Разработка конструкции и технологии изготовления панелей биологической защиты от воздействия смешанного ионизирующего (n-y) излучения капсул для хранения взрывоопасных материалов - Дипломная работа

Радиация, или ионизирующее излучение - это частицы и гамма-кванты, энергия которых достаточно велика, чтобы при воздействии на вещество создавать ионы разных знаков. При прохождении через вещество энергия ?-частицы. в основном, расходуется на ионизацию и возбуждение атомов поглощающей среды (ионизационные потери), которые при Еа>0,1 МЭВ можно выразить формулой Ионизационные потери бета-частиц, так же как и для ?-частиц, связаны с ионизацией и возбуждением атомов поглотителя, но вероятность взаимодействия ?-частиц с веществом меньше, чем для а-частиц, так как ?-частицы имеют в два раза меньший заряд и во много раз меньшую массу (в 7000 раз) по сравнению с ?-частицами. Рассеяние зависит от энергии ?-частиц и от природы вещества поглотителя, с уменьшением энергии ?-частиц и с увеличением атомного номера вещества поглотителя рассеяние увеличивается. Для защиты от бета-частиц (электронов) высоких энергий используют экраны из свинца, но внутренняя облицовка экранов должна быть изготовлена из материалов с малым Z, чтобы уменьшить первоначальную энергию электронов, а следовательно, и энергию тормозного излучения, возникающего в свинце (в нашем случае этой «облицовкой» может служить корпус взрывозащитного контейнера).Эпоксидные смолы - олигомерные продукты поликонденсации эпихлоргидрина с многоатомными фенолами, спиртами, полиаминами, многоосновными кислотами, а также продукты эпоксидирования соединений, содержащих не менее двух двойных связей. Эпоксидные смолы - одна из разновидностей синтетических смол, широко используемых при производстве лакокрасочных материалов, клеев, компаундов, а также абразивных и фрикционных материалов, используются как связующие при производстве слоистых пластиков на основе стеклоткани, таких как стеклотекстолит, трубки, цилиндры стеклотекстолитовые. Отрасли применения эпоксидных смол включают в себя электротехническую и радиоэлектронную промышленность, авиа-, судо-и машиностроение, а также в строительство, где они используются как компонент заливочных и пропиточных компаундов, клеев, герметиков, связующих для армированных пластиков. Технологические и физико-механические свойства композиций на основе Эпоксидные смолы регулируют в широком диапазоне совмещением смол с различными мономерами, олигомерами и полимерами, с минеральными и органическими наполнителями. Эпоксидные смолы используют как основу высокопрочных связующихих, клеев, заливочных и пропиточных электроизоляционных компаундов, герметиков, лаков, пенопластов.В данной главе были рассмотрены материалы, использованные для изготовления образцов для испытаний. Были указаны их основные свойства и характеристики.Среднее значение определяемого показателя () определяют по формуле Среднее значение определяемого показателя () вычисляют как среднее арифметическое или как среднее логарифмическое в соответствии с требованиями стандарта на методы испытаний. В тех случаях, когда испытания проводят на образцах, изготовленных не из готовых изделий или полуфабрикатов, при расчете среднего значения () либо используют все данные, либо предварительно определяют возможность принятия в расчет всех полученных данных. Если одно или несколько сомнительных значений определяемых показателей укладывается в допустимые пределы, то эти значения определяемых показателей считаются надежными и их включают в расчет окончательных значений среднего значения и стандартного отклонения средних значений по формулам (3.1) и (3.2). Если сомнительные значения определяемых показателей не укладываются в допустимые пределы и в результате их отбрасывания число значений, принимаемых в расчет, окажется меньше чем требуется, то дополнительные испытывают необходимое количество образцов и полученные значения определяемых показателей добавляют к имеющимся с последующим перерасчетом всех результатов.Из приведенной выше таблицы видно, что материал обладает низкими механическими характеристиками, поэтому он не может быть использован в качестве несущего каркаса панелей биологической защиты, а лишь в качестве заполнителя. В роли несущего каркаса может быть использован стальной лист толщиной 1 мм, который обладает прочностными характеристиками на порядок выше (=400-500 МПА), а также будет служить дополнительной защитой от бета-излучения. контейнер биологический излучение защита В виду низких механических характеристик композиционного материала, не представляется возможным его прямое использование в качестве самонесущей конструкции. Панели будут представлять собой двусторонний каркас из листовой стали толщиной 1 мм. Крепление таких панелей на корпус взрывозащитной капсулы нецелесообразно, т.к. это усложнит форму самих панелей (а возможно и контейнера), также добавятся дополнительные крепежные элементы, через которые возможно проникновение радиации в окружающую среду.Масса одной панели - примерно 115 кг, следовательно, масса всей конструкции не превышает 1500 кг. Пробу для испытаний отбирают по ГОСТ 23148. Для контроля качества полиэтилена отбирают точечные пробы из мешков совком или щупом

Проблема обеспечения радиационной безопасности населения остро стоит во многих развитых странах мира. В настоящее время не существует материала, который бы на 100 % защищал от ионизирующих излучений. Поэтому актуальна задача выбора материала, обладающего наилучшими показателями радиационной стойкости.

При конструировании защитных конструкций из традиционно используемых материалов толщина, а, следовательно, габариты и масса получаются внушительными. При выборе наиболее радиационно-стойкого материала толщина защиты уменьшится. Необходимо разработать конструкцию, которая обеспечивала бы защиту объектов (или окружающей среды).

Отсюда вытекает задача разработки технологии изготовления такой конструкции.

Подобрав материал, и разработав конструкцию, а также технологию ее изготовления, можно обеспечить защиту населения и окружающей среды от опасных ионизирующих излучений.

1. Литературный обзор

Во всем мире, как за рубежом, так и в России, особенно после терактов 11.09.2001 г., проявляется повышенный интерес к проблемам ядерного и радиационного терроризма. Для ядерного терроризма нужно иметь технические средства, а для этого необходимо похитить или изготовить атомную бомбу.

Во всех случаях приобретение готового устройства или материалов для его изготовления является непростой задачей, несмотря на привлекательность для террористов получить одновременно механическое разрушающее и радиологическое действие, которое существует не только в момент взрыва, но и за счет загрязнений радиоактивными веществами продолжает действовать и после взрыва. Вероятность того, что водородная или атомная бомба попадет в руки террористов, ничтожно мала.

Однако радиологическая составляющая действия ядерного оружия может быть легко реализована без атомной бомбы в силу доступности и распространенности радиоактивных веществ, широко используемых в науке и технике, медицине и различных производствах.

В медицине используется более 300 разновидностей радиоактивных изотопов, их активность колеблется от 5 до 120 кюри, и среди них такие сильнорадиоактивные изотопы как кобальт-60 и цезий-137. В случае нештатного использования некоторых радиоактивных изотопов (например, изотопа америция) уже через 6 минут в двухкилометровой зоне потребуются меры для защиты населения. Основную опасность представляют так называемые «горячие» частицы, размером от 20 до 100 микрон. Они легко разносятся ветром, а попав в легкие человека, застревают там на много лет. Легочная ткань рядом с такой частицей находится под постоянным действием излучения. В результате происходят мутации клеток и, в конечном счете, малигнизация.

К тому же следует иметь в виду, что для биологических объектов зависимость «доза/эффект» - нелинейная и безпороговая. Это значит, что любая, сколь угодно малая доза ионизирующего излучения вызывает у человека тот или иной эффект.

Контроль за радиоактивными изотопами в медицине или, например, за РТГ (радиационные тепловые генераторы), которые являются автономными источниками электроэнергии и содержат капсулу стронция-90, вовсе не столь тщательный, как в ракетных войсках стратегического назначения. Нет никакой гарантии, что во всех странах и во всех учреждениях исключен несанкционированный доступ к подобным радиоактивным материалам. Медицинская радиологическая аппаратура имеется по всему миру, в том числе и в слаборазвитых странах.

По данным интернет-портала «Washington PROFILE» в США находится более 2 млн. единиц радиоактивных материалов, которые могут быть использованы для создания грязной бомбы. Они хранятся на 21 тысяче объектов. За период с октября 2008 по март 2009 г. было заявлено о 107 случаях хищений и пропаж. В Европе радиоактивные материалы хранятся на примерно 30 тысячах объектов; при этом ежегодно бесследно исчезают около 70 радиоактивных источников.

Поэтому существенную опасность представляет так называемая грязная бомба: когда обычную взрывчатку смешивают с радиоактивными изотопами. Даже нет нужды, чтобы изотопы были пригодны для создания атомной бомбы, достаточно любого высокорадиоактивного материала. Например, хлорид цезия (похожую на тальк пудру) весьма несложно распылить взрывом. Разлет радиоактивной пыли будет на несколько километров. А современный город практически невозможно полностью очистить от радиоактивной пыли.

При подрыве заряда взрывчатого вещества контейнер с изотопами разрушается и, за счет ударной волны, радиоактивное вещество распыляется на достаточно большой площади. Размер бомбы может быть различным в зависимости от количества исходного материала. Одним из вариантов «грязной бомбы» может быть намеренный подрыв установки невоенного назначения, использующей радиоактивные материалы.

Следует отметить, что для того, чтобы площадь оказалась достаточно большой при разумных геометрических размерах «грязной бомбы», в качестве заряда придется использовать атомную бомбу.

Помимо «грязных бомб», рассматривалось также механическое распыление радиоактивного материала. В фантастической литературе данный вариант был впервые описан Робертом Хайнлайном в рассказе «Никудышное решение» (англ. Solution Unsatisfactory) в 1940 году.

Однако сама возможность перехода от грязной бомбы к чистой оказалась гораздо проще. В начале 60-х ЦРУ проводила эксперимент со студентами, в котором было предложено найти наибольшее количество информации в библиотеке о том, как сделать атомную бомбу. Паре студентов удалось найти почти полное описание исследований Манхэттенского проекта. Собственно единственным условием было подразумевающееся наличие 50 кг чистого урана-235.

Идею кобальтовой бомбы высказал в 1950 году Лео Силард в качестве примера оружия, способного превратить континенты на долгое время в нежилые земли.

Созданный взрывом высоко в стратосфере, изотоп 60Со способен рассеиваться на больших площадях, заражая их. Такие бомбы никогда не испытывались и не изготавливались изза отложенности и непредсказуемости эффекта их действия.

Взорванная в центре густонаселенного города «грязная бомба» не вызывает таких больших разрушений, какие бывают при использовании ядерного оружия. Взрыв такой бомбы, помимо прочего, произведет «наводящее ужас и деморализующее воздействие на людей».

Самым распространенным предположением остается то, что те, кто кочет создать грязную атомную бомбу, будут пытаться это сделать просто потому, что это гораздо легче, чем создать обычную. Скорее всего, взрыв грязной бомбы не убьет десять тысяч человек, но при взрыве в густонаселенной местности, например, в городе, точно убьет несколько сот человек и посеет панику среди выживших. Поэтому почти все ученые называют грязную атомную бомбу «оружием чистого террора».

По мнению экспертов, проблема предотвращения использования грязной бомбы является крайне актуальной. Можно лишь радоваться тому, что до сих пор грязная бомба не была применена. Ведь реальных и сколько-нибудь надежных способов предотвратить использование грязной бомбы человечество пока не придумало. И нет способа проще, чем взрыв грязной бомбы, для создания массовой паники среди населения.

Террористический акт с радиационным воздействием может быть проведен внезапно, быстро, скрытно и в непредсказуемом, неожиданном месте. Все эти обстоятельства в той или иной степени нашли отражение в существенном повышении требований к обеспечению в стране радиационной безопасности, в том числе и по предотвращению радиационного терроризма. В частности, одним из важнейших требований Законов Российской Федерации «Об использовании атомной энергии» и «О радиационной безопасности населения» является создание единой системы планирования, координации, контроля и реализации комплекса технических и организационных мер, направленных на: • предотвращение хищений радиоактивных и делящихся материалов (РДМ) и их порчи;

• предотвращение попадания РДМ в среду обитания населения.

В настоящее время этими проблемами также серьезно занимаются многие международные организации: Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ), Всемирная таможенная организация, Интерпол, Международная электротехническая комиссия и др.

В настоящее время существуют специальные службы по борьбе с терроризмом, одной из обязанностей которых является обезвреживание взрывных устройств. Для безопасного хранения и транспортировки взрывоопасных устройств и веществ, используются специальные взрывозащитные контейнеры.

Контейнеры обеспечивают полное отсутствие бризантного, фугасного и осколочного воздействия на лиц, находящихся в непосредственной близости от контейнеров, при взрыве в них взрывных устройств или взрывчатых веществ различной массы в любой осколочной оболочке. Конструктивное исполнение корпусов контейнеров гарантирует, также, отсутствие прорыва газообразных продуктов, образующихся при взрыве. Но при перевозке или хранении «грязной бомбы», они не обеспечивают защиту окружающей среды и населения от проникновения радиации.

Поэтому необходима дополнительная защита таких контейнеров радиационно-стойким материалом от воздействия смешанного ионизирующего излучения.

Для того чтобы правильно подобрать материал защиты от радиации, необходимо четкое и полное понимание терминов «радиация» и «радиоактивность».

Радиация, или ионизирующее излучение - это частицы и гамма-кванты, энергия которых достаточно велика, чтобы при воздействии на вещество создавать ионы разных знаков. Радиацию нельзя вызвать с помощью химических реакций. Примечание. Видимый свет и ультрафиолетовое излучение не включают в понятие «ионизирующее излучение».

Радиоактивность - неустойчивость ядер некоторых атомов, проявляющаяся в их способности к самопроизвольным превращениям (распаду), сопровождающимся испусканием ионизирующего излучения.

Различают несколько видов радиации.

Альфа-частицы - относительно тяжелые, положительно заряженные частицы, представляющие собой ядра гелия.

Бета-частицы - это просто электроны или позитроны.

Гамма-излучение - фотонное излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц. Гамма-излучение имеет ту же электромагнитную природу, что и видимый свет, однако обладает гораздо большей проникающей способностью.

Нейтроны - электрически нейтральные частицы со спином 1/2 и массой, превышающей массу протона на 2,5 электронных масс. В свободном состоянии нейтрон нестабилен и имеет время жизни около 16 минут.

Рентгеновское излучение подобно гамма-излучению, но имеет меньшую энергию. Солнце - один из естественных источников рентгеновского излучения, но земная атмосфера обеспечивает от него надежную защиту. Заряженные частицы очень сильно взаимодействуют с веществом, поэтому, с одной стороны, даже одна альфа-частица при попадании в живой организм может уничтожить или повредить очень много клеток, но, с другой стороны, по той же причине, достаточной защитой от альфа- и бета-излучения является любой, даже очень тонкий слой твердого или жидкого вещества - например, обычная одежда (если, конечно, источник излучения находится снаружи).

Следует различать радиоактивность и радиацию. Источники радиации - радиоактивные вещества или ядерно-технические установки (реакторы, ускорители, рентгеновское оборудование и т.п.) - могут существовать значительное время, а радиация существует лишь до момента своего поглощения в каком-либо веществе.

1.1 Ионизация, проникающая способность и защита

Расстояние, на которое ионизирующее излучение может проникать в вещество, называется его проникающей способностью. Оно зависит от энергии излучения и свойств вещества, через которое излучение проникает.

1.1.1 Альфа-излучение

Альфа-частица - это ядро атома гелия, она имеет двойной положительный заряд и четыре единицы массы. Масса ?-частицы равна 4,002777 а.е.м. Распад, в основном, претерпевают радионуклиды тяжелых элементов. Энергия ?-частиц (Е?), испускаемых естественными и искусственными радионуклидами, колеблется в пределах 4,0 - 9,0 МЭВ. Так, у 239Pu Еа = 5,15 МЭВ, у 210Ро - 5,30 МЭВ, у 226Ra - 4,78 МЭВ. Скорость движения ?-частиц порядка 10-2 м/сек.

При прохождении через вещество энергия ?-частицы. в основном, расходуется на ионизацию и возбуждение атомов поглощающей среды (ионизационные потери), которые при Еа>0,1 МЭВ можно выразить формулой

, (1.1) где Еа - кинетическая энергия альфа-частицы; е - заряд электрона; z - заряд ?-частицы: Z - порядковый номер поглотителя: n - число атомов в 1 см3 вещества; В - коэффициент торможения: mo - масса покоя электрона: V - скорость частицы.

Когда альфа-частица проходит в непосредственной близости от электрона (рисунок 1.1), она притягивает его и может вырвать с нормальной орбиты. Атом теряет электрон и таким образом преобразовывается в ион. Так ?-частицы обычно ионизируют вещество.

Рисунок 1.1 - Ионизация вещества альфа-частицами

К концу пробега энергия альфа-частицы уменьшается настолько, что она уже не способна производить ионизацию и, присоединив к себе два электрона, превращается в атом гелия. Ионизация атома требует приблизительно 30-35 электрон-вольт энергии. Поэтому полная ионизация для ?-частиц составляет несколько сот тысяч пар ионов. Например, альфа-частица с энергией 7 МЭВ образует пар ионов.

Чем больше энергия ?-частицы, тем больше ее пробег и больше образованных пар ионов.

Альфа-частицы с одинаковой энергией (моноэнергетические) в поглотителе проходят практически одно и то же расстояние - т.е. число ?-частиц почти на всем пути пробега постоянно и резко падает до нуля в конце пробега. Пробег ?-частиц практически прямолинеен изза их большой массы, которая препятствует отклонению ?-частицы от прямолинейного пути под действием электрических сил атома. Несмотря на высокие значения энергий ?-частиц, их проникающая способность и пробег крайне малы (таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Пробеги ?-частиц R

МЭВ Алюминий (?=2700 кг/м3) Биологическая ткань* (?=1000 кг/м3) Вода (?=1000 кг/м3) Воздух (?=1,293 кг/м3) Медь (?=8930 кг/м3) Свинец (?=11340 кг/м3) Углерод (?=2250 кг/м3) м·10-6 м·10-6 м·10-6 м·10-2 м·10-6 м·10-6 м·10-6

1 2 3 4 5 6 7 8

0,1 0,95 1,03 1,00 0,11 0,54 0,85 0,62

0,2 1,47 1,61 1,57 0,18 0,84 1,31 0,96

0,3 1,88 2,09 2,04 0,23 1,08 1,67 1,23

0,4 2,24 2,53 2,46 0,27 1,28 1,96 1,47

0,5 2,56 2,94 2,87 0,31 1,46 2,23 1,69

0,6 2,87 3,35 3,28 0,35 1,62 2,47 1,91

0,7 3,17 3,77 3,69 0,39 1,79 2,70 2,12

0,8 3,46 4,19 4,11 0,42 1,95 2,92 2,33

0,9 3,76 4,63 4,54 0,46 2,11 3,13 2,54

1,0 4,05 5,06 4,96 0,50 2,26 3,34 2,76

1,5 5,63 7,50 7,38 0,71 3,09 4,41 3,96

2,0 7,38 10,40 10,20 0,97 3,96 5,61 5,37

2,5 9,32 13,60 13,40 1,25 4,88 6,94 6,98

3,0 11,50 17,40 17,10 1,58 5,88 8,39 8,82

3,5 13,90 21,60 21,30 1,96 6,96 9,98 11,00

4,0 16,50 26,20 25,80 2,37 8,13 11,70 13,20

4,5 19,20 31,20 30,80 2,82 9,35 13,40 15,70

5,0 22,20 36,70 36,20 3,29 10,60 15,30 18,40

6,0 28,80 48,80 48,20 4,37 13,50 19,40 24,30

7,0 36,20 62,40 61,70 5,58 16,60 23,80 31,00

8,0 43,40 78,00 76,80 7,19 20,90 31,50 39,10

9,0 52,20 94,40 93,00 8,66 24,50 37,00 47,20

10,0 61,60 112,00 111,00 10,20 28,30 42,70 56,10

Примечание

* Состав биологической ткани в массовых долях: H - 0,1; O - 0,75; C - 0,11; N - 0,026; Ca - 0,000031; P - 0,0018; S - 0,0018; K - 0,003; Na - 0,0016; Cl - 0,0018; Mg - 0,00018

В живой человеческой ткани пробег частицы менее 0,7 мм. Альфа-излучение, воздействующее на незащищенную часть тела, не может проникнуть даже через наружный слой кожи, образованный отмершими клетками, и не причиняет вреда организму. Поэтому альфа-излучение опасно только тогда, когда альфа-частицы попадают внутрь организма (с воздухом, питьевой водой и пищевыми продуктами) и напрямую воздействуют на клетки органов, вызывая их повреждения.

Значительную роль в решении этой задачи играют средства индивидуальной защиты (СИЗ) органов дыхания, пищеварения и кожных покровов человека.

1.1.2 Бета-излучение

Взаимодействие легких заряженных частиц с веществом рассмотрим на примере ?-частиц. Бета-частицы представляют собой поток электронов или позитронов. Электрон и позитрон имеют одинаковую массу и одинаковый заряд, но различаются знаком заряда. Масса электрона равна 0,000549 а.е.м. В отличие от ?-частиц, ?-частицы имеют сплошной, непрерывный, энергетический спектр.

В зависимости от энергии бета-частиц различают мягкое и жесткое ?-излучение. Бета-частицы, имеющие энергию до нескольких десятков КЭВ, называют мягким ?-излучением, а имеющие большую энергию - жестким ?-излучением.

Процесс прохождения бета-частиц через вещество более сложный, чем процесс прохождения альфа-частиц. Энергия расходуется на ионизационные и радиационные потери, на рассеяние ?-частиц. Ядерные реакции протекают только при больших (более 20 МЭВ) энергиях электронов.

Ионизационные потери бета-частиц, так же как и для ?-частиц, связаны с ионизацией и возбуждением атомов поглотителя, но вероятность взаимодействия ?-частиц с веществом меньше, чем для а-частиц, так как ?-частицы имеют в два раза меньший заряд и во много раз меньшую массу (в 7000 раз) по сравнению с ?-частицами. При ионизации ?-частицы выбивают орбитальные электроны, которые могут производить дополнительную (вторичную) ионизацию. Полная ионизация представляет собой сумму первичной и вторичной ионизации. На 1 мкм пути в веществе ?-частица создает несколько сот пар ионов. Замедленный электрон останется свободным или захватится атомом и окажется в связанном состоянии, а позитрон аннигилирует.

Рисунок 1.2 - Ионизация вещества бета-частицей

Ионизационные потери зависят от числа электронов в атомах поглотителя. Число электронов в 1 см3 вещества можно вычислить из соотношения n = ?·NA(Z/A) = 6,023·1023·p·(Z/A), (1.2) где NA - число Авогадро; А - атомный вес; ? - плотность поглотителя; Z - атомный номер элемента поглотителя.

Следовательно, ионизационные потери

(DE/dx)ион? ?·Z/A. (1.3)

При изменении Z отношение Z/А изменяется от 0,5 для легких веществ до 0,4 для свинца, т.е. для различных элементов отношение Z/А изменяется незначительно (за исключением водорода, у которого Z/А =1), что позволяет считать это отношение приблизительно постоянным. Поэтому, выражая измеряемую толщину поглощающего слоя не в сантиметрах, а в единицах ?·м, т.е. в кг/м2, можно заключить, что величина поглощения ?-излучения данной энергии будет приблизительно одинаковой для всех веществ.

Бета-частицы, пролетая вблизи ядра атомов поглотителя, тормозятся в поле ядра и меняют направление своего движения. Уменьшение энергии в результате торможения электрона в поле ядра поглотителя (радиационные потери) связано с испусканием тормозного излучения.

Примерно половина кинетической энергии бета-частиц тратится на энергию тормозного излучения.

Теория тормозного излучения на сегодняшний день разработана недостаточно, чтобы количественно определить энергию тормозного излучения при прохождении через вещество бета-частиц больших энергий.

Для бета-частицы с энергией до 3 МЭВ приближенно можно считать, что энергия тормозного излучения (Еторм) на один акт распада пропорциональна квадрату энергии бета-частиц и атомному номеру Z вещества.

При торможении бета-частиц, обладающих непрерывным спектром, энергия тормозного излучения на акт распада может быть определена по формуле

Еторм=1,23·10-4(Z? 3)· МЭВ/распад, (1.4) где 1,23·10-4 - коэффициент пропорциональности; - максимальная энергия бета-частиц в МЭВ; Z? - эффективный атомный номер вещества, который может быть определен по следующей формуле

, (1.5) где ai - весовая доля вещества с атомным номером Z в химическом соединении.

При торможении моноэнергетических электронов энергия тормозного излучения в МЭВ на электрон может быть определена

Еторм=5,77·10-4Z· МЭВ/электрон, (1.6) где 5,77·10-4 - коэффициент пропорциональности; Z? - эффективный атомный номер; - энергия бета-частиц в МЭВ.

Так как масса ?-частиц невелика, то для них характерен эффект рассеяния. Рассеяние ?-частиц происходит при соударениях с орбитальными электронами атомов вещества поглотителя. При рассеянии энергия ?-частицы теряется большими порциями, в отдельных случаях до половины. Рассеяние зависит от энергии ?-частиц и от природы вещества поглотителя, с уменьшением энергии ?-частиц и с увеличением атомного номера вещества поглотителя рассеяние увеличивается.

В результате рассеяния в поглотителе путь ?-частиц не является прямолинейным, как для ?-частиц, и истинная длина пути в поглотителе может в 1,5 - 4 раза превосходить их пробег. Слой вещества, равный длине пробега ?-частиц, имеющих максимальную энергию, полностью затормозит ?-частицы, испускаемые данным радионуклидом [8].

Таблица 1.3 - Максимальный пробег моноэнергетических электронов в различных веществах

Е, МЭВ Биологическая ткань, г/см2 Вода, м·10-2 Алюминий, м·10-3 Железо, м·10-3 Медь, м·10-3 Свинец, м·10-3 Стекло “пирекс” (?=2700 кг/м3), г/см2

0,01 0,0002 0,0002 0,0013 0,0005 0,0005 0,0007 0,0003

0,03 0,0017 0,0018 0,0027 0,0035 0,0032 0,0039 0.0022

0,05 0,0044 0,0043 0,0211 0,0084 0,0077 0,0089 0,0534

0,07 0,0079 0,0078 0,0378 0,0148 0,0137 0,0153 0,0954

0,10 0,0142 0,0140 0,0700 0,0269 0,0248 0,0273 0,0175

0,30 0,0856 0,0842 0,4000 0,1530 0,1400 0,1450 0,1000

0,50 0,1780 0,1740 0,8300 0,3160 0,2280 0,2910 0,2120

0,70 0,2800 0,2770 1,3000 0,4920 0,4480 0,4440 0,3330

1,00 0,4400 0,4360 2,0300 0,7630 0,6950 0,6730 0,5220

1,50 0,7200 0,6960 3,2700 1,2200 1,1000 1,0400 0,8410

2,00 0,9800 0,9790 4,4800 1,6700 1,5000 1,3800 1,1600

3,00 1,5200 1,5000 6,8500 2,5200 2,2800 2,0900 1,7800

4,00 2,0600 2,0000 9,1900 3,3400 3,0000 2,5800 2,3800

5,00 2,5600 2,5500 11,4000 4,1100 3,6900 3,1000 2,9700

7,00 3,5800 3,5500 15,7000 5,5700 4,9800 4,0200 4,0900

9,00 4,5000 4,5000 19,7000 6,9200 6,1700 4,8200 5,1600

10,00 5,0300 4,9700 21,6000 7,5500 6,7300 6,1800 5,6800

20,00 9,4200 9,3200 39,1000 13,0100 11,600 8,3000 10,4000

30,00 13,3300 13,1700 53,7000 17,3000 15,200 10,200 14,4200

50,00 20,0600 19,8300 77,3000 23,6000 20,500 12,9000 21,1100

70,00 25,7700 25,4700 96,1000 28,2000 24,400 14,7000 26,5300

90,00 30,7100 30,3500 111,8000 31,9000 27,500 16,1000 31,1100

100,00 32,9600 32,5800 118,7000 33,5000 28,900 16,7000 33,1500

При выборе материалов для защиты от бета-частиц необходимо учесть, что при прохождении бета-частиц через поглотитель возникает тормозное излучение. Из формул (1.5) и (1.6) видно, что энергия тормозного излучения увеличивается с ростом атомного номера поглотителя Z. Поэтому для защиты от бета-излучения лучше применять легкие материалы (алюминий, плексиглас, полистирол, люцит и др.).

Для защиты от бета-частиц (электронов) высоких энергий используют экраны из свинца, но внутренняя облицовка экранов должна быть изготовлена из материалов с малым Z, чтобы уменьшить первоначальную энергию электронов, а следовательно, и энергию тормозного излучения, возникающего в свинце (в нашем случае этой «облицовкой» может служить корпус взрывозащитного контейнера).

1.1.3 Гамма-излучение

Гамма-излучение (гамма-кванты) - коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны меньше 2·10-10 м, Изза малой дайны волны волновые свойства гамма-излучения проявляются слабо, и на первый план выступают корпускулярные свойства, в связи с чем его представляют в виде потока гамма-квантов (фотонов). Являясь одним из трех основных видов радиоактивных излучений, гамма-излучение сопровождает распад радиоактивных ядер, так как в природе практически не встречаются вещества, излучающие только ?-кванты. Из всех видов радиоактивных излучений гамма-излучение обладает самой большой проникающей способностью. Гамма-излучение возникает не только при радиоактивных распадах ядер, но и при аннигиляции частиц и античастиц, в ядерных реакциях, при торможении быстрых заряженных частиц в веществе (тормозное излучение), при распаде мезонов и входит в состав космического излучения. Гамма-излучение отличается от рентгеновского излучения природой происхождения, длиной электромагнитной волны и частотой.

Особенностью ?-квантов при прохождении через вещество является то, что они сравнительно редко сталкиваются с электронами и ядрами, но зато при столкновении, как правило, резко отклоняются от своего пути, т,е, практически выбывают из пучка. Вторая отличительная особенность гамма-квантов состоит в том, что они обладают нулевой массой покоя и, следовательно, не могут иметь скорости, отличной от скорости света, а это значит, что ?-кванты в среде не могут замедляться. Они либо поглощаются, либо рассеиваются, причем в основном на большие углы [9].

Поглощение и рассеяние гамма-квантов в веществе происходит в результате следующих процессов: фотоэффекта, эффекта образования пар, ядерного превращения и комптон-эффекта.

Процесс фотоэлектрического поглощения гамма-кванта (фотоэффект) заключается в вырывании электрона из атома. При этом энергия гамма-кванта переходит в кинетическую энергию вырванного электрона за вычетом энергии связи в той оболочке атома, с которой вырван электрон. Вероятность фотоэффекта, при данной энергии ?-кванта, в тяжелых поглотителях (с большим атомным номером Z), увеличивается с ростом атомного номера поглотителя пропорционально Zm, где m лежит в пределах 3?5.

Рисунок 1.3 - Ионизация вещества гамма-излучением (фотоэффект)

Процесс образования пар состоит в том, что вблизи атомного ядра исчезает гамма-квант, а вместо него возникает пара (позитрон и электрон). Этот процесс становится возможным только при энергии гамма-кванта большей чем 1,02 МЭВ, что соответствует сумме энергии масс покоя электрона и позитрона. При этом процессе гамма-квант полностью выбывает из потока излучения. Вероятность процесса образования пар при данной энергии ?-кванта увеличивается с ростом атомного номера поглотителя пропорционально Z2.

Ядерный фотоэффект заключается в том, что под действием гамма-квантов достаточно большой энергии (порядка нескольких МЭВ) могут произойти ядерные реакции типа (?, n) и (?, p) и др. Поперечное сечение этих реакций по сравнению с реакциями других процессов незначительно.

Рисунок 1.4 - Схема образования электронно-позитронной пары

Комптон-эффект или комптоновское рассеяние заключается во взаимодействии гамма-квантов с электроном атома. Этот процесс сопровождается изменением энергии и направления движения гамма-кванта. Энергия, которую теряет гамма-квант, переходит к электрону отдачи, на котором происходит рассеяние. Величина этой энергии зависит от угла отклонения гамма-кванта от первоначального его направления.

Рисунок 1.5 - Схема комптоновского рассеяния

При комптоновском рассеянии гамма-кванты рассеиваются во всех направлениях, а электроны отдачи двигаются преимущественно «вперед». Если размеры поглощающей среды достаточно велики, то может происходить многократное рассеяние ?-квантов, которое каждый раз сопровождается изменением направления и уменьшением энергии. Когда энергия рассеянного гамма-кванта уменьшится до величины, при которой наиболее вероятен процесс фотоэлектрического поглощения, то гамма-квант поглощается в результате фотоэффекта. Вероятность процесса комптон-эффекта при данной энергии ?-квантов пропорциональна Z поглотителя.

Из вышеприведенного видно, что первые три процесса связаны с поглощением ?-квантов, а последний - с рассеянием их. Рассеянные гамма-кванты меняют свое направление, то есть отклоняются от первоначального пути и обладают энергией меньшей, чем первичные гамма-кванты. Процесс изменения числа квантов и их энергии при прохождении через вещество называется ослаблением гамма-излучения.

При прохождении моноэнергетического фотонного излучения через легкое вещество одновременно может иметь место не более двух эффектов взаимодействия: фотоэффекта и комптон-эффекта, либо комптон-эффекта и образования пар. Для немоноэнергетичного фотонного излучения осуществляются одновременно все три типа взаимодействия. Интервалы энергий фотонов, в которых один из трех процессов взаимодействия с веществом является доминирующим, приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 - Интервалы энергий фотонов, в которых один из трех процессов взаимодействия фотонов с веществом является доминирующим

Вещество Интервал энергий фотонов, Е, МЭВ

Фотоэффект Комптон-эффект Образование пар

Воздух 23

Алюминий 15

Железо 9,5

Свинец 4,7

В дозиметрии используют так называемые "узкие" и "широкие" пучки фотонного излучения. Примером узкого пучка (коллимированного) может служить ?-излучение, выделенное с помощью диафрагмы (рисунок 1.6). Диафрагма ограничивает попадание рассеянного излучения в детектор. Узкий пучок используют, например, для градуировки дозиметрических приборов, в установках дефектоскопии металла и т.п.

Рисунок 1.6 - Геометрия узкого пучка гамма-излучений: где 1 - источник излучения; 2 - диафрагма; 3 - поглотитель; А - измерительный прибор

Ослабление интенсивности монохроматического гамма-излучения в условиях узкого пучка будет следовать закону

Ix=I0e-?x, (1.7) где I0 - интенсивность гамма-излучения, измеренная прибором «А» в отсутствие поглотителя; Ix - интенсивность гамма-излучения, измеренная прибором «А» при наличии поглотителя толщиной х; ? - линейный коэффициент ослабления гамма-лучей, который характеризует относительное изменение интенсивности на единицу толщины поглощения; его можно представить как сумму компонент ?= ?ф ?к ?п ?я, (1.8)

где ?ф, ?к, ?п, ?я - линейные коэффициенты ослабления гамма-излучения за счет фотоэффекта, комптон-эффекта, образования пар и ядерного эффекта. Каждый из этих коэффициентов по-разному зависит от атомного номера поглотителя и энергии фотонного излучения. Коэффициент ?я мал по сравнению с остальными коэффициентами, поэтому в дальнейшем его опускаем.

Для легких материалов с некоторым приближением можно считать, что коэффициент и. пропорционален плотности вещества и не зависит от порядкового номера материала Z, то есть массовые коэффициенты ослабления излучения равны.

Используя закон ослабления гамма-излучения в узком пучке, можно экспериментально определить линейные коэффициенты ослабления гамма-лучей в различных поглотителях. Для этого снимают кривую ослабления интенсивности гамма-излучения в зависимости от толщины поглотителя и строят график. По оси абсцисс откладывают толщину поглотителя в см, а по оси ординат - соответствующее значение .

Слой половинного ослабления связан с коэффициентом ? следующим соотношением . Кроме слоя половинного ослабления, вводится понятие слоя десятикратного ослабления d1/10, то есть слоя, который дает ослабления интенсивности излучения в 10 раз.

Тогда аналогично слою d1/2 связь между d1/10 и ? будет . Значения слоев d1/2 и d1/10 зависят так же, как и коэффициент ослабления гамма-излучения ? от энергии излучения и защитного материала (рисунок 1.7).

В таблице 1.5 даны численные значения линейных коэффициентов ослабления для различных энергий и материалов в .

Рисунок 1.7 - График изменения слоя десятикратного ослабления d1/10 для различных энергий гамма-квантов Е и материалов, полученных в условиях узкого пучка

Таблица 1.5 - Величины линейных коэффициентов ослабления гамма- излучения различных энергий для различных материалов

Энергия излучения, МЭВ Свинец ?=11340 кг/м3 Чугун ?=7200 кг/м3 Алюминий ?=2700 кг/м3 Бетон ?=2300 кг/м3 Вода ?=1000 кг/м3

0,1 60,000 2,570 0,444 0,378 0,171

0,2 11,800 1,030 0,323 0,275 0,137

0,3 4,760 0,780 0,278 0,236 0,119

0,4 2,510 0,670 0,251 0,214 0,106

0,5 1,720 0,600 0,228 0,194 0,097

0,6 1,370 0,550 0,210 0,179 0,089

0,7 1,120 0,510 0,196 0,167 0,084

0,8 0,990 0,470 0,184 0,156 0,079

0,9 0,860 0,460 0,176 0,150 0,074

1,0 0,790 0,430 0,166 0,141 0,071

1,2 0,680 0,390 0,152 0,129 0,064

1,4 0,600 0,360 0,141 0,120 0,060

1,6 0,550 0,340 0,131 0,111 0,056

1,8 0,530 0,320 0,124 0,106 0,052

2,0 0,510 0,300 0,117 0,100 0,049

2,5 0,480 0,280 0,106 0,090 0,044

3,0 0,460 0,260 0,094 0,080 0,040

4,0 0,470 0,240 0,084 0,071 0,034

5,0 0,490 0,230 0,075 0,064 0,030

6,0 0,510 0,220 0,072 0,061 0,028

7,0 0,530 0,240 0,070 0,060 0,026

8,0 0,550 0,230 0,068 0,058 0,024

9,0 0,580 0,230 0,063 0,054 0,023

10,0 0,600 0,230 0,062 0,053 0,022

В большинстве случаев в практике расчета ослабления фотонного излучения используют широкий пучок (рисунок 1.8), т.е. пучок фотонов, где присутствует рассеянное излучение, которым пренебречь нельзя.

Рисунок 1.8 - Прохождение гамма-излучений в широком пучке: где 1 - источник излучений; 2 - поглотитель; А - измерительный прибор

Наибольшее отклонение от экспоненциального закона ослабления широкого пучка наблюдается для тех энергий фотонов и тех веществ, для которых комптоновское рассеяние преобладает над фотоэффектом и эффектом образования пар. Вследствие наличия рассеянного излучения, широкий пучок фотонного излучения ослабляется в меньшей мере, чем узкий. Различие между результатами измерений узкого и широкого пучков характеризуется фактором

B=Ішир/Іузк, (1.9) который зависит от геометрии источника, энергии первичного фотонного излучения, материала, с которым взаимодействует фотонное излучение, и его толщины, выраженной в безразмерных единицах ?d.

Закон ослабления для широкого пучка фотонного излучения выражается формулой

I = I0exp(?d)B ~ I0ехр(?ширd), (1.10) где ?, ?шир - линейные коэффициенты ослабления для узкого и широкого пучков соответственно. Значения ? и В для различных энергий и материалов приведены в справочниках по радиационной безопасности. Если в справочнике указан ? для широкого пучка фотонов, фактор накопления учитывать не следует.

Связь между линейным коэффициентом ослабления узкого ? и широкого ?шир пучков, а также фактором накоплены В выражается соотношением: ?шир=(?d-LNB)/d. (1.11)

Если рассматривается ослабление дозы, то соотношение Dшир/Dузк, показывающее во сколько раз увеличивается доза, создаваемая широким пучком при использовании защитных экранов одинаковой толщины, носит название лозового фактора накопления ВД

ВД= Dшир/Dузк. (1.12)

Значения дозовых факторов накопления для различных материалов приводятся в справочниках по радиационной безопасности. В соответствии с данными для В из таблиц справочников следует, что дозовый фактор накопления при больших значениях ?d существенно превышает 1, т. е. доза, создаваемая за защитным экраном рассеянным излучением широкого пучка, на много превышает дозу, создаваемую при тех же условиях излучением узкого пучка. Указанное важное обстоятельство необходимо учитывать при расчете защитных экранов от фотонного излучения.

Для защиты от гамма-излучения наиболее часто применяются следующие материалы: свинец, бетон, сталь, железо, вода и т. д. Для смотровых систем применяют прозрачные материалы, свинцовое стекло и др. Рассмотрим физические и экономические характеристики этих материалов.

Свинец (?=11340 кг/м3, Z=82). Благодаря высокому коэффициенту фотоэлектрического поглощения свинец особенно эффективен для защиты от мягкого гамма-излучения.

Основными недостатками свинца являются его плохие механические свойства (текучесть и др.) и высокая стоимость.

Сталь (?=7500-7900 кг/м3, Z=26). Разные сорта стали обладают большой прочностью и значительно дешевле свинца, но защита из стали занимает больший объем, что в некоторых случаях является недостатком.

Бетон (?=2300 кг/м3). Защита из бетона наиболее дешевая, но занимает еще больший объем. Для уменьшения объема защиты необходимо повысить защитные свойства бетона и для этого в обычный бетон добавляют вещества с высоким атомным номером (тяжелый бетон). Коэффициент ослабления гамма-излучения такого бетона увеличится пропорционально изменению плотности.

Вольфрам (?=17000-19000 кг/м3, Z=74) является твердым металлом. Применяется при защите от излучений высокой энергии для изготовления особо ответственных частей защиты.

Прозрачные защитные материалы. Прозрачные материалы чаще всего применяют для смотровых систем, и поэтому они должны обладать не только хорошими защитными, но и высокими оптическими свойствами.

Хорошо удовлетворяют таким требованиям следующие материалы: свинцовое стекло, известковое стекло, стекло с жидким наполнителем (бромистый цинк и хлористый цинк).

Находит применение в качестве защитного материала от гамма-лучей также свинцовая резина.

Характеристика защитных материалов и опыт работы с источниками излучений позволяют наметить преимущественные области использования того или иного защитного материала. Металл чаще всего применяют для сооружения передвижных защитных устройств, а строительные материалы (бетон, кирпич и др.) - для сооружения стационарных защитных устройств.

Пример 1. Работа производится с источником Со-60. Обосновать выбор материала для стационарного защитного экрана, необходимого для ослабления мощности дозы с Р0=200 мкр/с до значения Р=2,5 мкр/с; Е?=1,25 МЭВ.

Решение. Определим кратность ослабления мощности дозы

По универсальным таблицам определим толщину защитного экрана для различных материалов при К=80 и Е?=1,25 МЭВ [7].

Определим вес 1 м2 защитного экрана (?х) и относительный вес защитных экранов (?х/?хрв).

Все расчетные данные сведем в таблицу 1.6.

Таблица 1.6 - Расчетные данные (широкий пучок)

Материалы Толщина защиты х, м Плотность материала, кг/м3 Вес 1 м2 защиты ?·х, кг/м2 Относительный вес защиты (?х/?хрв)

Свинец 0,080 11340 907,2 1,00

Железо 0,155 7890 1223,0 1,35

Бетон 0,534 2300 1228,2 1,35

Из таблицы видно, что применение железа или бетона увеличивает вес защитного экрана на 30% по сравнению с экраном из свинца. Габариты экрана из бетона будут в 3,5 раза больше, чем из железа. Но учитывая, что это защитное устройство стационарное и габариты не имеют большого значения, выгодно применить бетон. Стоимость такого экрана значительно дешевле.

Пример 2. Работа производится с источником Cs-137. Обосновать выбор материала передвижного экрана, необходимого для ослабления мо

В данной главе дипломного проекта были рассмотрены материалы, традиционно используемые традиционно для защиты от ионизирующих излучений. Выбраны материалы обеспечивающие наилучшую защиту от смешанного ионизирующего (n-?) излучения (полиэтилен и свинец).

Сделан вывод о том, чтобы использовать в качестве биологической защиты от радиации композиционный материал на основе эпоксидной смолы и мелкодисперсного порошка свинца и гранулированного ПВД в качестве наполнителей.

По результатам исследований такого композиционного материала различных составов на радиационную стойкость выбран наилучший состав - К2 и оптимальная толщина материала - 15 мм.

2. Материалы и методики

2.1 Материалы

2.1.1 Эпоксидная смола

Эпоксидные смолы - олигомерные продукты поликонденсации эпихлоргидрина с многоатомными фенолами, спиртами, полиаминами, многоосновными кислотами, а также продукты эпоксидирования соединений, содержащих не менее двух двойных связей.

Их получают из дифенилолпропана (бисфенола А) и эпихлоргидрина в присутствии щелочи. Технологический процесс включает стадии поликонденсации, осуществляемой при 60-100 °С, промывки водой (для удаления NACL) и сушки под вакуумом (13,3-26,6 КПА) при 120-140 °С. Молярную массу смолы регулируют соотношением исходных веществ.

Диановые эпоксидные смолы выпускают в виде вязких жидкостей желтого цвета (молекулярная масса 350-750), растворимых в ацетоне и толуоле, и твердых веществ желтого или коричневого цвета (молекулярная масса 800-3500), растворимых в смеси толуола и бутанола.

Эпоксидные смолы - одна из разновидностей синтетических смол, широко используемых при производстве лакокрасочных материалов, клеев, компаундов, а также абразивных и фрикционных материалов, используются как связующие при производстве слоистых пластиков на основе стеклоткани, таких как стеклотекстолит, трубки, цилиндры стеклотекстолитовые. Отрасли применения эпоксидных смол включают в себя электротехническую и радиоэлектронную промышленность, авиа-, судо- и машиностроение, а также в строительство, где они используются как компонент заливочных и пропиточных компаундов, клеев, герметиков, связующих для армированных пластиков.

Основное свойство эпоксидных смол - способность к полимеризации до твердого состояния в присутствии отвердителя. Отвержденные смолы характеризуются высокой адгезией к металлам, стеклу, бетону и другим материалам, механической прочностью, тепло-, водо- и химической стойкостью, хорошими диэлектрическими показателями. Эпоксидные смолы способны отверждаться в обычных условиях, а также при пониженных (до минус15 °С) или повышенных (от 60 до 80 °С) температурах. В качестве отвердителей используются полиамины, многоосновные кислоты и их ангидриды, многоатомные фенолы, третичные амины. Отличительная особенность эпоксидных смол при отверждении - отсутствие выделения летучих веществ и малая усадка (0,1-3,0 %) [13].

Отвержденные смолы характеризуются высокой адгезией к металлам, стеклу, бетону и др. материалам, механической прочностью, тепло-, водо- и химстойкостью, хорошими диэлектрическими показателями. Технологические и физико-механические свойства композиций на основе Эпоксидные смолы регулируют в широком диапазоне совмещением смол с различными мономерами, олигомерами и полимерами, с минеральными и органическими наполнителями. Эпоксидные смолы используют как основу высокопрочных связующихих, клеев, заливочных и пропиточных электроизоляционных компаундов, герметиков, лаков, пенопластов.

В СССР промышленностью и опытными заводами институтов выпускалось около 150 марок эпоксидных смол и около 300 соединений, использовавшихся в качестве отвердителей, что позволяло создавать сотни тысяч составов от высокопрочных до резиноподобных для самых разнообразных областей применений. В настоящее время в России ассортимент выпускаемых смол и отвердителей уменьшился в десятки раз, однако, в основном сохранилась сырьевая база для их производства.

Наиболее распространенными и востребованными являются эпоксидно-диановые смолы, в первую очередь ЭД-20. Эпоксидная смола данной марки занимает лидирующее место по объемам производства и потребления. Также в значительном количестве выпускаются смолы марок ЭД-16 и Э-40 [13].

Ниже приведены характеристики эпоксидной смолы ЭД-22, которая использовалась в качестве связующего при изготовлении образцов для испытаний на прочность.

Смола эпоксидно-диановая неотвержденная (ОКП 22 2511, ГОСТ 10587-84) представляет собой растворимый и плавкий реакционно-способный олигомерный продукт на основе эпихлоргидрина и дифенилолпропана.

2.1 Физико-механические показатели эпоксидно-диановой смолы ЭД - 22

Наименование показателя Высший сорт ОКП 22 2511 0101 Первый сорт ОКП 22 2511 0102

1. Внешний вид Низковязкая прозрачная

2. Цвет по железокобальтовой шкале, не более 3 5

3. Массовая доля эпоксидных групп, % 22,1-23,6 22,1-23,6

4. Массовая доля иона хлора, %, не более 0,001 0,003

5. Массовая доля омыляемого хлора, %, не более 0,2 0,5

6. Массовая доля гидроксильных групп, %, не более 1,0 -

7. Массовая доля летучих веществ, %, не более 0,1 0,4

8. Динамическая вязкость, Па·с, при: (25±0,1) °С 8-12 7-12

9. Время желатинизации, ч, не менее 18,0 9,0

2.1.2 Полиэтилен (ПЭ)

Полиэтилен - термопластичный насыщенный полимерный углеводород, молекулы которого состоят из этиленовых звеньев, имеющих конформацию плоского зигзага с периодом идентичности 0,254 нм, соответствующим повторяющемуся расстоянию в углеродной цепи. Соседние молекулы находятся на расстоянии 0,43 нм друг от друга.

В зависимости от метода получения свойства ПЭ - непрозрачного в толстом слое полимера, без запаха и вкуса - заметно изменяются , особенно это проявляется в плотности, температуре плавления, твердости, жесткости и прочности. Эти показатели возрастают в ряду: ПЭВД < ПЭНД < ПЭСД.

Основной причиной, вызывающей различия в свойствах ПЭ, является разветвленность макромолекул: чем больше разветвлений в цепи, тем выше эластичность и меньше кристалличность полимера. Разветвления затрудняют более плотную упаковку макромолекул и препятствуют достижению степени кристалличности 100%; наряду с кристаллической фазой всегда имеется аморфная, содержащая недостаточно упорядоченные участки макромолекул. Соотношение этих фаз зависит от способа получения ПЭ и условий его кристаллизации. Оно определяет и свойства полимера.

ПЭ не смачивается водой и другими полярными жидкостями, при комнатной температуре он не растворяется в органических растворителях. Лишь при повышении температуры (70 °С и выше) он сначала набухает, а затем растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах. Лучшими растворителями являются - ксилол, декалин, тетралин. При охлаждении растворов ПЭ выпадает в виде порошка [5].

Масла, жиры, керосин и другие нефтяные углеводороды практически не действуют на ПЭ; полимер высокой плотности проявляет к ним большую стойкость, чем полимер низкой плотности.

ПЭ устойчив к действию водных растворов кислот, щелочей и солей, но при температурах выше 60 °С серная и азотная кислоты быстро его разрушают.

Кратковременная обработка ПЭ окислителем (например, хромовой смесью) приводит к окислению поверхности и смачиванию ее водой, полярными жидкостями и клеями. В этом случае изделия из ПЭ можно склеивать. Без изменения полярности его поверхности ПЭ только сваривается с помощью горячего воздуха (азота).

Окисление ПЭ кислородом воздуха, под влиянием нагревания и воздействия солнечного света приводящее к ухудшению физико-механических и диэлектрических свойств, в значительной степени предотвращается введением стабилизаторов.

В виде пленок ПЭ проницаем для многих газов (Н2, С02, N2, СО, СН4, С2Н6), но практически непроницаем для паров воды и полярных жидкостей. Проницаемость ПЭНП в 5-10 раз выше проницаемости ПЭВП.

Механические показатели ПЭ возрастают с увеличением плотности (степени кристалличности) и молекулярной массы. В виде тонких пленок толщиной 40-100 мкм ПЭ (особенно полимер низкой плотности) обладает большой гибкостью и некоторой прозрачностью, а в виде листов приобретает большую жесткость и непрозрачность. ПЭ устойчив к ударным нагрузкам. Он эксплуатируется в пределах температур от -80 °С до 60 °С (ПЭНП) и до 100°С (ПЭВП). Вязкость расплава ПЭНП выше, чем ПЭВП, поэтому он перерабатывается в изделия легче.

Основные свойства полиэтилена приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Основные свойства ПЭ [5]

Свойства ПЭВП ПЭНД ПЭСД

Плотность, кг/м3 918-935 945-955 960-970

Температура плавления, ?С 105-115 130-135 130-135

Температура размягчения, ?С 60-65 80-90 80-100

Молекулярная масса промышленных марок, 10-4 2-5 7-35 4-7

Модуль упругости при изгибе, МПА 80-260 1000-1200 1070-1100

Разрушающее напряжение, МПА при: растяжении 10-16 22-32 25-38 изгибе 12-17 20-35 25-40

Относительное удлинение, % 150-600 400-800 200-800

Ударная вязкость, КДЖ/м2 Образец не ломается

Твердость по Бринеллю, МПА 15-25 45-60 55-60

Удельная теплоемкость, КДЖ/(кг·К) 2,1-2,8 2,3-2,7 2,3-2,7

Коэффициент температуропроводности, Вт/(м·К) 0,20-0,30 0,27 0,27

Коэффициент линейного расширения, 104·К-1 2,2-2,5 2,0 2,0

Показатель текучести расплава, г/10 мин 0,2-20,0 0,1-15,0 0,2-10,0

ПЭ обладает небольшой теплопроводностью и большим коэффициентом термического расширения.

По электрическим свойствам ПЭ, как неполярный полимер, относится к высококачественным высокочастотным диэлектрикам. Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь мало изменяются с изменением частоты электрического поля, температуры в пределах от минус 80 °С до 100 °С и влажности. Остатки катализатора в ПЭВП повышают тангенс угла диэлектрических потерь, особенно при изменении температуры, что приводит к некоторому ухудшению изоляционных свойств.

Полиэтилен, наряду с широким комплексом положительных свойств, обладает и рядом недостатков. К ним относится в первую очередь уже ранее отмеченное старение при действии солнечного света, ползучесть (развитие деформации при длительном действии статических нагрузок), образование трещин в изделиях, находящихся длительное время в напряженном состоянии, невысокая рабочая температура, недостаточная механическая прочность и в ряде случаев химическая стойкость, горючесть, непрозрачность.

Ползучесть приводит к тому, что при конструировании изделий, подвергающихся длительному действию нагрузок, оперируют не разрушающим напряжением при растяжении, а пределом длительной прочности, который в несколько раз ниже и равен 2,5 МПА для ПЭНП и 0,5 МПА для ПЭВП [5].

Образование трещин в изделиях определяется действующими напряжениями, температурой и средой. Активно воздействуют на ПЭ растворы моющих средств и полярные жидкости. ПЭНП более устойчив к растрескиванию, чем ПЭВП.

Комплекс физико-механических, химических и диэлектрических свойств ПЭ позволяет широко применять его во многих отраслях промышленности (кабельной, радиотехнической, химической, легкой, медицине и др.).

Для изготовления образцов был использован полиэтилен высокого давления 15003-002, сорт 1, ГОСТ 16337-77. В таблице 2.3 приведены его характеристики.

Таблица 2.3 - Свойства полиэтилена высокого давления 15003-002, сорт 1, ГОСТ 16337-77 [6]

1. Плотность, г/см3 0,9190 ± 0,0015

2. Насыпная плотность, г/см3 0,5-0,6

3. Температура плавления, °С 103-110

4. Показатель текучести расплава (номинальное значение) с допуском, %, г/10 мин 0,2 ±30

5. Разброс показателей текучести расплава в пределах партии, %, не более ±12

6. Количество включений, шт., не более 8

7. Массовая доля экстрагируемых веществ, %, не более 0,4

8. Прочность при разрыве, Па , не менее 142·105

9. Предел текучести при растяжении, Па, не менее 98·105

10. Относительное удлинение при разрыве, %, не менее 600

11. Разрушающее напряжение при изгибе, Па (117,6-196,07)·105

12. Твердость по вдавливанию шарика под заданной нагрузкой, Па (1,66-2,25)· 105

13. Предел прочности при срезе, Па (137,2-166,6)·105

Продолжение таблицы 2.3

14. Модуль упругости (секущий), Па (882,3-1274,5)·105

15. Усадка при литье, % 1,0-3,5

16. Стойкость к растрескиванию, ч, не менее 500

17. Водопоглощение за 30 сут, % 0,020

18. Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом·см 1·1016-1·1017

19. Удельное поверхностное электрическое сопротивление, Ом 1015

20. Температура хрупкости, °С, не выше Минус 120

21. Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1010 Гц 0,0002-0,0005

22. Диэлектрическая проницаемость при частоте 1010 Гц 2,25-2,31

2.1.3 Свинец

Свинец - это элемент главной подгруппы четвертой группы, шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 82. Обозначается символом Pb (лат. Plumbum).

Свинец имеет синеватый цвет и металлический блеск, что легко видеть на свежем разрезе свинца, но такой вид сохраняется очень недолго, так как под влиянием кислорода воздуха поверхность свинца покрывается тонким слоем окислов. Свинец очень мягок (однако, тверже калия и натрия); он оставляет черту на бумаге, легко вальцуется и вытягивается; присутствие в нем других металлов, даже в небольших количествах, сильно изменяет его твердость. Свинец кристаллизуется в формах правильной системы - в виде октаэдров.

Плотность 11340 кг/м3 (20°С); тпл=327,4 °С; ткип=1725 °С; удельная теплоемкость при 20°С - 0,128 КДЖ/(кг·К); теплопроводность - 33,5 Вт/(м·К); температурный коэффициент линейного расширения 29,1·10-6 К-1 при комнатной температуре; твердость по Бринеллю 25-40 МПА; предел прочности при растяжении 12-13 МПА, при сжатии около 50 МПА; относительное удлинение при разрыве 50-70 %. Наклеп не повышает механических свойств свинца, т. к. температура его рекристаллизации лежит ниже комнатной (около минус 35 °С при степени деформации 40 % и выше). Свинец диамагнитен. При 7,18 К становится сверхпроводником [15].

Для изготовления образцов использовался свинцовый порошок ПСА ТУ 9211-001-02.

Порошок свинца получают распылением расплава свинца марки С2 ГОСТ 3778-77. Химический состав свинцового порошка приведен в таблице 2.4. Гранулометрический состав - в таблице 2.5.

Таблица 2.4 - Химический состав свинцового порошка

Массовая доля свинца, %, не менее 99,7000

Массовая доля примесей, %, не более: Fe 0,0010

Си 0,0010

Sb 0,0005

As 0,0005

Bl 0,0050

О 0,2000

Прокаленный остаток после обработки порошка азотной кислотой 0,0100

Таблица 2.5 - Гранулометрический состав свинцового порошка

Марка Насыпная плотность, кг/м3 Относительная доля частиц по размерам, % до 0,045 мм до 0,071 мм до 0,250 мм

ПСА 5000-6000 75-90 9-25 до 1

2.2 Методы исследования

В ходе дипломного проекта были проведены исследования прочностных характеристик материала, предложенного в качестве защиты от смешанного ионизирующего (n-?) излучения. Для чего были изготовлены образцы из данного материала и испытаны на испытательной машине Instron (рисунок 2.1). Процесс установки параметров испытаний и работа системы управляются программно.

Рисунок 2.1 - Испытательная машина Instron модель 3369

Были проведены испытания на растяжение по ГОСТ 11262-80, сжатие по ГОСТ 4651-82 и статический изгиб по ГОСТ 4648-71. Также были проведены испытания на ударную вязкость по Шарпи на маятниковом копре по ГОСТ 4647-80.

Длина образцов для испытаний на растяжение L = 150 мм, толщина h=10 мм; тип образцов - 1; скорость нагружения образцов v=2,5 мм/мин.

Длина образцов для испытаний на статический изгиб L=200 мм, ширина b=20 мм, толщина h=10 мм, скорость нагружения v=3,5 мм/мин.

Размер образцов на сжатие 10 10 15 мм, скорость нагружения v=0,45 мм/мин.

Длина образцов для испытаний на ударную вязкость L=120 мм, ширина b=10 мм, толщина h= 10мм.

На рисунке 2.2 представлены образцы для испытаний на растяжение, изгиб и ударную вязкость.

Рисунок 2.2 - Образцы для испытаний на: а) растяжение, б) ударную вязкость, в) статический изгиб.

Толщина образцов максимально приближена к толщине будущего изделия (15 мм) для того, чтобы приблизить испытания к натурным.В данной главе были рассмотрены материалы, использованные для изготовления образцов для испытаний. Были указаны их основные свойства и характеристики.

Также приведены стандарты, по которым проводились испытания, и оборудование. Указаны размеры образцов.

3. Исследование механических свойств КМ

3.1 Результаты испытаний

Поскольку испытательная система работает под управлением программы фирмы Instron - «Bluehill», результаты испытаний были получены в электронном виде (таблица 3.1).

Таблица 3.1 - Результаты испытанийПроанализировав полученные данные, были получены следующие результаты, которые представлены в таблице 3.11.

Таблица 3.11 - Физико-механические характеристики КМ

Предел прочности при растяжении , МПА4,94±0,38

Модуль Юнга при растяжении Е , МПА 1579±186

Предел прочности при сжатии ?-, МПА 19,11±2,95

Модуль Юнга при сжатии Е-, МПА 154,5±44,0

Предел прочности при статическом изгибе ?в, МПА 12,81±2,80

Модуль упругости при статическом изгибе Е, МПА 2265±465

Ударная вязкость, КДЖ/м? 1,008±0,097

Из приведенной выше таблицы видно, что материал обладает низкими механическими характеристиками, поэтому он не может быть использован в качестве несущего каркаса панелей биологической защиты, а лишь в качестве заполнителя. В роли несущего каркаса может быть использован стальной лист толщиной 1 мм, который обладает прочностными характеристиками на порядок выше ( =400-500 МПА), а также будет служить дополнительной защитой от бета-излучения. контейнер биологический излучение защита

4. Конструкция панелей

В данной главе будет рассмотрено конструкторское решение для формы и крепления панелей биологической защиты.

В виду низких механических характеристик композиционного материала, не представляется возможным его прямое использование в качестве самонесущей конструкции.

Панели будут представлять собой двусторонний каркас из листовой стали толщиной 1 мм. Между листами будет находится композиционный материал толщиной 150 мм. Прочность связи между листами и КМ будет обеспечиваться силами адгезионного взаимодействия. Для лучшей адгезии можно повысить шероховатость внутренних поверхностей каркаса.

Крепление таких панелей на корпус взрывозащитной капсулы нецелесообразно, т.к. это усложнит форму самих панелей (а возможно и контейнера), также добавятся дополнительные крепежные элементы, через которые возможно проникновение радиации в окружающую среду.

Поэтому предлагается использование защитной конструкции в виде контейнера, внутри которого будет размещаться капсула с радиоактивными веществами.

Контейнер будет состоять из нескольких составных частей - панелей. Арочные и торцовые панели имеют каркас из стали толщиной 1 мм. А донные панели - 5 мм сталь.

Вид такой конструкции представлен на рисунке 4.1.

Такая конструкция не сложна в сборке и компактна, что приемлемо при хранении на полигонах.

Рисунок 4.1 - Конструкция панелей биологической защиты в виде контейнера

В местах соединения панелей предусмотрено перекрытие композиционного материала во избежание прямых стыков для лучшей защиты от радиации (рисунки 4.2 и 4.3)

Рисунок 4.2 - Схема перекрытия композиционного материала в боковых и нижних панелях

Рисунок 4.3 - Схема перекрытия композиционного материала в боковой и верхней панелях

Герметичность конструкции обеспечивается болтовыми соединениями по всему контуру.