Иммерсионная жидкость для смотровых радиационно-защитных окон

Размещено на http://www.allbest.ru/

Иммерсионная жидкость для смотровых радиационно-защитных окон

В. И. Арбузов, В. М. Волынкин

Предложены составы бесцветных высокорефрактивных иммерсионных жидкостей (ИЖ) для смотровых радиационно-защитных окон (СРЗО). Для низковязкой ИЖ на основе смеси диметилсульфоксида, нитрата свинца и воды с добавками и без добавок формамида определены коэффициенты ослабления гамма- и нейтронного излучений, показано, что в случае заполнения ею жидкостного бассейна СРЗО с защитой от нейтронов можно уменьшить толщину его стеклоблоков при обеспечении защиты от нейтронов и сохранении требуемой кратности ослабления гамма-излучения. Для получения высоковязкой ИЖ была выбрана система на основе полиэфиров, эпоксиполиэфиров и металл-органических комплексов с конденсированными бензольными ядрами. Заполнение зазоров между стеклянными пластинами СРЗО иммерсионными жидкостями обоих типов может снизить в 2-3 раза уровень френелевских потерь света в окне.

Смотровые радиационно-защитные окна (СРЗО) «горячих» камер и боксов [1, 2] находят широкое применение на предприятиях атомной энергетики, в учреждениях Росатома. СРЗО, с одной стороны, защищает оператора «горячей» камеры от действия ионизирующего излучения и, с другой стороны, дает ему возможность вести наблюдение за радиоактивными объектами, находящимися в камере, либо с помощью специальных механических манипуляторов совершать над ними требуемые операции. Обычно СРЗО представляет собой вставляемую в металлическую раму сборку из пластин свинецсодержащих (например, ТФ5, Ф101, ТФ200) и бессвинцовых (как правило, К108 или К208) стекол толщиной чаще всего в 10 см каждая, отделенных друг от друга воздушными зазорами толщиной в несколько миллиметров. Каждый из этих типов стекол, однако, не лишен недостатков. Так, кроновые стекла имеют более высокую радиационно-оптическую устойчивость, однако характеризуются более низкими значениями линейного коэффициента ослабления гамма-излучения и показателя преломления по сравнению со стеклами флинтовой группы, из-за чего многие функционально важные параметры СРЗО (защитные свойства при лимитированной толщине стеклоблока, угол обзора, пропускающая способность окна, френелевские потери света) оказываются хуже желаемых.

В зависимости от активности объектов в «горячей» камере СРЗО должны обеспечивать кратность ослабления гамма-излучения до 8*10⁵, вследствие чего суммарная толщина стеклоблоков может достигать 700 мм и даже более [3, 4]. По защите от гамма-излучения стеклоблоки СРЗО должны быть эквивалентны бетонной стене толщиной до 1500 мм, в которую они вставляются [3, 4].

Эффективный показатель преломления сборки стекол, n_эф, должен быть максимально высоким, чтобы повысить угол обзора при наблюдении за объектами в «горячей» зоне, однако наличие в сборке стекол кроновой группы со сравнительно низким показателем преломления снижают n_эф, из-за чего угол и поле обзора уменьшаются по сравнению с таковыми для окна, выполненного только из высокорефрактивных стекол [5]. Для увеличения поля обзора поперечные размеры пластин стекла для СРЗО увеличивают до 1200*800 мм, тем не менее, эта мера не позволяет исключить «мертвые» зоны при наблюдении за объектами, находящимися в «горячей» камере.

Далее, указанные выше воздушные зазоры между пластинами стекла обусловливают высокие френелевские потери света, в результате чего даже новое СРЗО с большим числом пластин стекла может обладать пропусканием только на уровне (20-30) %. Для снижения этих потерь целесообразно заполнять зазоры между пластинами стекла иммерсионной жидкостью (ИЖ) с показателем преломления, максимально приближенным к эффективному показателю преломления сборки стекол. Цель работы состояла в поиске составов высокорефрактивных ИЖ и в установлении предельных значений пропускающей способности СРЗО [5] на базе радиационно-стойких многосвинцовых фосфатных стекол [6] с зазорами, заполненными воздухом, водой или высокорефрактивными ИЖ.

Для получения высокорефрактивной и одновременно радиационно-защитной иммерсионной жидкости была выбрана система «диметилсульфоксид [(CH₃)₂SO] - нитрат свинца [Pb(NO₃)₂] - вода» с добавками [5] или без добавок формамида (HCONH₂). Варьируя относительные концентрации и количество компонентов можно получать бесцветные жидкости с показателем преломления, лежащим в диапазоне от 1.52 до 1.56. Вязкость таких жидкостей достаточно низка, что не исключает ее вытекания из СРЗО в «горячую» зону через малые отверстия в конструкции рамы СРЗО. Для снижения такой опасности нужна ИЖ с более высокой вязкостью. Исходными веществами для нее могли бы быть эпоксидные композиты, которые для придачи жидкости радиационно-защитных свойств можно модифицировать соединениями свинца, бария, церия, однако такие материалы плохо пропускают свет. Нами для получения высоковязкой ИЖ была выбрана сложная система на основе полиэфиров, эпоксиполиэфиров и металл-органических комплексов с конденсированными бензольными ядрами. Показатель преломления ИЖ на названной основе может достигать значений, равных 1.56 - 1.58.

Разработанные низко- и высоковязкая ИЖ устойчивы при радиационных нагрузках до 10⁸ Р, имеют высокую пропускающую способность в видимой области спектра.

Показатель преломления многосвинцового фосфатного стекла [6] равен 1.686, коэффициент френелевского отражения света R = 0.065, а измерение показателя ослабления видимого излучения дало значение а = 0.0018 см^-1. Окно по схеме [5] состоит из 8 пластин толщиной l = 6.32 см. Пропускающая способность пластины стекла с учетом френелевского отражения света от двух поверхностей раздела «воздух - стекло» и поглощения излучения слоем стекла может быть определена по формуле

Ф_пл = (1 - R)²10^-a*l , (1)

дающей для первой пластины Ф₁ = (1 - 0.065)²10^-0.0018*6.32 = (0.935)²10^-0.011376 = 0.874*0.974 = 0.851, а для сборки из 8 пластин при воздушном заполнении зазоров - 0.276. Безусловно, это неприемлемо низкое значение, особенно с учетом того обстоятельства, что под действием ионизирующего излучения стекла, даже радиационно-стойкие, будут хоть в какой-то степени окрашиваться, а пропускающая способность СРЗО - падать. Способов борьбы немного: увеличивать толщину пластин стекла (что иногда имеет технологические ограничения) и тем самым уменьшать число воздушных зазоров, либо заполнять их иммерсионной жидкостью. График зависимости пропускающей способности СРЗО с воздушными зазорами от числа стеклянных пластин представлен на рис. 1, кривая 1.

При заполнении зазоров между пластинами водой (рис. 1, кривая 2) относительный показатель преломления n_отн = 1.686/1.33 = 1.268, коэффициент френелевского отражения R_отн = 0.014. Тогда вместо (1 - R)² в выражении (1) следует ставить (1 - R)(1 - R_отн). В этом случае пропускающая способность первой пластины с границами «воздух - стекло» и «стекло - вода» с учетом ослабления излучения слоем стекла получается равной 0.898. Именно такая доля от начальной интенсивности света будет характеризовать поток света, входящий во вторую пластину с границами «стекло - вода», пропускающая способность которой будет равна произведению 0.898(1 - R_отн)²0.974 = 0.898(1 - 0.014)²0.974 = 0.898*0.972* 0.974 = 0.850. Аналогичные рассуждения справедливы и для пластин с третьей (0.850*0.972*0.974 = 0.805) по седьмую (0684*0.972*0.974 = 0.648. Что же касается восьмой пластины, то, как и первая, она имеет границы раздела сред «вода - стекло» и «стекло - воздух», поэтому на последней грани потери света на френелевское отражение будут чуть выше потерь на границах «стекло - вода». В итоге на выходе восьмой пластины пропускающая способность оказывается равной 0.648*0.974(1 - 0.065)(1 - 0.014) = 0.582. Как видим, заполнение зазоров между пластинами СРЗО водой вместо воздуха увеличивает пропускающую способность окна в 2.1 раза.

Если же для заполнения зазоров между пластинами стекла используется низковязкая ИЖ с n = 1.56, то n_отн = 1.686/1.56 = 1.0808, R_отн = 0.00151. Тогда, рассуждая так же, как и в случае заполнения зазоров между пластинами стеклоблока водой, получаем, что пропускающая способность СРЗО равна 0.692 (рис. 1, кривая 3). Иными словами, заполнение зазоров между пластинами стекла в СРЗО ИЖ с n = 1.56 увеличивает его пропускающую способность с 0.276 до 0.692, т. е. более чем в 2.5 раза. Расчеты показывают, что при заполнении зазоров между пластинами СРЗО высоковязкой ИЖ с n = 1.58 и R_отн = 0.00105 его пропускающая способность может быть повышена до 0.700.

К чему в реальности приводит такая простая операция, как заполнение воздушных зазоров иммерсионной жидкостью, показывает рис. 2 для модельной сборки из 8 пластин многосвинцового фосфатного стекла [6] толщиной 8 мм и с зазорами между пластинами в 7 мм. Стекла были помещены в «корытце» с продольным отверстием для вставки пластин и заливки ИЖ в зазоры между ними. «Корытце» было изготовлено из кварцевой трубы, к его торцам были приклеены пластины обычного оконного стекла. Далее, была собрана простая установка по измерению пропускающей способности сборки, зазоры между пластинами стекла которой последовательно заполнялись свинец- и водородсодержащей ИЖ. Как следует из рис. 2, пропускающая способность сборки по мере заполнения зазоров ИЖ возросла с 40 (все зазоры - воздушные) до 75 % (все зазоры заполнены ИЖ). Более высокое значение начальной пропускающей способности в этом опыте обусловлено меньшей суммарной толщиной (8*8 мм = 64 мм) (а, следовательно, и меньшим ослаблением света стеклом) по сравнению с таковой (8*63.2 мм = 505.6 мм) в рассмотренном выше случае СРЗО с 8 пластинами толщиной 63.2 мм.

Как оказалось, свинец- и водородсодержащая ИЖ обладает высокими радиационно-защитными свойствами по отношению как к гамма- (⁶⁰Со), так и к нейтронному (²³⁸Pu-б-Be и ²⁵²Cf) излучению. Для определения коэффициентов ослабления названных видов излучения жидкость заливалась в стеклянный сосуд с расстоянием между вертикальными стенками в 20.8 см (значит, такой была и толщина слоя жидкости). Измерения, проведенные во ВНИИ метрологии им. Д. И. Менделеева, показали, что линейный коэффициент ослабления гамма-излучения ⁶⁰Со равен 0.11 см^-1 (для сравнения укажем соответствующее значение для многосвинцового фосфатного стекла: 0.245 см^-1). Это означает, что 40 см ИЖ (это стандартная толщина слоя воды в жидкостном бассейне СРЗО) будет ослаблять гамма-излучение ⁶⁰Со в 81 раз. Если использовать такую жидкость вместо традиционно применяемой в качестве средства защиты от нейтронов дистиллированной воды для заполнения жидкостных бассейнов тех типов СРЗО, которые эксплуатируются в смешанных гамма-нейтронных полях, то сравнительно высокий линейный коэффициент ослабления гамма-излучения ИЖ позволяет при требуемой кратности ослабления излучения более чем на треть уменьшить суммарную толщину стеклянных пластин и тем самым дать возможность разместить жидкостный бассейн не перед стеной, а внутри нее. Более высокое значение показателя преломления жидкости по сравнению с таковым воды приведет и к значительному увеличению угла обзора СРЗО с жидкостным бассейном. Что касается коэффициента ослабления нейтронного излучения, то для излучения источника ²³⁸Pu-б-Be он оказался равным 9.86, а для источника ²⁵²Cf - 13.4. Это означает, что при заполнении жидкостного бассейна иммерсионной жидкостью с толщиной слоя в 40 см нейтронное излучение указанных источников будет ослабляться в 90 и 166 раз, соответственно. иммерсионный жидкость излучение окно

Разработаны составы бесцветных иммерсионных жидкостей (ИЖ) с разной вязкостью и показателями преломления, лежащими в диапазоне от 1.54 до 1.58. Заполнение зазоров между стеклянными пластинами смотровых радиационно-защитных окон (СРЗО) иммерсионными жидкостями обоих типов может снизить в 2-3 раза уровень френелевских потерь света в окне. ИЖ на основе смеси диметилсульфоксида, нитрата свинца и воды с добавками или без добавок формамида обладает радиационно-защитными свойствами по отношению к смешанному гамма-нейтронному излучению. При заполнении ею жидкостного бассейна толщина его стеклоблоков может быть уменьшена на треть при обеспечении защиты от нейтронов и сохранении требуемой кратности ослабления гамма-излучения.

Авторы благодарны сотрудникам ВНИИ метрологии им. Д. И. Менделеева Н. Д. Виллевальде, А. В. Оборину и Н. Н. Моисееву за испытание образцов иммерсионной жидкости на ослабление гамма- и нейтронного излучений.

Работа выполнена при государственной финансовой поддержке Российского научного фонда (Соглашение № 14-23-00136).

Литература

1. Арбузов В. И. Основы радиационного оптического материаловедения // СПб: изд. СПб ГУИТМО. 2008. - 284 с.

2. ОСТ 95.234-74 «Камеры радиационно-защитные. Типы. Основные параметры и размеры»

3. ОСТ 95.821-87 «Окна смотровые прямоугольные радиационно-защитные от смешанного (гамма-нейтронного) излучения. Типы»

4. ГОСТ 23410-78 «Окна защитных боксов. Типы, конструкция и размеры»

5. Арбузов В. И., Божко А. Г., Волынкин В. М., Косьяненко В. А., Кузнецов С. Ю., Трохов Н. Н., Федоров Ю. К. Смотровое радиационно-защитное окно // Патент на изобретение № 2352007. Заявка № 2007135306. Зарегистрировано в Госреестре изобретений РФ 10.04.2009 г.

6. Арбузов В. И., Андреева Н. З., Леко Н. А., Никитина С. И., Орлов Н. Ф., Федоров Ю. К. Оптические и спектральные и защитные свойства многосвинцовых фосфатных стекол // Физика и химия стекла. 2005. Т. 31, №5. С. 797 - 808.

Приложение

Размещено на Allbest.ru