Природа и свойства ионизирующих излучений

При радиационной дефектоскопии сварных соединений в основном применяют рентгеновское (тормозное) излучение, у-излучение и нейтронное.

Рентгеновское и у-излучение представляют собой разновидность электромагнитных колебаний, которые по сравнению с видимым светом и ультрафиолетовым излучением имеют как общие волновые свойства, так и специфические особенности, связанные с их корпускулярными (квантовыми) свойствами. В частности, длина волны X равна: для видимого света — (4—7)-10~⁷ м, ультрафиолетового — 10'⁹—4−10^-7 м, рентгеновского — 6−10^-13—10'⁹ м, у-излучения — 10″^в—4−10~¹² м.

Собственная частота колебаний v и длина волны X определяют свойства того или иного вида излучения, распространяющегося со скоростью света с:

С уменьшением длины волны увеличивается энергия Е излучения. В связи с этим над волновыми свойствами излучений начинают преобладать корпускулярные свойства, в результате чего проникающая способность излучений увеличивается. Энергия излучений в этом случае определяется из соотношения.

Рис. 3.1. Обобщенная схема радиационного контроля:

• 1 — источник ионизирующего излучения (ИИИ);
• 2 — контролируемый объект (КО); 3 — детектор; 4 — эпюра интенсивности излучения после прохождения через КО; Д— дефект; F— фокусное расстояние; д — толщина КО; х —размер дефекта в направлении прохождения ионизирующего излучения; /₀ — интенсивность ионизирующего излучения, воздействующего на КО; /, — интенсивность ионизирующего излучения после прохождения через КО в бездефектной зоне; 1_(&__х) — интенсивность ионизирующего излучения после прохождения через КО в зоне с дефектом;

А — расстояние между КО и детектором (А —> 0)

где h — постоянная Планка, равная 6,625 10 ³⁴ Джс.

Все вышеперечисленные виды ионизирующих излучений характеризуются тем, что они не видимы, не отклоняются магнитными полями, не имеют электрического заряда и, что самое главное, обладают способностью проникать в любые материалы на определенную глубину.

Рентгеновское излучение было открыто немецким физиком К. Рентгеном в 1895 г. Он исследовал и описал многие его свойства. М. Лауэ в 1912 г. доказал волновую природу рентгеновского излучения.

Для генерации рентгеновского излучения используют специальные устройства, называемые рентгеновскими трубками (рис. 3.2). Они представляют собой электронный вакуумный прибор — стеклянный или металлический вакуумный баллон с впаянными в него электродами: катодом и анодом.

Рентгеновское излучение генерируется при торможении на аноде А электронов Э, испускаемых катодом К. В результате этого возникают характеристическое и тормозное рентгеновское излучения, имеющие соответственно линейчатый (дискретный) и непрерывный спектры (рис. 3.3). Характеристическое излучение с линейчатым спектром возникает только в том случае, когда первичные электроны, генерируемые катодом, обладают энергией, достаточной для обеспечения перехода электронов атома материала анода с более низкого энергетического уровня на более высокий (например, переход электронов с энергетического уровня К на уровень L (рис. 3.4)). Тогда в соответствии с законами квантовой физики (в соответствии с принципом запрета Паули) происходит мгновенный обратный переход электрона с уровня L на уровень К. Этот процесс сопровождается генерацией характеристического излучения с частотой v и энергией ДЕ, равной разности энергий уровней E_t и Е_к:

Характеристическое излучение при радиационном контроле не используется, а для его нейтрализации при рентгеновской дефектоскопии применяются специальные фильтры, которые поглощают его.

Тормозное излучение с непрерывным (сплошным) спектром возникает в результате «постепенного» торможения в энергетическом поле атомов материала анода электронов, испускаемых катодом, которые имеют различную энергию. Кинетическая энергия первичного электрона, генерируемого катодом, у поверхности анода определяется по формуле:

где е — заряд электрона (е = 1,602−10~¹⁹ Кл); U_a — ускоряющее напряжение, кВ.

В связи с тем, что скорости электронов распределены по закону Максвелла, они тормозятся постепенно в энергетическом поле атома материала анода. Поэтому в рентгеновском спектре тормозного излучения присутствуют кванты (электромагнитные волны) с различными энергиями.

Рис. 3.2. Схема рентгеновской трубки и принципа генерации рентгеновского излучения:

А — анод; К — катод; Э — электроны; Ua —ускоряющее напряжение между анодом и катодом; Uk — напряжение накала катода; Тр1 — трансформатор ускоряющего напряжения; Тр2 — трансформатор напряжения накала

Рис. 3.3. Энергетические спектры рентгеновского излучения, генерируемого рентгеновской трубкой:

1 — непрерывный спектр тормозного излучения; 2 — К-, Lи М-серии характеристического излучения

Полный переход кинетической энергии электронов Е в максимальную энергию рентгеновского излучения происходит при минимальной длине волны, т. е.

Приравнивая Е и Е_тах, получаем:

Рис. 3.4. Схема-модель атома (по Бору) материала анода и физика процесса генерации рентгеновского тормозного н характеристического излучения:

К, L, М_у N — энергетические уровни расположения электронов в атоме материала анода

Из последнего соотношения следует, что с увеличением ускоряющего напряжения U_o длина волны Х₀ уменьшается, что соответственно приводит к изменению спектрального состава и повышению максимальной энергии непрерывного спектра (рис. 3.5, а).

При изменении тока накала рентгеновской трубки (путем изменения напряжения в цепи накала катода ?/) спектральный состав непрерывного спектра не изменяется (Х₀ = const), однако его интенсивность изменяется пропорционально изменению тока на катоде рентгеновской трубки (рис. 3.5, б).

Таким образом, энергетический спектр характеристического излучения имеет дискретный характер. Он состоит из так называемых Х_Ка, Х^ и других значений, соответствующих переходу электрона атома материала анода с энергетических уровней К, L и других на более высокие и последующему их возвращению на устойчивые, стабильные (для них) энергетические уровни, выделяя при этом квант электромагнитного излучения с соответствующей длиной волны (Х_Ка> X^ и др.). Энергия характеристического излучения увеличивается по мере возрастания атомного номера элемента (Z_a) материала анода.

Тормозное излучение возникает при прохождении электроном, генерируемым катодом рентгеновской трубки, через энергетическое поле атома материала анода, в котором он тормозится. Для прохождения электрона вблизи ядра атома его энергия должна быть не менее 10⁵ эВ. Движущийся с замедлением электрон, в соответствии с законами электродинамики, испускает кванты электромагнитного излучения с различной длиной волны и энергией. Поэтому тормозное излучение имеет непрерывный энергетический спектр.

По степени «жесткости» рентгеновского излучения и его проникающей способности различают:

• а) «мягкое» — при ускоряющих напряжениях U = 30—100 кВ;
• б) «средней жесткости» — при U_t = 100—200 кВ;
• в) «жесткое и очень жесткое» — при U > 200 кВ.

Технологические возможности радиационного контроля с использованием рентгеновского излучения представлены в табл. 3.1. Для просвечивания изделий из стали толщиной до 500 мм используются ускорители электронов, дающие «сверхжесткое» рентгеновское излучение.

Гамма-излучение было открыто Э. Резерфордом в 1889 г. Оно происходит при распаде искусственных или естественных радиоактивных изотопов.

Между одноименно заряженными частицами ядра (протонами) действуют силы электростатического отталкивания, однако ядро является чрезвычайно устойчивой физической системой. Это объясняется тем, что между нуклонами в ядре действуют так называемые ядерные силы, определяющие его строение и свойства.

Рис. 3.5. Зависимость интенсивности / рентгеновского излучения от длины волны X:

а— при изменении ускоряющего напряжения U_a рентгеновской трубки; б — при ишенении тока накала катода / трубки

Ядерные силы обладают рядом специфических свойств. Они на много порядков превышают силы других типов (электромагнитные, гравитационные и т. д.), а их значение не зависит от заряда взаимодействующих нуклонов. Действие ядерных сил проявляется в том, что у всех атомных ядер плотности ядерного вещества и удельные энергии связи (энергии связи, приходящиеся на один нуклон) приблизительно одинаковы.

Ядерные силы — короткодействующие: они очень быстро убывают с увеличением расстояния г между нуклонами и практически равны нулю при r> r₀~ 10'¹⁵ м, где г₀ — радиус действия ядерных сил.

С увеличением атомного номера элемента, т. е. с увеличением числа протонов в ядре, действие электростатических сил отталкивания становится все сильнее. У тяжелых элементов с Z_a > 82 (Z — атомный номер; электрический заряд или количество протонов в атоме) ядерные силы уже не способны обеспечить устойчивость ядер и начинается самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов в более устойчивые (обычно в изотопы другого химического элемента). Это явление называется радиоактивностью или радиоактивным распадом.

Радиоактивный распад ядер сопровождается испусканием аи Р-частиц (а- и p-излучением) и квантов у-излучения (рис. 3.6). Распад радиоактивного изотопа (нуклида) есть результат энергетических изменений внутри ядра атома. Он сопровождается образованием других веществ (продуктов деления) и элементарных частиц: ₂а⁴ и ^Р⁰. Вследствие вылета аи р-частиц ядро атома оказывается в возбужденном (энергетически нестабильном) состоянии, и избыток энергии высвобождается в виде излучения у-кванта. Энергетические уровни возбужденного ядра имеют дискретный характер, поэтому энергетический спектр у-излучения линейчатый. Энергия у-квантов может изменяться от нескольких кэВ до 1,33 МэВ. а-частицы представляют собой ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух.

нейтронов (₂Не⁴). Они имеют положительный заряд, равный двум единицам заряда, и отклоняются в магнитном и электрическом полях. Пробег а-частиц в веществах мал: в воздухе он достигает 11 см, в биологической ткани — 1 мм. Они полностью поглощаются слоем алюминия толщиной 0,1 мм.

Р-частицы — это электроны или позитроны. Под действием магнитного и электрического полей они отклоняются от прямолинейного направления, пробег их в воздухе достигает 10 м, а в биологической ткани — 10—12 мм. Для полного поглощения Р-частиц необходим слой алюминия толщиной 4—6 мм или слой свинца толщиной 1 мм.

у-излучение представляет собой электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны (< 0,1 нм); это излучение не имеет заряда, не отклоняется магнитным и электрическим полем. По сравнению с аи Р-частицами у-излученис обладает большой проникающей способностью, что обусловливает возможность использования его для дефектоскопии материалов.

Радиоактивность изотопов, существующих в природных условиях, называют естественной. Радиоактивность, создаваемую в устойчивых химических элементах путем их облучения в ядерных реакторах источниками нейтронов или бомбардировки тяжелыми частицами (протонами и др.), называют искусственной. Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального отличия. В обоих случаях процесс подчиняется одинаковым законам.

Примером радиоактивного превращения, сопровождающегося испусканием а-частиц, может служить распад радия:

Испустив а-частицу (₂Не⁴) и потеряв при этом два положительных заряда и четыре единицы массы, радий (_ggRa²²⁶) превращается в новый элемент — газ радон (_g6Rn²²²). В этом случае часть образовавшихся ядер радона имеет избыток энергии — находится в возбужденном состоянии. Этот избыток энергии излучается в виде квантов у-излучения. Вновь образовавшийся радон также оказывается неустойчивым и, испустив в свою очередь а-частицу, превращается в новое, также неустойчивое радиоактивное вещество — полоний (₈₄Ро²¹⁸). Этот процесс распада последующих поколений радиоактивных веществ остановится только тогда, когда все исходное количество радия превратится в изотоп свинца _g2Pb²⁰⁶.

Рис. 3.6. Схема радиоактивного распада и взаимодействие излучений, образующихся при распаде, с электрическим полем:

• 1 —радиоактивный элемент (нуклид); 2 — капсула; 3 — электроды;
• 4 — источник питания

В настоящее время, в связи с широким развитием атомной техники, в качестве источников у-излучения для просвечивания применяют искусственные изотопы, представляющие собой разновидность одного и того же химического элемента. Они имеют различные атомные веса (массовые числа А), но одинаковый электрический заряд (атомный номер Z_a) и одинаковое строение электронных оболочек. Изотопы, как правило, получают путем облучения исходного стабильного химического элемента, например кобальта, потоком нейтронов:

Ввиду неустойчивости ядер кобальта «Со⁶⁰ они самопроизвольно распадаются с выделением кванта у-издучения: