Что такое радиационная стойкость
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ МАТЕРИАЛОВ
Наиб. воздействие оказывают нейтронное и g-излу-чение. На практике изменение свойств материала сопоставляется с величиной, характеризующей воздействующее излучение, напр. с флюенсом нейтронов или поглощённой дозойg-излучения.
Обратимые изменения обусловлены установлением стационарного равновесия между генерацией нестабильных продуктов радиолиза и их гибелью, поэтому они зависят от мощности дозы. Сопротивление органич. изоляц. материалов падает с увеличением мощности дозы на неск. порядков. При больших дозах снижение остаточного электрич. сопротивления металлов носит необратимый характер. У мн. полимерных материалов, облучённых до доз 10 6 Гр, исходная электрич. проводимость изменяется в неск. раз (при дозе
10 4 Гр изменения, как правило, незначительны).
В органич. материалах может возникать послерадиац. старение, к-рое обусловлено в осн. хим. реакциями свободных радикалов, образовавшихся при облучении полимеров с кислородом воздуха. Радиац. стойкость полимерных диэлектриков определяется, как правило, их механич. (а не электрич.) свойствами, т. к. большинство полимеров становятся хрупкими и теряют способность нести механич. нагрузки после доз, к-рые ещё не вызывают существ. изменений электрич. свойств.
Радиац. стойкость неорганич. веществ зависит от их кристаллич. структуры и типа хим. связи. Наиб. стойкими являются ионные кристаллы. Плотные структуры с высокой симметрией наиб. устойчивы к воздействию излучений. Для стёкол характерны изменение прозрачности и появление окраски, возникновение кристаллизации (см. Стеклообразное состояние). Силикаты начинают изменять свойства после оолучения флюенсом нейтронов
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ, способность материалов сохранять исходный хим. состав, структуру и св-ва в процессе и (или) после воздействия ионизирующих излучений (ИИ).
Р адиационная стойкость существенно зависит от вида радиации, величины и мощности поглощенной дозы, режима облучения (непрерывное или импульсное, кратковременное или длительное), условий эксплуатации материала (т-ра, высокое давление, мех. нагрузки, магнитное или электрич. поле), размеров образца материала, его уд. пов-сти и др. факторов. На практике изменение св-в материала сопоставляется с величиной, характеризующей величину воздействующего излучения, напр. с потоком (флюенсом) нейтронов или поглощенной дозой ИИ. Количеств. характеристикой часто служит также макс. (предельное) значение поглощенной дозы и (или) мощности поглощенной дозы излучения, при к-ром материал становится непригодным для конкретных условий применения или до заданной степени меняет значение к.-л. характерного параметра. Обычно проводят ускоренные радиац. испытания в лаб. условиях, имитирующих эксплуатационные.
Возникающие в результате радиац.-индуцир. процессов ионы и своб. электроны могут участвовать в сложных цепях физ.-хим. превращений (образование новых молекул и своб. радикалов, изменение кристаллич. структуры и др.), совокупно приводящих к изменению мех., электрич., мат., оптич. и др. св-в материалов. Изменения в материалах м. б. обратимыми или необратимыми и произойти как непосредственно вслед за радиац. воздействием, так и в течение длит, времени после акта облучения.
Радиац. стойкость неорг. в-в зависит от кристаллич. структуры и типа хим. связи. Наиб. стойки ионные кристаллы. Плотные структуры с высокой симметрией наиб. устойчивы к воздействию излучений. Для стекол характерно изменение прозрачности и появление окраски; возможна кристаллизация. Силикаты начинают изменять св-ва после облучения флюенсом нейтронов
Св-ва металлов изменяются в зависимости от повреждений кристаллич. решетки. Одиночные дефекты обычно упрочняют металл, но снижают его пластичность. Электрич. сопротивление металлов или сплавов возрастает за счет образования дефектов, хотя в сплавах возможно и уменьшение электрич. сопротивления, если радиац. воздействие приводит к упорядочению структуры. В полупроводниках всегда имеется нек-рая равновесная при определенной т-ре концентрация точечных дефектов. Под действием облучения она увеличивается, что приводит к изменению электрич. и оптич. св-в полупроводников.
Радиац. стойкость орг. материалов принято определять величиной радиац.-хим. выхода продуктов радиолиза, образующихся при поглощении 100 эВ энергии ИИ (см. Радиационно-химический выход), Взаимод. ИИ с орг. соед. сопровождается образованием промежут. активных частиц, деструкцией, окислением, сшиванием, газообразованием, деполимеризацией (для полимеров) и т.д. Низкой радиац. стойкостью обладают в-ва, содержащие связи С—F, С — Si, С—О. Наличие в молекуле двойных и сопряженных связей, ароматич. колец и гетероциклов увеличивает радиационную стойкость. Наиб. значит изменения структуры полимерных материалов под действием ИИ происходят при деструкции или сшивании молекул полимера.
Обратимые изменения в орг. материалах обусловлены установлением стационарного равновесия между генерированием нестабильных продуктов радиолиза и их гибелью и зависят от мощности дозы. Так, электрич. сопротивление орг. изоляционных материалов с увеличением мощности дозы падает на неск. порядков. При больших дозах снижение остаточного электрич. сопротивления носит необратимый характер. У мн. полимерных материалов, облученных дозами до 10 6 Гр, исходная электрич. проводимость меняется в неск. раз. При дозе 10 4 Гр необратимые изменения, как правило, незначительны. В орг. полимерных материалах может возникать послерадиац. старение, к-рое обусловлено в осн. хим. р-циями образовавшихся своб. радикалов с О 2 воздуха. Радиац. стойкость полимерных диэлектриков ограничивается, как правило, их мех. св-вами, т. к. они становятся хрупкими и теряют способность нести мех. нагрузки после доз, не вызывающих существ. изменений электрич. св-в.
В табл. приведены значения дозы облучения, вызывающие заметные (до 50%) изменения св-в нек-рых материалов.
Для повышения радиационной стойкости обычно используют пассивную защиту (экранирование), физ.-хим. модификацию материала, радиац.-термич. обработку. Использование защитного экранирования снижает степень воздействия ИИ на материал. Таким путем в весьма широких пределах можно «повысить» стойкость любого материала. При физ.-хим. модификации в материал вводят добавки-напр. антиоксиданты или ттшрады\ таким путем радиац. стойкость м. б. повышена в 7-20 раз. Предварительная радиац.-термич. обработка-облучение и отжиг-позволяет увеличить радиац. стойкость металлич. материалов в 10-50 раз.
Радиационностойкие материалы и их особенности
Радиационное облучение может быть достаточным, чтобы ухудшить критические свойства конструкционных материалов. Радиационная стойкость зависит от мощности источника излучения, расстояния до него, а также допустимыми уровнями воздействия, при которых эти эффекты становятся важными.
Свойства материалов, которые подвергаются воздействию излучения, должны рассматриваться в трёх категориях:
Радиационная стойкость материалов принято рассматривать отдельно для наземных и искусственных космических объектов.
Понятие радиационной стойкости материалов
Материалы, защищающие от излучения, используются для различных радиологических применений – в медицине, технике неразрушающего контроля, при производстве космических летательных аппаратов и пр. Однако использование радиации сопряжено с риском. Те, кто использует радиацию, должны быть надлежащим образом обучены радиационной безопасности, радиационной физике, биологическим эффектам радиации, чтобы гарантировать безопасность.
Таким образом, выбор радиационно стойких материалов важен для того, чтобы снизить влияние внешнего радиационного облучения на человека, а также на экологию окружающей среды.
Различают экранирование объектов и экранирование производственного персонала. В первом случае используют механически прочные защитные экраны, конфигурация которых соответствует форме защищаемого объекта, во втором – защитную одежду, которая ослабляет рентгеновское излучение: фартуки, жилеты, обувь. Интенсивность экранирования зависит от индивидуальной стойкости веществ к радиоактивному излучению.
Стойкость неорганических материалов
Исторически материалы для защиты от излучения изготавливались из свинца. Однако в последнее время, кроме свинца, используются также композиты на его основе и бессвинцовистая неорганика.
Противорадиационная стойкость свинца связывается с его высокой плотностью, которая составляет 11,34 г/см³. Это делает данный металл полезным для эффективной защиты от рентгеновского и гамма излучения.
Свинец в чистом виде хрупок, поэтому непосредственно для экранирования его не применяют. Чтобы превратить чистый свинец в радиационно-защитный материал, его смешивают со связующими веществами и добавками, получая гибкий свинцово- виниловый лист. Затем из этих листов набирается необходимая толщина защитного покрытия. Существует три стандартных уровня защиты, эквивалентных свинцу, для традиционной одежды с радиационной защитой из свинца: 0,25 мм, 0,35 мм и 0,5 мм.
Свинцовая композитная защита представляет собой смесь свинца с другими, более лёгкими металлами. Состав композита варьируется в зависимости от назначения, но обычно туда входят олово, резина, ПВХ, и другие металлы, ослабляющие радиацию. Экранирование из композиционной смеси на основе свинца легче (до 25%), чем свинец обычного сорта, при этом фактическая эффективность защиты остаётся на прежнем уровне.
Из других металлов, обладающих высокой радиационной стойкостью, следует отметить некоторые тяжёлые металлы, которые относятся к той же группе, что и свинец, и, следовательно, так же хорошо поглощают или блокируют излучение. В ряду высокой радиационной стойкости находятся олово, сурьма, вольфрам, висмут.
Стойкость полимеров
Радиационная стойкость полимеров и пластика сильно зависит от длины волны базового излучения, но с уменьшением длины волны (что характерно именно для рентгеновского и гамма-излучения) противорадиационная способность всех неметаллов снижается. Поэтому излучение высокой энергии часто приводит к снижению характеристик удлинения и развитию хрупкости в полимере.
Общий срок службы пластика зависит от общего количества поглощённого излучения. Такие материалы, как полиэстер или полиамид, обладают удовлетворительной устойчивостью к гамма-излучению и рентгеновским лучам. Наоборот, полиэтилен (особенно высокого давления) весьма чувствителен к радиации, и поэтому в активных ионизирующих средах не применяется.
Информацию, касающуюся радиационного сопротивления пластмасс, следует рассматривать только как ориентир, поскольку различный химический состав пластика, мощность дозы, уровень механического напряжения, температура окружающей среды играет основную роль в противорадиационной стойкости. Обычно рекомендуется проводить экспериментальное тестирование применительно к конкретным условиям.
Стойкость органических веществ
Радиационная стойкость материалов органического происхождения – сельскохозяйственных культур, кустарников, деревьев – важна для оценки их экологической безопасности при потреблении (овощи, фрукты) и проведении сезонных лесохозяйственных работ, например, при высадке саженцев.
Таким образом, радиационное облучение считается одним из наилучших способов безопасности потребления фруктов и овощей.
Радиационная стойкость
Радиационной стойкостью называется способность веществ сохранять свои характеристики, например физико-механические, электрические и прочие, под воздействием радиации. Эти свойства могут меняться из-за смещения атомов вещества в кристаллической решётке, реакций ядер атомов, разрыва химических связей и других факторов. Указанные процессы бывают как обратимыми, так и необратимыми.
Радиационные изменения кристаллической решётки могут приводить к различным изменениям в свойствах материала. В том числе они зависят от его природы.
Стойкость неорганических материалов
При воздействии радиации на металлы возникающие одиночные дефекты как правило приводят к упрочнению материала. При этом электрическое сопротивление металлов растет ввиду появления дефектов в их решетке. Особенно сильно меняют свои свойства при радиационном облучении полупроводниковые материалы.
Показатель стойкости неорганических химических соединений к радиации зависит от кристаллической структуры и типов химических связей в этих соединениях. Самую большую устойчивость к радиации показывают ионные кристаллические решетки. Структуры с высокими плотностями и симметрией наиболее устойчивы к действию радиоактивных лучей.
При воздействии радиации на стекла наблюдается изменение степени прозрачности стекла, а также его окрашивание и кристаллизация. У силикатных кристаллов наблюдается анизотропное расширение, аморфизация структуры, снижение плотности, упругих и теплопроводных характеристик. Оксиды ведут себя похожим образом при воздействии излучения. Что касается бетонов, то они практически не теряют свойств при не критически высоких дозах облучения.
Стойкость органических веществ
Изменения характеристик органических материалов происходят из-за процессов возбуждения и ионизации молекул с образованием неравновесных частиц: электронов, ионов, радикалов, возбужденных молекул и т.д. Часто реакция облучения органических соединений характеризуется выделением различных газов.
Также радиационная стойкость органических соединений находится в зависимости от количества растворённого кислорода и скорости его диффузии в вещество. Растворенный кислород способствует радиационно-химическому окислению материалов, что приводит к изменению его химической и термической стойкости.
Обратимые изменения обусловлены установлением стационарного равновесия между генерацией нестабильных продуктов радиолиза и их гибелью, поэтому они зависят от мощности дозы. Сопротивление органических изоляционных материалов уменьшается при росте мощности дозы радиации.
Стойкость полимеров
С точки зрения полимерной науки воздействие радиации приводит в основном к «сшиванию» («сшивке») и деструкции полимеров. Это необратимые процессы, которые приводят к очень существенным изменениям структуры полимерного материала, особенно в присутствии кислорода.
Рис.1. «Сшитый» полимер с новыми поперечными связями
Также, в полимерных материалах и других органических соединениях зачастую возникает процесс после радиационного старения, который инициируется и поддерживается главным образом за счет химических реакций свободных радикалов. Эти частицы возникают при облучении полимеров в среде атмосферного кислорода.
Радиационная устойчивость у полимерных диэлектриков определяется главным образом их механическими, а не электрическими, характеристиками. Большая часть полимеров демонстрируют повышенную хрупкость и становятся не в состоянии переносить обычные для этих материалов механические нагрузки при получении доз радиации, не вызывающих существенных изменений их электрических показателей.
Стойкость полимеров к воздействию радиации также зависит от их молекулярного строения. Самой большой устойчивостью обладают полимеры, включающие в состав макромолекулы бензольные ядра, а самой малой — состоящие из алифатических звеньев, содержащие четвертичный атом углерода и атомы галогенов. Ниже приведена градация некоторых полимерных материалов по стойкости к радиационному излучению:
Основными показателями, описывающими необратимые изменения механических свойств полимерных материалов при радиационном излучении, являются:
— предел прочности материала,
Объявления о покупке и продаже оборудования можно посмотреть на
Обсудить достоинства марок полимеров и их свойства можно на
Зарегистрировать свою компанию в Каталоге предприятий
радиационная стойкость
РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ
способность материалов сохранять исходный хим. состав, структуру и свойства в процессе и (или) после воздействия ионизирующих излучений (ИИ).
Р. с. существенно зависит от вида радиации, величины и мощности поглощенной дозы, режима облучения (непрерывное или импульсное, кратковременное или длительное), условий эксплуатации материала (температура, высокое давление, мех. нагрузки, магнитное или электрич. поле), размеров образца материала, его уд. поверхности и др. факторов. На практике изменение свойств материала сопоставляется с величиной, характеризующей величину воздействующего излучения, напр. с потоком (флюенсом) нейтронов или поглощенной дозой ИИ. Количеств. характеристикой часто служит также макс. (предельное) значение поглощенной дозы и (или) мощности поглощенной дозы излучения, при котором материал становится непригодным для конкретных условий применения или до заданной степени меняет значение к.-л. характерного параметра. Обычно проводят ускоренные радиац. испытания в лаб. условиях, имитирующих эксплуатационные.
Возникающие в результате радиац.-индуцир. процессов ионы и своб. электроны могут участвовать в сложных цепях физ.-хим. превращений (образование новых молекул и своб. радикалов, изменение кристаллич. структуры и др.), совокупно приводящих к изменению мех., электрич., мат., оптич. и др. свойств материалов. Изменения в материалах м. б. обратимыми или необратимыми и произойти как непосредственно вслед за радиац. воздействием, так и в течение длит, времени после акта облучения.
Радиац. стойкость неорг. веществ зависит от кристаллич. структуры и типа хим. связи. Наиб. стойки ионные кристаллы. Плотные структуры с высокой симметрией наиб. устойчивы к воздействию излучений. Для стекол характерно изменение прозрачности и появление окраски; возможна кристаллизация. Силикаты начинают изменять свойства после облучения флюенсом нейтронов
Свойства металлов изменяются в зависимости от повреждений кристаллич. решетки. Одиночные дефекты обычно упрочняют металл, но снижают его пластичность. Электрич. сопротивление металлов или сплавов возрастает за счет образования дефектов, хотя в сплавах возможно и уменьшение электрич. сопротивления, если радиац. воздействие приводит к упорядочению структуры. В полупроводниках всегда имеется некоторая равновесная при определенной температуре концентрация точечных дефектов. Под действием облучения она увеличивается, что приводит к изменению электрич. и оптич. свойств полупроводников.
Радиац. стойкость орг. материалов принято определять величиной радиац.-хим. выхода продуктов радиолиза, образующихся при поглощении 100 эВ энергии ИИ ( см. радиационно-химический выход), Взаимод. ИИ с орг. соед. сопровождается образованием промежут. активных частиц, деструкцией, окислением, сшиванием, газообразованием, деполимеризацией (для полимеров) и т. д. Низкой радиац. стойкостью обладают вещества, содержащие связи С—F, С — Si, C—O. Наличие в молекуле двойных и сопряженных связей, ароматич. колец и гетероциклов увеличивает Р. с. Наиб. значит изменения структуры полимерных материалов под действием ИИ происходят при деструкции или сшивании молекул полимера.
Р с., в т. ч. полимеров, зависит и от количества растворенного в них O2 воздуха и скорости его поступления из окружающей среды; в его присутствии происходит радиац.-хим. окисление вещества. В результате этого существенно изменяются хим. и термич. стойкость веществ, предел прочности и модуль упругости, диэлектрич. проницаемость, электрич. прочность и электрич. проводимость
Обратимые изменения в орг. материалах обусловлены установлением стационарного равновесия между генерированием нестабильных продуктов радиолиза и их гибелью и зависят от мощности дозы. Так, электрич. сопротивление орг. изоляционных материалов с увеличением мощности дозы падает на неск. порядков. При больших дозах снижение остаточного электрич. сопротивления носит необратимый характер. У мн. полимерных материалов, облученных дозами до 10 6 Гр, исходная электрич. проводимость меняется в неск. раз. При дозе 10 4 Гр необратимые изменения, как правило, незначительны. В орг. полимерных материалах может возникать послерадиац. старение, которое обусловлено в осн. хим. реакциями образовавшихся своб. радикалов с O2 воздуха. Радиац. стойкость полимерных диэлектриков ограничивается, как правило, их мех. свойствами, т. к. они становятся хрупкими и теряют способность нести мех. нагрузки после доз, не вызывающих существ. изменений электрич. свойств.
В табл. приведены значения дозы облучения, вызывающие заметные (до 50%) изменения свойств некоторых материалов.
Для повышения Р. с. обычно используют пассивную защиту (экранирование), физ.-хим. модификацию материала, радиац.-термич. обработку. Использование защитного экранирования снижает степень воздействия ИИ на материал. Таким путем в весьма широких пределах можно «повысить» стойкость любого материала. При физ.-хим. модификации в материал вводят добавки — напр. антиоксиданты или антирады; таким путем радиац. стойкость м. б. повышена в 7–20 раз. Предварительная радиац.-термич. обработка — облучение и отжиг — позволяет увеличить радиац. стойкость металлич. материалов в 10–50 раз.
Лит.: Радиационная стойкость материалов. Справочник, под ред. В. Б. Дубровского, М., 1973; Радиационное электроматериаловедение, М., 1979; Действие проникающей радиации на изделия электронной техники, под ред. Е. А. Ладыгина, М., 1980; Радиационная стойкость органических материалов. Справочник, под ред. В. К. Милннчука, В. И. Туликова, М., 1986; Вавилов B.C.. Кекелнд-зе Н.П., Смирнов Л. С., Действие излучений на полупроводники, М., 1988; Радиационная стойкость материалов атомной техники. Сб. трудов, под ред. Б. А. Калина, М., 1989.
Б. С. Сычев, В. К. Милинчук, Л. Н. Патрикеев