Воздействие проникающей радиации на элементы схем

Рис.1.6. Схема эффекта образования электронно-дырочной пары

Рис.1.5. Схема Комптон-эффекта

Рис. 1.4. Схема фотоэффекта

 

 

 


 

 
 

 

 


 

Рассмотрим, проникающую способность гамма-квантов.

Известно, что гамма-квант образуется при переходе ядра в более низкие энергетические состояния. Обладая нулевой массой покоя, они не могут замедляться в среде, они поглощаются или рассеиваются.

Наша справка. В январе 2001 года в США экспериментально удалось остановить луч света в среде. Так как и солнечный свет и гамма-лучи имеют одинаковую электромагнитную природу, возникает сомнение относительно выше приведенного утверждения.

При прохождении через вещество их энергия не меняется, но уменьшается интенсивность по следующему закону (рис.1.7.):

 

I = Iо ехр(-mх) (1.34.)

 

где: I = Еγn/t; n - число квантов; m- коэффициент поглощения; х - толщина поглотителя (вещества), см; Iо- интенсивность квантов до прохождения поглотителя, МэВ/с.

В практических расчетах вместо величины m часто используют понятие "толщина слоя половинного ослабления", это такая толщина материала, при прохождении которой интенсивность облучения уменьшается в 2 раза. Запишем уравнение (1.34.) в виде:

 

Iо /I = ехр(-mх) (1.35.)

 

 
 

 

 


Рис.1.7. К оценке ослабления гамма-излучений веществом

 

Полагая Iо /I = 2 и логарифмируя правую и левую части уравнения (1.35.) получим: ln2 = md, d = 0,693/m

Тогда, формула (1.34.) примет вид:

I = Iо ехр(- 0,693х/d) = I0 е- 0,693Х/d (1.36.)

 

Толщина слоя половинного ослабления dберется из таблиц, но если они отсутствуют, то эта величина может быть вычислена приближенно по плотности материала ρ:

 

d = 13/r, (1.37.)

где: 13 см - слой воды, ослабляющий гамма-излучение в 2 раза; r- плотность материала, г/см3. Для некоторых материалов величины d представлены в приложении 3

Выражение (1.36.) можно преобразовать следующим образом:

 

Косл = I0/I = ехр (0,693х/d), (1.38.)

 

где Косл - коэффициент ослабления гамма-излучения проходящего через преграду толщиной хи значением слоя половинного ослабления для данного материала d (рис. 1.9.). При грубой оценке выражение (1.38.) можно упростить полагая, что основание натурального логарифма е = 2,73…≈ 2, а 0,693 ≈ 1, получим

 

Косл ≈ 2х/d (1.39.)

 

Расчеты показывают, что проникающая способность гамма-излучения в воздухе десятки и сотни метров, в твердых телах - многие сантимет­ры, в биологической ткани человека часть гамма-квантов проходят через человека насквозь.

Б е т а - и з л у ч е н и е

Прохождение бета-частиц (электронов) через вещество сопровождается упругими и неупругими соударениями с ядрами и электронами тормозящей среды.

Упругое рассеяние электронов на ядрах более вероятно и осуществляется при относительно низких энергиях электронов Еβ < 0,5 МэВ (рис.1.8.). Упругое рассеяние электронов на электронах в Z раз (Z - величина заряда ядра) менее вероятно, чем на ядрах (рис.1.9.). Возможен в редких случаях и сдвиг ядер атомов кристаллической решетки (рис.1.10.).

 
При энергии электронов выше энергии связи электрона и до ≈ 1 МэВ основным механизмом потерь энергии является неупругое рассеяние на связанных электронах, приводящее к ионизации и возбуждению атомов (рис.1.11.).

 

                           
   
 
 
Рис.1.8. Упругое рассеяние бета-частиц на ядрах атомов
 
Рис.1.9. Упругое рассеяние бета-частиц на электронах атома
 
 
   
   
       
 
 
   
Рис.1.10. Вариант смещения ядра атома кристаллической решетки

 

 


При больших энергиях электронов главным механизмом потерь энергии является радиационное торможение, при котором возникает тормозное излучение.

 

             
   
   
 
   
 
 
 
Рис. 1.11. Ионизация атома бета-частицами (неупругое взаимодействие)

 


Одним из вариантов неупругого взаимодействия является К- захват.

Таким образом, процессы взаимодействия электронов (бета-частиц) со средой характеризуются радиационным торможением и относительно большой потерей энергии или значительным изменением направления движения электронов в элементарном акте. Вследствие этого взаимодействия интенсивность пучка электронов уменьшается почти по экспоненте с ростом толщины поглощающего слоя х, т.е. для бета-частиц справедлива формула (1.35.).

Путь электронов в веществе представляет ломаную линию, а пробег электронов одинаковых энергий имеет значительный разброс. Пробег электронов (бета-частиц) примерно в 1000 раз больше пробега альфа-частиц в веществе. В таблице 1.2. показана средняя глубина пробега бета-частиц в воздухе, биологической ткани и для примера в алюминии.

Итак, бета-частицы не имеют точной глубины проникновения, так как обладают непрерывным энергетическим спектром. Для грубой оценки глубины пробега бета-частиц пользуются приближенными формулами. Одна из них:

Rср/Rвозд = rвозд/rср (1.40.)

где: Rср - длина пробега в среде; Rвозд - длина пробега в воздухе, Rвозд = 450Eb; rвозд и rср - плотность воздуха и среды соответственно; Eb - энергия бета-частиц.

Таблица 1.2.

Пробеги бета-частиц

Максимальная энергия бета-частиц, Е, МэВ Воздух, см Биологическая ткань, мм Алюминий, мм
0,01 0,13 0,002 0,0006
0,02 0,52 0,008 0,0026
0,03 1,12 0,018 0,0056
0.04 1,94 0,030 0,0096
0,05 2,91 0,046 0,0144
0,06 4,03 0,063 0.0200
0.07 5,29 0,083 0,0263
0,08 6,93 0,109 0,0344
0,09 8,20 0,129 0,0407
0,1 10,1 0,158 0,050
0,5 1,87 0,593
1,0 4,80 1,52
1,5 7,80 2,47
2,0 11,1 3,51
2,5 14,3 4,52
3,0 17,4 5,50
5,0 29,8 9,42
60,8 19,2

Примечание. Наиболее распространены радионуклиды, излучающие бета-частицы с энергией от нескольких десятков килоэлектронвольт до 3,0 - 3,5 МэВ.

А л ь ф а - и з л у ч е н и е

Энергия альфа-частиц находится в пределах 4 - 10 МэВ, скорость примерно 20 000 км/с. Имея большую массу и значительную энергию, они ее расходуют в основном на неупругое рассеяние на электронах атомов. Таким образом, альфа-частицы обладают большой ионизирующей способностью. В редких случаях альфа-частица может проникнуть в ядро и вызвать ядерную реакцию. Полная ионизация, создаваемая альфа-частицами на всем пути в среде, составляет примерно 120 - 150 тысяч пар ионов. Удельная ионизация изменяется от 25 до 60 тысяч пар ионов на 1 см пути в воздухе. Удельная ионизация увеличивается к концу пробега альфа-частиц. Это связано с тем, что при прохождении через вещество энергия альфа-частицы, а значит, и ее скорость уменьшается. В результате увеличивается вероятность ее взаимодействия с электронами атома. Это приводит к увеличению ионизации вещества, достигая максимума в конце пробега.

Альфа-частицы, имея двойной электрический заряд и большую массу буквально "продираются" через атомы вещества. Вследствие сильных потерь энергии альфа-частицы проникают на незначительную глубину.

В отличие от фотонов и бета-частиц длина пробега альфа-частиц экспоненциальному закону не подчиняется. Поэтому пользуются империческими формулами. Так, например, для воздуха при 0°С и давлении 760 мм рт. ст. (0,1Па), длина пробега альфа-частиц с энергией от 3 до 8 МэВ может быть рассчитана по формуле Гейгера:

Ra = Ea2/3 /3, [см] (1.41.)

 

Длина пробега Rαальфа-частиц в воздухе при температуре 15°С и давлении 0,1 Па определяется по формулам:

 

Ra = 0.318 Ea2/3 , см - если Ea = (4 ё 7) МэВ; (1.42.)

Ra = 0.56 Ea2/3 , см - если Ea < 4 МэВ. (1.43.)

где: Ea - энергия альфа-частиц.

Пробег альфа-частиц в веществе, отличном от воздуха определяют по формуле:

Ra = 10-4(M Ea3)1/2 /r, см (1.44.)

 

где: М - атомная масса; r- плотность вещества, г/см3.

 

В таблице 1.3. Показана длина пробега альфа-частиц в воздухе, биологической ткани и алюминии. В таблице алюминий взят в качестве примера, так как именно металлы чаще всего применяются для защиты человека и электронных схем от ионизирующих излучений.

 

Таблица 1.3.

Пробеги альфа-частиц в воздухе, биологической ткани и алюминии

Энергия альфа частиц Еα, МэВ   Воздух, см Биологическая ткань, мкм   Алюминий, мкм
4,0 2,5
4,5 3,0
5,0 3,5
6,0 4,6
7,0 5,9
8,0 7,4
9,0 8,9
10,6

Н е й т р о н н о е и з л у ч е н и е

Нейтроны взаимодействуют только с ядрами атомов. Облучая ядра атомов вещества нейтронами их энергия расходуется на: упругое рассеяние, неупругое поглощение ядрами вещества, деление тяжелых ядер. В результате неупругого рассеяния нейтроны передают ядрам часть своей энергии и изменяют направление своего движения. Ядра атомов, получив дополнительную энергию вылетают из атомов, и проходя через вещество производят его ионизацию. Чем меньше масса ядер среды, через которую проходят нейтроны, тем большую долю энергии они теряют в процессе упругого рассеяния. Поэтому в качестве замедлителей нейтронов лучше всего использовать водородосодержащие или легкие вещества - воду, углерод, парафин. В процессе упругого рассеяния энергия нейтрона уменьшается до теплового движения молекул и атомов среды.

В результате неупругого взаимодействия нейтрон поглощается ядром, при этом ядром испускаются различные частицы, гамма-кванты. При опреде­ленной энергии нейтрона возможно деление тяжелых ядер на две примерно равные части, при этом из ядра выбрасывается несколько нейтронов и если масса вещества больше критической будет цепная реакция деления атомного взрыва.

В зависимости от энергии нейтронов преобладают те или иные виды взаимодействия: при энергии менее 0,025 эВ - холодные нейтроны, при энергии 0,025 - 0,05 эВ - тепловые нейтроны. В поглощающей среде обычно наблюдается реакция захвата тепловых и холодных нейтронов; при энергии 0,05 - 0,5 кэВ - промежуточные нейтроны, при этом наблюдается упругое рассеяние; при энергии 0,2 - 20 МэВ - быстрые нейтроны. Они характеризуются как упругим, так и неупругим рассеянием; при энергии 20 - 300 МэВ - сверхбыстрые нейтроны, которые отличаются ядерными реакциями.

Таким образом, нейтронный поток обладает способностью косвенной ионизации вещества при определенных значениях энергии, а проникающая способность подчиняется экспоненсиальному закону.

Сравнительная характеристика способности проникновения различных видов излучений через различные вещества поясняется рис.1.12.

 


Рис.1.12. Проникающая способность разных видов ионизирующего излучения

Примечание. Проникающая способность излучений зависит от толщины преграды. На рис.1.12. необходимо учитывать последовательность преград.

Воздействие радиоактивных излучений на физические свойства

некоторых материалов

 

Физические свойства многих твердых тел изменяются под воздействием ионизирующих излучений. Общим для всех твердых тел является то, что их параметры и свойства при облучении определяются, как правило, возникающими дефектами в структуре. В результате образования радиационных дефектов изменяются структурные, механические и электронные свойства твердых тел. Степень воздействия ионизирующих излучений на твердые тела, особенно на полупроводники, зависят с одной стороны от структуры решетки, типа и концентрации примесей, а с другой стороны - она определяется условиями облучения, а именно: видом излучений, их энергий, плотностью потока частиц и гамма-квантов, временем облучения, температурой твердого тела. Особенно опасными являются нейтронный поток и гамма-кванты, обладающие высокой проникающей способностью. Параметры излучений, при которых происходят структурные изменения представлены в таблице 1.4.

Полупроводники изменяют свои свойства при облучении и становятся непригодными для использования, как в интегральных схемах, так и в отдельных приборах.

 

Таблица 1.4.

Виды элементов и материалов Вызывает начало изменений параметров
Мощность дозы гамма-излучения, Р/ч Поток нейтронов, нейтр/кв.м
Диоды, транзисторы 3,5* 108 1015
Микросхемы, полупроводники 3,5*107 1016
Радиолампы 17*109 2*1019
Резисторы, конденсаторы 3,5*109 2*1019
Газоразрядные приборы 3,5*108 -
Магнитные материалы 3,5*1010 1019
Выпрямители 17*108 5*1016

Меньше изменяется структура у стекла, но больше у керамики. В результате чего изменяются изолирующие свойства, а стекла изменяют и свою прозрачность, как правило, окрашиваются в фиолетовый цвет или темнеют. В зависимости от степени воздействия радиации изменения в структуре стекла могут быть обратимыми и необратимыми.

Полимерные материалы, широко применяющиеся в электронике, изменяют свою структуру и свойства под воздействием ИИ также как и полупроводники.

Металлы, при их облучении ИИ, изменяют свои механические и электрические свойства, в частности, возрастает удельное сопротивление и уменьшается плотность.

Пьезокварцевые материалы и изделия под воздействием ИИ изменяют свои магнитные, механические, электрические, тепловые и оптические свойства. Так как, эти изделия являются наиболее ответственными функциональными элементами радиоэлектронной аппаратуры (генераторы, электрические фильтры, резисторы, ультразвуковые устройства, линии задержки), то они должны быть особо защищены специальными экранами, если есть угроза их облучения радиоактивными лучами.

Степень разрушения конденсаторов зависит от типа диэлектрика, их свойств, вида и времени облучения.

Радиокомпоненты. Характер и степень изменения электрофизических свойств радиокомпонентов при воздействии на них ионизирующих излучений зависят от характеристик излучения (плотности потока, энергетического спектра, мощности дозы), продолжительности его воздействия, конструктивных особенностей изделий и применяемых в них материалов.

Под воздействием непрерывного гамма- и нейтронного излучения у магнитных материалов изменяется индукция, магнитная проницаемость, электрическое сопротивление и другие характеристики. Значительные остаточные изменения характеристик магнитных материалов наблюдаются при флюенсах нейтронов примерно 1018 - 1019 нейтр./см2. Облучение трансформаторов приводит их к сильному радиационному нагреву уже при плотности потока нейтронов φ = 1011 нейтр./см2 с. При этом сопротивление изоляции трансформаторов уменьшается на несколько порядков. После прекращения действия излучений сопротивление изоляции практически полностью восстанавливается. Необходимо учитывать не только радиационную стойкость изделий, но и их способность нормально работать в условиях облучения. Например, при нейтронном облучении многих материалов появляется наведенная радиоактивность, и если детали находятся вблизи людей, то необходимо выбирать такие материалы, в которых наводится минимальная активность.

В современных электронных схемах важную роль играют высокочастотные и низкочастотные разъемы. Их устойчивость при облучении зависит от типа диэлектрика.

 

 

       
 
 
   

 


Вопросы для самоконтроля:

 

1. Краткая характеристика ионизирующих излучений

2. Ионизирующая способность гамма-излучения

3. Ионизирующая способность бета-частиц

4. Ионизирующая способность альфа-частиц

5. Особенности взаимодействия нейтронов с веществом

6. Проникающая способность гамма-излучения

7. Проникающая способность бета-излучения

8. Проникающая способность альфа-излучения

9. Воздействие ионизирующих излучений на пластмассы

 

1.2.3. ХАКРАКТЕРИСТИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

 

Для установления закономерностей распространения и поглощения ионизирующих излучений в среде, в том числе и в биологической ткани, введены следующие основные характеристики ионизирующих излучений: энергия частиц и гамма-квантов, плотность потока частиц (фотонов), флюенс частиц (фотонов), поглощенная доза, мощность поглощенной дозы, керма, экспозиционная доза фотонного излучения, мощность экспозиционной дозы, эквивалентная доза, мощность эквивалентной дозы, эффективная доза, полувековая эквивалентная доза, коллективная эквивалентная доза и др.

Энергиячастиц (или гамма-квантов) - Е выражается в Джоулях или Электронвольтах (Эв). Величина Джоуль используется в системе СИ, электронвольт (эВ) - внесистемная единица.

Справка: в 1960 году Генеральная конференция по мерам и весам приняла единую Международную систему единиц (СИ). В 1980 году в СССР принят стандарт СТ СЭВ1052-78 "Мет­рология. Единицы физических величин" и система СИ стала обязательной. В 1981 году вводится ГОСТ 8.417-81 допол­няющий и уточняющий СТ СЭВ1052-78.

Однако учитывая, что многие приборы, находящиеся в пользовании уже отградуи­рованы во внесистемных единицах, поэтому установлен переходный период применения внесистемных единиц

 

1эВ = 1,6.10-19Дж (1.45.)

 

где - 1эВ - это энергия, которую приобретает электрон, ускоренный разностью потенциалов в 1В на пути в 1 см.

Плотность потока частиц (гамма-квантов) j- выражается числом частиц (гамма-квантов), падающих на единицу поверхности в единицу времени. Поверхность расположена нормально к направлению движения частиц. Единица измерения - частица/м2 с.

Флюенс частиц (фотонов) характеризует полное число частиц, про­шедших через единичную поверхность за все время облучения

 

Ф = jt (1.46.)

 

Единица измерения флюенса - частица/м2 .

Поглощенная доза - количество энергии Е, переданное веществу излучением отнесенная к массе m:

 

D = dE/dm, [Дж/кг] (1.45)

1Дж/кг = 1Грей. Внесистемная единица - рад (радиационная адсорбционная доза). 1Грей = 100 рад.

Примечание: Согласно РД50 -454-84 использование единицы "рад" не рекомендуется. Однако из-за использования приборов с этой градуировкой на практике она пока используется.

Доза в органе или ткани (DT) - cредняя поглощенная доза в определенном органе или ткани человеческого тела:

DT = (1/mT) ∫ D dm,

mT

 

где mT -масса органа или ткани; D- поглощенная доза в элементе массой dm.

Воздействие ионизирующих излучений на человека зависит не только от полученной дозы, но и от времени, за которое она получена, поэтому введено понятие мощность поглощенной дозы.

Мощность поглощенной дозы - отношение приращения поглощенной дозы dD за время dt:

Р = dD/dt (1.46)

Единицы измерения мощности дозы: рад/с, Гр/с, рад/ч, Гр/ч и т.д.

Мощность поглощенной дозы в ряде случаев можно рассматривать как величину постоянную или изменяющуюся по экспоненте, т.е.:

Р = соnst или Р = Роехр(- 0,693 t/T) (1.47)

 

Керма– (абревиатура английских слов в переводе обозначает: "кинетическая энергия ослабления в материале"). Единица используется для оценки воздействия на среду косвенно ионизирующих излучений. Керма - это отноше­ние суммы первоначальных кинетических энергий dEk всех заряженных частиц, образованных косвенно ИИ в элементарном объеме к массе dm вещества в этом объеме:

 

К = dEk/dm (1.48)

 

Единицы измерения - Грей и рад соответственно.

Керма введена для более полного учета поля излучения, в частности плотности потока энергии и используется для оценки воздействия на среду косвенно ионизирующих излучений.

Экспозиционная доза вводится только для рентгеновского и гамма-излучения и характеризует их способность создавать в веществе заряженные частицы. Выражается отношением суммарного электрического заряда ионов одного знака, образованного излучением в некотором объеме воздуха к массе dm в этом объеме:

 

Х = dQ/dm (1.49)

 

Единица измерения в системе СИ - Кулон/кг, внесистемная единица - Рентген.

1Рентген - это доза фотонного излучения, при прохождении которого через 1м3 сухого воздуха при температуре 0°С, давлении 1013гПа (760 мм рт. ст.), образуется 2.1015 пар ионов, несущих электрический заряд в одну электростатическую единицу количества электричества данного знака.

Доза в 1Р накапливается за 1 час на расстоянии 1м от источника ра­дия массой в 1г, т.е. активностью в 1Ки.

Между единицами существует следующая зависимость: 1Р = 2,58.10-4 Кл/кг;

1Кл/кг = 3,876.103 Р.

Отметим, что 1Р ≈ 0,873 рада в воздухе и 1Р ≈ 0,95 рада в биологической ткани.

Примечание: Согласно РД 50-454-84 характеристика «экспозиционная доза» подлежит изъятию из употребления. Однако, в настоящее время многие приборы еще отградуированы в рентгенах и продолжают использоваться. Вместе с тем, можно назвать причины изъятия из обращения экспозиционной дозы:

- экспозиционная доза введена только для фотонного излучения и не может быть использована для смешанного излучения;

- даже для фотонного излучения область практического использования экспозиционной дозы ограничена энергией 3 МэВ;

- значения экспозиционной дозы в рентгенах и поглощенной дозы в воздухе в радах отличаются всего лишь примерно в 1,14 раза;

- существенное изменение размеров единиц при переходе на единицы СИ и нецелочисленный, неудобный коэффициент связи между системными и внесистемными единицами могут быть причинами многих ошибок.

Мощность экспозиционной дозы - отношение приращения экспозиционной дозы dх за интервал времени dt к этому интервалу:

Х = dХ/dt (1.50)

 

Единицы измерения: в системе СИ - А/кг; внесистемная единица - Р/с, Р/ч, мР/ч, мкР/ч и т.д.

 

Эквивалентная доза (НТ.R) - поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий коэффициент качества WR данного вида излучения R. Введена для оценки последствий облучения биологической ткани малыми дозами (дозами не превышающими 5 предельно-допустимых доз при облучении всего тела человека), т.е. 250 мЗв/год. Ее нельзя использовать для оценки последствий облучения большими дозами. Доза эквивалентная равна:

НT.R = DT.R •WR, (1.51)

 

где: DT.R- поглощенная доза биологической тканью излучением R; WR - взвешивающий коэффициент для отдельных видов излучений R (альфа-частиц, бета-частиц, гамма-излучений и др.), учитывающий относительную эффективность различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов (табл.1.5.).

Формула (1.51.) справедлива для оценки как внешнего, так и внутреннего облучения только отдельных органов и тканей или равномерного облучения всего тела человека. При воздействии различных видов излучений одновременно с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для всех этих видов излучения R:

 

НТ = Σ НТ.R (1.52.)

 

Установлено, что при одной и той же поглощенной дозе биологический эффект зависит от вида ионизирующих излучений и плотности потока излучения.

Примечание.При использовании формулы (1.51) средний коэффици­ент качества принимают в данном объеме биологической ткани стандартного состава: 10,1% водорода, 11,1% углерода, 2,6% азота, 76,2% кислорода.

Единица измерения эквивалентной дозы в системе СИ: - Зиверт /Зв/.

Зиверт - единица эквивалентной дозы излучения любой природы в биологической ткани, которая создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1Гр образцового рентгеновского и гамма-излучения.

Примечание: Зиверт - шведский ученый в области дозиметрии и радиационной безопасности.

Существует и внесистемная единица - бэр (биологичекий эквивалент ретгена), которая постепенно изымается из пользования.1Зв = 100 бэр.

Мощность эквивалентной дозы - отношение приращения эквивалентной дозыdH за время dt:

Н = dH/dt (1.53)

Единицы измерения мощности эквивалентной дозы м Зв/с, мкЗв/с, бэр/с, мбэр/си т.д.

В случае неравномерного облучения тела человека формула (1.51.) использована быть не может, так как биологический эффект может оказаться другим. Поэтому введена "эффективная доза".

 

Таблица 1.5.