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

Подождите немного. Документ загружается.

меньшего расхода воды. Поэтому с экологической точки зрения

радиационная технология предпочтительнее, чем традиционная

термохимическая.

Из различных химических процессов, которые могут быть

осуществлены методом радиационно-химической технологии, отбираются

лишь отдельные. Для отбора анализируют интересующий процесс на

1) технический эффект от его внедрения, 2) социальный эффект,

3) энергоемкость, 4) общий экономический эффект.

Рисунок 5 – Радиационно-химическая установка "Исследователь"

РХ-Гамма 30. Схема радиационно-химической установки,где 1 – свинцовый

контейнер; 2 – станина; 3 –облучатель установки – кассета; 4 – закрытые

радионуклидные источники на основе изотопа

Со; 5 – пробка; 6 – шток;

7 – рабочая камера; 8, 8а – механизмы подъема и поворота пробки;

9 – крышка контейнера; 10 – корпус лучевого затвора; 11 – тросы; 12 – блоки;

13 – противовес. Габариты установки: вес с платформой – 7600 кг, длина с

платформой – 3,7 м, ширина с платформой – 2,6 м, высота с платформой –

3,634 м

Технический эффект включает: а) уникальность данного процесса,

реализуемого только при использовании радиационной технологии в

результате чего получают новый материал или известный ранее, но с новыми

свойствами; б) существенное облегчение условий производства известного

материала с известными свойствами; в) доступность реализации

радиационного метода по сравнению с традиционным, т.е. техническую

осуществимость радиационного производства; сюда входит выбор источника

излучения – важнейшего элемента стадии производства, радиационно-

химического реактора и исключение аппаратурных элементов технологии

нерадиационной стадии процесса; г) обеспечение радиационной

безопасности процесса (альтернативно с социальным эффектом) в отношении

как обслуживающего персонала, так и отсутствия наведенной

радиоактивности в продуктах радиационной обработки.

Социальный эффект в первую очередь касается охраны окружающей

среды, очистки промышленных стоков, а также радиационной безопасности

процесса и влияния продукции, полученной в результате радиационного

воздействия, даже при ее абсолютной радиационной безвредности, на

психологию потребителя.

Что касается энергоемкости, то радиационные процессы требуют

меньших затрат энергии, чем традиционные химические процессы, поэтому

радиационные технологии являются энергосберегающими ].

При расчете общего экономического эффекта, существенно зависящего

от масштабов потребности в продукте радиационного процесса, необходимо

учитывать все решающие факторы в сравнении с использованием обычных

традиционных методов.

Разработка аппаратурного оформления радиационного

технологического процесса получения или переработки полимеров связана с

решением трех самостоятельных, а по сути дела связанных воедино задач:

1) выбор источника излучения;

2) создание специального оборудования для радиационной и

нерадиационной стадий процесса;

3) составление рецептур, подбор радиационных и иных условий

процесса, обеспечивающих достижение оптимальных технико-

экономических показателей.

Это можно успешно выполнить лишь после предварительной надежной

научно-исследовательской проработки.

Очевидно, производительность радиационной установки определяется

мощностью источника ионизирующего излучения, эффективностью

использования излучения и дозой, необходимой для осуществления данного

процесса. Производительность радиационно-технологической установки Q (в

кг/ч) приближенно оценивается следующим образом:





106,3 



, (29)

где – η коэффициент использования мощности источника излучения (в

долях), D – поглощенная доза излучения, кГр,



– мощность источника

излучения. Коэффициент η представляет собой отношение мощности

излучения, поглощаемой в облучаемом объекте, к полной мощности

источника излучения.

С учетом радиационно-химического выхода G используемой реакции Q

можно выразить в виде:



PGMQ



1074,3





, (30)

где М – молекулярная масса исходного вещества.

Для цепных процессов с высоким радиационно-химическим выходом

(G≥10

), например полимеризационных, приемлемая, производительность

достигается при использовании мономеров-с молекулярной массой 10–10

Для нецепных процессов, например структурирования, даже при низких

значениях радиационно-химического выхода (G≈l) вследствие большой

молекулярной массы полимерных объектов радиационной обработки-

(М>10

) получают значения производительности, характерные для

эффективных технологических процессов.

Если доза выражена в 10 кГр, то соответствующая формула такова:





360



, (31)

Уравнения для расчета производительности являются упрощенными. В

них не учтено то обстоятельство, что распределение доз в облучаемом

объекте неравномерно. Это явление характеризуется коэффициентом

равномерности и, представляющим собой отношение максимальной дозы в

объекте (D

max

) к минимальной (D

min

max

U  , (32)

Очевидно, что D

min

есть доза, необходимая для достижения данного

эффекта или осуществления процесса. Однако, чтобы выполнить это условие,

требуется из-за неравномерности дозного поля использовать в и раз большую

мощность. Как правило, значение и вводят в величину коэффициента η.

Естественно, радиационные установки конструируют так, чтобы

коэффициент равномерности был минимальным. Например, в случае

изотопных гамма-установок, предназначенных для обработки блочных

объектов, соответствующие конструкции могут предусматривать

возможность двухстороннего облучения объекта, кругового движения его

вокруг источника с одновременным вращением объекта вокруг оси,

многократного прохождения его через зону облучения с изменением

положения относительно источника неравномерным распределением

активности в плоскостном облучателе (при увеличении ее по направлению к

краям облучателя) и т. п. При использовании установок таких конструкций

значения и обычно равны 1,2 – 1,3.

На основе изложенного можно заключить, что коэффициент η

определяется неполным поглощением излучения в объекте, частичным

поглощением его в стенках аппарата, самопоглощением, неравномерностью

дозного поля и т. д. Обычные значения η составляют 0,2 – 0,4 для

γ-излучения и 0,6 – 0,8 для быстрых электронов. Коэффициент η можно

рассматривать как к.п.д. радиационной установки.

Уравнения для расчета производительности при наличии зависимости

G от дозы или мощности дозы, либо даже от обоих этих параметров,

довольно сложны. На практике эта зависимость наблюдается весьма часто.

При этом производительность сильно зависит от конфигурации источника.

Эти уравнения для различных радиационно-химических реакторов имеются в

книгах.

Взаимодействие излучений с веществом

Радиационно-химические процессы отличаются от фотохимических в

неизбирательности поглощения ионизирующего излучения. Энергия фотона

γ-излучения настолько превышает энергию химических связей в

органических мономерных и полимерных молекулах, что фактически нет

различия какой электрон какой связи будет взаимодействовать с фотоном.

Поэтому параметры энергетической прочности химических связей в этих

соединениях не являются надежными критериями для предсказания

направлений радиационно-химических превращений. Следовательно, при

действии излучений высоких энергий на вещество поглощение не зависит от

его природы, а поглощенная энергия прямо пропорциональна общему числу

электронов в единице объема вещества, подвергаемого радиационной

обработке.

В результате взаимодействия электронов, выбитых из атомов или

молекул в процессах первичной ионизации, с незатронутыми ионизацией

атомами и молекулами вещества образуются вторичные δ-лучи. Они ведут к

возникновению треков, шпор или колонн ионов, что характеризует

неравномерное распределение активных частиц в облучаемом объеме. Это

также является типичным для радиационно-химических процессов в отличие

от фотохимических.

Основные понятия и определения

Ионизирующим излучением называется любое излучение,

взаимодействие которого с веществом приводит к образованию в этом

веществе ионов разных знаков.

Ионизирующее излучение способно выбивать электроны из атомов.

При этом, видимый свет, ультразвук, ультрафиолетовое, лазерное,

Черенковское, микроволновое излучения к ионизирующему излучению не

относятся.

Ионизирующее излучение делится на непосредственное и косвенное.

Непосредственное ионизирующее излучение состоит из заряженных

частиц, например, из электронов, протонов, α-частиц, имеющих

кинетическую энергию, достаточную для ионизации при столкновении,

которые выбивают орбитальные электроны из атомов прямо при

кулоновском взаимодействии.

Косвенное ионизирующее излучение состоит из незаряженных

частиц, например, из нейтронов или фотонов, создающих непосредственно

ионизирующее излучение и (или) вызывающих ядерные превращения.

Энергия этих частиц передается вначале заряженной частице (электрону или

протону), а затем эти вторичные частицы уже производят ионизацию атомов

и (или) вызывают ядерные превращения.

К фотонному ионизирующему излучению относятся: γ-излучение,

возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер, при

ядерных превращениях или при аннигиляции частиц; тормозное излучение с

непрерывным энергетическим спектром, возникающее при уменьшении

кинетической энергии заряженных частиц; характеристическое излучение с

дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении

энергетического состояния электронов атома; рентгеновское излучение,

состоящее из тормозного и (или) характеристического излучений.

К корпускулярному излучению относится ионизирующее излучение,

состоящее из частиц с массой, отличной от нуля, т.е. α-и β-частицы,

нейтроны, протоны, мезоны и др.

Частицы корпускулярного ионизирующего излучения или фотоны

принято называть ионизирующими частицами.

Ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или

частиц и фотонов, называется смешанным ионизирующим излучением.

Различают моноэнергетическое и немоноэнергетическое

ионизирующее излучение.

Под моноэнергетическим понимается ионизирующее излучение,

состоящее из фотонов одинаковой энергии или частиц одного вида с

одинаковой кинетической энергией.

Немоноэнергетическое излучение имеет фотоны разной энергии или

частицы одного вида с разной кинетической энергией.

Принято различать первичное и вторичное ионизирующее

излучение.

Под первичным понимается ионизирующее излучение, которое в

рассматриваемом процессе взаимодействия со средой является или

принимается за исходное.

Вторичное ионизирующее излучение возникает в результате

взаимодействия первичного ионизирующего излучения с данной средой.

Ионизирующее излучение, в зависимости от массы и заряда, можно

подразделить на четыре группы:

 Тяжелые заряженные частицы, к ним относятся α-частицы, протоны и

др.

 Легкие заряженные частицы: электроны и позитроны.

 Фотонное излучение: рентгеновское и γ-излучение.

 Нейтронное излучение: нейтроны различных энергий.

 Механизм потери энергии

Механизм взаимодействия заряженных частиц веществом

Механизм взаимодействия заряженных частиц с поглощающим

веществом состоит в том, что частица, пролетая сквозь вещество,

«расталкивает» атомные электроны своим кулоновским полем, за счет чего

теряет свою энергию, ионизируя либо возбуждая атомы. Основное правило,

применяемое ко всем заряженным частицам, это правило, согласно которому

они передают свою энергию поглощающему веществу более или менее

постоянно на своем пути. Таким образом заряженная частица всегда выходит

из поглотителя с меньшей энергией, чем до поглотителя, в отличие от

которой γ-квант (незаряженная частица) может пройти толстый защитный

экран и на выходе иметь ту же энергию, что и на входе.

Наибольший практический интерес представляет интервал энергий

частиц от нескольких кэВ до 10 МэВ, при этом рассматриваются три

основных механизма потери энергии: ионизация, возбуждение и

торможение.

Ионизация атомов представляет собой процесс превращения

нейтральных атомов среды под действием ионизирующего излучения в

заряженные частицы – электроны и ионы, т.е. образование пары ионов. В

этом процессе из нейтрального атома выбиваются электроны и он становится

ионом. Комбинация выбитого электрона и ионизированного атома

называется ионной парой. В различных материалах на образование ионной

пары необходима энергия 30 – 40 эВ. Эта энергия называется энергией

образования пары ионов ε. Для образования одной пары ионов в воздухе

γ-излучение в среднем расходует энергию ε = 33,85 эВ на пару.

Для количественной оценки ионизации атомов вводят понятия полной

ионизации и линейной плотности ионизации.

Полная ионизация N

– это количество пар ионов, образованных

ионизирующим излучением, на всем пути в среде:



 , (33)

где E – энергия ионизирующего излучения, эВ; ε – энергия образования пары

ионов, эВ/на пару.

Линейная плотность ионизации N

(удельная ионизация) – это

количество пар ионов, образованных ионизирующим излучением на единице

пути:



 , (34)

где N

– полная ионизация пар ионов; R – линейный пробег.

Возбуждение атомов – это механизм потери энергии, являющийся

следствием кулоновского взаимодействия между заряженной частицей и

электронами атома. Если при ионизации удаление электронов с орбиты

происходит путем их выбивания из нейтрального атома, то при возбуждении

электрону передается энергия, недостаточная для его выбивания, в

результате чего электрон переходит на более высокий энергетический

уровень, при этом он удерживается атомом и нейтральность атома не

нарушается. Этот процесс не ведет к образованию ионных пар и к

появлению свободных зарядов в веществе. При переходе электрона на

прежнюю орбиту испускается характеристическое излучение, энергия

которого зависит от глубины перехода орбитального электрона. На каждую

образованную пару ионов при ионизации атома приходится примерно два-

три возбужденных атома. Потери энергии при ионизации и возбуждении

атомов называются ионизационными потерями.

Торможение частиц в поле ядра. Потери энергии ионизирующего

излучения в поле ядра называют радиационными потерями, они

представляют из себя уменьшение энергии в результате торможения

заряженной частицы в поле ядра вещества и связаны с испусканием

тормозного излучения. Заряженные частицы, пролетая вблизи ядра атомов

поглотителя, тормозятся в поле ядра и меняют направление своего движения.

Причина возникновения тормозного излучения – это та же кулоновская

сила, которая отклоняет заряженную частицу, изменяя направление ее

движения. В физическом смысле изменение направления является

замедлением т.к. меняется направление вектора скорости и уменьшается

величина скорости из-за потери энергии. Тормозное излучение является

фотонным излучением с непрерывным спектром, энергетический диапазон

которого входит в диапазон рентгеновских лучей. Тормозное излучение

возникает в рентгеновских трубках, в ускорителях электронов и др. Анализ

процесса потери энергии на тормозное излучение показывает, что эти потери

прямо пропорциональны энергии заряженной частицы и квадрату атомного

номера вещества, и обратно пропорциональны квадрату массы заряженной

частицы. Например, потери энергии протона примерно в 2000

раз меньше

потерь энергии электрона. Описанные механизмы схематически показаны на

рисунке 6.

Рисунок 6 – Механизмы потери энергии заряженными частицами

Тормозная способность S – это средняя энергия, теряемая заряженной

частицей на единице своего пути, измеряется в единицах кэВ/мкм. Тормозная

способность является свойством поглощающего вещества и показывает

насколько теряется энергия заряженной частицей в веществе.

Так как ионизационные и радиационные потери зависят от

кулоновских сил, то S прямо пропорциональна заряду взаимодействующих

частиц и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, т.е. S

зависит от заряда и атомного номера Z вещества, а фактор обратного

квадрата расстояния учитывается по среднему расстоянию между атомами

поглотителя. Отсюда следует зависимость S от плотности вещества.

Низкоэнергетические (медленные) частицы в большей степени

подвержены влиянию кулоновских сил, соответственно и потери энергии у

них будут большими, поэтому S растет при уменьшении энергии частиц.

S зависит от плотности ρ поглощающего вещества, то в практических целях

пользуются массовой тормозной способностью, т.е. тормозной способностью

на единицу плотности S/r.

Рисунок 7 – Зависимость тормозной способности от энергии частиц.

Пробег заряженных частиц

Линейный пробег R – это путь, пройденный заряженной частицей до

полной потери кинетической энергии, или минимальная толщина

поглотителя, необходимая для полного поглощения ионизирующего

излучения. Понятие пробега относится только к заряженным частицам,

фотонное излучение пробега не имеет.

Если тормозная способность большая, то частица будет замедляться

быстрее и, отсюда, пробег будет малым, таким образом, пробег обратно

пропорционален тормозной способности.

Пробег зависит от факторов Кулоновского взаимодействия – зарядов

взаимодействующих частиц, плотности вещества и энергии заряженной

частицы. Пробег увеличивается с ростом энергии излучения,

пропорционален массе частицы и обратно пропорционален квадрату ее

заряда.

Кривые зависимости пробега от энергии для некоторых заряженных

частиц показаны на рисунок 7. Эти кривые являются "зеркальным

отражением" кривых зависимости тормозной способности от энергии

(рисунок 8).

Рисунок 8 – Зависимость пробега от энергии.

Массовый пробег R

– это пробег заряженной частицы в единицах

массы, являющийся произведением линейного пробега R заряженной

частицы в данном веществе на плотность этого вещества ρ:



 RR

, (35)

где R

– массовый пробег, г/см

; R – линейный пробег, см; ρ – плотность

поглотителя, г/см

Если линейный пробег заряженных частиц в веществе зависит от его

плотности, то массовый пробег становится независимым от плотности

вещества поглотителя, поэтому толщину поглотителя удобнее определять

через массовый пробег, ибо для частиц с одинаковой энергией в различных

веществах поглотителя он имеет примерно одно и то же числовое значение.

Линейная передача энергии

Линейная передача энергии (ЛПЭ) заряженных частиц в поглощающем

веществе (или L) – отношение средней энергии dE, переданной

поглощающему веществу движущейся заряженной частицей вследствие

столкновений при перемещении ее на расстояние dl, к этому расстоянию:

L  , (36)

Термин ЛПЭ тесно связан с тормозной способностью S. Основное

отличие заключается в том, что ЛПЭ связано с энергией, передаваемой

поглощающему веществу, в то время как S характеризует свойство

поглощающего вещества, показывая насколько эффективно теряет энергию

заряженная частица в веществе, т.е. насколько эффективно поглотитель

отбирает энергию у заряженной частицы.

ЛПЭ имеет важное значение в радиационной защите, так как с ее

использованием вычисляется коэффициент качества данного радиационного

поля. ЛПЭ, как и тормозная способность S, измеряется в кэВ/мкм.

Взаимодействие тяжелых заряженных частиц с веществом

Взаимодействие заряженных частиц разделяют на упругие и

неупругие.

К упругим относят такие взаимодействия, при которых сумма

кинетических энергий взаимодействующих частиц до взаимодействия и

после сохраняется неизменной. Таким процессом является упругое

рассеяние.

При неупругом взаимодействии часть кинетической энергии

заряженной частицы передается образовавшимся частицам или фотонам;

другая часть кинетической энергии передается атому или ядру на их

возбуждение или перестройку. К таким взаимодействиям относится

неупругое рассеяние, ионизация и возбуждение атомов, образование

тормозного излучения.

Взаимодействие тяжелых заряженных частиц с веществом рассмотрим

на примере α-частиц. α-частица – это ядро атома гелия, она имеет двойной

положительный заряд и четыре единицы массы. Масса α-частицы равна

4,002777 а.е.м. Распад, в основном, претерпевают радионуклиды тяжелых

элементов. Энергия α-частиц (E

), испускаемых естественными и

искусственными радионуклидами, колеблется в пределах 4,0 – 9,0 МэВ.

Скорость движения α-частиц порядка 10

см/сек.

При прохождении через вещество энергия α-частицы, в основном,

расходуется на ионизацию и возбуждение атомов поглощающей среды

(ионизационные потери), которые при Е

>0,1 МэВ можно выразить

формулой:

ZnBze



















(37)

где E

– кинетическая энергия α-частицы; е – заряд электрона; z – заряд α-

частицы; Z – порядковый номер поглотителя; n – число атомов в 1 см

вещества; В – коэффициент торможения; m

– масса покоя электрона;

V – скорость частицы.

Одним из наиболее характерных свойств α-частиц является наличие у

них определенного пробега. Средний пробег R

моноэнергетических α-

частиц обычно рассчитывают по эмпирическим формулам. В воздухе при

нормальных условиях

αα

aER  (38)

где R

– пробег, см;



– кинетическая энергия α-частиц, МэВ;

n – безразмерный коэффициент, установленный эмпирическим путем.