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»

Радиационная и ультразвуковая диагностика материалов

Материал плотностью 1.3 г/см3

Материалы из архива