п 9 методичка РК (1). НрСлтан аласы Товарищество с ограниченной ответственностью Казахстанский центр обучения
 Скачать 2.53 Mb.
|
1 1 Бүлдірмейтін әдістермен бақылау және пісіру саласындағы Қазақстандық оқыту және аттестатау» жауапкершілігі шектеулі серіктестігі, Қазақстан Республикасы, Нұр-Сұлтан қаласы Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки» Республика Казахстан, город Нур-Султан Сущность радиационного излучения. Единицы измерения в радиационной физике. Радиографический контроль. г. Нур-Султан 2022 год Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки» Лекционный материал «Радиографический контроля» Обозначение документа МК РК Дата введения в действие 22.11.2021 Страница 2 из 107 1.1. Радиация 1. Сущность радиационного излучения. Слово радиация, в переводе с английского "radiation" означает излучение и применяется не только в отношении радиоактивности, но целого ряда других физических явлений, например: солнечная радиация, тепловая радиация и др. Поэтому в отношении радиоактивности следует применять принятое МКРЗ (Международной комиссией по радиационной защите) и Нормами радиационной безопасности понятие "ионизирующее излучение". 1.2. Ионизирующее излучение Ионизирующее излучение - излучение (электромагнитное, корпускулярное), которое при взаимодействии с веществом непосредственно или косвенно вызывает ионизацию и возбуждение его атомов и молекул. Энергия ионизирующего излучения достаточно велика, чтобы при взаимодействии с веществом, создать пару ионов разных знаков, т.е. ионизировать ту среду, в которую попали эти частицы или гамма кванты. Ионизирующее излучение состоит из заряженных и незаряженных частиц, к которым относятся также фотоны. Рис.1 Атом, согласно модели Томсона. Электроны удерживаются внутри положительно заряженной сферы упругими силами. Те из них, которые находятся на поверхности, могут довольно легко «выбиваться», оставляя ионизованный атом. 1.3. Атома строение Раздел физики, изучающий внутреннее устройство атомов. Атомы, первоначально считавшиеся неделимыми, представляют собой сложные системы. Они имеют массивное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого в пустом пространстве движутся электроны. Атомы очень малы – их размеры порядка 10 –10 –10 –9 м, а размеры ядра еще примерно в 100 000 раз меньше (10 –15 –10 –14 м). Поэтому атомы можно «увидеть» только косвенным путем, на изображении с очень большим увеличением (например, с помощью автоэлектронного проектора). Но и в этом случае атомы не удается рассмотреть в деталях. Наши знания об их внутреннем устройстве основаны на огромном количестве экспериментальных данных, которые косвенно, но убедительно свидетельствуют в пользу сказанного выше. Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки» Лекционный материал «Радиографический контроля» Обозначение документа МК РК Дата введения в действие 22.11.2021 Страница 3 из 107 Рис.2 Строение атома 1.4. Радиоактивность Радиоактивность – самопроизвольное превращение атомных ядер в ядра других элементов. Сопровождается ионизирующим излучением. Известно четыре типа радиоактивности: o альфа-распад – радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускается альфа-частица; o бета-распад - радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускается бета-частицы, т.е электроны или позитроны; o спонтанное деление атомных ядер - самопроизвольное деление тяжелых атомных ядер (тория, урана, нептуния, плутония и других изотопов трансурановых элементов). Периоды полураспада у спонтанно делящихся ядер составляют от нескольких секунд до 10 20 для Тория-232; o протонная радиоактивность - радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускаются нуклоны (протоны и нейтроны). o 1.5. Виды ионизирующего излучения Основными видами ионизирующего излучения, с которыми нам чаще всего приходится сталкиваться являются: o альфа-излучение; o бета-излучение; o гамма-излучение; o рентгеновское излучение. Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки» Лекционный материал «Радиографический контроля» Обозначение документа МК РК Дата введения в действие 22.11.2021 Страница 4 из 107 Конечно существуют и другие виды излучения (нейтронное), но с ними мы сталкиваемся в повседневной жизни значительно реже. Различие этих видов излучения заключается в их физических характеристиках, в происхождении, в свойствах, в радиотоксичности и поражающем действии на биологические ткани. 2. Физические свойства радиоактивных излучений. Особенности взаимодействия с веществом альфа-, бета-частиц, рентгеновского и гамма- излучений. 2.1. Источники радиоактивности могут быть природными или искусственными. Природные источники ионизирующего излучения это естественные радиоактивные элементы находящиеся в земной коре и создающие природный радиационный фон, это ионизирующее излучение приходящее к нам из космоса. Чем больше активность источника (т.е. чем больше в нем распадается атомов за единицу времени), тем больше он испускает за единицу времени частиц или фотонов. Искусственные источники радиоактивности могут содержать радиоактивные вещества полученные в ядерных реакторах специально или являющиеся побочными продуктами ядерных реакций. В качестве искусственных источников ионизирующего излучения могут быть и различные электровакуумные физические приборы, ускорители заряженных частиц и др. Например: кинескоп телевизора, рентгеновская трубка, кенотрон и др. Возникающие в процессе распада или при осуществлении ядерных реакций излучения, проходя через вещество, взаимодействуют с электронами и ядрами атомов, передавая им свою энергию. Характер взаимодействия зависит от заряда, массы и энергии излучений, а также от атомного номера и плотности вещества. Поэтому мы отдельно рассмотрим взаимодействие с веществом заряженных частиц, гамма- квантов и нейтронов. Основными свойствами радиоактивных излучений являются: - способность проникать через вещества; - ионизация вещества среды; - выделение тепла при радиоактивном распаде; - действие на фотоэмульсию; - способность вызывать свечение люминесцирующих веществ; - способность вызывать химические реакции и распад молекул ( при длительном воздействии излучений изменяется окраска окружающих предметов). Все эти свойства используются при обнаружении и регистрации излучений, но ни одно из шести чувств человека воздействие ионизирующих излучений не улавливает. 2.2. Альфа-излучение Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки» Лекционный материал «Радиографический контроля» Обозначение документа МК РК Дата введения в действие 22.11.2021 Страница 5 из 107 Естественное альфа-излучение является результатом радиоактивного распада ядра и характерно для неустойчивых ядер тяжелых элементов, начиная с атомного номера более 83, т.е. для естественных радионуклидов рядов урана и тория, а также полученных искусственным путем трансурановых элементов. Альфа-частица, пролетая сквозь вещество, взаимодействует в первую очередь с электронами атомов вещества, «расталкивая» их своим кулоновским полем и передавая им при этом свою энергию ( в редких случаях, когда альфа-частица сталкивается с ядром, происходит ее рассеяние или ядерная реакция). В результате альфа-частица постепенно теряет свою энергию и замедляется. Растеряв всю энергию, она останавливается, присоединяет к себе два электрона и превращается в атом гелия. Атомный электрон вещества, получив от альфа-частицы дополнительную энергию, может перейти со своей оболочки на более удаленную от ядра оболочку. Такое состояние атома называется возбужденным, а процесс перехода атома в подобное состояние называется возбуждением. За время порядка 10-8 сек возбужденный атом возвращается в исходное (основное) состояние, а энергия, затраченная на возбуждение атома, высвобождается в виде электромагнитного излучения (характеристического рентгеновского излучения, видимого света и т.д.). Если полученная электроном от альфа-частицы энергия окажется достаточно большой, электрон может преодолеть силы связи с ядром и покинуть атом. В результате этого атом превратится в положительно заряженный ион и, таким образом, образуются два заряда противоположных знаков- отрицательный заряд электрона и положительный заряд иона. Подобный процесс называется ионизацией, а излучения, способные при взаимодействии с веществом производить ионизацию, называются ионизирующими. Через некоторое время положительно заряженный ион присоединяет к себе блуждающий электрон и превращается в нейтральный атом. Этот процесс, обратный процессу ионизации, называется рекомбинацией. Альфа-частицы представляют собой положительно заряженные ядра гелия – 42Не и вылетают из ядра со скоростью 15 -20 тыс. км/с. На своем пути они сильно ионизируют среду, выбивая электроны из орбит атомов. Пробег альфа-частиц в воздухе порядка 5-8 см, в воде – 30-50 микрон (одна миллионная доля метра), в металлах – 10-20 микрон. При ионизации альфа-лучами наблюдаются химические изменения вещества, и нарушается кристаллическая структура твердых тел. Таким образом, альфа-распад сопровождается испусканием двух протонов и двух нейтронов. Важно, что изотоп, являющийся альфа-излучателем, испускает альфа- частицы со строго определенными энергиями. Альфа-излучатели используются при изготовлении ядерного топлива, в ядерных реакторах 2.3. Бета-излучение Бета-излучение является самым распространенным типом радиоактивного распада ядер, особенно для искусственных радионуклидов, образующихся при использовании атомной энергии в научных, военных и промышленных (энергетических) целях. Бета-распад представляет собой самопроизвольное взаимное превращение протонов и нейтронов, протекающее внутри ядра и сопровождающееся испусканием или поглощением электронов (β- ) или позитронов(β+), нейтрино (νе) или Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки» Лекционный материал «Радиографический контроля» Обозначение документа МК РК Дата введения в действие 22.11.2021 Страница 6 из 107 антинейтрино ( νе ). Антинейтрино- частица, не имеющая массы покоя и заряда, вследствие чего практически не взаимодействует с веществом и свободно улетает. Бета-частица, так же как и альфа-частица, взаимодействует своим кулоновским полем в основном с электронами атомов вещества, передавая им постепенно свою энергию, что приводит к возбуждению и ионизации атомов. Однако бета-частицы, наряду с возбуждением и ионизацией, могут испытывать третий вид потерь энергии, связанный с возникновением тормозного излучения. Пролетая мимо ядра атома и взаимодействуя с его электрическим полем, бета-частица тормозится, ее энергия уменьшается на некоторую величину, которая выделяется в виде электромагнитного излучения. Потери энергии на тормозное излучение пропорциональны энергии бета-частицы и заряду ядер вещества. По мере движения в веществе бета-частица теряет свою энергию и замедляется. Движение ее продолжается до тех пор, пока она еще способна производить ионизацию и возбуждение атомов вещества. После этого бета-частица становится свободным электроном или захватывается одним из атомов вещества. Существуют изотопы, у которых ядра атомов распадаются с испусканием только β- - частиц и антинейтрино, они называются чистые бета-излучатели . Но часто не вся энергия отдается бета-частице и антинейтрино и часть ее остается в ядре. Такое ядро испускает еще гамма- излучение. 2.4. Гамма-излучение Гамма-излучение представляет собой электромагнитные волны, т.е. ядро, имеющее избыток энергии, испускает его в виде электромагнитных волн. При испускании гамма-кванта число протонов и нейтронов не изменяется, т.е. изотоп остается тем же, но происходит перестройка внутри ядра, так что этот процесс можно считать ядерным превращением. Гамма-кванты испускаются обычно после бета- частицы или альфа-частицы через время порядка 10-12 ÷ 10-7 сек. Проходя через вещество, гамма-кванты взаимодействуют с электронами и ядрами. Будучи незаряженными частицами, гамма-кванты не подвержены влиянию кулоновских сил. По этой причине они сравнительно редко сталкиваются с электронами и ядрами, но зато при столкновении могут передавать значительную долю своей энергии (вплоть до передачи всей энергии в одном столкновении), в отличие от заряженных частиц. Взаимодействие гамма-квантов с веществом происходит за счет трех основных процессов: фотоэлектрического поглощения (фотоэффект), комптоновского рассеяния (эффекта Комптона) и образования пар. При большой энергии гамма-излучения возникают, кроме того, ядерные реакции, однако вероятность их намного меньше вероятности перечисленных процессов Относительный вклад того или иного процесса взаимодействия излучения с веществом зависит как от свойств вещества, так и от энергии излучения. 2.5. Фотоэффект Гамма-кванты малых энергий взаимодействуют с электронами атомов, полностью передавая им свою энергию. В результате этого гамма-квант исчезает, а его энергия расходуется на отрыв электрона от атома и сообщение ему кинетической энергии Энергия фотона в этом случае передается, как правило, электроном, находящимся наиболее близко к ядру, т.е. на К- оболочке. При наличии достаточной энергии выбитый из атома оболочки электрон на своем пути сам способен производить ионизацию атомов так же, как и бета- частица. На место выбитого электрона немедленно переходит электрон из более удаленного от ядра слоя, что сопровождается характеристическим излучением Такой механизм взаимодействия назван фотоэффектом. Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки» Лекционный материал «Радиографический контроля» Обозначение документа МК РК Дата введения в действие 22.11.2021 Страница 7 из 107 Фотоэффект характерен для гамма-лучей с энергией менее 0,5 МэВ и имеет существенное значение при поглощении излучений тяжелыми элементами Вероятность взаимодействия с атомами по механизму фотоэффекта пропорциональна Z, где Z- средний атомный номер вещества. 2.6. Эффект Комптона Гамма-кванты с энергией в несколько сот килоэлектронвольт и больше взаимодействуют со свободными электронами, а также с электронами внешних слоев оболочек, слабо связанными с ядром. Этот процесс взаимодействия подобен столкновению двух бильярдных шаров, так как гамма-кванты, сталкиваясь с электронами, передают им часть своей энергии и меняют направление своего движения. Электрон, получивший дополнительную энергию, расходует ее на ионизацию атомов вещества. Такое взаимодействие называется комптоновским рассеянием В результате многократного комптоновского взаимодействия фотона с электронами его энергия уменьшается и достигает значений, при которых происходит преимущественно фотоэффект Комптоновское рассеяние средних энергий характерно для гамма-квантов средних энергий (0,5 -1 МэВ). Вероятность взаимодействия с атомами по механизму комптоновского рассеяния пропорциональна Z. 2.7. Образование пар Гамма-кванты высоких энергий могут взаимодействовать с электрическим полем ядра. В результате такого взаимодействия фотон исчезает, а вместо него образуются две частицы: электрон и позитрон. Процесс образования пар имеет место только в том случае, если энергия фотона превышает 1,02 МэВ. Далее электрон расходует свою энергию на ионизацию среды, а позитрон претерпевает процесс аннигиляции ( взаимодействия с электроном). Образовавшиеся в процессе аннигиляции два кванта гамма-лучей расходуют свою энергию также на ионизацию среды. С увеличением энергии гамма- квантов и атомного номера среды вероятность процесса образования пар возрастает ( она пропорциональна Z2 ) Таким образом, при всех процессах взаимодействия гамма-лучей с веществом часть энергии излучения преобразуется в кинетическую энергию электронов, которые, проходя через вещество, производят ионизацию. Поэтому гамма- излучение является косвенно ионизирующим излучением, в отличие от непосредственно ионизирующего излучения, к которому относятся альфа- и бета-излучение. гамма-кванты обладают большой проникающей способностью, и термин «пробег» по отношению к гамма-излучению неприемлем, в отличие от альфа- и бета-излучений ,для которых всегда можно подобрать такой слой вещества, в котором происходит полное поглощение потока альфа- и бета-частиц. Слой половинного ослабления (Δ1/2 )- это слой поглотителя , при прохождении которого плотность потока гамма-квантов уменьшается в два раза. Линейный коэффициент ослабления слагается из суммы коэффициентов ослабления за счет фотоэффекта, комптоновского эффекта и процесса образования пар 2.8. Нейтроны Нейтроны, представляющие собой поток незаряженных частиц, при прохождении |