Радіаційнозахисний матеріал

Радіаційно-захисний матеріал, що містить матрицю, виконану, щонайменше з одного компонента чи композиції на його основі, яка охоплює рентгенпоглинаючий модифікатор як сегрепровану полідисперсну суміш, що включає частки щонайменше одного металу чи його хімічної сполуки, який відрізняється тим, що загальна маса модифікатора в матеріалі з заданими параметрами, наприклад товщини і маси, відповідає значенню дифракційного максимуму проходження випромі нювання в еталонному матеріалі і регламентована співвідношеннями = К-т, Н п о г л = К - Н п р о х Де М - маса модифікатора в матеріалі з заданими параметрами (г), К - коефіцієнт співвідношення маси модифікатора до маси модифікатора в еталонному матеріалі, m - маса модифікатора в еталонному матеріалі (г), f n p o x - коефіцієнт значення дифракційного максимуму проходження випромінювання в еталонному матеріалі (ВІДНОСНІ ОДИНИЦІ), f n o m - коефіцієнт максимального поглинання (ВІДНОСНІ ОДИНИЦІ), Нпогл ' оптимальна висота шару суміші модифікатора при заданому f n o m (см) Н п р о х - висота шару суміші еталонного матеріалу при значенні дифракційного максимуму проходження випромінювання (см) О со о> ю Винахід відноситься до області радіаційної техніки і стосується матеріалів для захисту від радіаційного впливу і може бути використаний в ядерно-енергетичних установках, на радіохімічних підприємствах по виробленню і переробці ІЗОТОПІВ, у виробництві контейнерів для транспортування і збереження ІЗОТОПІВ і радіоактивних ВІДХОДІВ, за хисту окремих спеціальних приміщень, для виготовлення засобів захисту устаткування й обслуговуючого персоналу На даний час захист від проникаючого випромінювання здійснюється радіаційно-захисними матеріалами, до складу яких входять елементи з великим атомним номером, тобто важкі елементи ВІДОМІ захисні матеріали від впливу рентген- і гамма-випромінювання, що складаються з важких металевих конструкцій (свинець, сталь) і від впливу нейтронів (легкі елементи бор, ЛІТІЙ, гідриди металів, воденьутримуючм рідини й органічні полімери) Кожен вид цих захисних матеріалів поряд з перевагами, має й ІСТОТНІ недоліки Але до основних недоліків таких матеріалів варто віднести їх дуже велику вагу і значні витрати на їхнє виготовлення Основною задачею при конструюванні об'єктів захисту від рентген- і гамма-випромінювання можна вважати зниження маси і товщини, розроблювальних для цього радіаційно-захисних матеріалів Однак створення компактного захисту зі зменшеною товщиною матеріалу веде до зростання його маси через використання відомих важких модифікаторів І, навпаки, збереження ступеня ослаблен 59493 ня рентген- і гамма-випромінювання при зниженні ЩІЛЬНОСТІ матеріалу спричиняє необхідність збільшення товщини захисту У цьому полягає основне протиріччя при створенні радіаційно-захисних матеріалів, що забезпечують ефективний компактний захист від рентген- і гамма-випромінювання, оскільки одночасного зниження товщини і маси рентгенпо-глинаючого матеріалу практично неможливо досягти при застосуванні відомих модифікаторів Це протиріччя вимагає компромісного підходу до вибору товщини і маси захисного матеріалу з урахуванням його вартості ВІДОМІ радіаційно-захисні матеріали нового класу засновані на ультрадисперсних системах, що дозволяють зменшити товщину і вагу матеріалу і одночасно підвищити їхні захисні властивості в 2-3 рази за рахунок зниження вагової частки модифікатора Відома робота, у якій приведені експериментальні результати, що показують аномальну взаємодію рентгенівського випромінювання з ультрадисперсними системами (Ткаченко В І та ш «Теоретично й експериментальне обґрунтовано те, що поширення рентгенівського випромінювання в ультрадисперсних середовищах визначається геометрією і складом цих середовищ» Наукові відкриття, М, С-Петербург, 2000 р) Установлено, що полідисперсні середовища при забезпеченні визначеної дисперсності долей і їхньої сегрегації шляхом перемішування виявляють здатність аномально сильно послабляти рентгенівське випромінювання, що обумовлено самоорганізацією полідисперсних часток розміром від тисячних часток до сотень мікрометрів в енергетичне взаємозалежні рентгенпоглинаючі ансамблі Взаємодія квантів радіаційного випромінювання з мікронеоднорідностями поверхневої і внутрішньої структури часток, що утворюють квазідисперсну систему, приводить до виникнення дифракційних максимумів і мінімумів Однак підбір дисперсності порошків має свої специфічні особливості, властиві технології роботи з порошками, і є енерго- і трудомістким процесом, що вимагає значних матеріальних витрат На підставі цих робіт розроблені нові рентгенпоглинаючі матеріали Відомий рентгенпоглинаючий матеріал (див патент РФ №2121177, МПК5 G21F 1/10, опубл 27 10 98), що включає матрицю з зафіксованим рентгенпоглинаючим модифікатором у вигляді дисперсних часток Як модифікатор використовують сегрепровану шляхом перемішування полідисперсну суміш, що включає частки металу розміром 10 -10 З м, охоплені об'ємом матриці, виконаної з затвердіваючого при атмосферному тиску щонайменше одного компонента чи композиції на його основі Загальна маса сегрепрованої полідисперсної суміші з часток рентгенпоглинаючого модифікатора регламентована співвідношенням М=(0,05-0,5)т, де т - еквівалентна маса матеріалу рентгенпоглинаючого модифікатора, рівна по захисних властивостях масі (М) Однак, основним недоліком є прив'язка рентгенпоглинаючого модифікатора до загальної маси (М), що зводить нанівець використання проявів аномальних явищ і дію класичних ефектів поглинання за рахунок змушеного збільшення в матеріалі об'єму металевих елементів Тому матеріал, одержаний таким шляхом, буде мати велику товщину і, ВІДПОВІДНО, вагу, що обмежує його застосування, особливо для виробів з невеликою товщиною, тому що, чим тонше матеріал, тим складніше підібрати необхідну частку модифікатора в матриці для матеріалу, що забезпечує максимальний радіаційний захист Крім того, до недоліків такого матеріалу відноситься і те, що матриця виконана з компонентів, які формуються при атмосферному тиску, що зменшує діапазон застосування Найбільш близьким по технічній суті й ефекту, що досягається, є радіаційно-захисний матеріал (див патент РФ №2172990, МПК7 G21F 1/10, опубл 17 08 01), що містить матрицю, виконану щонайменше з одного компонента чи композиції на його основі, що здобувають робочий стан при умовах, які відрізняються від нормальних і, що охоплює рентгенпоглинаючий модифікатор у вигляді сегрепрованої полідисперсної суміші, що включає частки щонайменше одного металу чи його хімічної сполуки Загальна маса суміші з часток модифікатора регламентована співвідношенням М=(0,5 0,99)т, де т - маса рентгенпоглинаючого модифікатора, обрана з відомих умов, що забезпечують необхідні захисні властивості для чистого модифікатора Авторами відомого винаходу експериментальне і розрахунковим шляхом доведено, що можливо підвищити точність визначення модифікованої добавки металевих елементів і розширити діапазон їхнього внесення Загальна маса полідисперсної суміші (М) регламентована масою (т) рентгенпоглинаючого модифікатора, обраної з умови необхідних радіаційно-захисних властивостей для чистого рентгенпоглинаючого модифікатора, що також зводить нанівець дію аномальних явищ і дії класичних ефектів поглинання за рахунок необхідності збільшення в об'ємі металевих елементів Загальна маса полідисперсної суміші регламентована співвідношенням, яке одержують шляхом експериментів, що й у першому аналогу, але у ВІДМІННОСТІ від нього масу порівнюють з обраною з умов необхідних радіаційно-захисних властивостей для такої ж маси чистого рентгенпоглинаючого модифікатора і перевіряють по відношенню, що не гарантує точність одержання значення, ВІДПОВІДНОГО величині максимального поглинання випромінювання Точність одержання результатів забезпечується великим обсягом вимірів Для того, щоб підібрати необхідний захисний матеріал, необхідно виготовити кілька десятків зразків із заданою товщиною і вагою, отриманих з поступовим збільшенням процентного змісту модифікатора Кожен зразок просвічують за відомою методикою і послідовно виявляють близький до заданих параметрів результат Результат, отриманий таким способом, не дає надійної гарантії влучення в значення, що відповідає максимальному поглинанню випромінювання Для кожної концентрації дрібнодисперсного порошку чи модифікатора кожної матриці необхідно провести ідентичні виміри не 59493 менш, ніж на 50 зразках На підставі згаданого вище, одержання рентгенпоглинаючого матеріалу, склад компонентів якого регламентований співвідношенням ВІДПОВІДНО до відомого винаходу, має наступні недоліки - добавка модифікатора в кожен зразок з поступовим збільшенням його КІЛЬКОСТІ впливає на хіміко-механічні характеристики матеріалу і не гарантує виключення технологічної помилки, обумовленої експериментами, - виготовлення декількох десятків зразків робить новий матеріал дорогим Підбір зразків для виявлення аномальних явищ не забезпечує гарантійного їхнього виявлення, тому що не виключається можливість пропустити значення максимального поглинання випромінювання Для того, щоб визначити це значення, необхідно виявити поглинання випромінювання для кожного зразка, тому для цього спочатку необхідно провести випробування зразка, а потім отриманий результат перерахувати і порівняти з відомим - підбір полідисперсності в суміші ускладнює і робить трудомістким технологічний процес виготовлення нового матеріалу, особливо для одержання матеріалів з невеликою товщиною, що має особливо низький відсоток дисперсності, - необхідність довільно збільшувати товщину кожного наступного зразка заданого матеріалу, тому що нефіксована частина викиду може знаходитися в попередніх зразках, - неможливість визначення оптимальної КІЛЬКОСТІ модифікатора, необхідної для внесення в кожен досліджуваний зразок Таким чином, виконання всіх цих операцій ускладнює, а в деяких випадках робить неможливим створення матеріалу по заданих параметрах, наприклад, товщини і маси Відомий винахід не дозволяє полегшити процес підбору співвідношень компонентів, що відповідають значенню дифракційного максимуму проходження випромінювання для одержання радіаційнозахисного матеріалу по жодному з відомих параметрів В основу винаходу поставлено задачу створення нових радіаційнозахисних матеріалів шляхом визначення значення дифракційного максимуму проходження випромінювання, по заданих технологічних параметрах матеріалу, за рахунок зниження вагової частки модифікатора з забезпеченням захисних властивостей матеріалу Поставлена задача вирішується таким чином, що радіаційно-захисний матеріал, що містить матрицю, виконану щонайменше з одного компонента чи композиції на його основі, яка охоплює рентгенпоглинаючий модифікатор у вигляді сегрепрованої полідисперсної суміші, що включає частки щонайменше одного металу чи його хімічної сполуки, ВІДПОВІДНО до винаходу загальна маса модифікатора в матеріалі з заданими параметрами, наприклад, товщини і маси, відповідає значенню дифракційного максимуму пропущен™ випромінювання в еталонному матеріалі і регламентована співвідношеннями М=Кт, Нпогл ~г\ гіпрох , ДЄ К- ln(fnpox /fnom)-1 М - маса модифікатора в матеріалі з заданими параметрами (г), К - коефіцієнт співвідношення маси модифікатора до маси модифікатора в еталонному матеріалі, m - маса модифікатора в еталонному матеріалі (г), fnpox - коефіцієнт значення дифракційного максимуму проходження випромінювання в еталонному матеріалі (ВІДНОСНІ ОДИНИЦІ), fnom " КОефіЦІЄНТ МЭКСИМЭЛЬНОГО ПОГЛИНЭННЯ (ВІДНОСНІ ОДИНИЦІ), Нпогл - оптимальна висота шару суміші модифікатора При ЗадаНОМу fnom (CM) Нпрох - висота шару суміші еталонного матеріалу при значенні дифракційного максимуму проходження випромінювання (см) Те, що маса модифікатора в матеріалі з заданими параметрами, наприклад, товщини і маси, відповідає значенню максимального проходження випромінювання еталонним матеріалом і регламентована приведеними вище співвідношеннями, дозволяє використовувати відому методику і пристрій для визначення спектру аномальних відхилень і виявити максимальне його значення і, підставивши знайдені значення у формулу, одержати масу модифікатора, що відповідає заданій, тобто необхідній, товщині і маси матеріалу для виготовлення визначеного виробу, що забезпечує радіаційний захист Одержання радіаційно-захисного матеріалу, ВІДПОВІДНО ДО винаходу, відрізняється простотою, не вимагає значних матеріальних витрат Крім цього, представляється можливість для розробки нових матеріалів стосовно до конкретних умов і властивостей їхнього використання Для одержання нового радіаційно-захисного матеріалу ВІДПОВІДНО ДО винаходу, що заявляється, виключається необхідність виготовлення великої КІЛЬКОСТІ окремих зразків Виключаються необхідність підбора полідисперсності модифікатора для кожного зразка, особливо це стосується матеріалів з невеликим об'ємом модифікатора Забезпечується зменшення ваги виробу за рахунок можливості визначення оптимального значення маси модифікатора в заданому матеріалі і, ВІДПОВІДНО, знижується витрата металу В основу експериментів покладені апробована методика і відома установка, (див статтю «Проходження рентгенівського випромінювання крізь ультрадисперсні системи», Ткаченко В І , Крикун Ю О Атомна енергія - т 78, вип 3, березень 1995р, С 186-194) Установка для визначення КІЛЬКОСТІ модифікатора складається з джерела багатоенергетичного випромінювання гамма-квантів, розміщеного в захисному контейнері з коліматором, вісь якого спрямована по вертикалі і збігається з віссю отвору в металевій підставці, і сцинтиляційного детектора з кристалом NaJ, установленого напроти отвору з протилежної сторони підставки По відношенню потоків випромінювань, що випускаються джерелом і проходять через еталонний матеріал, визначали значення дифракційного максимуму Погрішність вимірів даної установки не перевищує 1,5% Для визначення маси модифікатора в матриці по заздалегідь заданих значеннях товщини і ваги 59493 матеріалу у першу чергу підбирається матриця Потім ВНОСИТЬСЯ модифікатор по масі з приблизно заданим значенням поглинання Після цього порціями додається матриця Шляхом перемішування отримується суміш еталонного матеріалу зі зростанням висоти шару суміші по мірі додавання матриці Потім ШЛЯХОМ просвічування еталонного матеріалу визначається значення дифракційного максимуму проходження випромінювання Визначаємо коефіцієнт співвідношення маси модифікатора до маси модифікатора еталонного матеріалу по формулі K-ln(fnpox / fnom)-1 За отриманим значенням (К) визначаємо дійсне значення маси (М) модифікатора при коефіцієнті максимального поглинання випромінювання (fnom) M=Km Потім визначаємо висоту фантома (шару) суміші при максимальному поглинанні випромінювання (аномальному поглинанні) Н П О т-К НпрОх Винахід ілюструють наступні приклади конкретного одержання матеріалу Приведені приклади для одержання двох матеріалів заданої товщини і ваги підтверджують можливості визначення параметрів у широкому діапазоні товщин матеріалу Приклад 1 Кювета, виготовлена у формі циліндра з алюмінієвого сплаву Д-16 (внутрішній діаметр 3,2см), встановлена у концентрованому пучку гаммаквантів У циліндр вводять вольфрамовий порошок масою т=3,9г (модифікатор) і послідовно додають рідку полімерну масу УП-200 (матриця) Питома насипна вага вольфрамової маси - 5,4г/см3, УП200-1,1г/см3 Еталонний матеріал (фантом) просвічують джерелом випромінювання Am 24 з енергією 60КэВ Послідовно додається матриця і визначається fn гама-випромінювання до досягнення висоти фантома (шару), при якій значення fnpOx буде максимальним Внесеній вольфрамовій масі 3,9г відповідає fnOm-2,46 (у відносних одиницях) Максимальне значення пропущення гамма-квантів було досягнуто при висоті фантома (шару) 1,875см ВІДПОВІДНО ДО ЦЬОГО fnpOn гама-квантів складе 9,34 (у відносних одиницях) К=1п (9,34/2,46)-1 =0,333 М=К 171=0,333 3,9=1,287г Тепер визначається величина НПОгл зі співвід Комп'ютерна верстка Е Ярославцева 8 ношення К—Нпогл'Нпрох Нпогл=КНпрох=3,33 1,875=0,62см По заданих параметрах розроблювального матеріалу можливо визначити вагові характеристики виробу Значення дифракційного максимуму пропущення випромінювання через визначений матеріал відносно його вагових характеристик забезпечує максимальний захист, ВІДПОВІДНО ДО фізичних закономірностей аномальної взаємодії полідисперсних систем для матеріалів з гаммавипромінюванням, що підтверджується вище приведеними розрахунками Заявлене рішення дозволяє значно розширити діапазон можливостей визначення значення товщини і ваги заданого виробу до товщини тонких плівок Приклад 2 Визначення товщини і ваги для тонких плівок виконується ВІДПОВІДНО до вище приведеного приклада 1 Для т=0,17г вольфрамової суміші маємо Fnom - 0 , 6 (у ВІДНОСНИХ ОДИНИЦЯХ), fnpox-2,38 (у ВІДНОСНИХ ОДИНИЦЯХ), К=1п(2,38/0,6)-1=0,38 Нпрох-0,3см Нпогл=КНПрох=0,38-0,3=0,11см М=Кт=0,38 0,17=0,6г Результати підтверджують можливість простими засобами створювати нові матеріали з захисними властивостями, що необхідні для визначених матеріалів з урахуванням конкретних умов їхнього використання Отримані результати дозволили провести шженерно-технічну розробку нових радіаційнозахисних матеріалів для виготовлення контейнерів для транспортування і збереження радіоактивних ВІДХОДІВ Використання цього способу дозволяє ефективно використовувати наукові й експериментальні досягнення наукових відкриттів Нові фізичні властивості матеріалів досягаються при - зменшенні ваги захисних модифікаторів у 2-3 рази, застосуванні традиційних матеріал івпорошків, що випускаються металургійною і ХІМІЧНОЮ промисловістю, - скороченні обсягу використання рідкоземельних, кольорових і важких металів, - забезпеченні екологічних вимог до технологій виготовлення матеріалів Підписано до друку 06 10 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна