Tissue equivalent X-ray dosimetry based on carbon nanotubes

Abstract

Advances in Nanotechnology enable us to structure new materials at the nanoscale and develop novel systems capable of active response of X-rays and sensing humidity. The addition of Carbon Nanotubes (CNTs) to various polymers enhances the electrical conductivity even at small filler loading, making them suitable for sensor manufacturing. Polymers have a low average atomic number, which makes them equivalent to human tissue when used in X-ray dosimetry in clinical applications. Carbon nanomaterials are two-dimensional sheets of sp^2-hybridised Carbon atoms. Devices based on Carbon nanomaterials are a promising technology for the future as they are tissue-equivalent materials with high levels of miniaturisation, the possibility of high scale manufacturing and incorporation into electronic components. CNTs are ideal candidates for future multi-functional constituents for X-ray detection and therefore their role in regulating the electrical and sensing properties of polymer composites is studied. The effects of 0.20 Gy and 0.45 Gy X-rays radiation on Single-Wall Carbon Nanotubes (SWCNTs) are studied in order to explore their use as miniaturised and highly sensitive radiation detectors. Scanning Electron Microscopy (SEM), Raman Spectroscopy and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) are employed for the characterisation of the effects. HiPCo SWCNTs are sensitive to X-ray radiation leading to materials with enhanced oxygen content and radiation-induced sp^3 defects. The degradation of neat polymers due to X-rays is also discussed.The spinning and characterisation of CNT-PVA fibres fabricated using a continuous coagulation technology and CNT only fibre are described. Variations in spinning parameters (such as injection rate, coagulation bath rotation speed, and coagulation flow rate) and coagulation bath properties (such as the pH of the coagulation solution) are also studied as they dramatically affect the strength and the morphology of the fibre. Various properties of the resulting fibres as a function of process variables are characterised using techniques such as mechanical strain, electrical conductivity, optical spectra (UV to far IR regions), Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), Raman spectroscopy, Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), conducting Atomic Force Microscopy (c-AFM), Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) are studied. CNT-PVA fibres have been used as X-ray radiation dosimeters. Photocurrent measurements as a function of time were performed on the fibres as they were irradiated with an X-ray beam at different dose rates from 0.0003 Gy⁄h to 76.89 Gy⁄h, where the dose rate was determined by the distance of the devices to the X-ray tube. The degradation of the fibres by up to 226.8 Gy X-rays was also extensively studied by Raman spectroscopy, XPS and Differential Scanning Calorimetry (DSC) among other techniques. By incorporating these fibres into textiles, it should be possible to develop smart materials for active dosimetry clothing, capable of measuring whole-body radiation dose for workers in the nuclear industry. These CNT-PVA fibres also directly responded to high humidity by undergoing swelling. X-ray detectors of colloidal nanocomposites that develop tacky behaviour were also developed. The Latex used in this study possesses a glass transition temperature of -50℃ and therefore it is tacky and soft at room temperature. DC and AC conductivity measurements showed that the electrical properties were enhanced after the incorporation of SWCNTs. The X-ray detection of a polymer colloid upon the addition of a small amount of SWCNTs was enhanced, due to the efficient charge separation at the interface of the latex and the SWCNTs and the tack properties were also higher as CNTs enhance fibrillation. Irradiation with X-rays produced a linear increase in photocurrent over a dose rate range from 0.18 to 54.99 mGy⁄s. A low concentration of 0.1 wt.% CNTs provided enough pathways to collect the carriers at the electrodes. AFM, Raman, FTIR and XPS characterisation indicated that the sample with the best X-ray response, the 0.1 wt.% CNTs-Latex was not degraded under 0.45 Gy X-rays.This PhD thesis aims to propose alternative tissue-equivalent X-ray detectors based on CNT-polymer fibres or Pressure Sensitive Adhesives (PSAs) CNT-Latex. A thorough understanding of the mechanism behind the X-ray detection and the radiation-induced chemistry at the interface of the host polymer and the CNTs are portrayed. These composite devices present radiation resistance, in contrary to SWCNTs and polymers. Although the resulting devices are low cost, they have a relatively high detection efficiency and may provide large surface area detection as a viable alternative to more traditional device materials for tissue-equivalent dosimetry.

Η πρόοδος στη νανοτεχνολογία μάς επιτρέπει να δομήσουμε νέα υλικά στη νανοκλίμακα και να αναπτύξουμε νέα συστήματα ικανά για την ενεργή απόκριση των ακτίνων Χ καθώς και για την αίσθηση υγρασίας. Η προσθήκη νανοσωλήνων άνθρακα σε πολυμερή ενισχύει την ηλεκτρική αγωγιμότητα ακόμη και κατά τη φόρτωση μικρών υλικών πλήρωσης, καθιστώντας τα κατάλληλα για την κατασκευή αισθητήρων. Τα πολυμερή έχουν χαμηλό μέσο ατομικό αριθμό, γεγονός που τα καθιστά ισοδύναμα με τον ανθρώπινο ιστό όταν χρησιμοποιούνται στη δοσιμετρία ακτίνων Χ σε κλινικές εφαρμογές. Τα νανοϋλικά άνθρακα είναι δισδιάστατα φύλλα ατόμων άνθρακα. Οι συσκευές που βασίζονται σε νανοϋλικά άνθρακα είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για το μέλλον, καθώς είναι υλικά ισοδύναμα με ιστούς με υψηλά επίπεδα μικρογραφίας, δυνατότητα κατασκευής και ενσωμάτωσης υψηλής κλίμακας σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι ιδανικοί υποψήφιοι για μελλοντικά πολυλειτουργικά στοιχεία για την ανίχνευση ακτίνων Χ και, ως εκ τούτου, μελετάται ο ρόλος τους στη ρύθμιση των ηλεκτρικών και ανιχνευτικών ιδιοτήτων των σύνθετων πολυμερών. Οι επιδράσεις των 0,20 Gy και 0,45 Gy ακτίνων Χ στους νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος μελετούνται προκειμένου να διερευνηθεί η χρήση τους ως μικροσκοπικών και εξαιρετικά ευαίσθητων ανιχνευτών ακτινοβολίας. Η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, η φασματοσκοπία Raman και η φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ χρησιμοποιούνται για το χαρακτηρισμό των επιδράσεων. Οι νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος είναι ευαίσθητοι στην ακτινοβολία των ακτίνων Χ καταλήγωντας σε υλικά με μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε οξυγόνο και ελαττώματαsp ^3 που προκαλούνται από την ακτινοβολία. Συζητείται επίσης η αποδόμηση των πολυμερών λόγω των ακτίνων Χ.Περιγράφεται το γνέσιμο και ο χαρακτηρισμός των ινών από νανοσωλήνες άνθρακα και πολυβινυλική αλκοόλη που κατασκευάζονται με τη χρήση μιας συνεχούς τεχνολογίας πήξης, καθώς και ινών που περιέχουν μόνο νανοσωλήνες άνθρακα. Μελετούνται επίσης τροποποιήσεις των παραμέτρων γνεσίματος (όπως ο ρυθμός έγχυσης, η ταχύτητα περιστροφής του λουτρού πήξης και ο ρυθμός ροής πήξης) και οι ιδιότητες του λουτρού πήξης (όπως το pH του διαλύματος πήξης), καθώς επηρεάζουν δραματικά τη δύναμη και τη μορφολογία της ίνας. Μελετώνται διάφορες ιδιότητες των προκύπτουσων ινών ως συνάρτηση των μεταβλητών διεργασίας με τη χρήση τεχνικών όπως η μηχανική καταπόνηση, η ηλεκτρική αγωγιμότητα, τα οπτικά φάσματα (σε περιοχές UV έως μακρινής υπέρυθρης ακτινοβολίας), η μικροσκοπία ηλεκτρονίων σάρωσης, η φασματοσκοπία ακτίνων Χ διασποράς ενέργειας, η φασματοσκοπία Raman, η φασματοσκοπία υπέρυθρης ακτινοβολίας Fourier, η μικροσκοπία ατομικής δύναμης, η μικροσκοπία δύναμης ανιχνευτών Kelvin και η φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ. Οι ίνες CNT-PVA έχουν χρησιμοποιηθεί ως δοσίμετρα ακτινοβολίας ακτίνων Χ. Μετρήσεις φωτορευμάτων ως συνάρτηση του χρόνου πραγματοποιήθηκαν στις ίνες καθώς ακτινοβολήθηκαν με δέσμη ακτίνων Χ σε διαφορετικούς ρυθμούς δόσης από 0,0003 Gy/h έως 76,89 Gy/h, όπου ο ρυθμός δόσης καθορίστηκε από την απόσταση των συσκευών από το σωλήνα ακτίνων Χ. Η αποδόμηση των ινών με ακτινοβολία έως και 226,8 Gy ακτίνων Χ μελετήθηκε επίσης εκτενώς με φασματοσκοπία Raman, φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ και διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης μεταξύ άλλων τεχνικών. Με την ενσωμάτωση αυτών των ινών σε κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα, θα είναι δυνατή η ανάπτυξη έξυπνων υλικών για ενδύματα ενεργής δοσιμετρίας, ικανά να μετρούν τη δόση ακτινοβολίας ολόκληρου του σώματος για τους εργαζομένους στην πυρηνική βιομηχανία. Οι ίνες από νανοσωλήνες άνθρακα και πολυβινυλική αλκοόλη ανταποκρίθηκαν επίσης άμεσα στην υψηλή υγρασία καθώς διογκώνονταν. Αναπτύχθηκαν επίσης ανιχνευτές ακτίνων Χ κολλοειδών νανοσύνθετων. Το λατέξ που χρησιμοποιείται σε αυτή τη μελέτη έχει θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης -50 °C και επομένως είναι κολλώδες και μαλακό σε θερμοκρασία δωματίου. Οι μετρήσεις αγωγιμότητας DC και AC έδειξαν ότι οι ηλεκτρικές ιδιότητες ενισχύθηκαν μετά την ενσωμάτωση των νανοσωλήνων άνθρακα. Η ανίχνευση με ακτίνες Χ ενός πολυμερούς κολλοειδούς μετά την προσθήκη μιας μικρής ποσότητας νανοσωλήνων άνθρακα επίσης ενισχύθηκε, λόγω του αποτελεσματικού διαχωρισμού φορτίων στη διεπαφή του λατέξ και των νανοσωλήνων άνθρακα και οι κολλώδεις ιδιότητες ήταν επίσης υψηλότερες καθώς οι νανοσωλήνες άνθρακα ενισχύουν τον ινιδισμό. Η ακτινοβόληση με ακτίνες Χ παρήγαγε γραμμική αύξηση του φωτορεύματος σε ένα εύρος των ρυθμών δόσεων από 0,18 έως 54,99 mGy/s. Μια χαμηλή συγκέντρωση 0,1 wt.% νανοσωλήνων άνθρακα παρείχε αρκετούς διαδρόμους για τη συλλογή των φορέων στα ηλεκτρόδια. Το δείγμα με την καλύτερη απόκριση στις ακτίνες Χ ήταν το λάτεξ που περιείχε 0,1 wt.% νανοσωλήνες άνθρακα που δεν αποδομήθηκε μετά από 0,45 Gy ακτίνες Χ.Αυτή η διδακτορική διατριβή έχει σκοπί να προτείνει εναλλακτικούς ανιχνευτές των ακτίνων Χ που είναι ισοδύναμοι με τον ανθρώπινο ιστό και έχουν ως βάση πολυμερικές ίνες με νανοσωλήνες άνθρακα ή κολλώδη νανοσύνθετα με λάτεξ ευαίσθητα στην πίεση. Απεικονίζεται η διεξοδική κατανόηση του μηχανισμού πίσω από την ανίχνευση ακτίνων Χ και τη χημεία που προκαλείται από την ακτινοβολία στη διεπαφή του πολυμερούς και των νανοσωλήνων άνθρακα. Αυτές οι σύνθετες συσκευές παρουσιάζουν αντοχή στην ακτινοβολία, σε αντίθεση με τους νανοσωλήνες άνθρακα και τα πολυμερή όταν βρίσκονται μόνα τους. Αν και οι συσκευές που προκύπτουν είναι χαμηλού κόστους, έχουν σχετικά υψηλή απόδοση ανίχνευσης και μπορεί να χρησιμοποιηθούν για ανιχνευτές σε μεγάλες επιφάνειες, ως βιώσιμη εναλλακτική λύση σε πιο παραδοσιακά υλικά συσκευών για δοσιμετρία ισοδύναμη με τους ανθρώπινους ιστούς.