Вся РоссияКомпании
здесь будут опции для поиска

Влияние быстродвижущихся заряженных частиц на кабели и провода


Распад радиоактивного вещества сопровождается тремя видами излучений: α, β θ γ. α-λучи представляют собой положительно заряженные ядра гелия, β-лучи - поток электронов или позитронов (вторичные электроны, образующиеся в пределах трека ионизирующей частицы и получающие от нее некоторую долю энергии, называются δ-лучами), γ-лучи - электромагнитные волны длиной 0,1 нм и короче. Наиболее простым из источников электромагнитного излучения является рентгеновская трубка. Высокие потоки тормозного излучения получают с помощью ускорителей. Источниками γ-лучей высокой интенсивности являются радиационный контур при ядерном реакторе и радиоактивные изотопы кобальт-60 и цезий-137. испускающие γ-кванты с энергиями 1,25 и 0,66 Мэв.

Прохождение через вещество рентгеновских и γ-лучей, а также корпускулярных излучений (α- и β-лучей) сопровождается ионизацией атомов этого вещества. Излучения при ионизации теряют часть своей энергии, происходит так называемое поглощение веществом энергии излучения. Интенсивностью излучения / называют величину, равную отношению энергии ионизирующего излучения W, вступающего в элементарную сферу в единицу времени, к площади поперечного сечения этой сферы:

(1 вт/м 2 =10 3 эрг/сек·см 2 ).

Поглощенной дозой излучения D п называют величину, равную отношению энергии любого ионизирующего излучения к массе облученного вещества:

(1 дж/кг=100 рад=10 4 эрг/г).

Мощностью поглощенной дозы излучения Р П называют величину, равную отношению поглощенной дозы излучения D П ко времени облучения:

(1 вт/кг=100 рад/сек).

Нейтроны отличаются от других видов излучения высокой энергии отсутствием электрического заряда. Не являясь ионизирующими частицами, нейтроны передают энергию окружающему веществу путем упругих столкновений с ядрами атомов поглотителя. Ионизация и возбуждение в веществе при облучении нейтронами высокой энергии вызываются заряженными частицами отдачи. Нейтроны с энергией выше 0,1 Мэв называют быстрыми нейтронами. Нейтроны, средняя кинетическая энергия которых совпадает с кинетической энергией частиц массой 1 а. е. м. (атомной единицы массы) при комнатной температуре (около 0,025 эв и скорости около 2 200 м1сек), называют тепловыми нейтронами. Заряженная частица высокой энергии растрачивает свою кинетическую энергию вследствие электрического взаимодействия со связанными электронами атомов поглощающего материала. Это взаимодействие приводит к непосредственной передаче энергии таким электронам и переводу их на возбужденные уровни соответствующих атомов и молекул. Если эти уровни лежат выше ионизационного потенциала данного атома, то происходит ионизация в материале. Если же они расположены ниже ионизационного потенциала, тo образуется возбужденный атом, но ионизации в материале не происходит.

Работоспособность кабелей и проводов в ядерном реакторе зависит от соотношения потоков быстрых и тепловых нейтронов, а также от γ-излучения (длительность эксплуатации зависит не только от интегральной дозы облучения, но и от мощности дозы или интенсивности потока). При облучении кабелей и проводов с пластмассовой изоляцией в воздухе ухудшение их характеристик будет меньше при большей мощности дозы, так как процессы окисления не происходят в полной мере. Если интенсивность облучения невелика, то для работоспособности до той же интегральной дозы требуется защита кабелей и проводов герметичной оболочкой. В процессе облучения электрическое сопротивление меди при комнатной и более высоких температурах изменяется незначительно, а изменения при низких температурах не превышают 10%. Сопротивление изоляции кабелей и проводов в процессе облучения может уменьшиться на несколько порядков. Все применяемые в настоящее время полимерные материалы по допустимой рабочей температуре непригодны для использования в активной зоне ядерных реакторов. Даже политетрафторэтилен обладает низкой радиационной стойкостью, особенно в присутствии кислорода. Вне активной зоны ядерного реактора, на мощных изотопных источниках излучения или технологическом оборудовании для переработки ядерного горючего, где температура не превышает 100° С, полимерные материалы могут применяться, но срок их эксплуатации значительно сокращается по сравнению с нормальными условиями.

Воздействие ионизирующих излучений приводит к изменениям свойств вещества за счет нарушений их структуры (разрыв химических связей, образование свободных радикалов, появление окраски и т. п.). Обычно ионизирующие излучения вызывают относительно слабые радиационные повреждения в металлах и сплавах. Однако облучение их в присутствии газов, жидкостей и твердых тел, чувствительных к ионизации, способствует химическому взаимодействию с последними и может повлечь за собой более интенсивное протекание реакция окисления и нитрирования или увеличение скорости коррозии.

К обратимым процессам относится появление радиационной электропроводности, а к необратимым - химические изменения свойств полимеров: сшивание (образование поперечных связей), деструкция (разрыв главной цепи полимерной молекулы), выделение газа и изменение степени насыщенности (исчезновение и образование двойных связей). При действии излучений на полимеры - полиэтилен, полипропилен, поливинилхлоридный пластикат, полистирол, натуральный и синтетический каучуки (кроме полиизобутилена), полисилоксаны, полиамиды и др. в них преобладает процесс сшивания, а в полиизобутилене, политетрафторэтилене, полиэтилентерефталате, поливинилформале и др. преобладает процесс деструкции.

Образование ненасыщенности имеет важное значение при использовании полимерных материалов в качестве электроизоляционных. Этот процесс сопровождается увеличением tg δ οри очень высоких частотах, а также способствует протеканию окислительной деструкции. Во время облучения- проводимость возрастает до начала развития пробоя. При длительном облучении изоляционных материалов в них возрастают токи утечки и вероятность (поверхностных разрядов, снижается пробивная напряженность.

При облучении полиэтилена в нем одновременно протекают процессы сшивания и деструкции, однако первый из них превалирует (70%). Образование сетчатой структуры приводит к изменению физико-механических свойств. На рис. 5-1 приведены деформации полиэтилена, облученного γ-лучами Д° различных доз. Деформация при повышенных температурах оказывается тем меньшей, чем больше доза облучения, и сохраняется практически постоянной вплоть до температуры разложения. Полиэтилен низкой плотности после облучения приобретает сетчатое строение, размягчается при 110-120° С, но не течет при дальнейшем повышении температуры. На рис. 5-2 приведены относительные удлинения, а на рис. 5-3 значение tgδ образцов полиэтилена в зависимости от дозы облучения в воздухе.

Рис. 5-1. Зависимость деформации полиэтилена от температуры.

1 - полиэтилен низкой плотности (ПЭ-ип) необлученный; 2 - полиэтилен высокой плотности (ПЭ-вп) необлученный; 3 - ПЭ-нп. 60 Мрад; 4 - ПЭ-нп, 66 Мрад: 5 - ПЭ-нп, 100 Мрад; 6 - ПЭ-нп, 156 Мрад; 7 - ПЭ-нп, 250 Мрад; 8 - ПЭ-вп, 50 Мрад; 9 - ПЭ-вп. 100 Мрад.

 

Рис. 5-2. Зависимость относительного удлинения образцов полиэтилена от дозы облучения.

1 - облучение в вакууме образца (∆=0,4 мм), измерение при 20 С; 2 - то же при 90 С; 3 - облучение в воздухе образца (∆=0,95 мм), при 90 С; 4 - то же при 20° С; 5 - то же (но ∆=0,4 мм) при 90°С; 6 -- то же при 20° С.

Рис. 5-3. Зависимость tg δ οолиэтилена от дозы облучения в воздухе.

На рис. 5-4 приведены кривые пробивной напряженности полиэтиленовой изоляции в зависимости от дозы облучения и температуры.

Относительное удлинение поливинилхлоридного пластиката в зависимости от дозы облучения (до 150 Мрад) снижается до 30% первоначального значения. Предел прочности резко снижается при дозах облучения 6-10 Мрад, а при 150 Мрад в зависимости от состава пластиката он составляет от 30 до 90% первоначального значения. Морозостойкость пластиката резко снижается после облучения дозой 10-16 Мрад и почти полностью утрачивается дозой 50-150 Мрад, ρ v поливинилхлоридного пластиката уменьшается до 5-30% первоначального значения, е возрастает в 1,5 раза, a tg δ в 3 раза. Политетрафторэтилен и политрифторэтилен обладают высокой нагревостойкостью и химической инертностью, но весьма склонны к деструкции под действием ионизирующих излучений. Деструкция сопровождается выделением корродирующих газообразных продуктов. При облучении на воздухе физико-механические характеристики политетрафторэтилена и политрифторэтилена быстро ухудшаются. Предел прочности при растяжении образцов толщиной 3,6 мм уменьшается в 2 раза после облучения дозой 4 Мрад; относительное удлинение уменьшается в 2 раза после облучения дозой 2 Мрад. Электропроводность при 30° С в процессе облучения (мощность дозы 15 рад/сек) возрастает в 100 раз; ε и tg δ изменяются незначительно.

Радиационная стойкость резин снижается в следующей последовательности: натуральный, бутадиенстирольный, бутадиеннитрильный и хлоропреновый каучуки. Кремнийорганические эластомеры обладают весьма высокой радиационной стойкостью в сочетании с хорошими характеристиками при тепловом старении. Эластомеры на основе полиуретанов также обладают весьма высокой радиационной стойкостью и пригодны для использования при дозах облучения 1 000 Мрад и выше.

Перспективными направлениями работ по расширению ассортимента радиационностойких электроизоляционных материалов являются как синтез новых полимеров, так и подбор антирадиационных добавок, ингибирующих радиационные эффекты в облучаемом веществе.


к содержанию