Спосіб визначення поглинутої дози радіоактивного опромінення металами

Реферат: Винахід належить до способу вимірювання величини поглинутих доз радіоактивного опромінення металами і може бути використаний для визначення поглинутої дози радіації. Метод базується на використанні реєстрації радіаційно стимульованих змін структури металу, при цьому за допомогою тестувальної лунки та голографічної інтерферометрії визначають зміну внутрішніх механічних напружень, обумовлену поглинутою дозою опромінення, а дозу поглинутого опромінення визначають за відповідною формулою. UA 98078 C2 (12) UA 98078 C2 UA 98078 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Винахід належить до способу вимірювання величини густини поглинутих доз радіоактивного опромінення металами і може бути використаний для визначення поглинутої дози радіації. Металеві вироби відіграють суттєву роль при створенні конструкцій, які використовуються при радіаційному опроміненні. Прикладами таких виробів є елементи атомних електростанцій та космічних апаратів. Специфіка експлуатації цих пристроїв ставить високі вимоги до їх надійності функціонування в реальних умовах експлуатації. Під впливом радіаційного опромінення в металах та їх сплавах виникають структурні дефекти. Поява великої кількості радіаційних структурних дефектів приводить до суттєвої зміни сплавами фізичних властивостей. Під дією радіаційного опромінення при його поглинанні відбувається радіаційне зміцнення, пришвидшена дифузія, радіаційно обумовлені фазово-структурні перетворення, радіаційне розпушення. Явища радіаційно обумовленого впливу особливо помітні у випадку гетерогенних сплавів, коли кожна зі складових фаз змінюється під дією опромінення незалежним чином [1]. Найбільш розповсюджені методи вимірювання поглинутих доз опромінення побудовані на використанні газорозрядних або сцинтиляційних лічильників, іонізаційних камер, люмінесцентних, напівпровідникових чи фотографічних детекторів [2, 3]. На борту орбітальної станції "Мир" для оперативного контролю за радіаційним станом використовується дозиметрична апаратура Р-16, робота якої базувалась на використанні іонізаційного способу [4] і реалізується за допомогою іонізаційних камер і електростатичних реле. Такий спосіб має високу точність вимірювань –5 %. Недоліком цього способу (вибраного за аналог) є те, що він інформує про певну ефективну поглинуту дозу, яка вимірюється за використання модельного (газового) середовища, і не враховує особливості взаємодії (поглинання, перевипромінення) високоенергетичних частинок з конкретним металом. Крім того, за допомогою таких вимірювань принципово не можна врахувати вплив радіаційно обумовлених змін матеріалу на характеристики його поглинальної здатності. Аналогічні переваги і недоліки характерні для останніх доробок дозиметричної апаратури [5], які є іншими конструктивними реалізаціями іонізаційного способу. Відмінним від іонізаційного способу вимірювання поглинутої дози радіоактивного опромінення металами є калориметричний спосіб [2] вимірювання дози радіоактивного опромінення, який вибраний за прототип. Калориметричний спосіб базується на вимірюваннях приросту температури досліджуваного зразка, що знаходиться в колориметрі, обумовленого дією поглинутої енергії, величина якої визначається дозою поглинутого речовиною зразка радіоактивного опромінення. При визначенні величини поглинутої дози за допомогою калориметричного способу необхідно знати величину теплоємності опромінюваного сплаву. Недоліками такого способу є неможливість врахування зміни властивостей металу під радіаційним опроміненням (теплоємності, коефіцієнтів поглинання складових опромінення) та складність апаратури, обумовлена необхідністю використання проточних калориметрів. В основу винаходу поставлено задачу визначення дози поглинутої радіації в металах та їх сплавах, що базується на використанні реєстрації радіаційно стимульованих змін структури металу навіть у присутності залишкових механічних напружень. До радіаційного опромінення в металевому зразку існує механічне напруження 1. Значення 1 однозначним чином [6] пов’язане з відносним зміщенням ( a1 ) атомів ґратки зразка з їхнього a рівноважного положення: a1 1 . (1)  a E1 45 50 Тут а - стала ґратки при відсутності механічного напруження, а1 - зміна величини сталої ґратки під дією механічного напруження 1, Е1 - модуль пружності зразка до опромінення. Під час поглинання радіаційного опромінення в кристалічній структурі металевого зразка утворюються дефекти, які приводять до зміни сталої ґратки, що була до опромінення, а значить і до зміни величини початкового напруження - від 1 до 2. Зміна величини напруження під дією поглинутої дози опромінення пов’язана із зміною величини сталої ґратки. У цьому випадку відхилення від рівноважної величини сталої ґратки стає рівним а2. Тоді буде виконуватись співвідношення, аналогічне (1): a 2  2 , (2)  a E2 де Е2 - модуль пружності зразка після опромінення. Різниця |а2-a1| залежить [7, 8] від значення поглинутої дози І: 1 UA 98078 C2 a 2 1     I , (3) a a де  - стала радіаційного деформування ґратки зразка, що залежить від хімічного складу металу. Зі співвідношень (1) - (3) випливає вираз:  2 1     I . (4) E 2 E1 5 10 15 Відомий метод [9, 10] визначення  в металах при використанні методу зондувальних лунок. Параметри лунок: їх діаметр d, глибина Н вибираються таким чином, щоб висвердлювання лунок в зразку з металу не впливало на його експлуатаційні властивості. При наявності внутрішнього напруження в зоні розташування лунки безпосередньо на її кромці виникає бруствер, висота якого h пропорційна величині . Тобто, має виконуватися співвідношення [9, 10]: =Eh, (5) де (d,H) - відомий [9, 10] розмірний коефіцієнт пропорційності, залежний від d та Н. Позначимо висоту бруствера до (після) опромінення h 1 (h2). Тоді внутрішні механічні напруження 1, 2 до і після опромінення відповідно можна представити у вигляді: 1=Е1h1; (6) 2=E2h2. (7) З формул (4), (6), (7) випливає співвідношення: I  h 2  h1  20 25 30 35 40 45 50  h   , (8)    де h=h2-h1. Вираз (8) є базовим для запропонованого методу вимірювання поглинутої дози радіаційного опромінення. Запропонований спосіб визначення поглинутої дози І, яка обумовила залишкові напруження а за допомогою тестувальної лунки з голографічною інтерферометрією зображено на кресленні. Тут (1) - металевий зразок, (2) - свердлильний прилад, (3) - лазер, (4) - оптичний блок поділу променя лазера і формування шляху вторинних оптичних променів та зміни оптичної довжини шляху на половину довжини хвилі лазера, (5) - відеокамера, (6) - комп'ютер з програмою розшифровки інтерферограм, що визначає висоту бруствера на кромці висвердленої лунки. Винахід має новизну, що базується на використанні реєстрації радіаційно стимульованих змін структури металу, винахідницький рівень, оскільки не є очевидним та промислово придатним, що випливає з аналізу Фіг. 1. Література: 1. Неустроев B.C., Дворецкий В.Г., Островский З.Е. и др. Исследования микроструктуры и механических свойств стали 08Х18Н10Т после облучения в активной зоне реактора ВВЭР1000. Вопросы атомной науки и техники. 3, 73-78. 2003. 2. Скалецький Ю.М., Мисул І.Р. Радіологія та медичний захист, Тернопіль, Укрмедкнига. 2003. 3. Иванов В.И. Курс дозиметри. – М.: Энергоатомиздат, 1988. 4. Кузнецов Н.В., Ныммик Р.А., Панасюк М.И. и др. Регистрация и прогнозирование поглощенных доз радиации от потоков солнечных протонов на борту орбитальных станций, Космич. Исслед. 42, 3, 211-218. 2004. 5. Дозиметры - радиометры МКС-01СА. Государственный реестр средств измерения Российской федерации. № 33063 - 08, 2008. 6. Русаков А.А. Рентгенография металлов. – М.: Атомиздат, 1977. 7. Томпсон М. Дефекты и радиационные повреждения в металах.: М.:_Мир, 1971. 8. Акишин А.И. Космическое материаловедение. М.: НИИЯФ МГУ, 2007. 9. Чернышев Г.Н., Попов А.Л., Козинцев В.М., Пономарев И.И. Остаточные напряжения в деформируемых твердых телах. М.: Наука, 1996. 10. Голографическое устройство для определения внутренних остаточных напряжений. Лобанов Л.М, Пивторак В.А., Черкашин Г.В., Андрущенко С.Г. Авт. Свид. СССР № 01768928. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Спосіб визначення поглинутої дози радіоактивного опромінення металами, що базується на використанні реєстрації радіаційно стимульованих змін структури металу, який відрізняється тим, що визначають зміну внутрішніх напружень, обумовлену поглинутою дозою опромінення, 2 UA 98078 C2 за допомогою тестувальної лунки та голографічної інтерферометрії, а дозу поглинутого опромінення І визначають за формулою: I  h  5  ,  де:  h - зміна висоти бруствера на краю лунки за час радіаційного опромінення зразка;  - розмірний коефіцієнт пропорційності, залежний від глибини та діаметра тестувальної лунки;  - стала радіаційного деформування ґратки металу, залежна від будови металу. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3