Способ определения кратности ослабления флюенса энергии рентгеновского излучения образцами многокомпонентных рентгенозащитных материалов
METHOD FOR DETERMINING THE MULTIPLICITY OF ATTENUATION OF THE X-RAY ENERGY FLUENCE BY SAMPLES OF MULTICOMPONENT X-RAY PROTECTIVE MATERIALS

Изобретение относится к области методологии проведения испытаний противорадиационной защиты (ПРЗ) объектов и может быть использовано в специализированных центрах по радиационным испытаниям. Испытания ПРЗ объектов проводятся в ходе расчетно-экспериментальной оценки защитных свойств от рентгеновского излучения, воздействующего на объект в экстремальных ситуациях. Способ предназначен для определения кратности ослабления флюенса энергии рентгеновского излучения (РИ) образцами многокомпонентных рентгенозащитных материалов (РЗМ).
Известен способ определения массового коэффициента ослабления РИ образцом многокомпонентного материала [1]. Данное техническое решение является наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату (прототипом) к предлагаемому изобретению. Известный способ (прототип) заключается в облучении исследуемого образца и образца сравнения рентгеновским излучением, при этом: энергию первичного излучения, с целью повышения точности определения, выбирают большей энергии К-края поглощения любого из элементов, входящих в состав образца, спектрометром измеряют отношение интенсивностей некогерентно рассеянного серией стандартных образцов с различным и известным элементным составом и образцом сравнения с интенсивностью первичного излучения. По указанному отношению интенсивностей вычисляют массовый коэффициент ослабления. Сущность данного изобретения состоит в компенсации трудноконтролируемых изменений рассеивающей способности исследуемого образца, вызванных изменением его элементного состава, за счет регистрации вместе с некогерентно рассеянным образцом излучением части когерентно рассеянного им излучения. Целью известного изобретения является повышение точности определения массового коэффициента ослабления. Данный способ (прототип) имеет ряд недостатков: ограничения по номенклатуре (химическому составу) исследуемых образцов (до 26 элемента периодической системы химических элементов [1]), высокая стоимость используемого оборудования, трудоемкость.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание способа определения кратности ослабления флюенса энергии РИ образцами многокомпонентных РЗМ, при котором отсутствуют ограничения по номенклатуре образов и значительно снижена стоимость используемого оборудования, при этом достигается приемлемая для решения практических задач точность оценок.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение номенклатуры объектов испытаний, существенное снижение стоимости и трудоемкости определения кратности ослабления, а также возможность получения данных с использованием доступных рентгеновских установок и средств дозиметрии.
Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что в качестве средства измерения применяют термолюминесцентную систему дозиметрического контроля, которая имеет существенно более низкую стоимость (примерно, в 12 раз дешевле), чем стоимость спектрометра, применяемого для осуществления способа-прототипа; а в качестве данных для определения расчетно-экспериментального значения кратности ослабления флюенса энергии РИ образцами многокомпонентных РЗМ используют расчетные и экспериментальные значения поглощенной дозы РИ в термолюминесцентном детекторе (ТЛД) определенной дозиметрической системы перед образцом и в ТЛД этой системы за образцом для экспериментальных условий воздействия, а также расчетное значение кратности ослабления флюенса энергии образцом РЗМ при воздействии рентгеновского излучения для заданных условий воздействия.
Под экспериментальными условиями воздействия понимаются условия облучения с использованием рентгеновской установки.
Под заданными условиями воздействия понимаются условия, определенные программой-методикой испытания образцов.
Для осуществления заявляемого способа используются следующие расчетные и экспериментальные средства.
Расчетные исследования проводятся с использованием программ и комплексов, позволяющих моделировать прохождение электронно-фотонного излучения в веществе в 2D или 3D геометрии в энергетическом диапазоне от 1 до 110 кэВ с учетом всех основных эффектов взаимодействия излучения с веществом. Используемые в программах математические модели и алгоритмы должны обеспечивать несмещенную оценку требуемых функционалов излучения с учетом эффектов нарушения баланса заряженных частиц, а также оценку статистической неопределенности рассчитываемых значений. Расчетные программы должны использовать современные базы оцененных данных ядерно-физических констант взаимодействия излучения с веществом.
Посредством расчетов определяются:
- спектрально-энергетическое распределение РИ экспериментальной установки, воздействующего на образец;
- кратности ослабления флюенса энергии РИ образцом РЗМ для заданных условий воздействия;
- кратности ослабления поглощенной дозы РИ образцом РЗМ для экспериментальных условий воздействия.
Экспериментальные исследования проводятся с использованием облучательных рентгеновских установок. В качестве средств измерений значений поглощенной дозы применяется термолюминесцентная система дозиметрического контроля, аттестованная для измерений дозы, формируемой фотонами с энергией, находящейся в требуемом диапазоне энергий РИ.
Схема размещения детекторов при проведении измерений значений поглощенной дозы РИ приведена на Фиг., где: 1 - источник рентгеновского излучения; 2 - ТЛД - детектор, расположенный перед образцом РЗМ; 3 - ТЛД - детектор, расположенный за образцом РЗМ; 4 - образец защиты; 5 - защита от фона.
Экспериментальным путем определяются:
- значения поглощенной дозы в детекторах 2 и 3, размещенных перед и за образцом РЗМ соответственно;
- кратности ослабления поглощенной дозы РИ образцом РЗМ для экспериментальных условий воздействия.
Оценка защитных свойств образцов РЗМ (кратности ослабления флюенса энергии РИ) для заданных условий воздействия РИ осуществляется расчетно-экспериментальным способом, при реализации которого определяются:
1. Расчетное значение кратности ослабления флюенса энергии образцом РЗМ для заданных условий воздействия РИ:
0
2
где х - линейная (см) или массовая (см/г) толщина материала;
Op
Ψ - рассчитанное значение флюенса энергии РИ без защиты (образца) для заданных условий воздействия;
p
0
0
Ψ(x) - рассчитанное значение флюенса энергии РИ за слоем материала толщиной x.
2. Расчетное значение кратности ослабления поглощенной дозы РИ образцом РЗМ излучения в ТЛД для экспериментальных условий воздействия РИ:
0
2
где х - линейная (см) или массовая (см/г) толщина материала;
Op
D - расчетное значение поглощенной дозы излучения в ТЛД 2 перед образцом;
p
0
0
D(x) - расчетное значение поглощенной дозы излучения в ТЛД 3 за образцом РЗМ толщиной х.
3. Экспериментальное значение кратности ослабления поглощенной дозы излучения образцом РЗМ для экспериментальных условий воздействия РИ:
Оэ
где D - измеренное значение поглощенной дозы излучения в ТЛД 2 перед образцом;
э
D - измеренное значение поглощенной дозы излучения в ТЛД 3 за образцом.
4. Расчетно-экспериментальное значение кратности ослабления флюенса энергии РИ  образцом РЗМ для заданных условий воздействия РИ:
где  - расчетное значение кратности ослабления флюенса энергии РИ образцом РЗМ для заданных условий воздействия;
- расчетное значение кратности ослабления поглощенной дозы РИ образцом РЗМ для экспериментальных условий воздействия;
- экспериментальное значение кратности ослабления поглощенной дозы РИ образцом РЗМ для экспериментальных условий воздействия.
D
5. Оценка относительной неопределенности u измерения поглощенной дозы D осуществляется в соответствии с [2] по следующим соотношениям:
где Х - значение измеряемой величины;
i
x - при многократных (n) наблюдениях в неизменных условиях значение показаний, полученных при i-ом наблюдении;
i
σ - среднее квадратическое отклонение для x,
S
u - относительная статистическая неопределенность;
P
t - коэффициент Стьюдента (в технических измерениях Р=0.95 и при достаточно большом числе наблюдений (n=5÷10) принимают t=2 для нормального закона распределения случайной величины);
D
u - относительная неопределенность измерений;
δ
δ
u - относительная неопределенность, обусловленная погрешностью СИ и МВИ (для измерений, связанных с определением относительных величин, - например, зависимость показаний детектора от толщины защиты - исключается систематическая погрешность и погрешность, связанная с передачей единиц измерения; для применяемых СИ и МВИ u=0.05).
K
6. Относительные неопределенности u экспериментальных значений кратности ослабления поглощенной дозы KD, полученных по соотношению (3), рассчитываются по соотношению:
D0
где u - относительная неопределенность измерений дозы перед образцом;
D
u - относительная неопределенность измерений дозы за образцом [3].
Способ реализуется следующим образом:
Ψр
0
1. На основании представленных разработчиком данных о содержании в образцах РЗМ «чистых» элементов рассчитывается значение флюенса энергии РИ без образца и за образцом для заданных условий воздействия. По соотношению 1 определяется кратность K(х) ослабления флюенса энергии для заданных условий воздействия.
2. На основании заданных условий воздействия, определяются экспериментальные условия воздействия (выбор установки, энергии, тока, времени).
3. Для экспериментальных условий воздействия рассчитываются энергетические характеристики поля излучения, воздействующего на образцы при проведении экспериментальных исследований.
Dp
0
4. Для представленных опытных образцов рассчитываются значения поглощенной дозы излучения в ТЛД 2 и 3 (см. Фиг.). По соотношению 2 определяется кратность ослабления поглощенной дозы излучения K(x) для экспериментальных условий воздействия.
Dэ
0
5. С использованием ТЛД 2 и 3 (см. Фиг.) проводят измерения поглощенной дозы перед образцом РЗМ и за образцом. По соотношению 3 рассчитывают экспериментальные значения кратности ослабления поглощенной дозы излучения К(х).
Ψрэ
0
6. Расчетно-экспериментальное значение кратности ослабления флюенса энергии К(х) представленных образцов РЗМ для заданных условий воздействия РИ рассчитывают по соотношению 4.
7. Проводится оценка относительной неопределенности измерения поглощенной дозы по соотношениям 5 и 6.
Проверка способа проведена на рентгенодиагностической установке «ПРДУ» с рентгеновской трубкой 0,3БПВ32-100 с массивной W мишенью (ТУ 4276-003-83753518-2013). Ускоряющее напряжение - от 30 до 100 кВ, ток - от 10 до 100 мкА, угол выхода РИ - 10°. Для уменьшения вклада рассеянного излучения от помещения, а также для обеспечения радиационной безопасности ПРДУ помещена в рентгенозащитную камеру.
В качестве системы для измерений значений поглощенной дозы применена термолюминесцентная система дозиметрического контроля фирмы BICRON с дозиметрами типа HARSHAW серии 8806 (Сертификат об утверждении типа средств измерений военного назначения RU.E.38.018.B №10068 бессрочный от 22.05.2001). В качестве детекторов излучения использовались слайд-карты с 4-мя ТЛ элементами. Результаты расчетных исследований выполнены с использованием программы РЭМП [4].
Источники информации
1. Авторское свидетельство № SU 1099260 А от 14.01.1983 г. «Способ определения массового коэффициента ослабления рентгеновского излучения образцом (его варианты)».
2. МУ 2.6.1.25-2000 (Методическое обеспечение радиационного контроля на предприятии. Том 1. Дозиметрический контроль внешнего профессионального облучения. Общие требования. Методические указания МУ 2.6.1.25-2000. 1 / М: Минатом, Минздрав, ФУМБЭП, 2000, с. 57-110).
3. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. Перевод с английского. М., «Мир», 1972.
4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012660589 РФ. Библиотека функций для вычисления параметров радиационных и электромагнитных полей. М.Б. Марков, А.В. Березин, А.И. Потапенко и др., правообладатель - ФГБУ ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, опубл. 23.11.12.