บทที่ 1 1cmuir.cmu.ac.th/bitstream/6653943832/20606/4/radio30155sk_ch1.… ·...

บทท 1

บทน ำ

1.1 ทมำ และ ควำมส ำคญของปญหำทน ำไปสงำนวจย ปจจบนความเจรญกาวหนาทางวทยาศาสตรและเทคโนโลย ไดเขามามบทบาทในการด ารงชวตของมนษยอยางมาก ท งในทางการการแพทย เกษตรกรรม และ อตสาหกรรม ความกาวหนาทางวทยาศาสตรและเทคโนโลยนรวมถงการใชประโยชนจากรงสในดานตางๆ จงตองมความรความเขาใจทถกตองเหมาะสมในการน าเอาเทคโนโลยมาใชงานเพอใหมผลกระทบหรออนตรายนอยทสด ทงนเพราะรงสมประโยชนแตอาจเปนอนตรายตอสงมชวตได [1, 2]

รงสเปนอนภาคทไมสามารถรบรไดดวยประสาทสมผสของมนษย ท าใหผทไดรบรงสไมทราบวาไดรบรงสเขาสรางกาย เพอความปลอดภยส าหรบผปฏบตงาน และผเกยวของ จงจ าเปนอยางยงทจะตองหาวธการท างานโดยทผปฏบตงานมความปลอดภยมากทสด องคกรปองกนอนตรายจากรงสนานาชาตจงก าหนดหลกการ ALARA (As Low As Reasonably Achievable) ดวยการใชเวลาในการปฏบตงานนอยทสด ใชระยะทางไกลทสด และใช อปกรณก าบงรงสเพอปองกนมใหรางกายไดรบรงสเกนมาตรฐานทก าหนด [3,4] จากหลกการดงกลาวหากมวสดก าบงรงสทด จะสามารถปฏบตงานไดสะดวกและปลอดภยมากยงขน วสดทใชในการก าบงรงสปจจบนนยมใชวสดจากตะกว หรอ คอนกรตผสมตะกว ในการปองกนอนตรายจากรงสเอกซและรงสแกมมา ซงมขอดอย คอทบแสง ท าใหไมสามารถมองเหนภายในหองตรวจได และตะกวเปนสารกอมลพษ ราคาแพง จงควรมตวเลอกอนๆในการใชเปนวสดก าบงรงสทมประสทธภาพ และปลอดภย

แกว หรอ กระจก จงไดเปนอกหนงทางเลอกส าหรบใชในการก าบงรงส เนองจากมคณสมบตทางแสงทดคอ ดานความโปรงแสง มความยดหยนในการขนรปทงขนาดและรปทรง และสามารถเจอไอออนของสารทความเขมขนสงได [5] และ สามารถผสมสารใหสามารถดดกลนรงสเอกซหรอรงสแกมมาได ในปจจบนงานก าบงรงสมกใชแกวผสมตะกว ซงมราคาคอนขางสงและในกระบวนการผลตกอใหเกดมลพษตอสงแวดลอม

โดยทวไป แกวโบโรซลเกต (Borosilicate glassed) นยมใชอยางกวางขวางในทางวทยาศาสตรและอตสาหกรรมเนองจากมความแขงแรงและทนตอความรอน และสามารถปรบเปลยนคณสมบตตามความตองการในงานทเกยวของได ดวยการเตมสารเคมในสวนผสม

2

ระหวางกระบวนการหลอม และยงมการน าไปใชในการจดเกบกากนวเคลยร [6] อกทงสามารถปรบเปลยนสมบตตามความตองการในงานทเกยวของได เชน ดรรชนหกเห และความหนาแนน ขนกบสารเคมทเตมลงไปในสวนผสมระหวางกระบวนการหลอม นอกจากนแกวโบโรซลเกต ยงใชท าเลนสสายตาเนองจากการกระเจงตวของแสงอยในระดบต า และมคาดรรชนหกเหสง [5] ในท านองเดยวกนการเตมโลหะอลคาไลนเอรทในแกวโบโรซลเกต มสวนท าใหแกวมความแขง และมการแยกเฟสเปลยนแปลงสมบตทางแสงได [6]

สวนประกอบพนฐานทางเคมของแกวโบโรซลเกตประกอบดวย สารทใชในการขนรปแกว (Glass former) คอ ซลกอนไดออกไซด (SiO2) และ โบรอนไตรออกไซด (B2O3) และเพมคณสมบตตางๆของแกว เพอท าใหแกวมโครงสรางทสามารถน าไปประยกตและพฒนาเพอใชงานไดจรง ตอไป โดยเพมคณสมบตตางๆเชน ดานการเพมความแขงของแกว คอ อลมเนยมออกไซด (Al2O3) ดานการปองกนการดดความชนของแกว คอ แคลเซยมออกไซด (CaO) และดานการลดอณหภมในกระบวนการหลอมแกว คอ โซเดยมออกไซด (Na2O) [7] จากการทดลองดวยการเปลยนแปลง สวนประกอบตางๆ ไดสวนประกอบพนฐานทเหมาะสมของแกว ทสามารถเตมสารอนได ดงน (50-x) SiO2: 15B2O:2Al2O3: 10CaO: 23Na2O เพมคณสมบตชวยในการก าบงรงสของแกวโดย x คอ สารทตองการเตมเขาไปในโครงสราง และในงานนเลอกใชแบเรยมออกไซด (BaO) บสมทออกไซด (Bi2O3) ตะกวออกไซด (PbO)

ในการประชมสมมนานานาชาตเกยวกบการออกแบบทใสใจตอสงแวดลอมในป 2003 [8] ไดรณรงคใหมการปรบเปลยนมาใชสารทมความเปนมตรตอสงแวดลอมในผลตภณฑตางๆ และจากขอมลจากศนยขอมลวตถอนตรายและเคมภณฑ กรมควบคมมลพษพบวา เมอเปรยบเทยบ ความเปนพษและระดบความรนแรง ตะกวจะสงผลกระทบตอรางกายมากกวา แบเรยมและบสมท [9-11] และเมอเปรยบเทยบระดบความเปนพษกบธาตชนดอน เชน ธาตทรานซชน หรอสารทเปนของแขงชนดตางๆทอยในรปของสารประกอบออกไซด พบวาแบเรยมและบสมทมความเปนพษต า หาไดงายและราคาถกกวา อกทงไดมงานวจยทเกยวของเลอกใชแบเรยมและบสมท [12-14] ในการเพมคณสมบตดานการก าบงรงส จงไดเลอกใชแบเรยมและบสมทในงานวจยในครงน และน าแกวทผลตไดไปเปรยบเทยบกบแกวทางการคาจากกระจกก าบงรงสทใชในแผนกรงสวทยา โดยศกษาคณสมบตทางดานกายภาพ คณสมบตดานการก าบงรงส และคณสมบตดานการสองผานของแสง เพอเปนแนวทางในการประดษฐและพฒนาแกวทสามารถใชทดแทนแกวทมสวนผสมของตะกวทใชก าบงรงสในแผนกรงสวทยาและอตสาหกรรม

3

1.2 สรปสำระส ำคญและงำนวจยทเกยวของ แกวหรอกระจก เปนวสดโปรงใส จงมองทะลผานได สะดวกตอการปฏบตงานของผปฏบตงานทเกยวของกบรงส แกวจงไดรบการน ามาขนรปและใชเปนกระจกในการก าบงรงสในแผนกรงสวทยา ดงรปท 1.1

ความเหมาะสมของวสดทจะใชในการก าบงรงส สามารถค านวณเบองตนดวยโปรแกรม XCOM หรอ Win XCOM ซงสามารถค านวณคาสมประสทธการลดทอนเชงมวล (µm) เพอใชเปนแนวทางในการค านวณหาคาสมประสทธการลดทอนเชงเสน (µ) และคาความหนาครงคา (HVL) ของสารประกอบอนนทรยชนดตางๆเพอใชในการขนรปแกว และ เพอบอกโอกาสการเกดอนตรกรยาของโฟตอนกบตวกลางของวสด ซงขนกบจ านวนอะตอมตอปรมาตร และความหนาแนนของตวกลาง ( ρ ) [15-17] จากการใชโปรแกรม XCOM [17] ชวยในการค านวณคาสมประสทธการลดทอนเชงมวล คาสมประสทธการลดทอนเชงเสน และคาความหนาครงคา เพอใชบอกความสามารถในการก าบงรงส ของวสดหรอแกว จากงานวจยตางๆ พบวา คาสมประสทธการลดทอนเชงมวลของแกวเพมขนเมอความเขมขนของสารเตมทชวยในการก าบงรงส เชน แบเรยม บสมท หรอ ตะกว เพมสงขน คาสมประสทธการลดทอนเชงมวลจะลดลงเมอระดบพลงงานของรงสแกมมาเพมสงขน และคาความหนาครงคาจะลดต าลงเมอเขมขนของสารเตมทชวยในการก าบงรงสเพมสงขน

รปท1.1 กระจกบรเวณทปฏบตงานทางดานรงสวทยาทมความโปรงแสงชวยเพม

ความสะดวกในการปฏบตงานของผปฏบตงานทเกยวของกบรงส

4

จากการทแกวบอเรต มความแขงแรงและทนตอความรอน สามารถปรบเปลยนคณสมบตตามความตองการในการน ามาใชงานจงมผสนใจน าแกวบอเรต ทอยในรปของโบรอนไตรออกไซด (B2O3) เปนองคประกอบหลกในการขนรปของแกว มาศกษาทดลองโดยเตมสารทมความสามารถในการก าบงรงส เชน งานวจยของ ของ K. Singh และคณะ ในป 2002 [18] N. Singh และคณะ ในป 2004 [12] N. Singh และคณะในป 2006 [19] และ J. Kaewkhao และคณะในป 2010 [13] เพอค านวณคาสมประสทธการลดทอนเชงมวล คาสมประสทธการลดทอนเชงเสน และคาความหนาครงคา เพอใชบอกความสามารถในการก าบงรงส สามารถสรปผลการวจยไดดงน K. Singh และคณะ [18] ไดศกษาคาสมประสทธการลดทอนเชงมวล ของแกวบอเรตในสตร xBi2O3 (1-x) B2O3 เมอ x= 0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.55 ตามล าดบ โดยศกษาคาสมประสทธการลดทอนเชงมวล โดยใชโปรแกรม XCOM ทระดบพลงงาน 356 กโลอเลคตรอนโวลต (keV) keV,662 keV, 1173 keV, 1332 keV แลวเปรยบเทยบ พบวา คาสมประสทธการลดทอนเชงมวลของแกวเพมขนเมอความเขมขนของบสมทเพมสงขน และคาสมประสทธการลดทอนเชงมวลจะลดลงเมอระดบพลงงานของรงสแกมมาเพมสงขน N. Singh และคณะ [12] เปรยบเทยบแกวบอเรตทเตมตะกว เทยบกบ แกวบอเรตทเตมบสมทและตะกว โดยค านวณความหนาแนนของแกว ( ρ ) คาสมประสทธการลดทอนเชงมวล ( ) และคาความหนาครงคา (HVL) ทระดบพลงงาน 511 keV และ 662 keV โดยเปรยบเทยบคาจากการทดลองกบคาจากการค านวณ โดยใชโปรแกรม XCOM ซงผลการวจยพบวา คาสมประสทธการลดทอนเชงมวลของแกวบอเรตทเตมบสมทและตะกวมคาสอดคลองกบคาทไดจากจากค านวณ และมคาสงกวาคอนกรตทเตมแบไรตทง 2 ระดบพลงงาน และ ดงรปท 1.2

รปท 1.2 ความสมพนธระหวาง เศษสวนโดยมวลของบสมท (Bi) ตอ ตะกว (Pb) จากแกว Bi2O3–PbO–B2O3 ในแกน x และคาสมประสทธการลดทอนเชงมวล (µ/ ) ในแกน y [12]

ทฤษฎ

จากการทดลอง

5

จากคาสมประสทธการลดทอนเชงมวล สามารถค าควณคาความหนาครงคาของแกวบอเรตทเตมตะกว พบวามคาความหนาครงคาต ากวา คอนกรตทเตมเหลก ดงรปท 1.3 และคาความหนาครงคาของแกวแกวบอเรตทเตมบสมทและตะกว มคาความหนาครงคาต ากวา คอนกรตทเตมเหลก ดงรปท 1.4

รปท1.3 ความสมพนธระหวางสดสวนโดยมวลของ ตะกว (Pb) จากแกว PbO–B2O3 ในแกน x และคาความหนาครงคา (HVL) ในแกน y [12]

รปท 1.4 ความสมพนธระหวาง สดสวนโดยมวลของบสมท (Bi) ตอ ตะกว (Pb) จาก แกว Bi2O3–PbO– B2O3 ในแกน x และคาความหนาครงคา (HVL) ในแกน y [12]

6

จากงานวจยพบวา คาสมประสทธการลดทอนเชงมวลของแกวบอแรตทเตมตะกว และ แกวบอเรตทเตมบสมทและตะกว มคาสงกวาคอนกรต และคาความหนาครงคาของแกวบอแรตทเตมตะกว และ แกวบอแรตทเตมบสมทและตะกว มคาต ากวาคอนกรต จงมสามารถในการก าบงรงสไดดกวาคอนกรต และจากการเปรยบเทยบพบวา แกวบอแรตทเตมบสมทและตะกว มความหนาแนน และคาสมประสทธการลดทอนเชงมวล สงกวาแกวบอแรตทเตมตะกว แสดงใหเหนวาแกวทมสวนผสมของบสมท สามารถทจะใชแทนตะกวในการผลตแกวส าหรบก าบงรงสได N. Singh และคณะ [19] ไดศกษาแกวบอเรตทมสวนผสมของตะกวออกไซดและแบเรยมออกไซด (PbO- BaO-B2O3) โดยไดหาคาสมประสทธการลดทอนเชงมวลและคาความหนาครงคา ทระดบพลงงาน 511 keV, 662 keV, 1274 keV เปรยบเทยบกบคาทางทฤษฎ พบวาแกวบอเรตทมสวนผสมของตะกวออกไซดและแบเรยมออกไซดมความสามารถในการก าบงรงสไดดกวาคอนกรตทมสวนผสมของเหลก ดงรปท 1.5

รปท 1.5 ความสมพนธระหวาง สดสวนโดยมวลของบสมท (Bi) ตอ ตะกว (Pb) จากแกว Bi2O3–PbO–B2O3 ในแกน x และคาความหนาครงคา (HVL) ในแกน y [20]

J. Kaewkhao และคณะ [13] ไดศกษาแกวบอเรต ทมสวนผสมของบสมทออกไซด และแบเรยมออกไซดแลวเปรยบเทยบกบแกวทมสวนผสมของตะกวออกไซด เปรยบเทยบกบคาทางทฤษฎ พบวาคาสมประสทธการลดทอนเชงมวลของแกวทง 3 ชนดเพมขนเมอความเขมขนของสารประกอบเพมขน ดงตารางท 1

7

คาความหนาครงคา ของแกวตวอยางทง 3 ชนดจะมคานอยกวาคอนกรตและแกวทวไปซงจะท าใหความเขมของรงสลดลงไดมากกวา ผลการทดลองนชใหเหนวา แกวทมสวนผสมของบสมท สามารถใชแทนแกวทมสวนผสมของตะกวได ทระดบพลงงาน 662 keVในสวนของแบเรยมสามารถทจะใชในการกนอนตรายจากรงสเอกซหรอระดบพลงงานทต ากวา ดงรปท 1.6

รปท 1.6 ความสมพนธระหวางเปอรเซนตโดยน าหนกของสารประกอบในแกน x และคา

ความหนาครงคาในแกน y [13]

ตำรำงท 1.1 คาสมประสทธการลดทอนเชงมวลของแกวทมสวนผสมของบสมทออกไซด และแบเรยมออกไซดเปรยบเทยบกบแกวทมสวนผสมของตะกวออกไซด [13]

8

นอกจากแกวบอเรตทไดน ามาใชขนรปแลว แกวซลเกตทอยในรปของ ซลกอนไดออกไซด (SiO2) ไดถกน ามาใชขนรปแกวดวยเชนกน โดยมคณสมบตดานความทนทานตอความรอน และ เมอหลอมเปนแกวจะมลกษณะโปรงใส ทนตอการกดกรอน เชนงานวจยของ K.J. Singh และคณะ ในป 2008 [20] และ K.Kirdsiri และคณะ ในป 2011 [14] โดยสามารถสรปผลการวจยไดดงน จากผลการวจยของ K.J. Singh และคณะ [20] พบวาคาสมประสทธการลดทอนเชงมวลของแกวซลเกตทเตมตะกว จากทฤษฎและคาจากการค านวณ มคาสงกวา คอนกรตทเตมแบไรต ทระดบพลงงาน 662 keV และ 1173 keV และ คาความหนาครงคา จะลดลงเมออตราสวนโดยมวลของตะกวเพมขนดวย จากผลการวจยของ K.Kirdsiri และคณะ [14] พบวาคาสมประสทธการลดทอนเชงมวล เพมขนเมอความเขมขนของสารทเตม คอ แบเรยมออกไซด บสมทออกไซด ตะกวออกไซด เพมขน และ คาความหนาครงคาจะลดลงเมอความเขมขนของสารทเตมเพมสงขน และแกว จากงานวจย มคาความหนาครงคาต ากวากระจกทวไป และ คอนกรต ทวไป ดงรปท 1.7

รปท 1.7 ความสมพนธระหวางคาความหนาครงคาในแกน x และเปอรเซนตโดยน าหนก ของสารประกอบในแนวแกน y [14]

จากงานวจยทเกยวของพบวาสวนใหญเปนการศกษาแกวในองคประกอบทไมซบซอน และยากตอการใชงานจรง ในงานวจยนจงเลอกโครงสรางของแกวโบโรซลเกต ทสามารถปรบเปลยนสมบตตามความตองการในงานทเกยวของได เชน ดรรชนหกเห และความหนาแนน อกทงแบเรยมออกไซด และบสมทออกไซด มความเปนพษตอสงแวดลอมนอยกวา แกวทเตมตะกวออกไซด [9-11] และจากการเปรยบเทยบ คาสมประสทธการลดทอนเชงมวล และ คาความหนาครง

9

คา ของแกวทเตมบสมทออกไซดพบวามคณสมบต ดานการก าบงรงสไดดกวาแกวทเตมตะกวออกไซด จงมความเปนไปไดทจะน ามาใชในการปองกนอนตรายจากรงส อยางไรกตามงานวจยนไดออกแบบสตรแกวทมองคประกอบและสตรโครงสรางใกลเคยงกบกระจกทใชงานในแผนกรงสวทยา มากขน โดยมเงอนไขการผลตเพอทดสอบในระดบหองปฏบตการ และศกษาคณสมบตทางดานกายภาพ คณสมบตดานการก าบงรงส และคณสมบตดานการสองผานของแสง ตอไป 1.3 วตถประสงค

1. เพอศกษาความเปนไปไดจากการใชแกวโบโรซลเกตทเตมสารตางกน 3 ชนด คอ แบเรยมออกไซด บสมทออกไซด และตะกวออกไซด ในการก าบงรงสเอกซและรงสแกมมา

2. เพอศกษาเปรยบเทยบความสามารถในการก าบงรงสเอกซและรงสแกมมา ของแกวทมสวนผสมของแบเรยมออกไซด บสมทออกไซด และตะกวออกไซด โดยเปรยบเทยบกบ กระจกก าบงรงสจากผลตภณฑทางการคาทใชส าหรบหนวยงานทางรงสวทยา

1.4 ประโยชนทคำดวำจะไดรบ 1. ไดสตรแกวก าบงรงสทมความสามารถในการก าบงรงสไดใกลเคยงหรอดกวาแกว

ตะกว 2. ไดแนวทางในการประดษฐและพฒนาอปกรณทใชในการปองกนอนตรายจากรงส

เอกซและรงสแกมมาทท าจากแกวทมสวนผสมของบสมทและแบเรยมทดแทนตะกว 3. เพมทางเลอกในการผลตและใช อปกรณก าบงรงส เพอปองกนอนตรายจากรงส มาก

ขน 4. ในเชงเศรษฐกจ เปนการเพมศกยภาพของประเทศดานความสามารถในการผลต

กระจกเพอใชส าหรบอปกรณในการปองกนอนตรายจากรงสทมมลพษต ากวากระจกตะกว

1.5 สมมตฐำนกำรวจย แกวก าบงรงสทผวจยผลตขนโดยอตราสวนผสมของสารเคมทก าหนดมประสทธภาพในการก าบงรงสเอกซและรงสแกมมาไดใกลเคยงหรอดกวาแกวทมสวนผสมของตะกวทใชในแผนกรงสวทยา

10

1.6 ขอบเขตของกำรศกษำวจย ขอบเขตของการศกษาวจยนเปนการเตรยมและศกษาคณสมบตของสารทใชในการเตรยมแกวคณสมบตทางกายภาพ คณสมบตทางแสง และคณสมบตการก าบงรงส ของระบบแกว Na2O-CaO-Al2O3-B2O3-SiO2 ทเตม BaO, Bi2O3และ PbO โดยขนตอนแรกจะศกษาคณสมบตของสารทจะใชในการเตรยมแกว โดยศกษาสารทใชในการขนรปแกว ดานการเพมความแขงของแกว ดานการปองกนการดดความชนของแกว และดานการลดอณหภมในกระบวนการหลอมแกวรวมดวย เมอไดสารเคมแลวจะหาอตราสวนโดยโมลของสารทจะใชหลอมแกว รวมถงอณหภมทเหมาะสมในการหลอมแกว เมอสามารถขนรปแลว จะท าการคณสมบตตางๆดงน 1. ขนตอนศกษาคณสมบตทางกายภาพ

- วดความหนาแนน (ρ) - วดความแขง (HV) ขนตอนศกษาคณสมบตทางแสง

- วดคาดรรชนหกเหแสง (n) - วดการดดกลนแสง (A) ขนตอนศกษาคณสมบตการก าบงรงส

- คาสมประสทธการลดทอนเชงเสน (µ) - คาความหนาครงคา (HVL) - คาสมประสทธการลดทอนเชงมวล (µm) - ค านวณคาสมประสทธการดดกลนเชงมวลในทางทฤษฎ โดยใชโปรแกรม XCOM - ค านวณอนตรกรยายอย (partial interaction) ของรงสทเกดขนในแกวโดยใช

โปรแกรม XCOM