دراسة تجريبية ومحاكاة مونت كارلو لخصائص صد الفوتونات في مركبات بوليستر معززة بـ ZrO2 باستخدام رموز GEANT4 وMCNP

لماذا تهم الدروع الأكثر أمانًا للإشعاع

تعتمد المستشفيات والمصانع والمختبرات البحثية على أجهزة تصدر إشعاعًا عالي الطاقة، مثل الأشعة السينية وأشعة غاما، لرؤية داخل جسم الإنسان، وفحص أجزاء صناعية، أو دراسة مواد جديدة. لحماية العاملين والمرضى، يجب حجب هذا الإشعاع أو تقليله بواسطة دروع. على مدار عقود، قامت صفائح الرصاص الثقيلة والسامة بمعظم هذا العمل. الدراسة الملخّصة هنا تستكشف بديلًا أخف وأقل خطورة: مواد بلاستيكية معززة بجسيمات صغيرة من أكسيد الزركونيوم التي يمكنها إيقاف الفوتونات الخطرة تقريبًا بمثل كفاءة الرصاص.

بناء نوع جديد من البلاستيك الوقائي

ركز الباحثون على بلاستيك شائع يسمى البوليستر، والذي يتميز بانخفاض التكلفة وسهولة التشكيل ويُستخدم على نطاق واسع في الصناعة. بمفرده، لا يحجب البوليستر أشعة غاما بفعالية كبيرة، لذا مزجه الفريق بكميات متزايدة من أكسيد الزركونيوم (ZrO₂)، وهو سيراميك كثيف ومستقر يُستخدم بالفعل في زراعة الأسنان وخلايا الوقود. ابتكروا أربعة أنواع من العينات الدائرية: بوليستر نقي وإصدارات تحتوي كميات منخفضة ومتوسطة وعالية من أكسيد الزركونيوم. أظهرت القياسات البسيطة أنه مع إضافة المزيد من أكسيد الزركونيوم، تصبح العينات أكثر كثافة قليلًا، مما يشير إلى احتمال أن تصبح أيضًا دروعًا أفضل.

اختبار الدروع بالتجارب والنماذج الافتراضية

لاكتشاف مدى قدرة هذه المواد البلاستيكية على حجب الإشعاع، أطلق الفريق أشعة غاما من مصدر سيزيوم‑137 نحو العينات وقيَسوا مقدار الإشعاع الذي مرّ إلى كاشف على الجانب الآخر. ثم كرروا نفس الإعداد في الحاسوب باستخدام رموز محاكاة مونت كارلو المتقدمة، بما في ذلك GEANT4 وMCNP، إلى جانب عدة أدوات عبر الإنترنت تحسب كيفية تنقل الفوتونات عبر المادة. تتتبّع هذه المحاكيات ملايين الجسيمات أثناء تشتتها أو امتصاصها أو مرورها مباشرةً عبر المادة، مما يسمح للعلماء بتقدير خصائص الحماية الرئيسية مثل مدى انخفاض شدة الإشعاع مع السماكة وسمك اللوح اللازم لخفض الحزمة إلى النصف أو إلى عُشر شدتها الأصلية.

النظر داخل المادة

بعيدًا عن القياسات البسيطة، فحص الفريق البنية الداخلية لمركباتهم. باستخدام حيود الأشعة السينية، أكدوا أن مصفوفة البوليستر بقيت في الغالب غير متبلورة، بينما احتفظت جزيئات أكسيد الزركونيوم ببنيتها البلورية المنظمة. كشفت صور مجهر المسح الإلكتروني عن كيفية توزيع هذه الجسيمات داخل البلاستيك عند مستويات تحميل منخفضة وعالية. أظهر وجود حبيبات أكسيد الزركونيوم المرئية بوضوح في جميع أنحاء البوليستر أن الحشوات اندمجت بنجاح، وهي حالة مهمة لكي تتفاعل المادة بقوة مع أشعة غاما الواردة.

مدى أداء الدروع الجديدة

عبر طاقات الفوتونات التي تشمل تلك المستخدمة في التصوير الطبي والفحوصات الصناعية، أشارت جميع الطرق إلى نفس الاتجاه: إضافة أكسيد الزركونيوم حسنت باستمرار قدرة المادة على حجب أشعة غاما. احتاجت العينات ذات الحشوة الأعلى إلى سماكة أقل لخفض شعاع الإشعاع إلى النصف أو إلى عُشره، وانخفضت المسافة التي يمكن للفوتون أن يقطعها عادةً قبل التفاعل. عند طاقة أشعة غاما لمصدر سيزيوم‑137، تطابقت القياسات التجريبية ارتباطًا وثيقًا مع توقعات الحاسوب، مع فروق عمومًا ضمن بضعة بالمئة. قارنت الدراسة أيضًا هذه المركبات بالرصاص عبر تحويل أدائها إلى سمك معادل من الرصاص. مع زيادة محتوى أكسيد الزركونيوم، ارتفعت قيمة «المعادل الرصاصي»، مما يعني أن قطعة رقيقة من المركب يمكن أن تحل محل طبقة رصاصية مكافئة أثقل بكثير.

ما الذي يعنيه هذا لتقنياتنا اليومية

لغير المتخصص، الخلاصة الرئيسية هي أنه من الممكن صنع دروع أخف وأقل سمية لأشعة غاما عن طريق تحميل البلاستيكات الشائعة بجسيمات مناسبة ثقيلة ومستقرة. يظهر البوليستر المعزز بأكسيد الزركونيوم المدروس هنا أن مثل هذه المواد يمكن أن تقارب أداء الرصاص في نطاق الطاقة المنخفض إلى المتوسط الذي يهم العديد من الاستخدامات الطبية والصناعية، مع بقاءها أسهل في التعامل والتشكيل. وبما أن النتائج التجريبية اتفقت جيدًا مع عدة أدوات محاكاة، يمكن الآن استخدام هذه الطرق الحاسوبية بثقة لتصميم وتحسين مواد الحماية المستقبلية قبل تصنيعها في المختبر.

الاستشهاد: Abdollahi, M., Jafari, A. & Saray, A.A. Experimental and Monte Carlo simulation study on photons shielding properties of ZrO₂-reinforced polyester composites utilizing GEANT4 and MCNP codes. Sci Rep 16, 14529 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44283-0

الكلمات المفتاحية: الحماية من الإشعاع, المركبات البوليمرية, أكسيد الزركونيوم, أشعة غاما, محاكاة مونت كارلو