Н.П. Алешин, А.Л. Ремизов, А.А. Дерябин - лекции по ККСС (1050136), страница 11

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 11)

α-частицы представляют собой ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Они несут положительный заряд, равный двум единицам заряда, отклоняются в магнитном и электрическом полях (рис.7.6). Пробег α-частиц в веществе мал, в воздухе достигает 11 см, в биологической ткани – 0,1 мм, α-частицы полностью поглощаются слоем алюминия 0,01 мм.

β-частицы – это электроны, которые обладают разной энергией от нуля до максимума и излучают непрерывный спектр. Под действием магнитного и электрического полей они отклоняются от прямолинейного направления, пробег их в воздухе достигает 10 м, в биологической ткани – 10-12 мм и полностью поглощаются 6 мм листом из алюминиевого сплава или слоем свинца толщиной 1 мм.

γ- излучение представляет собой фотонное излучение с линейчатым спектром с очень короткой длиной волны (~ 0,1 нм) и не имеет заряда. Магнитным и электрическим полями не отклоняется. γ- излучение может проникать через стальные изделия толщиной до 500 мм.

Чтобы происходили ядерные реакции, ядра бомбардируют частицами, обладающими определенной кинетической энергией. Сообщение бомбардирующими частицами достаточной кинетической энергии осуществляется в специальных ускорителях заряженных частиц.

При бомбардировке нейтронами ядро атома захватывает нейтрон, при этом массовое число ядра возрастает, а томный номер остается без изменения, т.е. образуется изотоп элемента, подвергаемого бомбардировке. Примером может служить реакция превращения нерадиоактивного кобальта ₂₇Со⁵⁹ в радиоактивный ₂₇СО⁶⁰, сопровождаемая излучением γ- квантов

₂₇Со⁵⁹ + n→ ₂₇Со⁶⁰+γ,

т.е. основной (стабильный) элемент Со⁵⁹облучается нейтронами; нейтрон не имеющий заряд «пристраивается» к ядру кобальта и остается в нем.

Заряд ядра при этом не изменяется, но масса его увеличивается на единицу в результате чего образуется изотоп ₂₇СО⁶⁰. Теперь в ядре изотопа Со⁶⁰ увеличивается избыток нейтронов, т.е. в нем будет 33 нейтрона и 27 протонов. Одновременно количество нейтронов и количество протонов станет нечетным. Такие ядра неустойчивы, поэтому Со⁶⁰ будет неустойчивым и начнет самопроизвольный распад; один из нейтронов в его ядре превратиться в протон, при этом из ядра будет излучаться электрон и нейтрино. При таком превращении нейтрона в протон с испусканием электрона в ядре увеличивается положительный заряд и элемент перемещается в периодической таблице Менделеева на одну клетку вперед, т.е. Со⁶⁰ превращается в никель (Ni).

Процесс распада радиоактивного кобальта можно записать в следующем виде

_{27Со60→β0 + γ0 +}

Самопроизвольный распад неустойчивых ядер имеет статистический характер. Некоторая доля ядер распадаются в течение каждой секунды. Эта доля обозначается через λ и называется постоянной распада.

Уменьшение активности во времени происходит по закону

N=N_оe^-λТ

где – N - число атомов на данный момент;

Nо – число атомов в начальный момент;

λ - постоянная распада;

Т – время.

Логарифмируя это выражение и подставляя вместо ℓn2 его значение получаем окончательное выражение, связывающее период полураспада и постоянную распада λT½ = ℓn2 = 0,693 и окончательно

7.3. Взаимодействие рентгеновского и γ-излучения с веществом

Основными видами взаимодействия квантов рентгеновского и γ-излучения с атомами вещества являются фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рассеяние и процесс образования пар (рис.7.7).

Рис.7.7.Схемы взаимодействия излучения с веществом: а- фотоэлектрическое поглощение; б – комптоновское рассеяние; в- эффект образования пар.

Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект) – это процесс взаимодействия кванта с электроном атома (обычно электроном с одной из ближайших к ядру оболочек), в результате которого квант полностью передает свою энергию электрону. При фотоэлектрическом поглощении квант прекращает свое существование, а электрон, называемый фотоэлектроном, вылетает из атома, обладая кинетической энергией, равной разности между энергией кванта и энергией связи электрона в атоме. Освободившаяся вследствие потери фотоэлектрона оболочка заполняется электроном с внешней оболочки атома, при этом испускается квант характеристического излучения.

Процесс фотоэлектрического поглощения является преобладающим видом взаимодействия квантов рентгеновского и γ-излучения с веществом при невысоких энергиях излучения. Вероятность фотоэлектрического поглощения увеличивается с увеличением энергии.

Фотоэффект характеризуют линейным коэффициентом поглощения τф, показывающим долю квантов данной энергии, претерпевших взаимодействие с веществом на единице пути. Поскольку линейный коэффициент поглощения прямо пропорционален плотности вещества ρ, в расчетах часто применяют массовый коэффициент поглощения τф/ρ.

При комптоновском рассеянии, в отличие от фотоэффекта, квант передает электрону не всю свою энергию, а только ее часть. Комптоновское рассеяние возникает при упругом столкновении кванта с электроном внешней оболочки атома или со свободным электроном. В результате происходит увеличение длины волны кванта и изменение его первоначального направления, а также выброс из атома электрона, который называют электроном отдачи.

Комптоновское рассеяние аналогично фотоэффекту характеризуют линейным σр и массовым σр/ρ коэффициентами рассеяния.

Вероятность рассеяния в сравнении с фотоэффектом возрастает с увеличением энергии квантов рентгеновского и γ – излучения и с уменьшением атомного номера вещества.

В результате процесса образования пар квант излучения в электрическом поле атомного ядра (или атомного электрона) превращается в пару элементарных частиц электрон-позитрон. Так как массы покоя электрона и позитрона в энергетических единицах равны 0,511 Мэв, то для образования электронно-позитронной пары требуется, по меньшей мере, энергия кванта 1,022 Мэв. Процесс образования пар характеризуют линейным коэффициентом взаимодействия или массовым коэффициентом .

Линейный коэффициент ослабления μ (см-1). Этот коэффициент представляет собой сумму линейных коэффициентов взаимодействия, определяемых фотоэффектом, комптоновским рассеянием и процессом образования пар:

μ = τ + σ +

В области низкоэнергетического рентгеновского и γ-излучений значение μ определяется в основном фотоэффектом и убывает с ростом энергии. В области энергии γ-излучения до 1 МэВ, где основным процессом взаимодействия является комптоновское рассеяние, μ мало зависит от энергии. В диапазоне энергии тормозного излучения ускорителей и γ-излучения свыше 1 МэВ μ увеличивается с ростом энергии.

Рис. 7.8. Зависимость линейного коэффициента ослабления от энергии излучения:

μ – общее поглощение; τ- фотоэффект; σ – комптоновское рассеяние; – процесс образования пар.

Закон ослабления узкого пучка рентгеновского и γ – излучения.

Ранее мы записали:

где J0 и J1 – интенсивность узкого пучка излучения, падающего и прошедшего через вещество, соответственно, при J0 на расстоянии 1 м.

Если точечный источник излучения удаляется от детектора на расстояние F, то интенсивность узкого пучка излучения, прошедшего через вещество, уменьшается обратно пропорционально квадрату этого расстояния так, что

.

Закон ослабления широко пучка R и γ-излучения.

·В

В – фактор накопления рассеянного излучения в воздухе.

В реальных условиях R-графии на детектор попадают не только те кванты, направление движения которых совпадает с первичным пучком, но и кванты, испытывающие многократное рассеяние в поглотителе (веществе). Вклад рассеянного излучения в общую интенсивность оценивают с помощью дозового фактора накопления В, который определяет соотношением

С увеличением толщины материала В увеличивается и уменьшается с увеличением мощности излучения.

7.4 Методы радиационной дефектоскопии

В зависимости от вида применяемого детектора различают три основных метода радиационного контроля: радиографический, радиоскопический и радиометрический.

Рис.7.9. Классификация методов радиационного контроля.

Радиационная интроскопия – метод радиационного неразрушающего контроля, основанный на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в световое изображение на выходной экране радиационно-оптического преобразователя, причем анализ полученного изображения проводится в процессе контроля.

Чувствительность этого метода несколько меньше, чем радиографии, но его преимуществами являются повышенная достоверность получаемых результатов благодаря возможности стереоскопического видения дефектов и рассмотрения изделий под разными углами, «экспрессность» и непрерывность контроля.

Радиометрическая дефектоскопия – метод получения информации о внутреннем состоянии контролируемого изделия, просвечиваемого ионизирующим излучением, в виде электрических сигналов (различной величины, длительности или количества).

Этот метод обеспечивает наибольшие возможности автоматизации процесса контроля и осуществления автоматической обратной связи контроля и технологического процесса изготовления изделия. Преимуществом метода является возможность проведения непрерывного высокопроизводительного контроля качества изделия, обусловленная высоким быстродействием применения аппаратуры. По чувствительности этот метод не уступает радиографии.

При радиографическом методе, который является основным ( 90%) радиационной дефектоскопии в качестве детектора используется радиографическая пленка.

Основой радиографической пленки служит гибкая прозрачная подложка 4 толщиной 100-200 мкм из негорючей пластмассы – ацетатцеллюлозы (рис. 7.10).

Рис.7.10. Схема строения радиографической пленки:

1- желатин; 2-эмульсия; 3-спецклей; 4-подложка.

Чтобы зафиксировать полученное изображение, т.е. сделать его нечувствительным к свету, пленку обрабатывают в растворе закрепителя.

Ксерография. Этот метод контроля представляет собой процесс получения изображения на поверхности пластины, электрические свойства которой изменяются в соответствии с энергией воспринятого рентгеновского или гамма-излучения.

Радиоскопия. Этот метод контроля основан на просвечивании контролируемых объектов рентгеновским излучением с последующим преобразованием радиационного изображения объекта в светотеневое или электронное и передачей этого изображения на расстояние с помощью оптики или телевизионной техники для визуального анализа на выходных экранах. Назначение радиоскопического метода в основном то же, что и радиография. Целесообразность этого метода определяется с учетом того, что по сравнению с радиографией чувствительность радиоскопического метода к дефектам примерно в 2 раза ниже, а производительность в 3-5 раз выше. Этот метод позволяет просматривать внутреннюю структуру контролируемого изделия в процессе его перемещения относительно входного экрана со скоростью от 0,3 до 1,5 м/мин в зависимости от типа преобразователя и толщины изделия. В качестве преобразователей теневого радиационного изображения в светотеневое или электронное применяют флуороскопический экран, сцинтилляционный кристалл, электронно-оптическое устройство и реже электролюминесцентный экран. Особое положение занимает рентген-видикон, преобразующий рентгеновское изображение объекта непосредственно в видеосигнал без потери информации.

Рентген-видиконы сочетают в себе световую передающую телевизионную камеру (видикон) с чувствительным к рентгеновскому излучению фотопроводящим слоем на основе оксида цинка, оксида свинца, аморфного селена, сернистой сурьмы и других соединений, нанесенного на алюминиевый диск (рис. 7.11). Под действием ионизирующего излучения с фотопроводящего слоя испускаются фотоэлектроны, которые ускоряются электрическим полем и регистрируются катодом трубки. Далее полученный сигнал передается через телевизионный блок связи на приемную трубку, где происходит преобразование электронного изображения в световое. Увеличение рентген-видикона составляет 2-50х, разрушающая способность 30-50 линий/мм.

Рис. 7.11. Блок-схема рентген-видикона:

1 – излучение, 2 – сварное соединение, 3 – рентген-видикон, 4 – блок связи, 5 – информационная телевизионная система

Недостатками рентген-видикона являются значительная инерционность и низкий динамический диапазон. Малая толщина (не более 0,3 мм) входного экрана не позволяет применять рентген-видиконы для регистрации фотонов в диапазоне высоких энергий.

Радиометрический метод. Он основан на просвечивании изделий ионизирующим излучением с преобразованием плотности потока или спектрального состава прошедшего излучения в пропорциональный электрический сигнал. Любая система радиометрического контроля содержит источник излучения, детектор, схему обработки и регистрации информации (рис.7.12). В качестве источников излучения применяют в основном гамма-изотопы, ускорители и реже рентгеновские аппараты. Детекторами излучения являются в основном сцинтилляционные кристаллы с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), реже ионизационные камеры и газоразрядные счетчики.

Характеристики

Список файлов лекций