[10/05/2007] Радиационная и ультразвуковая диагностика материалов
А.К.Бровцин, к.т.н., Обнинский институт атомной энергетики; А.Н.Силантьев, к.ф-м.н., эксперт МАГАТЭ
Современные условия развития общества и встающие перед ним сложные экологические и технологические проблемы заставляют осознать всю серьезность и ответственность в обеспечении высокого качества и безопасности материалов.
Все это является основой для научно-технического прогресса, экологического благополучия и улучшения качества жизни общества.
Месторождения высококачественного и дешевого исходного сырья из горных пород, необходимого для получения чистых и особочистых, в том числе радиационночистых материалов (в особенности широко распространенной технической керамики), ограничены и продолжают истощаться, а также могут быть загрязнены как локадьно, так и глобально /1 – 3/. В этой связи особую значимость приобретает проведение своевременной технической диагностики материалов, сущность которой составляют теория, методы и средства поиска и обнаружения различных дефектов на всех стадиях цикла изготовления и эксплуатации материалов.
За последние годы в Обнинском институте атомной энергетики, ГНЦ РФ – ОНПП «Технология», НПО «Тайфун» с участием фирмы «Моделирующие системы» проведены многоцелевые исследования по гамма-спектрометрической и ультразвуковой диагностике в системе горные породы – материалы – человек. При гамма-спектрометрической диагностике в процессе определения содержания радионуклидов в материалах и конструкциях важно учитывать как широкое разнообразие и особенности материалов, так и готовых конструкций.
При проведении радиационной диагностики материалов или конструкций на основе гамма-спектрометрического анализа важно учитывать, что между измеряемым объектом и спектрометром может находиться поглотитель гамма-излучения. Расчеты и экспериментальные исследования показали, что по форме измеренного спектра можно определять не только концентрацию радионуклида в материале, но и толщину поглотителя, расположенного между детектором и обследуемым материалом. В табл.1 приведены рассчитанные значения интенсивности гамма-излучения для энергий 1.33, 0.662 и 0.36 Мэв при зарождении в каждом кубическом сантиметре 1 гамма-кванта в секунду для воздуха и материала с плотностью 1.3 г/см3. Из приведенных таблиц видно, что интенсивность испускаемого из материала излучения зависит от плотности используемого материала. Поэтому при исследовании величины загрязнения материала, кроме измерения испускаемого спектра гамма-излучения, крайне необходимы также и измерение плотности обследуемого материала. В табл. 2 приведены значения интенсивности гамма-излучения после прохождения поглотителя толщиной 10 г/см2.
Таблица 1. Интенсивность рассеянного гамма-излучения от объемного источника гамма-излучения с энергией 1.33, 0.66 и 0.36 Мэв
Энергия, Мэв.
| Материал плотностью 1.3 г/см3
| Воздух
| 1.33 Мэв
| 0.66 Мэв
| 0.36 Мэв
| 1.33 Мэв
| 0.66 Мэв
| 0.36 Мэв
| Интенсивность гамма-излучения в материале с плотностью 1.3 г/ см3
| Интенсивность гамма-излучения в воздухе
| 0,025
| 0.1
| 0.2
| 0.4
| 141
| 164
| 352
| 0,075
| 16.8
| 25.5
| 42.8
| 16857
| 25542
| 42800
| 0,125
| 24.4
| 36.0
| 53.8
| 24434
| 36055
| 53769
| 0,175
| 22.6
| 32.1
| 39.9
| 22634
| 32125
| 39910
| 0,225
| 20.2
| 23.1
| 22.4
| 20184
| 23078
| 22398
| 0,275
| 14.6
| 15.3
| 16.4
| 14649
| 15343
| 16368
| 0,325
| 10.8
| 11.8
| 13.8
| 10775
| 11774
| 13855
| 0,360
|
|
| 49.6
|
|
| 49645
| 0,375
| 8.7
| 9.6
|
| 8671
| 9467
|
| 0,425
| 7.1
| 8.3
|
| 7108
| 8319
|
| 0,475
| 6.1
| 6.7
|
| 6091
| 6705
|
| 0,525
| 5.7
| 7.0
|
| 5687
| 6981
|
| 0,575
| 4.8
| 6.6
|
| 4828
| 6598
|
| 0,625
| 4.3
| 5.6
|
| 4309
| 5639
|
| 0,662
|
| 63.3
|
|
| 63318
|
| 0,675
| 4.0
|
|
| 3976
|
|
| 0,725
| 3.4
|
|
| 3450
|
|
| 0,775
| 3.6
|
|
| 3625
|
|
| 0,825
| 3.3
|
|
| 3280
|
|
| 0,875
| 3.8
|
|
| 3827
|
|
| 0,925
| 2.4
|
|
| 2375
|
|
| 0,975
| 3.9
|
|
| 3942
|
|
| 1,025
| 2.5
|
|
| 2548
|
|
| 1,075
| 2.6
|
|
| 2628
|
|
| 1,125
| 2.6
|
|
| 2645
|
|
| 1,175
| 3.0
|
|
| 3002
|
|
| 1,225
| 3.4
|
|
| 3427
|
|
| 1,275
| 3.6
|
|
| 3555
|
|
| 1,330
| 87.6
|
|
| 87603
|
|
|
Таблица 2. Интенсивность рассеянного гамма-излучения от первичного источника с энергией 1.33, 0.66 и 0.36 Мэв после поглотителя толщиной 10 г/см3
Энергия, Мэв
| Погл, в 10 г/см2
| Материал плотностью 1.3г/см3
| Воздух
| 1.33 Мэв
| 0.66Мэв
| 0.36Мэв
| 1.33Мэв
| 0.66Мэв
| 0.36Мэв
| Интенсивность гамма-излуче- ния после поглотителя плотностью 1.3 г/см3
| Интенсивность гамма-излуче- ния после слоя воздуха толщиной 100 м.
| 0,025
| 0,0023
| 0.67
| 1.01
| 0.68
| 671
| 1014
| 675
| 0,075
| 0,033
| 52.77
| 70.10
| 61.43
| 52766
| 70105
| 61433
| 0,125
| 0,048
| 65.05
| 69.06
| 56.31
| 65054
| 69061
| 56311
| 0,175
| 0,060
| 42.30
| 38.53
| 24.08
| 42304
| 38526
| 24076
| 0,225
| 0,071
| 27.45
| 20.82
| 11.06
| 27455
| 20820
| 11060
| 0,275
| 0,082
| 16.77
| 11.93
| 6.51
| 16767
| 11929
| 6511
| 0,325
| 0,093
| 12.07
| 8.49
| 2.49
| 12069
| 8489
| 2492
| 0,360
|
|
|
| 5.16
|
|
| 5163
| 0,375
| 0,104
| 8.97
| 5.76
|
| 8969
| 5765
|
| 0,425
| 0,111
| 7.00
| 4.62
|
| 7000
| 4624
|
| 0,475
| 0,120
| 5.77
| 2.96
|
| 5774
| 2958
|
| 0,525
| 0,127
| 4.72
| 2.58
|
| 4715
| 2577
|
| 0,575
| 0,135
| 3.50
| 1.66
|
| 3498
| 1660
|
| 0,625
| 0,142
| 3.41
| 1.25
|
| 3408
| 1250
|
| 0,662
|
|
| 9.50
|
|
| 9497
|
| 0,675
| 0,150
| 2.99
|
|
| 2988
|
|
| 0,725
| 0,158
| 2.71
|
|
| 2712
|
|
| 0,775
| 0,165
| 2.46
|
|
| 2463
|
|
| 0,825
| 0,170
| 1.74
|
|
| 1741
|
|
| 0,875
| 0,177
| 2.18
|
|
| 2182
|
|
| 0,925
| 0,183
| 1.41
|
|
| 1412
|
|
| 0,975
| 0,189
| 1.44
|
|
| 1441
|
|
| 1,025
| 0,195
| 1.31
|
|
| 1307
|
|
| 1,075
| 0,200
| 1.10
|
|
| 1105
|
|
| 1,125
| 0,207
| 0.84
|
|
| 845
|
|
| 1,175
| 0,214
| 0.99
|
|
| 990
|
|
| 1,225
| 0,217
| 1.12
|
|
| 1120
|
|
| 1,275
| 0,224
| 0.80
|
|
| 796
|
|
| 1,330
| 0,228
| 20.00
|
|
| 20000
|
|
|
Как видно из приведенных значений, при прохождении слоя поглотителя заметно уменьшается интенсивность первичного излучения, в то время как интенсивность рассеянного изменяется незначительно. В качестве примера важности исследования содержания радионуклидов в материалах, в табл. 3 приведены результаты гамма-спектрометрических определений содержания радионуклидов в некоторых глинистых породах и технической керамики /3-7/.
Как указывалось выше, для определения содержания радионуклидов в материалах и конструкциях необходимо знать также и плотность этих материалов и конструкций. Наиболее доступно такие определения проводить с помощью ультразвуковой диагностики. Ультразвуковая диагностики сырья и материалов выполнялась на основе измерения ультразвуковым дефектоскопом волнового сопротивления и использования зависимости:
Z = r x c
Где: r - плотность среды, С – скорость ультразвука.
Для характеристики, в частности исследуемых глинистых пород и получаемых из них технической керамики, использовались критерии - ослабление и длительность зондирующего импульса ультразвукового сигнала (УЗС).
Некоторые результаты проведенных фрагментарных экспериментальных исследований приведены в табл.4,5. Анализ полученных результатов позволил установить следующее:
- каолинитовые глинистые породы при их ультразвуковом контроле имеют близкие по величине значения ослабления и длительности УЗС;
- монтмориллонитовые глинистые породы характеризуются высоким ослаблением УЗС,
- чем древнее глинистые породы по своему происхождению тем больше в них происходит ослабление УЗС а также выше содержание природных радионуклидов;
- ультразвуковой метод позволяет контролировать влажность и плотность глинистых пород и технической керамики;
- плотность технической керамики оказывает существенное влияние на ослабление и длительность УЗС;
- ультразвуковой метод позволяет контролировать структуру технической керамики /6 – 18/.
Таким образом, ультразвуковая диагностика открывает новые возможности и пути контроля в системе горные породы – материалы и на этой основе принципиальное повышение качества материалов.
Заключение
Гамма-спектрометрическая диагностика позволяет определять перечень и концентрацию радионуклидов, содержащихся в материалах и конструкциях вне зависимости от их толщины и глубины залегания радионуклидов.
Большинство глинистых пород, в особенности каолинитовые и монтмориллонитовые а также и материалы из них зачастую имеют высокое содержание природных радионуклидов, причем глины обладают свойством активно сорбировать и прочно удерживать радионуклиды.
При термической обработке глинистого сырья, например в процессе изготовления из него технической керамики (огнеупоры, теплоизоляция, красный кирпич и т.д.), происходит значительное повышение концентрации радионуклидов за счет разложения и выгорания различных примесей, что необходимо учитывать. На предприятиях любой формы собственности необходимо проведение радиационного диагностирования по всей технологической цепочке от сырья до выпуска конечной продукции.
Совокупность гамма-спектрометрической и ультразвуковой диагностики позволяет создать условия для получения радиоэкологически чистых и высококачественных материалов и конструкций, а также открывает пути создания принципиально новых ультразвуковых влагомеров и плотномеров.
Литература: 1. Закон РФ «Об охране окружающей природной среды». 1991. № 2060-1. 2. Закон РФ «О радиационной безопасности населения». 1996. №3-Ф3. 3. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99). Гигиенические нормативы. СП 2.6.1. 758-99. Госкомсанэпиднадзор России. – М. 1999. 4. Бровцин А.К., Силантьев А.Н.. Силантьев К.А. Радиационный контроль минералов и материалов. //Измерительная техника. – 1997. №11. –с.60-61. 5. Бровцин А.К. Друзягин А.В. Строительные материалы и радионуклиды. // Строительные материалы. – 1997. №2. – с. 10-14. 6. Бровцин А.К.. Силантьев А.Н.. Чернышева Г.С. Экология и радиационный мониторинг в системе горные породы-материалы-челевек. //Горный журнал. – 1999. №2. – с.67-69. 7. Бровцын А.К. Природная радиоактивность в системе глинистые породы-материалы. //Экология и промышленность России. – 1999. №8. – с. 34-35. 8. Керлин Б. Ультразвук. – М. ИИЛ. 1950. – 293 с. 9. Крылов Н.А. Электронно-акустические и радиометрические методы исследования материалов и конструкций.–Л-М. Госстройиздат. 1963. – 237с. 10. Трофимов А.И., Бровцин К.А. Основные направления и тенденции развития технического диагностирования АЭС. – Электрические станции. 1990. №11. С. 11-26. 11. Бровцин А.К., Акимов А.Г., Гаджиев М.С. Экспериментальные исследования скорости и затухания ультразвука в водных растворах солей. – Дефектоскопия. 1991. №6. – с. 90-92. 12. Патент 2085055 РФ. Способ изготовления акустического стержневого волновода Бровцина А.К. и Бровциной Т.А. /А.К.Бровцин, Т.А.Бровцина//. Изобретения. 1997. №20. 13. Бровцин А.К., Силантьев А.Н., Чернышева Г.С. Радиационные и ультразвуковые экспериментальны исследования в системе каолины – керамика. //Дефектоскопия. – 1999. - №3. – с. 34-41. 14. Бровцин А.К., Чернышева Г.С. Ультразвуковой контроль влажности и плотности глинистых пород. //Дефектоскопия. – 1999. - №10. – с. 59-63. 15. Бровцин А.К. Ультразвук на службе в строительстве. //Строительный эксперт. М. №17. 1999. – с.26 16. Brovtsyn A.K. Ultrasonic testing of the moisture content and density of avgillaceovs vocks. // Russian Jourual of Mondestruchve testing. Volume 35 year 1999 N 10 page 785-788. 17. Бровцин А.К., Чернышева Г.С. Экспериментальные ультразвуковые исследования по определению влажности глинистых пород. //Огнеупоры и техническая керамика. М. – 2000. - №9. – с. 35, 36. 18. Бровцин А.К., Силантьев А.Н. Радиационные экспериментальные исследования технической керамики. //Дефектоскопия.М.–2000.- №9.– с. 95-99.
По материалам XIII ежегодного семинара «Спектрометрический анализ, аппаратура и обработка данных на ПЭВМ»
|