高能宇宙射线的来源

高能宇宙射线的来源（精选3篇）

高能宇宙射线的来源 篇1

1 引言

放射治疗是指利用X、γ射线或其他电离辐射的放射性,使细胞及组织遭到破坏而达到治疗目的的方法。电离辐射进入人体组织后,会发生一系列物理、化学以及生物学的变化,最后导致组织的生物学损伤,即生物效应,该效应的大小正比于组织中吸收电离辐射的能量。这种治疗方法对幼稚和生长旺盛的肿瘤细胞作用很大,但放射性在破坏和杀死肿瘤细胞的同时,对周围正常组织细胞也有破坏作用。确切地了解组织中吸收的电离辐射能量对评估放射治疗的疗效和副作用极其重要。治疗设备输出剂量的精确测定是进行放射治疗最基本的物理学要素,稍有疏忽就可能会造成较大的剂量误差,直接影响到靶区剂量的准确性,从而影响放疗质量。因此,放疗剂量测量中的质量控制是对肿瘤患者进行精确治疗不可缺少的重要环节。现就Varian clinac23EX医用直线加速器高能X射线输出剂量测量与校准的质量控制相关内容按有关规定实施,并结合本单位的具体条件进行探讨。

2 一般资料

2.1 被测机器

Varian clinac23EX医用直线加速器,带有左右各40片等中心处宽1 cm的叶片组合构成的多叶准直器,X射线能量为15 MV和6 MV,X射线剂量率为100~600 c Gy/min;电子线能量分别为6、9、12、15、18、22 Me V,电子线剂量率为100~1 000c Gy/min。源轴距100 cm,等中心处最大射野为40 cm×40 cm。

2.2 测量条件

测量时,环境温度为15~35℃,大气压强为80~110 k Pa,相对湿度为30%~75%;测量环境的辐射为本底,外来电磁场和机械震动等均不应引起剂量计值的显著偏差和不稳。全自动三维扫描水箱,中国测试技术研究院生产的9606B型电离室剂量仪,剂量仪的电离室性能应符合有关规定的要求,经计量检定机构检定合格。检测时,所用模体为标准水模体,容积为30 cm×30 cm×30 cm。其他剂量器具:温度计、气压计的测量范围为0~50℃,80~110 k Pa;温度计、气压计、测距尺的最小分度值分别为0.5℃、0.1 k Pa和1 mm。

3 方法与结果

3.1 IAEA TRS-277

根据国际原子能机构(IAEA)1997年发表的第277号技术报告[1],137Cs、60Co产生的射线和医用加速器产生的高能X射线以及高能电子束在水模体中吸收剂量测定分2步:首先,电离室空腔中空气吸收剂量因子Nd的确定公式为:

式中,Nk为电离室剂量计空气比释动能校准因子;g为X辐射产生的次级电子消耗于轫致辐射的能量占其初始能量总和的份额;Katt为仪器校准时,电离室室壁及平衡帽对校准辐射的吸收和散射的校准因子;KM为仪器校准时,电离室室壁及平衡帽的材料对校准辐射空气等效不充分而引起的修正。

其次,在未受扰动的水模体中,电离室测量有效点Peff深度处吸收剂量Dw(Peff)的确定公式为:

式中,M为经温度、气压修正后的仪器读数;SW,AIR校准深度水对空气的平均阻本领比;PU扰动修正因子;PCEL中心电极影响,其数值取1。

在我国现行量值传递体系中,给出的是照射量校准因子Nx,其与Nk的关系是:

式中,W/e在空气中形成每对离子(其电荷为1个电子的电荷)所消耗的平均能量,W/e质为33.97 J/C。由此得出:

电离室中心所收集的电离电荷是源于它前方的某点产生的次级电子,有必要定义电离室的有效测量点Peff,以修正电离室气腔内电离辐射的注量梯度变化。有效测量点Peff位于电离室中心点P的前方(面向电离辐射入射方向),如以r表示电离室腔内半径,高能X射线和60Co产生的射线,Peff位于0.6r处,其中高能电子束为0.5r。

3.2 医用电子直线加速器剂量监测仪读数的刻度及处方剂量计算

3.2.1 剂量监测仪读数的刻度

对于加速器上的剂量仪,一般使参考射野在标称源皮距SSD或源轴距SAD处,标定成1 c Gy=MU,MU为加速器剂量仪的监测跳数。在标称治疗距离SSD=100 cm,水模表面光野为10 cm×10 cm,电离室的轴与射线轴垂直。中心轴上水中校准深度处,6 MV X线电离室有效测量点位于水下5 cm处,15 MV X线电离室有效测量点位于水下10 cm处。测量前,电离室在水模中至少要放置15 min,以保证温度平衡。测量水模体内温度T=25.8℃,环境大气压P=100.9 k Pa,输入剂量仪。开机出射线,从剂量仪表上读取3~5个读数,并得出仪表平均读数M。中心轴上校准点处的水的吸收剂量D(m)(Peff)(Gy)的计算为:

式中,M为经过空气密度、湿度、离子复合修正后的剂量仪的平均读数,单位为Q/kg;Nx为电离室照射量校正因子,RT-100剂量仪为0.964;W/e为在空气中形成每对离子(其电荷为1个电子的电荷)所消耗的平均能量值取33.97 J/C;Katt为校准电离室时,电离室室壁及平衡帽对校准辐射的吸收和散射的修正,RT-100剂量仪为0.99;KM为电离室室壁及平衡帽的材料对校准辐射空气等效不充分而引起的修正,RT-100剂量仪为0.99;SW,AIR为校准深度水对空气的平均阻止本领比,6 MV时,水中校准深度为5 cm,SW,AIR为1.119;15 MV时,水中校准深度为10 cm,SW,AIR为1.099;PU为扰动修正因子,RT-100剂量仪为圆柱形电离室,室壁为石墨,6 MV时,PU为0.994;15 MV时,PU为0.997;PCEL为中心电极的影响,其数值取1。

调整加速器剂量电位器,使:

式中,6 MV时,PDD校为表面野10 cm×10 cm,水下5 cm处的百分深度量;15 MV时,PDD校为表面野10 cm×10 cm,水下10 cm处的百分深度量。

源皮距SSD照射处方剂量可由靶区(肿瘤)剂量DT(单位为c Gy)计算出处方剂量Dm,此时,处方剂量是以MU为单位表示的剂量,计算公式为:

式中,Dm为处方剂量;DT为肿瘤剂量;PDD为中心轴百分深度量;SP(FSZ)模体散射因子,FSZ为表面射野大小;OUF(FSZ0)为射野输出因子,FSZ0为等中心处的射野大小。

FSZ0=FSZ·(SAD/SSD),如果射野输出因子OUF在SAD测量,同时SSD=SAD时,FSZ0=FSZ。SP(FSZ)=[Sc,p/OUF(FSZ0)],Sc,p=SP(FSZ)·OUF(FSZ0),Sc,p为准直器和模体造成的总散射因子。SSDF=[SCD/(SSD+dM)]2,式中SCD为校准测量时源到电离室有效点的距离,因为测量是在标称治疗距离SSD=100 cm处进行,所以SSDF=[(100+1.5)/(100+1.5)]2=[(100+3)/(100+3)]2=1。TF为托盘因子,无托盘时取1;WF为楔形因子,无楔形板时取1。上式变为Dm=DT/(PDD·Sc,p·TF·WF)。

3.2.2 源轴距SAD等中心给角照射处方剂量计算

计算方法为:

式中,TMR(d,FSZd)为组织最大剂量比;OUF为射野输出因子,因在SAD测量,同时SSD=SAD,所以有Sc,p=SP(FSZ)·OUF(FSZ0);SADF=(SCD/SAD)2,SCD为在标称源皮距SSD处刻度时,源到电离室有效点的距离,对于6 MV,SADF=[(100+1.5)/100]2=1.030;对于15 MV,SADF=[(100+3)/100]2=1.061。(8)式变为:

3.3 数据的处理

通常测量时,一般都可估计到最小刻度的十分位,故在记载一个数量时只应保留1位不准确的数字,其余数字均为准确数字,记载的这1数字均为有效数字。数字应以10的次方前面的数字代表有效数字。如12 000 m写为1.2×104m则表示有效数字为2位,写为1.20×104m则表示有效数字为3位,其余以此类推。记录测量数值时,只应保留1位不准确的数字。除非另有规定外,可疑数字表示末位上有±1个单位,或下一位有±5个单位的误差。当有效数字位数确定后,其余数字一律弃去。即末位有效数字后的第一位大于5进1;小于5弃去;等于5时,前一位为奇数则加1,为偶数则弃去。若第一位有效数字大于等于8,则有效数字位数可多计一位。如9.13可作四位计算。加、减计算各数保留小数点后的位数以最少的为准。乘、除计算各数保留小数点后的位数以最少的或百分误差最大的为准。所得商或积的精确度不应大于精确度最小的因子。如0.012 1×25.64×1.057 82中0.0 121的百分误差为1/121=0.8%、25.64的百分误差为0.04%、1.057 8的百分误差为0.00009%。应以最大的百分误差0.8%的数为标准定其他数的有效数字位数。例题中的有效数字取3位,0.012 1×25.64×1.057 82=0.012 1×25.6×1.06=0.382。对数计算,所取对数位数应与真数的有效数字位数相等。求平均值,大于等于4个数的平均值可增加一位有效数字。所有计算中,常数等需要几位就取几位。表示精确度时,在大多数情况下,只取一位有效数字已足,最多取两位有效数字[2]。

4 讨论

对于吸收剂量的测量,目前在现场应用的有电离室法、热释光法、半导体法以及胶片法等;在实验室中应用的有量热法和化学剂量法等。以上方法各有特点,电离室因具有测量准确、能量响应好、灵敏度高、性能稳定及操作简单等优点,被国际权威性学术组织和国家技术监督机构确定为用于放射治疗吸收剂量校准和日常监测的主要方法。放射治疗中,人体组织所接受的电离辐射的吸收剂量,一般是通过组织替代水模体中的吸收剂量进行转换。因此,对吸收剂量的校准,一般都是在水模体中进行。放疗中吸收剂量的测量是临床辐射剂量学的一项重要内容,须严格按照IAEA TRS-277“高能光子和电子束吸收剂量的测定”的内容,对加速器和60Co治疗机等设备产生的X(Γ)射线及电子束在水模体中的吸收剂量进行测算。测量前,电离室在水模中至少要放置15 min,以保证温度平衡。剂量仪预热后,在无辐射条件下,在最灵敏档进行零点漂移、开路噪声及漏电的检查。要求漏电给测量带来的误差小于1%。保持在清洁、防潮、防震环境中,最好把电离室存放在干燥皿中。连接电离室需关闭仪器电源。电缆不可踏踩,接头必须配套、接牢,否则误差可达5%~10%。测量时,剂量均匀部分的大小应是电离室截面的2~3倍,否则,应作相应的剂量梯度校正。电离室的室壁薄而脆,勿压、碰和擅自拆卸,否则,应重新标定。

IAEA TRS-398[3]的推出为医用电子直线加速器剂量校准提供了新的方法。主要特点是基于吸收剂量校准因子替代基于照射量的校准因子,即将绝对剂量测量由使用空气中的校正因子改为使用水中的校正因子,具有更多优点而成为医用电子直线加速器剂量校准的发展趋势[4]。这使得校正因子更加简单,而且更加接近用户现场测量实际情况。应该注意的是,在TRS-398中如果使用指形电离室对60COγ射线、高能光子束、治疗用的质子束的测量中电离室的空腔扰动因子Pdis被用在计算不同射线质的校正因子KQQ0中。而TRS-277认为电离室中心所收集的电离电荷,是源于它前方的某点产生的次级电子,有必要定义电离室的有效测量点Peff,以修正电离室气腔内电离辐射的注量梯度变化。有效测量点Peff位于电离室中心点P的前方(面向电离辐射入射方向),如以r表示电离室腔内半径,高能X射线和60Co产生的射线,Peff位于0.6 r处;高能电子束为0.5 r。TRS-398对绝对剂量的测量作了非常详细的描述,高能光子、高能电子、k V级X射线、质子以及重粒子的测量有明确的测量方法,在使用时更加简单明了,同时在计算校正因子时考虑更加全面,使得测量剂量时减少了不确定性。目前,TRS-398已在许多发达国家使用,但我国还不能按照IAEA的要求提供相关的校正因子,有条件的地方可使用IAEA TRS-398。

一个肿瘤放疗科应至少有2台电离室型剂量仪,一台作为参考剂量仪,另一台作为现场剂量仪。参考剂量仪只用来校对治疗科内其他的现场剂量仪。如果医院不具备有参考剂量仪的条件,建议在购买现场剂量仪时至少买2个电离室,其中一个作为参考电离室,另一个作为测量电离室。现场剂量仪为日常用的剂量仪,作为校准治疗机剂量仪和剂量测量用,这种剂量仪只需要与参考剂量仪进行比对。2种剂量仪均用标准源对其长期稳定性进行检查,如果没有标准源,可用60Co机的钴源代替。稳定性检查的频率决定于剂量仪的使用频率。参考剂量仪应在与次级标准进行比对前或后,或在校对现场剂量仪之前进行稳定性检查;现场剂量仪应至少每月一次稳定性检查,至少每年或修理后或稳定性检查发现变化超过±2%时,应与参考剂量仪进行比对[5]。为保证测量值的准确可靠和量值的统一,所使用的参考剂量仪必须定期与国家一级标准或次级标准进行比对(或称校准、刻度、检定,就是把现有剂量仪的电离室与标准剂量仪的电离室放在标准辐射场的同一等效点上,在标准气温、气压环境中作测量结果的比较),给出60~250 k V X射线及60Co射线的照射量校准因子。在60Co射线校准时,电离室应加上平衡帽。使用仪器前,应按照仪器说明书的要求检测仪器的稳定性;然后检测仪器的漏电,零点漂移等,使其对测量值的影响在1%以内。如果不符合要求,要查明原因排除故障。仪器修好后,必须送国家一级标准或次级标准重新校准。全自动三维水箱每年或在作新的数据测量之前对水箱中探头到位和重复性进行检查,其允许精度为±1 mm。

医用加速器也需要一定时间内才能达到稳定输出,这种起始特性将直接影响授予患者的剂量。国际原子能机构和世界卫生组织在检测各放疗单位放射治疗机的剂量时,让放疗单位给出照射时间使校准深度处吸收剂量为2 Gy,所以我认为用校准深度处吸收剂量为2 Gy来计算吸收剂量率更科学、更准确[6]。

参考文献

[1]IAEA.Absorbed dose determination in photon and electron beams aninternational code of practice[J].International Atomic Energy Agen-cy,1997,277:136-139.

[2]杨兴纲.新概念放疗物理[M].杭州:西泠印社出版社,2004:82-83.

[3]IAEA.Absorbed dose determination in external beam radiotherapy:an an international code of practice for dosimetry based on standardsof absorbed dose to water[J].International Atomic Energy Agency,2004,398:151-155.

[4]王栋,赵庆军.基于IAEA TRS-398的医用电子直线加速器剂量校准方法[J].中国医学装备,2009,6(7):23-24.

[5]胡逸民.肿瘤放射物理学[M].北京:原子能出版社,1999:626-628.

[6]曾自力.钴-60治疗机吸收剂量率的测量[J].中国辐射卫生,2004,15(4):300-301.

高能宇宙射线的来源 篇2

准确地掌握输变电设备的运行状态具有十分重要的意义[1,2]。X射线数字成像技术能在不解体、不停电情况下, 对GIS、罐式断路器、复合绝缘子等电力设备进行透视检测, 达到可视化诊断的目的[3,4,5,6]。为了将X射线直接数字成像技术引入到变压器的无损检测中, 需要确定X射线对变压器中绝缘油有无影响。但是国内外文献资料中只有X射线对固体绝缘材料[7]、气隙性局部放电[8]、油隙性局部放电[9]以及SF6气体的影响[10], 而X射线对输变电设备, 尤其是对充油设备中变压器油的击穿电压和带电倾向会造成什么样的影响, 这方面资料国内外并未见到。针对这个情况, 本文提出了利用便携式高频X射线机对带电压和不带电压的变压器油进行定能量和定时间的照射的研究, 该研究成果将会为X射线数字成像透视检测系统对电力充油设备进行可视化检测给予明确、充分的证据, 同时为基于X射线的电力设备数字成像系统的应用范围提供技术支持。

1 便携式高频X射线机

X射线数字成像技术 (Digital Radiography, DR) 是目前最先进的数字成像技术, 它比传统胶片成像和计算机射线成像 (Computer Radiography, CR) 更具有优势[11]。DR技术具有成像质量高、速度快、可以做到实时成像显示并能实现在线检测等优点[12]。因而, 该技术具有广阔的应用前景;针对某些电力设备缺乏有效检测手段, 且需在不拆卸、不停电情况下, 才能确定电力设备内部的情况, 因而, X射线数字成像DR技术是不可多得的对电力设备进行检测的手段[13]。为了获得X射线对充油电力设备中油的影响, 本文利用X射线数字成像系统中目前工业用最大能量的便携式高频X射线机对变压器油的影响进行研究。

2 高能量X射线对变压器油影响

试验条件是在室温和湿度为50%情况下, 用便携式高频X射线机分别照射加10 k V电压和不加电压的两杯25号变压器油;选择便携式高频X射线机的能量为其最高能量 (管电压300 k V, 管电流3 m A) , 试验进行了8次, 照射时长分别为3 min、5 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min。加电压是为了模拟变压器真实环境, 不加电压的油杯为其对照组。

2.1 对变压器油击穿电压影响

击穿电压时考核绝缘油电气强度的一项重要指标, 是衡量绝缘油在电气设备内部耐受电压能力的尺度。它实质上反映的是油中是否存在水分、杂质和导电微利以及他们对绝缘油性能影响的严重程度[14]。因此对变压器油进行击穿电压分析具有重要的意义。本次试验后分析测得的数据如表1所示。

为了得到更加直观的带电倾向性数据变化趋势, 根据表格数据画出击穿电压数据变化曲线图, 如图1所示。

从曲线图可以明显的看出, 无论是加电压还是不加电压下的绝缘油在经过高能量X射线不同时长的照射后其击穿电压出现了波动, 其中不加电压和加电压均有五个数据在原样37.2 k V之上, 有三个数据在原样值之下, 但总之也都是在原样37.2 k V的击穿电压上下波动, 波动范围不大, 没有明显的规律性, 而且测试仪的误差和样品的偶然性也会导致这种波动, 所以可以得出高能量 (300 k V, 3 m A) X射线辐照不会对绝缘油的击穿电压造成影响。

2.2 对变压器油带电倾向性影响

油流带电引发的静电放电是威胁大型变压器安全运行的重要因素之一, 变压器发生油流放电故障在国内外均有发生, 变压器油流放电除了与变压器的绝缘结构、油的流速、油温等因素有关外还与变压器油本身的带电倾向性有很大的关系。对变压器油进行带电倾向性测量, 以便对带电倾向性超标的变压器油采取措施并及时改善变压器运行条件以防止变压器在运行中发生油流放电故障造成变压器损坏的现象重要意义[15,16]。为了更加全面深入的研究X射线对变压器油的影响状况。本次试验后对各个试验样品进行了带电倾向性分析, 分析的结果如表2所示。

为了得到更加直观的带电倾向性数据变化趋势和变化程度, 根据表格数据画出带电倾向性数据柱形图和变化曲线图, 如图2和图3所示。

从柱形图中可以明显的看出在高能量X射线的辐射下加电压和不加电压的变压器油的带电倾向性分别比原样曾加了16倍和9倍左右。图5可以清楚看出绝缘油带电倾向随X射线辐射时间的关系, 显然, 两种情况下X射线在初次照射的3min中就已经上升到较高值, 而在后面更长时间的照射中带电倾向出现了一定程度的较小幅度的波动, 但从总体趋势中并没有呈现有规律的增加或减少。X射线致使变压器油带电性增加的原因可能是在高能射线的作用下油中含有的大量的C-H等共价键被破坏, 从而产生了H+等离子增加了油中的电荷量。加电压的绝缘油带电倾向比未加电压的绝缘油带电倾向高出原样值7倍左右, 其主要原因可能是外加电场作用下电离作用使得油中离子浓度增大从而加剧了油流带电现象。高能量X射线的辐射已经使得变压器油带电倾向性的变化已经明显超出了测试仪器的误差范围。由此可以得出高能X射线可以引起变压器油带电倾向性的显著变化。

3 结束语

1) 高能量X射线 (管电压300 k V, 管电流3m A) 在长时间辐照变压器绝缘油的情况下不会对其击穿电压造成影响。

2) 高能量X射线对变压器绝缘油的辐照会引起其带电倾向性发生显著增长, 外加电压会加剧这种现象。

3) 这绝缘油在X射线作用下其带电倾向的增长是在短时间内发生的, 且可能存在某一临界时间值使得在超过该值后绝缘油在X射线的辐照下其带电倾向不在发生变化。具体的临界值还需做进一步的研究。

4) 利用X射线数字成像技术对电力充油设备进行透照检测需要谨慎进行。

摘要：为了将X射线数字成像技术引入到变压器的无损检测中, 需要确定X射线对变压器中绝缘油有无影响。本文是变压器绝缘油在高频X射线机最高能量和不同时间的照射下绝缘油击穿电压及带电倾向性变化情况。初步试验结果表明, 在高能量下, X射线的辐射对变压器油的击穿电压没有影响, 而会造成其带电倾向性发生较大幅度的变化。

高能宇宙射线的来源 篇3

非晶合金材料(又称金属玻璃)是20世纪80年代问世的一种新型合金材料。与晶态金属相比,非晶金属是一种特殊的物质状态,其微观结构特征决定了它具有许多优异性能[1]。研究最多、应用最广的非晶金属是非晶态软磁合金,有铁基、钴基、铁镍基和铁钴镍基等合金。铁硅硼合金是一种常用的铁基非晶合金,具有高电阻、高饱和磁通密度和极低铁损等优点,容易形成低剩磁状态,其脉冲磁特性明显优于晶状硅钢和玻莫合金,且价格便宜,是制造脉冲变压器的铁芯材料,作为变压器拥有良好的节能效果。

Fe78Si9B13非晶合金作为一种软磁材料,主要用在变压器中。然而,这种非晶合金也能作为屏蔽材料应用在辐射防护系统中。Fe78Si9B13非晶合金中含有大量硼,原子分数为13%,而质量分数约为2.74%。硼元素的10B同位素占天然硼质量的19.8%,具有优异的中子屏蔽效果,其热中子吸有收截面为3875b,且吸收中子后的二次γ射线产额小,能量低,所以很多含硼材料,如B4C、硼钢、B4C/Al复合材料或铅硼聚乙烯,在核工业中得到广泛应用。Fe78Si9B13非晶合金中Fe的质量分数约为92.1%,而Fe是屏蔽γ射线最常用的材料之一。Fe78Si9B13非晶合金对射线的屏蔽性能在现有资料中暂无相关报道,因此本实验对这种非晶合金的微观结构及组成、室温及高温力学性能进行了初步研究,并重点研究了Fe78Si9B13非晶合金带材的热中子屏蔽性能和γ射线减弱性能。

1 试验

1.1 原材料

Fe78Si9B13非晶薄带,单层厚度约为0.03mm,北京安泰科技股份有限公司生产。

1.2 试验及检测方法

1.2.1 组成及微观结构分析

采用DX2000型X射线衍射仪(XRD)检测Fe78Si9B13非晶合金薄带的组成。采用JEOL9500LV扫描电子显微镜(SEM)、金相显微镜观察分析Fe78Si9B13非晶薄带的微观结构。

1.2.2 力学性能试验

采用MTS810材料力学性能测试系统测试Fe78Si9B13非晶合金薄带的室温抗拉强度、延伸率及拉伸弹性模量,加载速率为0.5mm/min。

1.2.3 非晶薄带叠层板的热中子屏蔽性能

(1)Fe78Si9B13非晶薄带叠层板制备

单片非晶薄带的厚度仅为0.03mm左右,采用叠层粘合制备成绝对厚度分别为4.5mm、4.8mm,边长为15cm的平板状样品。

(2)热中子屏蔽测量原理及装置

采用镉差法,分别测量在不同材料厚度下有无镉片时的计数率,由式(1)计算镉下热中子计数:

Ni=Ni2-Ni1 (1)

式中: Ni为屏蔽材料厚度为i时的镉下热中子计数,Ni2为屏蔽材料厚度为i时的无镉片热中子计数,Ni1为屏蔽材料厚度为i时的有镉片热中子计数。由式(2)计算Fe78Si9B13非晶薄带叠层板的镉下热中子吸收率ρi:

ρi=(N0-Ni)/N0×100% (2)

式中:N0为无样品时的镉下热中子计数,Ni为Fe78Si9B13叠层板厚度为i时的镉下热中子计数。

由于很难获得单能的热中子,采用Am-Be中子源慢化装置,该装置由石蜡罐、石蜡慢化体、Am-Be中子源、样品支架组成。图1为实验装置示意图。

石蜡罐的侧面有Ф70mm的准直孔,孔壁覆盖1mm厚镉片,用以去除四周的热中子。从Am-Be中子源发射的快中子经80mm厚石蜡慢化体慢化后,得到热化中子。

(3)γ射线测试

γ光子在与物质相互作用过程中被减弱和吸收的程度可用线性减弱系数μ来表示。本研究采用60Co和137Cs放射源测量屏蔽材料对γ射线的线性减弱系数。

在窄束几何条件下,γ射线准直束穿过屏蔽材料后的减弱服从指数减弱规律[2] :

H=H0exp(-μT) (3)

式中:H为有屏蔽材料时仪器读数;H0为无屏蔽材料时仪器读数;T为屏蔽材料的厚度, cm;μ为屏蔽材料的线性减弱系数,cm-1。

根据式(4)计算线性减弱系数:

μ=T-1·ln(H0/H) (4)

放射源几何中心与探测器中心距离保持不变,在无屏蔽材料时获取读数H0,然后在放射源与探测器之间逐渐增加屏蔽材料厚度,得到不同测试厚度Ti下的读数Hi。根据式(4)计算不同屏蔽材料在不同测试厚度下对60Co和137Cs γ射线的线性减弱系数μi。

实验装置由多源铅室、准直器、放射源、样品支架、铅屏蔽体和测量仪器组成,如图2所示。为减少散射辐射影响和降低本底,探测器安装在铅屏蔽体中,探测器中心通过激光准直器与放射源几何中心对中,通过控制器选择实验用放射源。60Co放射源活度为1.66×109 Bq,137Cs放射源活度为1.85×1010Bq。

2 试验结果及讨论

2.1 Fe78Si9B13非晶薄带的微观结构

图3为Fe78Si9B13非晶薄带自由面(a)及辊面(b)的金相照片。从图3可以看出,自由面与辊面的形貌差别较大,自由面比辊面光滑得多,贴辊面的表面非常粗糙,整个表面分布着条状凹坑、小孔洞(或孔隙),这可能是在喷带过程中由于非晶带与冷却辊的接触不良、喷嘴距离和冷却辊距离匹配不好等因素所致。

图4为Fe78Si9B13非晶薄带的X射线衍射图。从图4的峰形可以说明这种薄带属于典型的非晶材料。而由X射线衍射结果计算其结晶度小于3%,可以近似认为Fe78Si9B13薄带属于非晶材料。

2.2 Fe78Si9B13非晶薄带的力学性能

在以往研究非晶合金的力学性能试验中,以室温弯曲、压缩等试验为主,主要探讨非晶合金的强度及韧性。本研究中采用室温及高温拉伸方法,探讨此种非晶薄带的拉伸强度及韧性。由于Fe78Si9B13非晶合金带材的过冷液相区很窄,高温拉伸中产生了结晶现象,因此引入晶化弥散强化对拉伸过程的各项性能指标的变化进行了讨论。非晶合金的拉伸性能测试确定出了适合变形的温度范围,为以后成形性能的研究打下了基础。

室温拉伸时的应力-应变曲线如图5所示,试验结果表明,Fe78Si9B13非晶合金室温拉伸强度高达约1500MPa,并且几乎没有发生塑性屈服现象,而室温拉伸强度即为材料本身的断裂强度。

从图5可以看出,Fe78Si9B13非晶合金室温拉伸时几乎完全处于弹性阶段,没有经历塑性阶段。Fe78Si9B13非晶带材的断裂延伸率约为3.9%,比脆性很大的高硼含量晶体合金的延伸率高出很多。Fe78Si9B13非晶带材的拉伸弹性模量约为50GPa,比晶态金属的弹性模量低,说明其韧性更好。弹性模量反映原子间结合力的大小,非晶态由于原子的无规则堆积,原子间距相比晶体金属大,结合力小,因此在较小的应力下就能使非晶态的原子发生相对较大的位移,宏观表现为较大的弹性变形和较小的模量[3]。

对Fe78Si9B13非晶合金的高温力学性能进行研究,结果表明,随着温度的升高,拉伸强度有所降低,但延伸率总体上呈增大趋势。由于高温拉伸时Fe78Si9B13非晶产生了结晶现象,结构弛豫时间缩短[4,5],其抗拉强度降低,但断裂延伸率在450℃时可高达40%。

2.3 Fe78Si9B13非晶薄带的屏蔽性能研究

2.3.1 热中子吸收性能

热中子与介质达到近似热平衡的中子,其速度分布仍有近似的麦克斯韦分布。20.44℃时热中子分布的最可几速度为2200m/s,与此速度相应的能量为0.0253eV。热中子与物质最主要的相互作用是辐射俘获,即原子核俘获中子,放射γ射线。材料对热中子的吸收效果不仅取决于材料中各元素对热中子吸收截面的大小,还与此种元素在材料中的单位体积密度(单位体积内该元素的原子数)有直接关系,可用式(5)表示材料对热中子的吸收能力:

η=∑Niσi (5)

式中:η为吸收能力(也称“黑度”),Ni为每cm3内元素i的原子个数,σi为元素i的微观吸收截面。天然硼中10B占19.8%,其热中子吸收截面为3875b。吸收截面高于10B的有稀土元素Gd、Sm、Eu、Cd。对于热中子吸收,许多元素或者十分昂贵,或者使用寿命很短,或者吸收截面太小,所以并不常用[6]。除B以外,其它元素与热中子的作用几乎都是(n,γ)反应,吸收中子后放出穿透性很强的γ射线,增加了核废料处理的困难。式(6)和式(7)分别为10B吸收热中子的主反应和副反应。

5B10+0n1→3Li7+2He4 (6)

5B10+0n1→2 2He4+1T3 (7)

Fe78Si9B13非晶合金中B的原子分数为13%,质量分数约为2.74%,其单位体积内的原子数约为7.88E+21个/ cm3,单位体积内10B原子数约为1.56 E+21个/ cm3,则根据式(5)计算Fe78Si9B13非晶合金对热中子的吸收能力η=6.05cm-1。

2块Fe78Si9B13非晶合金叠层板的实际厚度分别为4.5mm和4.8mm,按照上述测试方法测得2块叠层板的热中子吸收率分别为90.9%和94.9%。虽然对热中子屏蔽性能测试与表征没有相应的标准,但工程上一般以10mm厚屏蔽材料的热中子吸收率超过90%为可接受的评价标准。而Fe78-Si9B13非晶合金叠层板厚度接近5mm时对热中子的吸收率已达到90%以上,说明铁硅硼非晶带材对热中子具有优异的屏蔽效果。

2.3.2 γ射线减弱性能

用线性减弱系数μ表征γ射线在材料中的减弱情况,线性减弱系数越大说明射线减弱相同倍数所需材料的厚度越小,复合材料对射线的减弱效果越好。γ射线与物质的相互作用方式按射线能量大小不同可分为光电效应、康普顿效应和电子对效应,屏蔽材料对γ射线的减弱效果与物质的密度(或原子序数)密切关联。Fe78Si9B13非晶材料的密度为6.10g/cm3,而60Co、137Cs源γ射线的平均能量分别为1.25MeV、0.622MeV。根据实测透射率与样品厚度的关系,根据式(4)计算Fe78Si9B13非晶材料对60Co、137Cs源γ射线的线性减弱系数,分别为0.28cm-1、0.46cm-1。

3 结论

Fe78Si9B13非晶薄带的自由面与贴辊面的微观结构差异较大,自由面光洁平整,而贴辊面粗糙不平且有孔洞等缺陷。Fe78Si9B13非晶带材的室温抗拉强度可达1400MPa,延伸率为3.9%,而高温拉伸时由于产生了结晶现象,结构弛豫时间缩短,其抗拉强度降低,但断裂延伸率可达40%以上,韧性得到改善。

总厚度分别为4.5mm、4.8mm的Fe78Si9B13非晶薄带叠层板材对0.5eV以下热中子的吸收率分别达到90.9%、94.9%;对60Co、137Cs 2种γ源射线的线性减弱系数分别为0.28cm-1和0.46cm-1。这说明Fe78Si9B13非晶带材具有极好的热中子吸收能力和较好的γ射线减弱效果。结合Fe78-Si9B13非晶薄带优异的力学性能指标(如强韧性),其有望作为屏蔽材料应用在辐射屏蔽系统中。

摘要：对Fe78Si9B13非晶薄带的微观结构、力学性能进行了初步研究,并测试了非晶薄带叠层板材对高能射线(热中子及60Co、137Cs2种γ源射线)的屏蔽效果。Fe78Si9B13非晶薄带自由面与贴辊面的微观结构差异较大,自由面光洁平整,而贴辊面粗糙不平且有孔洞等缺陷。Fe78Si9B13非晶带材的常温抗拉强度可达1400MPa,延伸率为3.9%;而高温抗拉强度有所降低,但断裂延伸率明显提高。厚度为4.5mm、4.8mm的Fe78Si9B13非晶薄带叠层板材对0.5eV以下热中子的吸收率分别达到90.9%、94.9%;对60Co、137Cs2种γ源射线的线性减弱系数分别为0.28cm-1和0.46cm-1,说明这种非晶带材有极好的热中子吸收能力和较好的γ射线减弱效果,有望作为屏蔽材料应用在辐射防护系统中。

关键词：Fe78Si9B13,非晶薄带,微观结构,力学性能,屏蔽性能

参考文献

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[3]任静.Fe78Si9B13非晶合金的力学性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006

[4]高冠威,苏世漳,韩伟,等.用拉伸膨胀等方法研究非晶薄带的结构弛豫及晶化[J].北京科技大学学报,1996,18(1):84

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