Development new glass system highly resistance for ionizing radiation for possible use in nuclear applications

Abstract

Using the melt quench technique, we study the effects of gamma radiation (2.5, 50, and 100 kGy) and different percentages of Tellurium dioxide (TeO2) on the structural, optical, mechanical, thermal, and radiation-shielding features of two distinct glass systems of borate glass modified by oxides. The first system of glasses is based on the elements barium oxide (BaO) and bismuth oxide (Bi2O3). MoO3 and SrO were used to alter the second type of glass. Glasses were made and their structural properties were analyzed before and after irradiation by gamma rays using X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and Raman spectroscopy (RS). UV-vis-NIR spectroscopy (UV-Vis) was used to ascertain the glass' optical properties. The thermal characteristics were analyzed using thermogravimetric analysis (TGA) and differential thermal analysis (DTA). The prepared glasses were exposed in a gamma chamber to varying levels of irradiation, and their properties were then compared using the first sample as a standard. When the dose of gamma rays rose, the sample colors varied for both the BBTB and MBTS glass systems. After being subjected to varied doses of radiation, the amorphous nature of the glass system was not altered, as determined by X-ray diffraction analyses. The FTIR and Raman measurements corroborate the bandgap energy estimations by showing an intensity fluctuation that strengthens the glass structure throughout a range of concentrations. The mechanical qualities of Borate glass in the BBTB glass system are superior to those of Tellurite glass and Borotellurite glass. Simultaneously, all glass systems demonstrated improved mechanical properties after being exposed to gamma radiation at a dose of up to 2.5 kGy. Also, gamma dosages revealed a minor difference, and borate glass had the highest thermal stability compared to tellurite and borotellurite glass. Band gaps were smallest for borate glasses and largest for tellurite glasses, with a general decrease in band gap as gamma dosage was applied to all glass systems. The effect of gamma doses and the radiation-shielding properties were tested experimentally. Mass attenuation coefficient (MAC) values for tellurite and borotellurite glass samples were modified by the gamma ray dosages. Borate glass samples, on the other hand, had the highest MAC values and showed no modification in MAC values with different gamma doses. Mechanically, borate glass in the MBTS system excels above boro tellurite and tellurite glass. Mechanical properties of glass-only systems improve after exposure to gamma radiation up to 2.5 kGy, then decrease as the dose decreases. Out of the three glasses examined, borate glass has the highest thermal stability, followed closely by tellurite glass and boro tellurite glass. The band gaps of all glass systems were reduced when exposed to an increasing gamma dosage, with the band gaps of borate and tellurite glasses being the biggest and lowest, respectively. The MAC values of borate and boro tellurite glass samples were affected by the gamma-ray doses. Tellurite glass samples, on the other hand, displayed the best MAC when subjected to gamma doses, and the MAC values were steady over a wide range of gamma doses. When compared to other potential alternatives, borate glass stands out as having the best levels of thermal stability, structural and mechanical qualities, and stability in radiation-shielding features.باستخدام تقنية التبريد بالذوبان، قمنا بدراسة تأثيرات إشعاع جاما (2.5، 50، و100 كيلوجراي) ونسب مختلفة من ثاني أكسيد التيلوريوم على الخصائص الهيكلية، والبصرية، والميكانيكية، والحرارية، والوقاية من الإشعاع لنظامين زجاجين متميزين من أنظمة زجاج البورات المعدلة بواسطة الأكاسيد. يعتمد النظام الأول للزجاج على عنصري أكسيد الباريوم وأكسيد البزموث وتم استخدام أكسيد المولبيديوم وأكسيد السترنيشيوم لتغيير في النوع الثاني من الزجاج. تمت دراسة النظامين الزجاجين قبل وبعد التشعيع بأشعة جاما، وتم تحليل خصائصها الهيكلية باستخدام حيود الأشعة السينية، وتحويل فورييه الطيفي بالأشعة تحت الحمراء، ومطياف رامان. تم استخدام التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية مقابل الأشعة تحت الحمراء لتأكد من الخصائص البصرية للزجاج. تم تحليل الخصائص الحرارية باستخدام التحليل الحراري الوزني والتحليل الحراري التفاضلي. تم تعريض الزجاجات المحضرة في غرفة جاما لمستويات متفاوتة من التشعيع، ثم تمت مقارنة خصائصها باستخدام العينة الأولى كمعيار. عندما ارتفعت جرعة أشعة جاما، اختلفت ألوان العينة لكل من نظامي الزجاج وبعد التعرض لجرعات متنوعة من الإشعاع، لم تتغير الطبيعة غير المتبلورة للنظام الزجاجي، كما هو محدد بواسطة تحليلات حيود الأشعة السينية. تؤيد قياسات تحويل فورييه ورامان تقديرات طاقة فجوة النطاق من خلال إظهار تقلب في الشدة يقوي الهيكل الزجاجي عبر مجموعة من التركيزات. تتفوق الصفات الميكانيكية لزجاج البورات في النظام الزجاجي الأول على تلك الخاصة بزجاج التيلوريت وزجاج البوروتيلوريت. في الوقت نفسه، أظهرت جميع أنظمة الزجاج خصائص ميكانيكية محسّنة بعد تعرضها لإشعاع غاما بجرعة تصل إلى 2.5 كيلوجراي. كما كشفت جرعات جاما عن اختلاف طفيف، وكان زجاج البورات يتمتع بأعلى ثبات حراري مقارنة بزجاج التيلوريت وزجاج البوروتيلوريت. تم العثور على فجوات النطاق لتكون أصغر في زجاج البورات وأكبر لزجاج التيلوريت، مع انخفاض عام في فجوة النطاق حيث تم تطبيق جرعة جاما على جميع أنظمة الزجاج. تم اختبار تأثير جرعات جاما وخصائص الحماية من الإشعاع بشكل تجريبي. تم تعديل قيم معامل التوهين الكتلي لعينات زجاج التيلوريت البوروتيلوريت بواسطة جرعات أشعة جاما. من ناحية أخرى، كان لعينات زجاج البورات أعلى قيم ولم تظهر أي تعديل في القيم بجرعات مختلفة من جاما. ميكانيكيًا، يتفوق زجاج البورات في نظام الزجاجي الثاني على زجاج التيلوريت البوروتيلوريت. تتحسن الخصائص الميكانيكية للأنظمة الزجاجية فقط بعد التعرض لإشعاع جاما حتى 2.5 كيلو جراي، ثم تنخفض مع ارتفاع الجرعة. من بين الانظمة الثلاثة التي تم فحصها، يتمتع زجاج البورات بأعلى ثبات حراري، يليه زجاج التيلوريت وزجاج البوروتيلوريت. تقلصت الفجوات في جميع أنظمة الزجاج عند تعرضها لجرعة جاما متزايدة، مع فجوات النطاق في زجاج البورات والتيلوريت هي الأكبر والأدنى، على التوالي. تأثرت قيم معامل التوهين الكتلي لعينات زجاج البورات البوروتيلوريت بجرعات أشعة جاما. من ناحية أخرى، أظهرت عينات زجاج التيلوريت أفضل مقاومة عند تعرضها لجرعات جاما، وكانت قيم معامل التوهين الكتلي ثابتة على نطاق واسع من جرعات جاما. يبرز زجاج البورات في النظام الزجاجي الأول عند مقارنته بالبدائل المحتملة الأخرى، على أنه يتمتع بأفضل مستويات الاستقرار الحراري والصفات الهيكلية والميكانيكية، والاستقرار في ميزات الحماية من الإشعاع.