Применение физики высоких энергий в науке и технике

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ  ФАКУЛЬТЕТ

 

 

 

Доклад на тему:

 

“Применение физики высоких энергий в науке и технике ”

 

 

Подготовил  студент  5-го курса 2-й группы

Комар Дамиан Ингваррович

 

 

 

 

 

Минск 2012 г.

 

Радиоактивационный  анализ.

Активационный анализ - наиболее распространенное направление среди  ядерно-физических методов определения  состава вещества. Активационный  анализ впервые предложен Д.  Хевеши  и Г.  Леви (1936). Образец облучается потоком частиц или гамма-квантов (активация). В результате ядерных реакций часть стабильных ядер превращается в радиоактивные или возбужденные. Идентификация элементов и количественный анализ производятся путем измерения энергетических спектров и интенсивности излучения, а также по периоду полураспада радиоактивных ядер. Т. к. в основе активационного анализа лежат ядерные процессы, то результаты активационного анализа не зависят от того, в какое химическое соединение входят атомы определяемых элементов, но чувствительны к изменению изотопного состава элементов.

Если в результате облучения  образуется радиоактивный нуклид с  периодом полураспада Т1/2, то при времени облучения t активность радионуклида к концу облучения (расп./с) будет составлять              

                                            С=ФσN[1-exp(-t/T1/2)]                                                   

Если время облучения  намного превосходит период полураспада (t >> T1/2), то  достигается насыщение активности образующегося нуклида: сколько атомов его образуется в единицу времени, столько и распадается. Выражение в скобках в этом случае равно почти 1. Определив, какие р/а радионуклиды образовались и из каких стабильных нуклидов, можно определить качественный состав объекта на присутствие этих стабильных нуклидов, а следовательно, и соответствующих элементов. Измерение активности радионуклида позволяет найти количественное содержание N данного стабильного нуклида в объекте, а при известном изотопном составе соответствующего элемента – содержание последнего. В этом и заключается принцип радиоактивационного анализа (РАА).   Чтобы найти N по формуле (3.1), необходимо знать абсолютные значения активности С, плотности потока Ф, усредненной по объему образца, сечения σ, усредненного по спектру частиц, а так же временные факторы. Такой подход – абсолютный РАА – используется редко. Как правило, применяют относительную методику: наряду с объектом облучают стандартный образец (эталон) с известным весовым содержанием искомого стабильного нуклида.

 

 

Нейтронно-активационный  анализ (НАА).

Широкое распространение  нейтронно-активационного анализа  (НАА) обусловлено его высокой  чувствительностью, связанной с  большим сечением реакции захвата  ядрами тепловых нейтронов и наличием мощных источников нейтронов (ядерные реакторы, ускорители, нейтронные генераторы). Чувствительность (предел обнаружения) большинства элементов при использовании реакторных нейтронных потоков ~ 10¹³ см^-2·с^-1 составляет  (10^-5 - 10^-10) %.

Однако в  НАА применяются  и изотопные источники нейтронов. Предел обнаружения ~(10^-4-10^-6) %, достаточный для решения многих задач, может быть достигнут при использовании ампульных нейтронных источников, в которых протекает реакция ⁹Be(a,n)¹²C  (источником a-частиц являются изотопы ²¹⁰Po, ²³⁸Pu и др.), или источников на основе  ²⁵²Cf, претерпевающего спонтанное деление.

Методики определения  в нефти и нефтепродуктах 25-30 элементов  были использованы для выявления  закономерностей распределения  микроэлементов по компонентам и фракциям нефти, поведения металлов в процессах переработки нефтяного сырья. Эти данные позволяют определить форму нахождения элементов в нефти, их принадлежность соответствующим элементоорганическим соединениям или внутримолекулярным комплексам, характер связи металла, что, в свою очередь, может быть применено при прогнозировании химических свойств отдельных компонентов нефти, выбора путей радиационной переработки нефтяного сырья и квалифицированного использования нефтяных остатков.

Фотоядерный активационный  анализ (ФАА).

В ряде случаев НАА оказывается  недостаточно эффективным. В этом случае для элементного анализа используют фотоны высокой энергии. Ядерные  превращения, вызванные фотонами, объединяют в класс фотоядерных реакций. Они были открыты  Чедвиком  и Гольдхабером  в 1934 г. при исследовании процесса фотодезинтеграции дейтерия   (g+ ²D®).  Фотоны высоких энергий обладают большой проникающей способностью. Основной процесс активации - реакция (g,n). Продуктом этой реакции является нейтроно-дефицитное ядро изотопа первоначального элемента, которое распадается либо с испусканием позитрона, либо путём электронного захвата. Образующиеся при этом дочерние ядра находятся в возбуждённом состоянии и, переходя в основное, испускают один или несколько g-квантов. Выделяют 4 основных схемы ФАА:

1. Прямая регистрация  продуктов фотоядерной реакции;

2. Фотоактивация элементов в результате фотоядерной реакции;

3. Фотовозбуждение изомерных состояний за счёт (g,g¢) реакций;

4. Активация образцов  вторичными нейтронами (фотонейтронами), возникающими в результате реакций  (g,n), (g,pn), (g,2n), (g,f).

 

Радиационные  методы обработки материалов и изделий.

Под действием излучений  различных видов в поверхностных  слоях твердых тел происходят различные изменения: фазовые, структурные, физические, механические, химические и т.д. Так, в телах с низкой электропроводностью образовавшиеся в результате ионизации положительные ионы и электроны длительное время обнаруживают себя как дефектные новообразования в структуре. Хорошо известным примером является появление под действием облучения коричневой окраски стекла, что обусловлено образованием электронных центров поглощения света. Ионизованные атомы могут смещаться со своих прежних мест под влиянием электрических сил соседних атомов.

     При соударении  тяжелых частиц с ядрами последние  могут перемещаться на многие  межатомные расстояния. Таким образом, в структуре образуются два дефекта: вакансия и межузельный ион, что сказывается на свойствах кристаллических тел. Ядерные соударения - типичный процесс для быстрых нейтронов. Тяжелые ионы также испытывают соударения с ядрами, хотя влияние этих соударений относительно мало по сравнению с влиянием процесса ионизации.

     При большом  числе актов ядерной реакции  могут наблюдаться еще большие  изменения в структуре, так как кроме пространственного перемещения часто образуются ядра посторонних для данной структуры элементов. Включение посторонних ядер происходит и при облучении ионами, когда последние останавливаются в конце своего пробега.

Образование дефектов в конструкционных  материалах ядерных установок - обычно вредное явление. Например, металлы  и сплавы приобретают такие нежелательные свойства, как хрупкость, подверженность коррозии и т. п. Для испытаний материалов, предназначенных для работы в условиях облучения, нередко используют ускорители как источники быстрых нейтронов и ионов.

     Однако образование  дефектов иногда  полезно использовать прежде всего в технологии получения полупроводников. Особенно плодотворной оказалась имплантация ионов в целях создания примесной электропроводимости.

     Определенные  перспективы имеет радиационная  обработка металлов и сплавов.  Предпосылки к этому следующие. Известно, что важным фактором, определяющим благоприятный комплекс свойств металлов и сплавов, является фазовое состояние. Фазовые превращения, контролируемые диффузией, обычно протекают с заметной скоростью лишь при температурах выше (0,4 - 0,5) T, где Т - температура плавления по шкале Кельвина. Радиационные дефекты (вакансии и межузельные атомы) становятся подвижными уже при температуре 0,2 Т. Таким образом, при радиационно-усиленной диффузии можно получить фазы, стабильные в интервале температур (0,2 - 0,5) Т.

     В некоторых  экспериментальных работах показано, что облучение электронами при очень высоких дозах, измеряемых миллиардами Дж/кг, действительно позволяет изменять механические свойства в полезных целях, например,  для увеличения износостойкости рабочих поверхностей инструментов. Так, облучение электронами сплавов железа с молибденом и хромом приводит к росту предела текучести при небольшом снижении предела прочности.

     Облучение  пучками ионов и плазмы (ионоплазменная обработка) позволяет получать сверх стойкие покрытия металлических поверхностей. Это направление называют модификацией свойств поверхностей материалов.

     В конечном  счете,  подавляющая часть энергии,  расходуемая заряженными частицами  в веществе, переходит в тепло.  Возможность высокой концентрации  тепловыделения и управления его пространственным распределением вплоть до микроскопических объемов и поверхностей обусловила большой интерес к такого рода использованию частиц для обработки поверхности твердых тел. Следует отметить, что кроме удаления вещества с поверхности за счет нагрева наблюдается явление ионного выщербливания. Тепловое действие ускоренных пучков с успехом используется при производстве интегральных схем микроэлектроники. Примером может служить получение рисунков электронных схем, микропайка, обезвоживание и очистка поверхностей полупроводников. Другим примером является использование электронного пучка для прохождения твердых горных пород.

     Широкое практическое  применение нашла электронная сварка, которая заслуживает более подробного рассмотрения.

     В настоящее  время развиваются направления  модификации поверхностных свойств  материалов с использованием  воздействия  на них пучками  различных видов излучения: лазерного,  электронного, рентгеновского, ионного,  нейтронного, плазменного. При  этом происходят многообразные  физические процессы. Основные из них следующие:

       ·  нанесение плёнок и покрытий ( в том числе и многослойных);

       ·  изменение топографии (рельефа) поверхности путём тонкого плазменного   

           напыления, полировки, оплавления;

       ·  изменение фазовой структуры поверхностных слоёв а глубину до нескольких десятков микрометров в результате быстрого нагрева концентрированными   потоками энергии и, затем, быстрого охлаждения;

       ·  изменение элементного состава поверхностных слоёв и варьирование

           электрических свойств материалов (легирование кремния, имплантация);

       ·  изменение микроструктуры в результате ударно-волнового воздействия из-за  газодинамического разлёта плазмы и пара с поверхности).

     Выбор метода  модификации определяется конкретными  задачами и возможностями их  решения. В большинстве своём  радиационными технологиями пользуются  для получения полупроводников  и для улучшения механических, физических и химических свойств  поверхностных слоёв материалов  и изделий.     

 

 

Химическое  действие ионизирующего излучения. Примеры использования радиохимических  процессов.

      В результате процессов ионизации  образуются ионы и радикалы, обладающие  повышенной химической активностью.  Они способны вступать в химические  реакции, как друг с другом, так и с молекулами и атомами  облучаемой системы. Примером  является распад молекулы воды  в результате разрыва  в  ней химических связей. Не менее  важную роль в этих процессах  играет протекающее одновременно  с ионизацией возбуждение молекул.  Оно заключается в переходе  электронов молекул на более  высокие энергетические уровни. Образование ионизованных и возбуждённых  молекул (и атомов) вызывается  не только первичными ионизирующими  частицами (электронами и тяжёлыми  ионами), но и d - частицами, т.е.  вторичными электронами, выбиваемыми первичными частицами и имеющими достаточную энергию, чтобы производить ионизацию и возбуждение. 
     Ионизованные и возбуждённые молекулы возникают вдоль следа ионизирующей частицы в виде неравномерного распределения сгустков. Молекулы воды под действием излучения испытывают  радиолиз ( ионизацию и возбуждение), который в упрощённом  виде выглядит следующим образом:

                                               H2O®H2O⁺+e^-;H2O®H2O^*.                                                          

      Электрон может захватываться  другой молекулой воды, образуя  ион  H2O^-.  Ионы воды могут гидратироваться, в результате чего получаются гидратированные ионы H⁺ и OH^- и имеющие ненасыщенные химические связи (неспаренные электроны) радикалы H× и OH× :

                                       H2O⁺+H2O®H⁺(H2O)+OH×;                                                       

                                              H2O^-+H2O®H+OH^-(H2O).