Головина Е.А., Маркин В.Б. Основы радиационного материаловедения

Подождите немного. Документ загружается.

Е.А. Головина, В.Б. Маркин

ОСНОВЫ РАДИАЦИОННОГО

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Учебное пособие

Барнаул 2008 г.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова

Головина Е.А., В.Б. Маркин

ОСНОВЫ РАДИАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Учебное пособие

Изд-во АлтГТУ

Барнаул 2008

УДК. 66.018.86

Головина Е.А., В.Б. Маркин Основы радиационного материаловедения.

Учебное пособие для практических занятий и самостоятельной работы

студентов по курсам «Радиационное материаловедение», «Принципы

формирования дисперсно-упрочненных композиционных материалов»,

«Технология наполненных пластиков» для студентов специальности 150502

«Конструирование и производство изделий из композиционных материалов»/

Е.А. Головина; В.Б. Маркин Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. –

Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2008. – 145 с.

Рассмотрены основы радиационного материаловедения, описываются

радиационные эффекты и особенности поведения материалов в поле

ионизирующих излучений. Рассматриваются вопросы использования

материалов для создания радиационной защиты аппаратуры. Приводятся

свойства материалов, добавок, способных защищать полимеры от

радиационного воздействия. Описываются условия активации материалов в

поле ионизирующих излучений. Рассматриваются радиационные технологии,

основанные на применении положительных эффектов для модификации

свойств полимеров и материалов на их основе.

Рекомендовано студентам дневной формы обучения специальностей

«Конструирование и производство изделий из композиционных материалов»,

Студентам любой формы обучения, занимающимися исследованием свойств

композиционных материалов при воздействии ионизирующих излучений.

Рассмотрено и одобрено

на заседании кафедры

физики и технологии

композиционных материалов.

Протокол № 5 от 24.11.2008 г.

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ .................................................................................................... 5

Введение ............................................................................................................... 7

Основные дозиметрические величины ............................................................... 9

Активность радионуклида ................................................................................... 9

Характеристики поля излучения ....................................................................... 10

Керма-постоянная и керма-эквивалент источника........................................... 18

Источники ионизирующих излучений.............................................................. 21

Влияние конструктивных параметров радиационно-химического реактора и

радиационно-химической установки на проведение радиационно-

химического процесса........................................................................................ 27

Взаимодействие излучений с веществом.......................................................... 34

Основные понятия и определения..................................................................... 34

Механизм взаимодействия заряженных частиц веществом ............................ 36

Пробег заряженных частиц............................................................................ 38

Линейная передача энергии........................................................................... 39

Взаимодействие тяжелых заряженных частиц с веществом ........................... 40

Взаимодействие легких заряженных частиц с веществом............................... 42

Взаимодействие гамма-излучения с веществом............................................... 44

Взаимодействие нейтронов с веществом.......................................................... 49

Первичные и вторичные радиационно-химические процессы........................ 53

Обратимые и необратимые радиационные эффекты ....................................... 54

Термические эффекты........................................................................................ 55

Расчет радиационно-химических выходов ....................................................... 55

Радиационная полимеризация ........................................................................... 56

Типы активных центров..................................................................................... 57

Кинетика и механизм радиационной полимеризации...................................... 59

Влияние различных факторов на процесс радиационной полимеризации..... 62

Гель-эффект........................................................................................................ 64

Пост - эффект (эффект последействия)............................................................. 64

Сополимеризация............................................................................................... 65

Теломеризация.................................................................................................... 66

Методы радиационной прививки ...................................................................... 67

Сенсибилизация радиационной полимеризации .............................................. 72

Сенсибилизация на основе физических явлений.......................................... 73

Сенсибилизация при твердофазной полимеризации эвтектических систем.

......................................................................................................................... 73

Сенсибилизация при гетерогенной полимеризации двухфазных систем. .. 73

Сенсибилизация на основе химических явлений. ............................................ 73

Сенсибилизирующие благородные газы....................................................... 74

Органические сенсибилизаторы (радиолиз с образованием радикалов). ... 74

Сенсибилизаторы, образующие с мономером комплексы........................... 74

Действие ионизирующих излучений на полимеры.......................................... 75

Радиационная стойкость.................................................................................... 85

Радиационная защита......................................................................................... 88

Радиационная устойчивость компонент композиционных материалов.

Исследования радиационной устойчивости волокон....................................... 91

Волокно ВМП.................................................................................................91

Радиационно-химическая модификация волокон ............................................ 95

Структура и свойства поверхности наполнителей на основе полиолефиновых,

арамидных, углеродных волокон ...................................................................... 96

Полиолефиновые волокна.............................................................................. 96

Арамидные волокна ....................................................................................... 97

Углеродные волокна ...................................................................................... 98

Радиационно-стимулированная модификация поверхности наполнителей . 101

Роль интерфазы (барьерного слоя) в процессе передачи напряжений между

термопластичной матрицей и армирующим волокном.................................. 108

Методы модификации поверхности полиолефиновых волокон ................... 110

Методы модификации поверхности арамидных волокон.............................. 113

Методы модификации поверхности углеродных волокон ............................ 120

Термическое отверждение ............................................................................... 126

Радиационное отверждение............................................................................. 127

Радиационное отверждение эпоксидного связующего .................................. 129

Радиационно-термическое отверждение с продолжением температурного

цикла после прекращения облучения ............................................................. 131

Радиационно-термическое отверждение с сокращенным температурным

циклом............................................................................................................... 134

Приложение...................................................................................................... 139

Соотношение между единицами СИ и внесистемными единицами в области

радиационной безопасности............................................................................ 139

ЛИТЕРАТУРА.................................................................................................. 140

Введение

В настоящее время возрастает потребность в новых материалах,

обладающих специфическими свойствами. Прогресс в некоторых областях

техники определяется в значительной степени способностью таких

материалов работать в экстремальных условиях, в том числе в поле

ионизирующих излучений. Применение уже разработанных материалов и

изделий диктует необходимость не только оценить их радиационную

стойкость для выяснения пределов их применимости, но и возможности

использовать излучение как технологический фактор для улучшение свойств

материалов.

Радиационные методы воздействия на реакционную среду занимают

достойное место среди давно известных и традиционных, таких, как тепловое

и фотохимическое, воздействие катализаторов, высокого давления и

химических инициаторов. Отличительной чертой радиационных методов

является их кажущаяся сложность, связанная с наличием дорогого

оборудования (ускорители электронов, установки с изотопными источниками

излучения, радиационные контуры и т. д.) и особыми условиями

эксплуатации с точки зрения техники безопасности.

В современных устройствах, предназначенных для работы в условиях

облучения, используют материалы различных классов и химической

природы (металлы, полупроводники, органические и неорганические

системы, полимеры и т.д.) механизм воздействия излучения на эти

материалы различен. В связи с тем, что трудно найти универсальный подход

к описанию радиационных эффектов в различных материалах целесообразно

рассматривать радиационное воздействие на отдельные группы материалов,

объединенных либо общностью химической природы, либо областью

применения.

Для решения практических задач необходимо знание особенностей

воздействия излучения на разнообразные материалы и элементы

конструкций с точки зрения их совместимости в условиях облучения.

Главными направлениями работы в области радиационного

материаловедения являются:

1. Разработка научных и методических основ радиационных

испытаний материалов;

2. Определение степени радиационных повреждений материалов и

оценка их радиационной стойкости в различных условиях эксплуатации;

3. Разработка и практическое использование методов радиационной

технологии для получения принципиально новых высококачественных

материалов и изделий, а также модификация и повышение эксплуатационной

надежности существующим путем применения различных видов излучений в

производственных процессах для изготовления материалов, обладающих

после облучения ценными технологическими и эксплуатационными

свойствами.

4. Радиационная защита аппаратуры, а также биологическая защита

персонала путем использования специальных экранов из защитных

материалов;

5. Исследование процессов ядерной активации материалов в

результате взаимодействия излучения с веществами и влияние этой

активации на дальнейшую работоспособность изделий;

6. Изучение физики поверхностных явлений, наблюдаемых при

контакте материалов и изделий с радиоактивными продуктами и осадками, а

также разработка методов борьбы с радиоактивными загрязнениями.

Одним из направлений радиационного материаловедения наряду с

исследованиями радиационной стойкости материалов являются работы в

области возможного использования ионизирующих излучений в качестве

высокоэффективного средства целенаправленного воздействия на материалы

для улучшения их характеристик.

Рисунок 1 – Структура и внутренние связи радиационного

материаловедения.

При создании изделий из КМ необходимо правильно выбрать материал

с учетом особенностей его поведения в условиях переработки и оценить его

работоспособность в эксплуатационных условиях. Конструирование изделия

связано с анализом различных вариантов технологии его изготовления, тем

более что оформление конструкции изделия чаще всего происходит в

процессе формирования материала.

Успешная реализация больших потенциальных возможностей КМ, в

значительной степени зависит от выбора компонентов. Разработка теории,

позволяющей сделать наилучший выбор свойств компонентов, их

соответствия и структуры позволило бы получать материалы с требуемыми

свойствами.

Таким образом, радиационное материаловедение - это наука,

изучающая воздействие ионизирующих излучений на свойства и структуру

материалов.

Радиационное материаловедение включает следующие разделы:

 радиационная полимеризация – образование полимеров под

воздействием ионизирующих излучений на мономеры;

 радиационно-химические превращения в полимерных системах:

1. радиационная прививочная полимеризация или сополимеризация –

модификация полимеров (и материалов) путем прививки мономера (или

мономеров);

2. радиационное структурирование – образование из линейных или

разветвленных олигомеров или полимеров трехмерных сшитых систем

(вулканизатов, покрытий и т. п.), а также циклизация макромолекул;

3. радиолиз полимеров, приводящий к деструкции;

полимераналогичные превращения, осуществляемые (или

интенсифицируемые) под воздействием ионизирующих излучений;

 защита полимеров от радиации, их радиационная стойкость;

 радиационные технологии и технологические процессы,

осуществляемые под действием облучения.

Каждый из разделов помимо теоретического содержания,

раскрывающегося в различных специфических проявлениях воздействия

радиации на зависимости свойств от структуры вещества, имеет

определенные прикладные аспекты, которые отражают интерес к этому

пограничному разделу: возможности полезного использования излучений

высоких энергий для синтеза или модификации полимеров и полимерных

материалов.

Прежде, чем перейти к изложению прикладного характера воздействия

радиации на полимеры и высокополимеры и возможного использования

излучений в качестве высокоэффективного средства целенаправленного

воздействия на материалы для улучшения их характеристик, рассмотрим

фундаментальные основы явлений в системах, происходящие при

поглощении ионизирующего излучения.

Основные дозиметрические величины

Активность радионуклида

При работе с радиоактивными веществами наиболее существенным

является не масса радионуклида, а его активность.

Активность радионуклида в источнике А – отношение числа

спонтанных (самопроизвольных) ядерных превращений dN, происходящих в

источнике за интервал времени dt, к этому интервалу:

A  , (1)

В системе СИ единица измерения активности имеет специальное

название беккерель (Бк) и имеет размерность обратной секунды (с

-1

Беккерель равен активности радионуклида в источнике, в котором за время

1 с происходит одно спонтанное ядерное превращение.

Внесистемной единицей активности является кюри (Ки). Кюри –

активность радионуклида в источнике, при которой в 1 с происходит 3,7·10

спонтанных ядерных превращений. Такое число ядерных превращений

происходит в 1 секунду в 1 г

226

Ra. Связь между внесистемной единицей

активности кюри и беккерелем следующая:

1 Ки = 3,7·10

Бк; 1 Бк = 2,7·10

-11

Ки.

Активность радионуклида связана с числом радиоактивных атомов в

источнике. Более практичным выражением этого соотношения,

связывающего массу (m) радионуклида в граммах (г) (без учета массы

неактивного носителя) с его активностью в беккерелях является:

ATMm 



103,3

, (2)

где, M – массовое число радионуклида; Т

1/2

– период полураспада

радионуклида в секундах.

На практике часто пользуются величинами отношений общей

активности радионуклида к длине, площади, объему или массе источника.

Они характеризуют концентрацию радионуклида. И называются

соответственно линейной, поверхностной, объемной и удельной активностью

радионуклида.

Выбор единиц этих величин определяется конкретной задачей. Так,

допустимую концентрацию радионуклида в воде (объемную активность)

удобнее выражать в беккерелях на литр (Бк/л), а в воздухе – в беккерелях на

кубический метр (Бк/м

), т.к. потребление человеком воды обычно

определяется в литрах, а воздуха – в кубических метрах. На практике во

внесистемных единицах часто используются соответственно Ки/л и Ки/м

Единица измерения удельной активности – Бк/кг. Часто также пользуются

внесистемной единицей – Ки/кг.

Единицами поверхностной и линейной активности являются в СИ

соответственно Бк/м

и Бк/м.

Характеристики поля излучения