Воздействие проникающей радиации на элементы схем

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

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

D_T = (1/m_T) ∫ D dm,

^m_T

где m_T -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 = Р_оехр(- 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 dE_k всех заряженных частиц, образованных косвенно ИИ в элементарном объеме к массе dm вещества в этом объеме:

К = dE_k/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 (Н_Т.R) - поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий коэффициент качества W_R 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:

Н_T.R = D_T.R •W_R, (1.51)

где: D_T.R- поглощенная доза биологической тканью излучением R; W_R - 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:

Н_Т = Σ Н_Т.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".