Радіофізичні методи діагностики матеріалів і середовищ



Сторінка11/24
Дата конвертації09.03.2016
Розмір5.77 Mb.
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   ...   24

4.2 Техніка безпеки при радіаційному контролі


Іонізуючі випромінювання є потенційно найнебезпечнішими із застосовуваних у неконтактному контролі як безпосередньо для персоналу, що здійснює радіаційний контроль, так і для людей, які знаходяться поблизу від зони проведення контролю. Тому питанням безпечної роботи та охорони праці при радіаційному контролі повинна приділятися велика увага.

Якщо планується щоденне або регулярне проведення контролю іонізуючими випромінюваннями з великою енергією, то виділяються або будуються спеціальні приміщення.

До роботи із джерелами іонізуючих випромінювань та з апаратурою, що містить їх, допускаються спеціально підготовлені особи, які проходять кожні 6 місяців спеціальний інструктаж. Перевірка знань правил безпеки роботи та особистої гігієни, а також медичний контроль, повторюються щорічно. Під час використання іонізуючих випромінювань обов'язково проводиться контроль за рівнем можливого опромінення персоналу.

Під час організації роботи установок та апаратури із джерелами іонізуючих випромінювань необхідно вживати всі можливі заходи до зниження дози, що отримує персонал. Заходи, що дозволяють знизити дозу опромінення, подібні до тих, які використовуються під час захисту від НВЧ-випромінювання, однак з урахуванням інших властивостей іонізуючих випромінювань. Найбільш ефективними заходами захисту є: екранування джерела випромінювання та робочого місця, захист шляхом зменшення часу роботи із джерелом іонізуючого випромінювання, захист віддаленням  шляхом віддалення працівника на безпечну відстань. Захист екрануванням повинен здійснюватись обов'язково з урахуванням спектра випромінювання джерела.

Залежно від класу робіт персонал забезпечують халатами та комбінезонами, шапочками, рукавичками, легким взуттям і за необхідності засобами захисту органів дихання. Під час роботи з особливо небезпечними джерелами випромінювань або в забрудненому приміщенні видаються ізолювальні або додаткові захисні засоби (пневмокостюми, пневмошоломи, фартухи, нарукавники й ін.), і весь персонал повинен бути забезпечений дозиметрами.

  1. 4.3 Основні ефекти при взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною


Довжина хвилі, що характеризує іонізуючі випромінювання, порівнянна з міжатомними відстанями, тому ці випромінювання взаємодіють із атомними ядрами та електронами оболонок атома, що відрізняє цей процес від розглянутих раніше в розділах 2 і 3 видів випромінювань і визначає більш складний його характер. Як вже відзначалося, взаємодія іонізуючих випромінювань із речовиною призводить до появи теплових, іонізаційних, електричних, люмінесцентних, фотохімічних і біологічних ефектів. Різні види іонізуючих випромінювань мають і спільні риси наслідків взаємодії. Падаючі на речовину кванти випромінювання можуть бути розсіяними або поглиненими, а також можуть викликати появу нових частинок, що вільно рухаються, або фотонів. Процеси взаємодії іонізуючих випромінювань із речовиною носять випадковий (імовірнісний) характер, що необхідно враховувати під час організації неруйнівного контролю. Дуже невелика частина квантів первинного випромінювання може взагалі не взаємодіяти з матеріалом об'єкта, що залежить від атомного номера речовини та енергії квантів.

Під час проходження фотонного випромінювання крізь речовину основні види взаємодії – фотоефект, комптон-ефект й ефект утворення позитрон-електронних пар [5, 8, 27]. Кожен із цих видів взаємодії домінує в певному діапазоні енергій первинних квантів. При однаковій енергії квантів внесок того або іншого виду взаємодії визначається атомним номером речовини.

Сутність фотоефекта полягає в тому, що енергія первинного кванта h1 витрачається на виривання електронів (так званих фотоелектронів) із атома речовини та передавання їм кінетичної енергії (наприклад, фотоелектрон е1 у лівій частині рис. 4.1). Процес описується рівнянням балансу енергії: Е1 = Ее+Е, де Е1 = h1 – енергія первинного кванта; Ее – енергія зв'язку електрона в атомі; Е = m0c2 (e/c)2-0,5 1 – кінетична енергія фотоелектрона; e – швидкість фотоелектрона; m0 – маса спокою електрона; c – швидкість світла; 1 – частота первинного кванта; h – стала Планка.

Рисунок 4.1 – Схема поглинання рентгенівських квантів атомом речовини з випущенням фотоелектронів і квантів характеристичного випромінювання (ліворуч) і з випущенням оже-електронів (праворуч)


Електронні шари, або оболонки атома, позначаються літерами K, L, M, N, O, P (рис. 4.1). Найближчий до ядра шар K характеризується лише одним рівнем енергії, шари L та P – трьома (L1 – L3 та P1 – P3), шари M та O – п'ятьма (M1 – M5 та O1 – O5), шар N – сімома (N1 – N7). Залежно від атомного номера Z кількість стаціонарних рівнів енергії змінюється від 1 до 24.

Зі збільшенням частоти квантів, поряд з іонізацією в зовнішньому шарі за рахунок переходу периферичних електронів (із зовнішніх оболонок) у незв'язаний стан, з'являються вільні електрони, що вирвані із внутрішніх оболонок атомів.

Під час виривання електрона місце, що звільнилося (вакансія), не залишається порожнім, на нього переходить електрон із оболонки, що знаходиться вище (рис. 4.1). Цей процес супроводжується випущенням кванта із частотою  = (Wi  Wj) / h, тобто випромінюванням рентгенівського характеристичного випромінювання. Переходи електронів на рівень K дають лінії характеристичного K-випромінювання, переходи на рівні L  лінії L випромінювання і т. д. Робота виривання електрона із шару L менша від роботи виривання із шару K, тому частота характеристичного K випромінювання більша за частоту L-випромінювання і тим більше M- , N випромінювань і т. д. Енергія квантів характеристичного випромінювання залежить лише від роду атомів, що його випустили, тобто від їх атомного номера Z. Тому, збудивши у невідомої речовини характеристичний спектр, можна за енергією його ліній визначити, які атоми входять до складу речовини.

Розглянута схема поглинання квантів, показана ліворуч на рис. 4.1, не є єдиною. Можливий також розвиток процесу поглинання за іншою схемою, зображеною праворуч на рис. 4.1. Енергія, що вивільняється під час переходу електрона з верхнього рівня на нижній, витрачається не на випущення кванта характеристичного випромінювання, а на виривання електрона e3 із вищої оболонки, (так званий оже-ефект). На місце, що звільнилося, переходить електрон із вищого шару, виривається новий оже-електрон e4 із вищої оболонки й т. д. Таким чином, процес поглинання первинного кванта h1 може супроводжуватися випущенням атомом фотоелектронів (e1, e2) і квантів характеристичного випромінювання, а також оже-електронів (e3, e4).

Фотоелектрони, що утворюються, оже-електрони, а також кванти характеристичного випромінювання, маючи велику енергію, можуть брати участь у вторинних актах взаємодії. При цьому вони самі вибивають електрони з атомів, створюючи вторинні електрони та кванти вторинного випромінювання. Такі процеси розміну енергії електронів і квантів будуть відбуватися доти, поки їх енергія не стане меншою енергії зв'язку електронів у атомі.

Співвідношення розглянутих ефектів залежить від атомного номера речовини Z. Імовірність процесів взаємодії з випущенням квантів характеристичного випромінювання збільшується зі збільшенням Z, а ймовірність оже-ефекту при цьому відповідно зменшується. Так, для легких елементів імовірність оже-переходів становить приблизно 95 %, а для елементів із Z > 70 не перевищує 10 %.

Таким чином, унаслідок фотоелектричного поглинання енергія первинних рентгенівських квантів перетвориться в енергію первинних і вторинних електронів, а також у енергію квантів характеристичного випромінювання.

Зі зростанням енергії падаючих квантів усе більше починає проявлятись ефект некогерентного розсіювання (комптон-ефект). Комптон-ефект проявляється при взаємодії квантів із вільними або слабо зв'язаними електронами атомів речовини. Квант рентгенівського випромінювання з енергією h1 унаслідок взаємодії з електроном частину своєї енергії Ее передає електрону (так званий електрон віддачі, або комптонівський електрон), а залишок енергії зберігається у вигляді розсіяного кванта з меншою енергією h < h1. Із законів збереження енергії та імпульсу виходить, що енергія електрона віддачі Ее та енергія розсіяного кванта h дорівнюють

; , (4.6)

де – відношення енергії падаючого кванта до енергії маси спокою електрона; φ – кут між напрямками руху первинного та розсіяного квантів (кут розсіювання).

Як бачимо з виразів (4.6), розподіл енергії між електроном віддачі та розсіяним квантом залежить від кута розсіювання. При куті розсіювання φ = 0°, коли напрямки руху розсіяного та первинного квантів збігаються, розсіяний квант бере всю енергію первинного і його енергія буде максимальною (h = h1). У цьому граничному випадку розсіювання первинних квантів не відбувається й електрон віддачі не набуває енергії. При збільшенні кута розсіювання від 0 до 180° енергія розсіяного кванта зменшується, а енергія електрона віддачі зростає. При куті розсіювання  = 180° розсіяний квант має мінімальну енергію й рухається у напрямку, протилежному руху первинного кванта, а електрон віддачі набуває максимальної енергії.

Якщо енергія первинного кванта менша за енергію зв'язку електрона з атомним ядром (у разі сильного зв'язку електрона в атомі), то спостерігається когерентне розсіювання первинних квантів. При цьому поглинений атомом квант стимулює коливання орбітального електрона. Такий збуджений електрон не викидається з атома, а генерує вторинний квант, енергія якого дорівнює енергії первинного і який може рухатися під кутом до напрямку руху первинного кванта.

При комптонівському розсіюванні, як і при фотоефекті, відбуваються вторинні процеси взаємодії. Розсіяні кванти, маючи достатню енергію, здатні при взаємодії з електронами атомів зазнавати когерентного або комптонівського розсіювання. У свою чергу, електрони віддачі, також маючи достатню енергію, можуть вибивати електрони з атомів, створюючи вторинні електрони. Це відбуватиметься доти, поки енергії розсіяних квантів і електронів не стануть настільки малими, що вони не зможуть брати участь у процесах взаємодії.

Таким чином, при комптонівському розсіюванні, як і при фотоефекті, частина енергії первинних квантів перетворюється в енергію заряджених частинок (електронів віддачі), а частина залишається у вигляді енергії розсіяного рентгенівського випромінювання.

Обидва види розсіювання  когерентне і некогерентне  спостерігаються звичайно одночасно, однак один вид, як правило, переважає над іншим. Розсіювання високоенергетичного випромінювання в речовині з малим атомним номером є переважно некогерентним (комптонівським), а низькоенергетичного випромінювання в речовині з великим атомним номером  когерентним.

У разі, коли енергія квантів перевищує подвійну енергію спокою електрона (1,02 МеВ), крім фотоефекта та комптон-ефекту, спостерігається новий вид взаємодії квантів з речовиною поблизу атомного ядра: поглинання кванта з утворенням пари позитрон-електрон. Сумарна кінетична енергія обох частинок, відповідно до закону збереження енергії, дорівнює h1, але вона по-різному може бути розподілена між ними. Найбільш імовірний випадок рівності енергії. Створені позитрон і електрон розлітаються в таких напрямках, щоб геометрична сума їх кількостей руху плюс кількість руху частинки, у полі якої утворилася пара, дорівнювала кількості руху первинного кванта.

Кожен із розглянутих ефектів взаємодії випромінювання з речовиною проявляється в різних областях на площині Z – E (атомний номер поглинального атома – енергія квантів). Цей висновок ілюструє діаграма Еванса (рис. 4.2). Для цієї речовини у випадку квантів малих енергій основний вид взаємодії – фотоефект. Зі збільшенням енергії падаючих квантів переважну роль починає відігравати спочатку комптон-ефект, а потім ефект утворення позитрон-електронних пар. Роздільні графіки на рис. 4.2 відповідають рівності внеску розглянутих ефектів у ослаблення випромінювання, що проходить через речовину.

У робочому діапазоні енергій рентгенівських апаратів (до 450 кеВ) основний внесок в ослаблення випромінювання роблять фотоефект і комптон-ефект, а діапазони енергій, у яких переважає перший або другий вид взаємодії, залежать від атомного номера речовини Z. Так, наприклад, для алюмінію (Z = 13) область домінування фотоефекта простирається до 50 кеВ, для заліза (Z = 26)  до 100 кеВ, для міді (Z = 29)  до 150 кеВ, а для свинцю (Z = 82)  до 500 кеВ.



Потік електронів ( -випромінювання) проникає в речовину на значно меншу відстань, ніж рентгенівське та -випромінювання, і швидко поглинається речовиною. Взаємодія -випромінювання з речовиною відбувається шляхом пружного та непружного розсіювань, гальмування

Рисунок 4.2 – Діаграма Еванса: А  область переваги фотоефекта; В  область переваги комптон-ефекту; С  область переваги ефекту утворення позитрон-електронних пар


електронів у електричному полі атомів. Пружне розсіювання спостерігається, коли електрони взаємодіють із атомами або з електронами їх оболонок, і полягає в зміні напряму руху електрона без зміни загальної енергії зіштовхнутих частинок. Відхилення електронів від початкового напрямку руху можливе на будь-який кут, але з більшою ймовірністю електрони відхиляються на малі кути. Пружне розсіювання тим більше, чим більший атомний номер речовини. При непружному розсіюванні, що відбувається здебільшого при взаємодії -частинок із орбітальними електронами атома, частина енергії -часток передається орбітальному електрону, що збуджується та іноді залишає атом. Унаслідок непружного розсіювання відбувається іонізація речовини та випущення збудженими атомами характеристичного випромінювання.

Потік -частинок, проходячи через шар речовини, так само як потік -частинок, досить швидко загасає. У речовині -частинки зазнають пружніх і непружніх зіткнень, унаслідок чого змінюється напрямок руху, зменшується інтенсивність і випромінювання повністю загасає. Цей вид випромінювання в неруйнівному контролі застосовується рідко.

Нейтрони не мають електричного заряду, тому їх взаємодія відбувається з атомними ядрами. Ймовірність їх зустрічі залежить від хімічного складу та структури речовини, а також від енергії нейтрона набагато більше, ніж для інших видів випромінювань, Тому цей вид випромінювання не знайшов широкого застосування в мікродіагностиці матеріалів.

1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   ...   24


База даних захищена авторським правом ©refs.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка