لماذا يُوفّر الباريت الحماية من الإشعاع؟ ما هي استخداماته؟

الباريت معدن غير فلزي، يتكون أساسًا من كبريتات الباريوم. كثافته تتراوح بين 4.3 و4.5 غ/سم³، وصلابته على مقياس موس تتراوح بين 3 و3.5. يتميز الباريت بخصائص كيميائية مستقرة، فهو غير قابل للذوبان في الماء وحمض الهيدروكلوريك، وغير سام، وغير مغناطيسي، ويمتص الأشعة السينية وأشعة جاما بفعالية. الصين غنية بموارد الباريت، وتحتل المرتبة الثالثة عالميًا من حيث الاحتياطيات، والأولى من حيث الإنتاج. وبصفتها أكبر مُصدّر للباريت في العالم، تتمتع الصين بمكانة لا تُضاهى في السوق الدولية.

1. مزايا المركبات المحتوية على الباريوم في الحماية من الإشعاع

الباريوم، الذي يقع قبل الرصاص في الجدول الدوري، غير مشع وله وزن ذري كبير نسبيًا، مما يجعله فعالًا للغاية في الحماية من الإشعاع. احتمالية تأثره العالية التفاعل الكهروضوئي مع الإشعاع، يُعزز الحماية من الإشعاع المؤين. بالإضافة إلى ذلك، تتميز أيونات الباريوم بثابت عزل كهربائي عالٍ وكثافة مغناطيسية عالية، مما يُسهم في توفير حماية فعّالة ضد الإشعاع غير المؤين.

مواد الحماية الإشعاعية التقليدية، مثل الملابس الواقية من الأشعة السينية المصنوعة من هلام الرصاص، تُعاني من قيود في الراحة والسمية بسبب أكاسيد الرصاص. في المقابل، طورت اليابان أليافًا تحتوي على كبريتات الباريوم، تتميز بمتانة 0.99 غ/يوم واستطالة 26%. هذه الألياف ليست مريحة للارتداء فحسب، بل غير سامة أيضًا.

تشمل أنواع الأسمنت المقاومة للإشعاع الشائعة الاستخدام أسمنت الباريوم وأسمنت السترونشيوم. يتميز أسمنت السترونشيوم بخصائص حماية أيونية فائقة، بينما يوفر أسمنت الباريوم حماية أفضل ضد أشعة جاما والأشعة السينية.

في ألواح الألياف المركبة الوظيفية، يُستخدم مسحوق الباريت ومسحوق الزيوليت ومسحوق المغنتيت بشكل شائع للحماية الكهرومغناطيسية. من بينها، يُظهر مسحوق الباريت أفضل فعالية للحماية. في نطاق الترددات المنخفضة التي تقل عن 110 كيلوهرتز، تبلغ أقصى فعالية للحماية الكهرومغناطيسية لمسحوق الباريت ومسحوق الزيوليت ومسحوق المغنتيت 17.99 ديسيبل و17.71 ديسيبل و16.99 ديسيبل على التوالي، حيث يوفر مسحوق الباريت أفضل حماية.

2. الوضع الحالي للأبحاث الأجنبية حول تطبيقات الحماية من إشعاع الباريت

بدأت الأبحاث الأجنبية حول استخدام الباريت في مواد الحماية من الإشعاع في وقت مبكر نسبيًا. على سبيل المثال، أجرت مجموعة أكور البحثية بجامعة ديميريل في تركيا تجارب على الباريت كركام خشن وناعم في الخرسانة، مع تعديل نسبة الماء إلى الركام لإنتاج ثلاثة أنواع مختلفة من خرسانة الباريت. وأكدت اختباراتهم أن ركام الباريت يوفر أداءً ممتازًا في الحماية من أشعة جاما.

وبالمثل، درس غونتر وزملاؤه أليافًا مركبة تحتوي على كبريتات الباريوم، وتيتانات الباريوم، وأكسيد البزموت، مستفيدين من خصائصها في امتصاص الأشعة السينية. وتبين أن الخيوط والأقمشة المصنوعة من هذه الألياف توفر حماية فعالة من الأشعة السينية.

اقترحت اليابان أيضًا طريقةً لإضافة كبريتات الباريوم إلى محلول فيسكوز للغزل، مما أدى إلى تطوير نوع جديد من الألياف. أظهرت الأقمشة المصنوعة من هذه المادة تأثيرًا ملحوظًا في تخفيف الأشعة السينية، لا سيما تحقيق تخفيف 97% لمصدر أشعة سينية ذي مهبط جهده 6 كيلو فولت وشدة 2 مللي أمبير.

3. الوضع الحالي للأبحاث المتعلقة بتطبيقات الحماية من الإشعاع باستخدام الباريت في الصين

(1) صناعة البناء

واقترح شي زيينغ أن الخرسانة الباريتية، التي تستخدم الباريت كمجموعة أساسية، تعمل على تعزيز الكثافة الظاهرية والاكتناز، مما يؤدي إلى توفير حماية فعالة ضد الأشعة السينية وأشعة جاما.

قام غاو يوكسين وآخرون بتطوير خرسانة الباريت الواقية من الإشعاع بدمج رمل الباريت عالي الكثافة مع الأسمنت. حقق منتجهم النهائي كثافة ظاهرة تزيد عن 3600 كجم/م³ مع الحفاظ على خصائص ميكانيكية ممتازة.

أجرى يانغ ييبو وآخرون دراسةً على الخرسانة الثقيلة المحتوية على رمل الحديد والباريت كمواد خام ثقيلة. وأظهرت دراستهم إمكانية استخدام هذه المادة لإنتاج خرسانة ثقيلة مقاومة للإشعاع النيوتروني C30 بكثافة ظاهرية تتجاوز 3600 كجم/م³، مما يُلبي معايير الحماية من الإشعاع النيوتروني.

(2) الصناعة الطبية

اقترح ليو جينوي وآخرون استخدام الباريت لإنتاج كبريتات الباريوم النانوية، والتي أُضيفت بعد ذلك إلى محلول غزل الفسكوز لإنشاء نوع جديد من الأغشية المركبة. استُخدم هذا الغشاء في الملابس الطبية المضادة للأشعة السينية، مما أظهر امتصاصًا أعلى للأشعة السينية من 44% مقارنةً بأغشية الفسكوز النقية.

استخدم ما جونزي وآخرون تقنية الحقن المسبق للغزل لدمج كبريتات الباريوم في محلول الفيسكوز الخام، مما أدى إلى إنتاج ألياف فيسكوز أساسية مقاومة للإشعاع. أدى التوزيع المتساوي لكبريتات الباريوم داخل الألياف إلى تحسين بلوريتها. وأكدت الاختبارات أن كلاً من الألياف الفردية والنسيج الناتج امتصا كمية أكبر من الأشعة السينية مع زيادة محتوى كبريتات الباريوم، مما عزز بشكل كبير من أدائها في الحماية من الإشعاع.

(3) الصناعات الأخرى

يتم استخدام الباريت أيضًا كمواد حشو في مواد حماية إشارة الهاتف المحمول.

اقترح يوان كوانبينغ أن ملء مواد التدريع المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ بمسحوق الباريت يمكن أن يحقق فعالية تدريع كهرومغناطيسي تزيد عن 10 ديسيبل عند ترددات تتراوح بين 100 كيلوهرتز و139 ميجاهرتز، وتصل ذروتها إلى 17.99 ديسيبل عند 22.59 ميجاهرتز. ومع ذلك، في نطاق الترددات 139-341 ميجاهرتز، تنخفض فعالية التدريع إلى 5-9 ديسيبل، ومع زيادة التردد، تنخفض الفعالية إلى أقل من 1 ديسيبل. ومن المثير للاهتمام، أنه في نطاق الترددات 795 ميجاهرتز-1.25 جيجاهرتز، تزداد قيمة التدريع إلى 1-3 ديسيبل.

طوّر يانغ هوامينغ وآخرون مسحوقًا موصلًا مركبًا (SSB) قائمًا على الباريت باستخدام مسحوق الباريت. عند دمجه في الطلاءات الموصلة، حقق SSB فعالية حماية متوسطة تبلغ 40 ديسيبل للموجات الكهرومغناطيسية التي تقل عن 100. ميغا هرتز.

خاتمة

1. خصائص الحماية من الإشعاع للباريت
يُعد الباريت فعالاً في الحماية من الإشعاع بفضل مكونه الأساسي، كبريتات الباريوم. يتميز بكتلة ذرية عالية، وعدد كبير من الذرات في وحدة الحجم، واحتمالية عالية لحدوث تأثير كهروضوئي، مما يجعله فعالاً للغاية في امتصاص طاقة الإشعاع. بالإضافة إلى ذلك، تتميز أيونات الباريوم بثابت عزل كهربائي عالٍ وكثافة مغناطيسية عالية، مما يوفر تخفيفاً فعالاً للإشعاع الكهرومغناطيسي.

2. مزايا الباريت مقارنةً بمواد الحماية من الإشعاع الأخرى
مقارنةً بمواد الحماية من الإشعاع الأخرى، يتميز الباريت بمزايا كبيرة بفضل احتياطياته العالمية الوفيرة، حيث تتصدر الصين العالم في إنتاجه. وعلى عكس المركبات الأخرى المحتوية على الباريوم، يتميز الباريت ببنية بلورية أكثر كثافة، وكثافة أعلى، واحتمالية أكبر للتأثير الكهروضوئي، وتقنية معالجة أبسط، وتكلفة أقل، وتأثير بيئي أقل.

3. التطبيقات الحالية والفجوات البحثية
يُستخدم الباريت حاليًا بشكل رئيسي في حماية الخرسانة من الإشعاع في قطاع البناء. كما يُستخدم أيضًا في الملابس الطبية الواقية، وفي طلاءات مواد حجب الإشارات الإلكترونية. ومع ذلك، لا تزال أبحاثه وتطبيقاته محدودة في مجالات مثل السكك الحديدية عالية السرعة والصناعات العسكرية، مما يُبرز فرصًا واعدة لمزيد من الاستكشاف.