WYKORZYSTANIE MIKROSKOPII ELEKTRONOWEJ ; DO BADANIA WEWNĘTRZNEJ STRUKTURY DOZYMETRÓW - ALANINOWO-POLIMEROWYCH i o

Transkrypt

1 WYKORZYSTANIE MIKROSKOPII ELEKTRONOWEJ ; DO BADANIA WEWNĘTRZNEJ STRUKTURY DOZYMETRÓW - ALANINOWO-POLIMEROWYCH i o ^oj \bstract Zofia Peimel-Stuglik, Bożena Sartowska, Sławomir Fabisiak Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, Warszawa THE USE OF ELECTRON MICROSCOPY TO STUDY OF ALANINE-POLYMER DOSIMETERS MICRO-STRUCTURE Two kinds of alanine-polymer dosimeters: ALANPOL, from IChTJ and foil dosimeters from Gamma Service (Radeberg, Germany) were investigated by means of electron scanning microscopy. It was stated that above mentioned method is very useful to understand physical background of many macroscopic properties of alanine-polymer dosimeters. 1. WPROWADZENIE Dawki pochłonięte mogą być mierzone metodami absolutnymi lub porównawczymi (względnymi). Z przyczyn praktycznych większość pomiarów dawek technologicznych wykonuje się metodami porównawczymi. Bezpośrednio mierzonymi wielkościami są wówczas chemiczne lub fizyczne zmiany (sygnały dozymetryczne) generowane w specjalnie dobranych materiałach czujnikowych zwanych dozymetrami. Dawkę pochłoniętą wylicza się na podstawie uprzednio wyznaczonej krzywej kalibracyjnej, tj. zależności sygnału dozymetrycznego od generującej go dawki pochłoniętej zmierzonej dobrej klasy dozymetrem referencyjnym lub - rzadziej - dozymetrem absolutnym. Sygnały dozymetryczne są rezultatem całej sekwencji procesów rozpraszania i pochłaniania energii oraz następujących po nich reakcji chemicznych. Dobra znajomość procesów radiacyjnych zachodzących w materiałach dozymetrycznych jest więc kluczem do profesjonalnego wykorzystywania ich jako dozymetrów względnych. W przypadku dozymetrów będących ciałami stałymi o charakterze heterogenicznym musimy brać pod uwagę także ich mikrostrukturę. Celem tej pracy jest wykazanie użyteczności badań wykonanych metodą skaningowej mikroskopii elektronowej dla zrozumienia charakterystyk i zachowań dwóch typów dozymetrów alaninowo-polimerowych. Otrzymane informacje stanowić mogą punkt wyjścia do modyfikacji procesu wytwarzania kształtek alaninowo-polimerowych w celu uzyskania produktów o lepszych parametrach. 124

2 2. APARATURA I SPOSÓB BADANIA PRÓBEK W pracy korzystano ze skaningowego mikroskopu elektronowego DMS 942 firmy Zeiss-Leo (Niemcy). Preparaty zostały przygotowane zgodnie ze standardową procedurą polegającą na przyklejeniu próbki do stolika mikroskopowego przewodzącym klejem srebrnym i pokryciu cienką (-15 nm) warstwą złota. Przekroje uzyskiwano przecinając próbkę cienkim ostrzem, a przełomy - przez łamanie próbek w ciekłym azocie. 3. WYNIKI I DYSKUSJA Obiektami badań były alaninowo-polimerowe dozymetry foliowe otrzymane z firmy Gamma-Service (Radeberg, Niemcy) [1] oraz pręcikowe dozymetry ALANPOL, opracowane i wyprodukowane w Instytucie Chemii i Techniki Jądrowej (IChTJ) [2, 3]. Folie sporządzano metodą nanoszenia L-a-alaniny wymieszanej z substancją wiążącą na nośnik poliestrowy. Na uwagę zasługuje bardzo dobra jednorodność warstwy aktywnej (rys. la) krotne powiększenie obrazu (rys. l b) pozwala dostrzec kształt krystalitów (grudki zbliżone do sześcianów) i oszacować ich rozmiary (pojedyncze mikrony). Rys. 1. Warstwa aktywna folii dozymetrycznej firmy Gamma-Service: a) powiększenie 500-krotne, b) powiększenie 5000-krotne. Uwidocznione w badaniach mikroskopowych cechy: drobnoziarnistość krystalitów oraz ich przypadkowe ułożenie przestrzenne tłumaczą dlaczego obserwowany w foliach alaninowych sygnał EPR (rys. 2a) jest bardzo podobny do dobrze znanego kwintetu charakterystycznego dla napromienionego proszku mikrokrystalicznej alaniny (rys. 2b). Kolejne informacje jakich dostarcza rys. Ib to duża koncentracja alaniny w mieszance oraz wyraźnie widoczna, zwłaszcza na zdjęciach wykonanych metodą przełomu, porowatość struktury (rys. 3). Te dane jasno 125

3 tłumaczą dużą wrażliwość alaninowych dozymetrów foliowych na traktowanie wodą. Znaczna koncentracja krystalitów alaniny powoduje, że krystality często stykają się ze sobą. Woda rozpuszcza więc nie tylko warstwę powierzchniową, ale szybko wchodzi utworzonymi kanałami w głąb porowatej struktury i, jak to opisano w [4], w ciągu 25 minut całkowicie likwiduje wygenerowany sygnał dozymetryczny. c )! ALANPOL-27 Rys. 2. Sygnały EPR obserwowane w: a) dozymetrze foliowym firmy Gamma Service, b) mikrokrystalicznej DL-oc-alaninie be_dącej substratem do produkcji dozymetrów ALANPOL, c) dozymetrze ALANPOL-27. Dozymetr ALANPOL otrzymywano metodą wytłaczania pręcika o średnicy 3 mm z uprzednio przygotowanej, gorącej masy alaninowo-polietylenowej, zawierającej 10-27% DL-oc-alaniny. Niska zawartość alaniny ułatwiała proces formowania kształtek o stałych wymiarach i dobrej homogeniczności. Badanie otrzymanego produktu ujawniło co najmniej trzy kwestie, które należało wyjaśnić. Były to: (a) nieadekwatność gęstości dozymetrów do ich składu, (b) wyjątkowa odporność na kontakt z wodą, (c) odmienny od zwykle obserwowanego kształt sygnału EPR. Analiza wyników otrzymanych metodą mikroskopii elektronowej pozwoliła uzyskać wiarogodne wyjaśnienie powyższych kwestii. 126

4 Rys. 3. Przełom dozymetru foliowego. Powiększenie 5000-krotne. Niska i nieproporcjonalna do składu gęstość dozymetrów (ALANPOL-10: d=0,93 g/cm 3, ALANPOL-27: d=0,91 g/cm 3 ) przy gęstości alaniny d=l,4 g/cm 3 i polietylenu d~q,94 g/cm 3 tłumaczy się słabym przyleganiem polimeru do alaniny i obecnością dużej ilości pustych kawern w pobliżu mikrokrystalitów (rys. 4a). Wyjątkowa odporność ALANPOL-u na kontakt z wodą wynika z małej (w stosunku do całej masy alaniny) ilości krystalitów ulokowanych bezpośrednio na powierzchni pręcika (rys. 4b) i faktu, że pojedyncze mikrokrystality są oddzielone od siebie grubą warstwą hydrofobowego polimeru (rys. 4a). *»» L??i VA-.i-^S MW? Rys. 4. Przekrój dozymetru ALANPOL-27: a) powiększenie 500-krotne (widoczne słabe przyleganie polimeru do powierzchni krystalitu oraz liczne kawerny), b) powiększenie 50-krotne. Sprawą niecodziennego kształtu sygnału EPR obserwowanego w ALANPOL-u autorzy zajmowali się już wcześniej [5]. Bazując na wynikach otrzymanych metodą skaningowej mikroskopii elektronowej (duże rozmiary krystalitów, słabe przyleganie do matrycy) odrzucili hipotezę przypisującą wzrost intensywności linii satelitarnych oddziaływaniom rodników alaninowych z atomami wodoru otaczającego go polietylenu. Analiza kształtów i rozmiarów krystalitów DL-a-alaniny pobranej z partii wykorzystywanej do produkcji dozymetrów ALANPOL (rys. 5) wy- 127

5 kazała, że są to twory cylindryczne o długości rzędu im i średnicy rzędu im. Zestawienie tej informacji z rozmiarami krystalitów widocznych na przekroju pręcika (rys. 4a, ,m) prowadzi do wniosku, że w procesie wytwórczym cylindryczne krystality alaniny ustawiały się Rys. 5. Mikrokrystaliczna DL-a-alanina pobrana z partii wykorzystywanej do produkcji dozymetrów ALANPOL. Powiększenie 100-krotne. równolegle do osi pręcika. Trwałe uporządkowanie mikrostruktury jest najbardziej prawdopodobnym wytłumaczeniem faktu, że sygnał EPR (rys. 2c) wyraźnie odbiega od klasycznego kwintetu obserwowanego w substracie używanym do jego produkcji (rys. 2b), co jednak w niczym nie umniejsza wartości użytkowych dozymetru ALANPOL. 4. PODSUMOWANIE Badania wykonane metodą skaningowej mikroskopii elektronowej pozwoliły na ustalenie fizycznego podłoża wielu składowych dozymetrycznej charakterystyki kształtek alaninowo-polimerowych. Otrzymane wyniki zostaną w przyszłości wykorzystane do projektowania kompozycji alaninowo-polimerowych o ściśle określonych właściwościach. Autorzy serdecznie dziękują dr Uve Gohs z Gamma-Service (Radeberg, Niemcy) za bezpłatne udostępnienie próbek dozymetrów foliowych. LITERATURA [1]. Thin-film alaninę dosimeter. Gamma Service Produktbestrahlung GmbH Information. Radeberg, Germany [2]. Stuglik Z., Bryl-Sandelewska T., Mirkowski K.: Alaninowo-polimerowy dozymetr promieniowania jonizującego. Zgłoszenie patentowe P

6 [3]. Peimel-Stuglik Z., Bryl-Sandelewska T.: ALANPOL - alaninowo-polimerowy dozymetr do mierzenia technologicznych dawek promieniowania jonizującego. Raporty IChTJ. Seria B nr 3/2001. [4]. Peimel-Stuglik Z., Fabisiak S.: Wykorzystanie dozymetrii EPR-alaninowej do pomiaru dawek pochłoniętych promieniowania jonizującego z zakresu 0,5-10 kgy. Raporty IChTJ. Seria B nr 10/2001. [5]. Peimel-Stuglik Z., Sartowska B., Fabisiak S.: EPR signal shape and microscopic structure of alanine-polymer dosimeter. (Przygotowane do druku). 129