CC BY
23
УДК 29.15.39
Вестник СибГАУ Т. 16, № 3. С. 758-762
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ СВОБОДНОГО ПРОБЕГА ЧАСТИЦ БЕТА-РАСПАДА В ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛАХ
С. В. Телегин*, В. Н. Саунин, Е. Я. Чесноков
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*Е-шаИ: telegin@sibsau.ru
Для увеличения точности в расчетах при выборе материалов экрана разработана методика экспериментального определения длины свободного пробега частиц fi-распада в порошковых материалах. Погрешность расчета материалов сложного химического состава по эмпирическим формулам достигает 30 %. Для исследования выбрали порошок ПТ НА 01. Выбор обусловили тем, что он имеет в составе два элемента, и длину свободного пробега можно рассчитать по формулам с высокой точностью. Данные морфологического исследования порошка выявили его основной фракционный состав - 87 % от 40 до 80 мкм и осколочную форму частиц. Процентное содержание лака в образце определяли экспериментально. Лучшей оказалась композиция с 3 % лака в сухом остатке. Установлено, что при полимеризации лак теряет 50 % массы. Исследование технологических факторов изготовления образцов показало, что оптимальное давление прессования составляет 6 т/см2, при этом плотность образцов не превышает 65 %. Значение давления выбрали в зависимости от прочностных свойств брикетов. Источником в-излучения при исследованиях являлось излучение изотопа Sr-Y с интенсивностью 2,7Е+05 имп/с. Оценку вклада связующего проводили на образцах из чистого лака. Измерения показали, что его коэффициент ослабления составляет 1,26 ± 3 % для толщины образца 0,08 см с плотностью 1,07-1,18 г/см3. При рассматриваемых измерениях вкладом связующего можно пренебречь, так как его содержание не превышает 3 % от массы наполнителя. В результате исследования зависимости интенсивности от толщины получили значение экстраполированного пробега электронов в материале образцов (0,21 ± 0,04) см, что принадлежит области доверительного интервала значения рассчитанного по эмпирическим формулам пробега 0,14 см с учетом коэффициента заполнения, равного 0,65, с точностью до 15 %. С целью увеличения коэффициента заполнения и уменьшения толщины лака на частицах рассмотрели влияние вязкости лака на величину плотности. Расстояния между частицами у образцов с лаком, который развели 1:1 по массе с этиловым спиртом, заметно меньше. Коэффициент заполнения у этих образцов достиг 0,88, а длина экстраполированного пробега (0,16 ± 0,02) см. Точность определения длины свободного пробега по предложенной методике не превышает 10 % в данном материале.
Ключевые слова: ионизирующие излучения, в-распад, длина свободного пробега, плотность, порошковый материал.
Vestnik SibGAU Vol. 16, No. 3, P. 758-762
DETERMINATION OF PARTICLE MEAN FREE PATH BETA DECAY IN THE PARTICULATE MATERIAL
S. V. Telegin*, V. N. Saunin, E. Ya. Chesnokov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail:telegin@sibsau.ru
We developed a method for the experimental determination of the mean free path of the particles ofв-decay in powder materials, to improve the accuracy of calculations when selecting materials for screens. Error in the calculation materials of complex chemical composition by empirical formulas reaches 30 %. For the study, we took a powder PT-NA-01. Selection is based on the fact that the powder is composed of two elements, the mean free path of the electrons can be calculated according to the formulas with high accuracy. Morphological study of the powder showed that the particles are in the shape offragments and 87 % of their size in the range of 40 to 80 microns. The weight ratio of lacquer in a powder sample was determined experimentally. The best was the composition comprising 3 % lacquer in the dry residue. It has been found that the polymerization of lacquer loses 50 % of the mass. Investigation of factors of manufacturing process of samples showed that the optimal compression pressure of 6 t / cm2, and the density of the
samples do not exceed 65 %. The pressure is chosen depending on the strength properties of the briquettes. We used radiation isotope St—Y with intensity 2,7E + 05 pulses / sec. The proportion of radiation absorption in the binder was investigated on samples of lacquer. The measurements showed that its attenuation coefficient is 1,26 ± 3 % for the thickness of 0.08 cm with a density of 1,07-1,18 g / cm3. In these studies, the contribution of the binder can be neglected because its content does not exceed 3 % by weight offiller. It was found that dependence of intensity on the thickness of the sample, the value of the extrapolated path of the electrons is equal to (0,21 ± 0,04) cm, it belongs to the region of the confidence interval, the values calculated by empirical formulas 0.14 cm divided by the fill factor was equal to 0.65, the calculation accuracy of 15 %. To increase the fill factor and reduce the thickness of the lacquer on the particles, we examined the effect of the viscosity of the lacquer on the density of the sample. The distance between the particles in the samples with lacquer, which dissolved 1:1 by weight with ethanol is much smaller. The fill factor of these samples reached 0.88, and extrapolated path - (0,16 ± 0,02) cm. The accuracy of calculation of the mean free path of the proposed method does not exceed 10 % in this material.
Keywords: ionizing radiation, ft-decay, mean free path, density, powder material.
Введение. Основным материалом при изготовлении защитных экранов (ЗЭ) от ионизирующих излучений (ИИ) приборов и прецизионных устройств в космической технике является алюминий [1]. Его основные достоинства - это малый вес, высокая пластичность, хорошие экранирующие свойства, невысокая цена и др. [2]. На практике, элементы или целиком блоки, чувствительные к ИИ, заключают в оболочку из алюминия толщиной от 0,1 до 1 см. Эффективность этих экранов начинает резко снижаться при толщинах свыше 1 см, так как при взаимодействии заряженных частиц с ядрами материала экрана возникает интенсивное электромагнитное тормозное излучение, обладающее высокой проникающей способностью [3]. Увеличение массы ЗЭ приводит и к увеличению стоимости вывода спутников на орбиту на 25-50 % [4; 5]. Но, с другой стороны, увеличение срока активного существования спутника требует применения экранов для уменьшения накопленной дозы в элементах устройств.
Данная проблема характеризуется двойственным подходом. Материал защитного экрана должен быть по защитным свойствам более эффективным, чем алюминиевый, при одинаковой плотности или при одинаковом экранировании обладать меньшей плотностью. Решение такой задачи находится в области конструкции экрана, потому что взаимодействие ИИ с веществом довольно хорошо изучено и для гомогенных материалов не представляет особой трудности [6; 7]. Но получить требуемые свойства возможно только с применением гетерогенных структур, расчетные формулы для которых имеют большую погрешность (до 40 %), и область их применения ограничена как выбором элементного состава, так и спектральными характеристиками излучения [8; 9].
Одним из основных параметров материала при проектировании конструкций защитных экранов от р-излучения является длина свободного пробега (ДСП) электронов [10; 11]. Погрешность расчета ДСП по эмпирическим формулам может достигать 30 % в зависимости от сложности химического состава исследуемого материала [12].
Для увеличения точности в расчетах при выборе материалов экрана была разработана методика, так как обычным прессованием не удавалось получить образцы требуемой толщины и прочности.
За основу была взята методика, используемая в ГОСТ 13610-79 при подготовке образцов сердечников стержневой формы для проведения магнитных испытаний [13]. В ней порошковый материал обрабатывается лаком с последующей сушкой, просеиванием, брикетированием под давлением и полимеризацией лака в печи.
Методика эксперимента и оборудование. Отработка технологии изготовления образцов проводилась на порошке ПТ НА 01, содержащем 95 % никеля и остальное - алюминий. Выбор порошка обусловлен возможностью точного расчета его ДСП по формулам для последующего сравнения с измеренным.
Морфологические исследования проводились на микроскопе фирмы 1А№УБКТ. Определение фракционного состава проводилось с помощью набора сит. Взвешивание материалов проводилось на весах ВЛА-200М с точностью до 0,01 г.
В качестве связующего выбран лак МЛ92, широко использующийся в промышленности и допущенный к применению в космических аппаратах. Процентное содержание лака в образце определялось экспериментально. Изготовлены три серии образцов с содержанием лака 2, 3 и 4 % в пересчете на сухой остаток лака, который при полимеризации теряет 50 % массы.
Брикетирование проводилось на прессе ИП-1000, оборудованном измерительными системами скорости нагружения и предельного давления.
Зависимость плотности упаковки от величины нагрузки при прессовании брикетов исследовалась при значениях давления 4, 6, 8 т/см2 (392, 588, 784 Мн/м2). Плотность образцов определялась методом гидростатического взвешивания [14].
Для сушки образцов применялся вакуумный сушильный шкаф ВШ-0,035А, температура контролировалась хромель-алюмелевой термопарой (тип К).
Измерения ослабляющей способности материалов к ионизирующим излучениям проводилось на разработанной и изготовленной установке экспресс-контроля. В качестве датчика импульсов использовался счетчик Гейгера-Мюллера СБТ-9. Счетчик СБТ-9 имеет тонкое слюдяное «окно», которое делает его чувствительным не только к у- и жесткому Р-излучению (оно воспринимается через тонкостенный металлический корпус-катод), но и к мягкому Р- и даже а-излучению. Установка оборудована счетчиком импульсов СТ6-2Р и пересчетным прибором
ПС-20, имеющими разную чувствительность при большой скважности, что необходимо при исследовании тонких образцов. В качестве источника бета-излучения использовалось излучение изотопа 8гУ.
Результаты и обсуждение. Морфологические исследования показали, что частицы порошка ПТ НА 01 имеют неправильную осколочную форму, слипания частиц в конгломераты не наблюдается (рис. 1).
Рис. 1. Форма частиц порошка *64
Просеивание порошка через сита с разными ячейками определило, что он в основном состоит из частиц с размером от 40 до 80 мкм (табл. 1).
Таблица 1
Фракционный состав порошка
Содержание, % Величина фракции, мкм
8,8 > 80
87,1 < 80; > 40
4,1 < 40
Образцы с содержанием лака 2 % после спекания не имели достаточной прочности, при легком надавливании разрушались. Также отбракованы и образцы с 4 % лака; частицы после сушки слипались, их не-
возможно было разделить в ступке и просеять. Лучшей оказалась комбинация с 3%-ным содержанием лака.
Тонкие образцы, изготовленные при прессовании 4 т/см2, отбраковывались из-за низких прочностных характеристик, и в дальнейшем все образцы, прессованные при данных условиях, не исследовались.
Плотность образцов при прессовании с давлением 6 т/см2 составляет ~ 65 %, что определялось гидростатическим взвешиванием, по плотности на рис. 2 и получено по расчету через объем и массу. Образцы, изготовленные при большем давлении, имели такую же плотность, это можно объяснить малым содержанием фракции (меньше 40 мкм) в составе порошка (табл. 1).
Чтобы оценить вклад связующего, были изготовлены образцы из лака. Измерения показали, что коэффициент ослабления не превышает 1,26 ± 3 % для толщины образца 0,08 см с плотностью 1,07-1,18 г/см3.
Результаты исследований серии образцов представлены в табл. 2. Погрешности измерений интенсивности, геометрические и весовые погрешности не превышают 6, 1 и 1 % соответственно. Интенсивность источника - 2,7Е+05 имп/с. При данных измерениях вкладом связующего можно пренебречь, так как его содержание не превышает 3 %.
В результате исследования зависимости интенсивности от толщины было получено значение экстраполированного пробега электронов [15] в материале образцов (0,21 ± 0,04) см, что принадлежит области доверительного интервала значения рассчитанного [16] пробега 0,14 см с учетом коэффициента заполнения, равного 0,65, с точностью до 15 % .
С целью увеличения коэффициента заполнения и уменьшения толщины лака на частицах рассмотрено влияние вязкости лака на плотность. Расстояния между частицами у образцов с лаком, разведенным 1:1 по массе с этиловым спиртом, заметно меньше (рис. 2).
Таблица 2
Результаты измерений
№ образца 1 2 3 4 5 6 5* 7 8 7* 9 10
Толщина, см 0,05 0,06 0,08 0,09 0,10 0,14 0,15 0,16 0,18 0,17 0,22 0,24
Вес, г 0,51 0,67 0,90 1,04 1,31 1,54 1,66 1,94 2,04 2,17 2,60 2,88
Интенсивность, имп/с 1,6£+05 1,2Е+05 6,5Е+04 3,5Е+04 1,4Е+04 2,6Е+03 1,2Е+03 9,1Е+02 6,5Е+02 6,0Е+02 3,5Е+02 3,6Е+02
Коэффициент ослабления 1,74 2,40 4,41 8,21 20,7 112 230 314 442 477 825 896
* Серия при нагрузке прессования 8 т/см2.
Рис. 2. Фото шлифов образцов с различной вязкостью лака х128: а - в состоянии поставки; б - разведённый 1:1
Коэффициент заполнения у этих образцов достиг 0,88, а длина экстраполированного свободного пробега (0,16 ± 0,02) см. Точность определения ДСП не превышает 10 % в данном материале.
Проведенные исследования показали, что предложенную методику возможно использовать для изучения порошковых материалов, входящих в состав композиционных защитных конструкций.
Заключение.
1. Определены необходимые условия для изготовления образцов. Количество связующего не должно превышать 3 % по массе в пересчете на сухой остаток лака. Оптимальное давление прессования для фракционного состава 40-80 мкм составляет 6 т/см2.
2. Увеличение коэффициента заполнения возможно за счет уменьшения вязкости лака МЛ92 путём его смешивания с этиловым спиртом в соотношении 1:1, что подтверждается фотографиями шлифов (рис. 2) и определением плотности.
3. Измерения показали, что вкладом связующего для данных измерений можно пренебречь, так как его коэффициент ослабления не превышает 1,26 ± 3 % для толщины образца 0,08 см с плотностью 1,07-1,18 г/см3, и его общая доля по массе не превышает 3 %.
4. Предложенную методику возможно использовать для экспериментального определения длины свободного пробега электронов в порошковых материалах с погрешностью, не превышающей 10 %.
Благодарности. Работа поддержана Министерством образования и науки Российской Федерации, № Б-169/14.
Acknowledgments. This work was supported by the Ministry of Education and Science of Russian Federation № Б-169/14.
Библиографические ссылки
1. Кузнецов Н. В. Радиационная опасность на околоземных орбитах и межпланетных траекториях космических аппаратов [Электронный ресурс]. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/crd/crd3.htm. (дата обращения: 12.04.2015).
2. Композиционный материал для защиты радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов от ионизирующего излучения / Е. А. Джур [и др.] // Вестник СибГАУ. 2013. № 6 (52). С. 126-131.
3. Радиационные условия на геостационарной орбите / И. П. Безродных [и др.] // Вопросы электромеханики : труды НПП ВНИИЭМ. 2010. Т. 117, № 4. С. 33-42.
4. Дюпон Д. Ядерные взрывы на орбите // В мире науки (Scientific American). 2004. № 9. С. 62-70. ISSN0208-0621.
5. Лобановский Ю. И. Цена космоса: сколько стоит выход на орбиту? [Электронный ресурс]. URL: http://www.synerjetics.ru/article/cost.pdf. (дата обращения: 12.04.2015).
6. Баранов В. Ф. Дозиметрия электронного излучения. М. : Атомиздат, 1974. 229 с.
7. Tabata T., Ito R., Okabe S. Generalized semiem-pirixcal equations for extrapolated range of electrons // Nucl. Instr. Meth. 1972. Vol. 103. P. 85-91.
8. Защита от ионизирующих излучений. Т. 1. Физические основы защиты / Н. Г. Гусев [и др.] ; под ред. Н. Г. Гусева. 3-е изд., перераб. и доп. М. : Энер-гоатомиздат. 1989. 512 с.
9. Tobato Т., Ito R. An algorithm for the energy deposition by fast electrons // Nucl. Sci. and Eng.1974. Vol. 53. P. 226-243.
10. Katz L., Penfold A. S. Range-energy relations for electrons and the determination of beta-ray end-point energies by absorption // Rev. Mod. Phys. 24. 1952. P. 28-44.
11. Holbert K. E. CHARGED PARTICLE IONIZATION AND RANGE. EEE460-Handout [Электронный ресурс]. URL: http://holbert.faculty.asu.edu/eee460/ IonizationRange.pdf (дата обращения: 12.04.2015).
12. Беспалов В. И. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом : учеб. пособие. 4-е изд. Томск : Изд-во Том. политехн. ун-та, 2008. 369 с.
13. ГОСТ 13610-79. Железо карбонильное радиотехническое. Технические условия. М. : Изд-во стандартов, 1984. 17 с.
14. ГОСТ 25281-82. Метод определения плотности формовок. Введ. 1983.01.01. М. : Изд-во стандартов, 1982. 9 с.
15. Беспалов В. И. Лекции по радиационной защите : учеб. пособие. 4-е изд., расшир. Изд-во Том. политехн. ун-та, 2012. 508 с.
16. Машкович В. П., Кудрявцева А. В. Защита от ионизирующих излучений : справочник. 4-е изд., перераб. и доп. М. : Электроатомиздат, 1995. 496 с.
References
1. Kuznetsov N. V. Radiatsionnaya opasnost' na okolozemnykh orbitakh i mezhplanetnykh traektoriyakh kosmicheskikh apparatov [Radiation hazard in earth orbit and interplanetary spacecraft trajectories] (In Russ.) Available at: http://holbert.faculty.asu.edu/eee460/Ioniza-tionRange. pdf (accessed 10.1.2013).
2. Dzhur E. A., Sanin A. F., Bozhko S. A. i dr. [Composite material for protection of electronic equipment spacecraft from ionizing radiation]. Vestnik SibGAU. 2013, No. 6 (52), P. 126-131 (In Russ.).
3. Bezrodnykh I. P., Morozova E. I., Petrukovich A. A. et al. [The radiation environment in geostationary orbit]. Voprosy elektromekhaniki. Trudy NPP VNIIEM. 2010, Vol. 117, No 4, P. 33-42 (In Russ.).
4. Dyupon D. Nuclear explosions in orbit. Scientific American. 2004. Vol. 290, Is. 6, P. 100.
5. Lobanovskiy Yu. I. Tsena kosmosa: skol'ko stoit vykhod na orbitu? [Price of cosmos: how much does it cost to orbit?] Available at: http://www.synerjetics.ru/ article/cost.pdf. (accessed 10.1.2013).
6. Baranov V. F. Dozimetriya elektronnogo izlu-cheniya [The electron radiation dosimetry]. Moscow, Atomizdat Publ., 1974, 229 p.
BecmHUK CuôrAY. TOM 16, № 3
7. Tabata T., Ito R., Okabe S. Generalized semiem-pirixcal equations for extrapolated range of electrons. Nucl. Instr. Meth. 1972, Vol. 103, P. 85-91.
8. Gusev N. G., Klimanov V. A., Mashkovich V. P., Surov A. P. Zashchita ot ioniziruyushchikh izlucheniy. [Protection against ionizing radiation]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1989, Vol. 1, 512 p.
9. Tobato T., Ito R. An algorithm for the energy deposition by fast electrons. Nucl.Sci.and Eng. 1974, Vol. 53, P. 226-243.
10. Katz L., Penfold A. S. Range-energy relations for electrons and the determination of beta-ray end-point energies by absorption. Rev. Mod. Phys. 1952, Vol. 24, P. 28-44.
11. EEE460-Handout. Available at: http://holbert. faculty.asu.edu/eee460/IonizationRange.pdf (accessed 12.04.2015).
12. Bespalov V. I. Vzaimodeistvie ioniziruyushchikh izluchenii s veshchestvom [The interaction of ionizing radiation with matter]. Tomsk, TPU Publ., 2008, 369 p.
13. GO,ST R 13610-79. Zhelezo karbonil'noe radio-tekhnicheskoe. Tekhnicheskie usloviya.. [State Standard R 13610-79. Iron carbonyl radio. Specifications]. Moscow, Standartinform Publ., 1984, 17 p.
14. GOST R 25281-82. Metod opredeleniya plotnosti formovok. [State Standard R 25281-82. Method of determining the density of molds] Moscow, Standartinform Publ., 1982, 9 p.
15. Bespalov V. I. Lektsii po radiatsionnoi zashchite [Lectures on radiation protection]. Tomsk, TPU Publ., 2012, 508 p.
16. Mashkovich V. P., Kudryavtseva A. V. Zashchita ot ioniziruyushchikh izluchenii [Protection against ionizing radiation] Moscow, Elektroatomizdat Publ, 1995, 496 p.
© TeœraH C. B., CayHHH B. H., ^chokob E. £., 2015
