Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 16 )

1. Поток энергии излучения (Дж/м2)

,

где – суммарная энергия частиц или квантов ионизирующего излучения;

– площадь сечения элементарной среды, в которую проникает излучение.

2. Мощность источника излучения

,

где – суммарная энергия частиц или квантов, излучаемых за единицу времени.

3. Интенсивностью излучения (плотностью потока энергии) (Вт/м2) называется отношение приращения энергии ионизирующего излучения , проходящего через сферу с площадью за время , т. е.

.

Интенсивность излучения изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника до точки наблюдения. Поэтому интенсивность излучения указывают на определенном расстоянии от источника (обычно 1 м).

Излучающая часть источников обычно намного меньше расстояния до контролируемого объекта и преобразователя, поэтому можно считать, что интенсивность от расстояния убывает обратно пропорционально его квадрату:

,

где – интенсивность излучения на расстоянии .

Каждый фотон или частица может характеризоваться энергией или ее максимальным значением , которым может быть поставлена в соответствие определенная длина волны или , вычисляемая по известной формуле

,

где – скорость света в вакууме; – постоянная Планка (Дж×с).

Энергия кванта излучения определяет его проникающую способность и, следовательно, возможность выявления дефектов в контролируемых объектах различной толщины и плотности. Источники ионизирующих излучений могут создавать одновременно кванты широкого спектрального диапазона энергий, которые по-разному взаимодействуют с веществом.

Независимо от конкретного вида ионизирующего излучения при организации радиационного неразрушающего контроля можно отметить две обобщенные схемы: по прошедшему и рассеянному (отраженному) излучениям.

Радиационный контроль по прошедшему излучению имеет наибольшее распространение и заключается в анализе излучения, прошедшего сквозь контролируемый объект. Этот метод особенно широко применяется для целей дефектоскопии и контроля внутреннего строения различных объектов при возможности двустороннего доступа к ним при значительной толщине (до 0,5 м).

Контроль по рассеянному (отраженному) излучению заключается в регистрации излучения в той же области, где расположен источник. Этот метод радиационного контроля применяется для целей толщинометрии и определения свойств материала. Он используется для диагностики слоев небольшой толщины (до нескольких миллиметров). Источник излучения и первичный измерительный преобразователь, регистрирующий вторичное (отраженное) излучение, в этом случае находятся близко друг от друга, и для снижения прямого прохождения излучения используют защитные экраны.

4.2 Техника безопасности при радиационном контроле

Ионизирующие излучения являются потенциально наиболее опасными из числа применяемых в неконтактном контроле как непосредственно для персонала, осуществляющего радиационный контроль, так и для случайно находящихся недалеко людей. Поэтому вопросам безопасной работы и охраны труда при радиационном контроле должно уделяться большое внимание.

Если планируется каждодневное или регулярное проведение контроля ионизирующими излучениями с большой энергией, то выделяются или строятся специальные помещения.

К работе с источниками и с аппаратурой, содержащей их, допускаются специально подготовленные лица, прошедшие инструктаж, повторяемый каждые 6 месяцев. Проверка знаний правил безопасности работы и личной гигиены, а также медицинский контроль, повторяются ежегодно. При использовании ионизирующих излучений обязательно ведется контроль за величиной возможного облучения персонала.

При организации работы установок и аппаратуры с источниками ионизирующих излучений следует принимать все возможные меры к снижению дозы, получаемой персоналом. Мероприятия, которые позволяют снизить дозу облучения, подобны используемым при защите от СВЧ-излучения, естественно, с учетом иных свойств ионизирующих излучений. Наиболее эффективными мерами защиты являются: экранирование источника и рабочего места, защита путем уменьшения времени работы с источником ионизирующего излучения, защита расстоянием – путем удаления работающего на безопасное расстояние. Защита экранированием должна производиться обязательно с учетом спектра излучения источника.

В зависимости от класса работ персонал обеспечивается халатами и комбинезонами, шапочками, перчатками, легкой обувью и при необходимости средствами защиты органов дыхания. При работе с особо опасными источниками излучений или в загрязненном помещении выдаются изолирующие или дополнительные защитные средства (пневмокостюмы, пневмошлемы, спецбелье, фартуки, нарукавники и др.), и весь персонал должен быть обеспечен дозиметрами.

4.3 Основные эффекты при взаимодействии ионизирующего излучения с веществом

Длина волны, характеризующая ионизирующие излучения, оказывается соизмеримой с межатомными расстояниями, поэтому эти излучения взаимодействуют с атомными ядрами и электронами оболочек атома, что отличает этот процесс от рассмотренных ранее в разделах 2 и 3 видов излучений и определяет более сложный его характер. Как уже отмечалось, взаимодействие ионизирующих излучений с веществом приводит к появлению тепловых, ионизационных, электрических, люминесцентных, фотохимических и биологических эффектов. Разные виды ионизирующих излучений имеют и общие черты результатов взаимодействия. Падающие на вещество кванты излучения могут быть рассеяны или поглощены, а также могут вызывать появление новых свободно движущихся частиц или фотонов. Процессы взаимодействия ионизирующих излучений с веществом носят случайный (вероятностный) характер, что необходимо учитывать при организации неразрушающего контроля. Очень небольшая часть квантов первичного излучения может вообще не взаимодействовать с материалом объекта, что зависит от атомного номера вещества и энергии кванта. Обобщая все физические эффекты взаимодействия ионизирующих излучений с веществом, можно отметить следующие процессы, важные для целей радиационной диагностики: фотоэлектрический эффект, образование пары электрон-позитрон, формирование потоков - и -частиц, нейтронов.

Фотоэффект заключается в том, что при облучении электроном оболочки атома с энергией большей, чем его анергия связи в атоме, фотон покидает атом со скоростью, соответствующей его избыточной энергии, переходя в зону проводимости [1; 4–7].

Рассеяние рентгеновского и -излучения происходит в двух формах: классическое (когерентное) и комптоновское (некогерентное), которые характеризуются линейным коэффициентом ослабления за счет рассеяния.

В случае падения на вещество длинноволнового излучения при  нм, когда энергия первичного фотона оказывается соизмеримой с энергией связи электрона с ядром, осуществляется когерентное рассеяние, а при  нм – некогерентное (комптоновское) [1].

Для образования пары электрон - позитрон требуется, чтобы энергия первичного кванта превышала энергию покоя электрона и позитрона. В связи с этим такое взаимодействие характерно для высокоэнергетических излучений.

Образовавшиеся позитрон и электрон двигаются с такой скоростью, чтобы их кинетическая энергия была равна разнице между энергией первичного кванта и энергией покоя пары. Коэффициент поглощения за счет образования пары электрон - позитрон растет при увеличении энергии квантов излучения.

Электрон и позитрон могут двигаться в веществе и взаимодействовать с другими атомами. При встрече электрона с позитроном они могут нейтрализовать друг друга – аннигилировать и создать два кванта, движущихся в противоположных направлениях.

Следует отметить также, что после прохождения слоя материала спектральный состав немоноэнергетического излучения изменяется, так как кванты различной энергии поглощаются по-разному.

Поток движущихся электронов (-излучение) проникает в вещество на значительно меньшее расстояние, чем рентгеновское и -излучение, и быстро поглощается веществом. Взаимодействие -излучения с веществом происходит путем упругого и неупругого рассеяния, торможения электронов в электрическом поле атомов. Упругое рассеяние имеет место, когда электроны взаимодействуют с атомами или с электронами их оболочек, и состоит в изменении направления движения электрона без изменения общей энергии столкнувшихся частиц. Отклонение электронов от начального направления движения возможно на любой угол, но с большей вероятностью электроны отклоняются на малые углы. Упругое рассеяние тем больше, чем больше атомный номер вещества. При неупругом рассеянии, происходящем, в основном, при взаимодействии -частиц с орбитальными электронами атома, часть энергии -частиц передается орбитальному электрону, который возбуждается и иногда покидает атом. В результате неупругого рассеяния появляются ионизация вещества и испускание возбужденными атомами характеристического излучения.