-SiO_2$ cam örneklerinin zırhlama parametreleri hesaplanmıştır. Kullanılan cam örneklerinde $P_2O_5$ konsantrasyonunun artan yüzde oranının zırhlama parametreleri üzerindeki değişim etkisi incelenmiştir. Gama ışını için malzemelerin koruyusu etkisi, malzemelerin zırhlama etkilerini anlamada kilit rol oynayan birkaç farklı zırhlama parametresi yardımıyla yorumlanabilir. $operatorname{𝜇}m_{}$ = 𝜇/𝜌 ile tanımlanan kütle zayıflama katsayısı, zırhlama parametrelerini hesaplamak için kullanılan en temel katsayıdır. Bu parametreler ortalama serbest yol (MFP), yarı değer katmanı (HVL), onuncu değer katmanı (TVL), etkili elektron numarası (Ne) ve eşdeğer atom numarasıdır ($Z_{eq}$). Ayrıca maruz kalma faktörü (EBF) ve GP fitleme parametreleri de $Li_2O-Al_2O_3-SiO_2$ cam örnekleri için logaritmik enterpolasyon yöntemi ve Zeq değerinin kullanılması ile hesaplanmıştır. $Li_2O-Al_2O_3-SiO_2$ cam örnekleri için EBF değerleri, Ne ile ters bir ilişki göstermektedir. Ayrıca, P1 cam örneği için EBF değeri maksimum değeri alırken (en az $N_{e}$), P6 cam örneği için minimum EBF değeri (en yüksek Ne) hesaplanır. Seçilen camlar için farklı zırhlama parametrelerinde gözlenen değişiklik, madde ile üç etkileşim göz önünde bulundurularak yorumlanmaktadır bu etkileşimler fotoelektrik etki, Compton saçılması ve çift oluşumdur. Elde edilen sonuçlar, kütle zayıflatma katsayısı (𝜇𝑚) değerinin fotonun enerjisine, cam örneklerinin kimyasal bileşimine ve zırhlama malzemelerinin yoğunluğuna bağlı olduğunu göstermektedir. En yüksek $P_2O_5$ konsantrasyonuna sahip olan P6 cam numunesinin diğer $Li_2O-Al_2O_3-SiO_2$ cam örnekleri arasından nükleer radyasyon koruma kabiliyeti bakımından en etkili cam numunesi olduğunu açıkça görülmektedir.