Материалтану
Радиациялық қорғаудың жаңа материалдары
жүктеу/скачать 5,17 Mb.
|
Радиациялық қорғаудың жаңа материалдарыҚазіргі заманғы ҒА белсенді өмір сүру мерзімдерінің ұлғаюына, әртүрлі кластағы герметикалық емес конструкциялар мен шағын ҒА құруға, Ай негізін салу және Марсқа ұшу жобаларын, сондай - ақ басқа да бірқатар ғарыш жобаларын іске асыруға дайындалуға байланысты ҒА радиациялық қорғау жүйелерінде пайдалану үшін жаңа материалдар әзірлеуге көбірек көңіл бөлінуде. Осыған байланысты әртүрлі композициялық материалдар, соның ішінде нанокомпозиттер өте перспективалы болып табылады, олар туралы ақпарат төменде келтірілген. Планетааралық ұшуларға арналған ҒА радиациялық қорғау жүйелерінің тиімділігін арттыру міндетін олардың көлемдік-салмақтық сипаттамаларын бір мезгілде төмендету кезінде белсенді және құрама қорғау жүйелерін пайдалану жолымен шешу жүзеге асады. Біріншісінің әрекеті жоғары энергияның зарядталған бөлшектерін қабылдамайтын, қабілетті, қуатты магнит өрістерін құруға негізделген. Марсиандық басқарылатын ғарыш кемесін жобалауға қатысты мұндай қорғаудың негізгі принциптері мен маңызды құрылымдық параметрлері әзірленді. Магниттік қорғаудың қажетті параметрлерін қамтамасыз ету үшін орамаларында нанотехнологиялардың көмегімен жасалған арнайы сымдарды қолдануға болатын өте өткізгіш электромагниттерді қолдану қажет. Алайда, мұндай жүйелерді құру өте күрделі техникалық міндет. Сондықтан, оңтайлы қорғаныс схемасы мен дизайнын түпкілікті таңдау кезінде әзірленген жобалар үшін белгіленген, рұқсат етілген тәуекелдер критерийлерін басшылыққа алу қажет. Белсенді қорғаныс тұжырымдамасын дамыту-бұл экрандар көмегімен жасалған дәстүрлі пассивті қорғаныспен үйлесу. Құрама деп аталатын мұндай қорғаныс қолданылған жағдайда, өткізгіш магнитпен қабылданбаған зарядталған бөлшектер пассивті қорғаныс қабаттарында жеткілікті үлкен жолдан өтеді, бұл призмалық жалпы-салмақ сипаттамаларының қорғаныс тиімділігінің артуына әкеледі. Мұндай қорғаныста, бөлшектердің энергиясын сіңіретін материалдар ретінде полимерлі композиттерге негізделген жаңа материалдарға артықшылық беріледі. Қорғаныс радиациялық экрандарының массасын азайту және олардағы қайталама бөлшектердің пайда болу процесінің тиімділігін азайту үшін Z ядролық зарядының төмен мәндері бар элементтерден тұратын экрандарды қолдану қажет, сондықтан полимерлердің едәуір бөлігі кіретін сутегісі бар материалдарды, сондай-ақ B және BN бор нитриді бар материалдарды қолдану мүмкіндігі белсенді зерттелуде. ГҒС ауыр ядроларының жеңіл элементтермен өзара әрекеттесуі кезінде бастапқы ядролардың экран материалындағы қысқа жүгіріс ұзындығы бар фрагменттерге ыдырау процесі тиімді жүреді, нәтижесінде экранның артындағы радиациялық ағындар едәуір әлсірейді және олардың энергетикалық спектрлері "жұмсақ" болады. Осылайша, қорғаныс материалының құрамына жеңіл элементтерді енгізу оның тиімділігін арттырады. Мысал ретінде сур. 5.63 толтырғыш болып табылатын BN микробөлшектерінің әр түрлі пайызы бар полимерлі композит үлгілерінің микрофотографиялары келтірілген.
Сур. 4.63. BN: А – 1%; б – 5%; в -15% микробөлшектерінің әртүрлі көлемді құрамы бар полиэтилен негізіндегі композит Қазіргі заманғы және перспективалық ҒА-ны әзірлеу кезінде көпфункционалды материалдарды барынша пайдалануға ұмтылатындығына байланысты радиациялық қорғау материалдарына жоғары механикалық беріктік, ыстыққа төзімділік және әрбір нақты жағдайда қажетті электрофизикалық сипаттамалардың болуы сияқты талаптар қойылады. Сондықтан әзірленіп жатқан радиациялық қорғаудың жаңа композициялық материалдары көрсетілген талаптарды ескере отырып, сараптамалық бағалаулар мен сынақтардан өтеді. 4.64 - сур. ГҒС бөлшектеріне байланысты эквивалентті дозаның әртүрлі материалдардан жасалған қорғаныс экрандарының қалыңдығына тәуелділігі көрсетілген. Мұнда басқа материалдардың ішінде өмір сүретін Ай базаларының кейбір жобаларында құрылыс материалы ретінде қарастырылатын Ай реголиті ұсынылған. Суреттен көрініп тұрғандай, реголит алюминиймен салыстырғанда жоғары қорғаныс деңгейін қамтамасыз етеді, ал экранның бірдей массалық қалыңдығында сіңірілген дозаның ең үлкен әлсіреуі бұл жағдайда полиэтиленді пайдаланған кезде қол жеткізіледі. Микро және нано қосындылары бар полимерлі композиттерді тікелей жасаудан басқа, күрделі құрылымы бар материалдарды синтездеудің әртүрлі нұсқалары қарастырылады. Сонымен, полимер матрицасына әртүрлі заттармен толтырылуы мүмкін микрондық өлшемдегі шыны сфералар енгізілетін материал ұсынылады. Матрица мен сфера толтырғышының материалдарын, сондай-ақ соңғыларының мөлшерін, матрицадағы олардың мөлшерін және сфералардағы толтырғыштың концентрациясын өзгерту арқылы материалдың радиациялық және қорғаныш қасиеттерін өзгертуге болады. Сур. 4.64. ГҒС бөлшектерімен шартталған эквивалентті дозаның әртүрлі материалдардан жасалған қорғау экрандарының қалыңдығына тәуелділігі: 1-алюминий; 2-ай реголиті; 3-су; 4-полиэтилен 4.65 а - сур. алюминий мен ұсынылған жаңа материалдан жасалған қорғаныс экрандарының қалыңдығына ҒКС-ке тән энергия спектрі бар протондар ағынының әлсіреу коэффициентінің тәуелділігін көрсетеді. 5.65 B – экрандар ішінде бір протон шығаратын нейтрондар санына ұқсас тәуелділік. Жаңа материал екі жағдайда да қолайлы сипаттамаларға ие екендігі байқалады. Сур. 4.65. Протондар (а) ағынының әлсіреу коэффициенті мен өндірілетін нейтрондар санының N (б) экран қалыңдығына тәуелділігі: 1 – алюминий; 2-жаңа материал Жоғарыда талқыланған тиімді радиациялық қорғауды қамтамасыз етудегі сутектің рөлі суретте көрсетілген. 5.66, сол параметрлердің полимер матрицасына енгізілген шыны микросфералардың ішіндегі сутегі құрамына тәуелділігі көрсетілген. ММУ ҒЗИЯФ – да GEANT3 бағдарламалық кешенін қолдана отырып, матрицасы полиэтилен, ал толтырғыштар ретінде сутегі мен бор нитриді қарастырылған полимерлі композиттен жасалған жалпақ экранның артындағы материал үлгісіне протондар шоғыры арқылы берілетін энергияны есептеу жүргізілді. Толтырғыш молекулалары матрицада біркелкі бөлінеді деп болжалды. 4.67 - сур. экран арқылы өтетін p энергия ағынының P0 құлаған сәулеленудің толық энергия ағынына қатынасының тәуелділігі көрсетілген. Модельдеу кезінде Е = 50 МэВ бар протондардың қалыпты түсуі қарастырылды. а –суреттен көрсетілген композициялық материалдар алюминиймен салыстырғанда экранның массасы аз болған кезде берілген қорғаныс деңгейін қамтамасыз етуге мүмкіндік беретінін көруге болады, алайда экрандардың сызықтық қалыңдығы үшін кері қатынас байқалады (сурет. 4.67 б). Математикалық модельдеу сонымен қатар, композит құрылымының оның радиациялық және қорғаныс сипаттамаларына әсерін зерттеуге мүмкіндік береді. Жоғарыда нанокомпозиттерді жасау кезінде матрицадағы толтырғыш нанобөлшектердің "ерігіштік" дәрежесін ескеру қажет екендігі айтылды. Нанобөлшектердің бір-бірімен және полимерлі матрицамен өзара әрекеттесуін сипаттайтын энергия параметрлерінің қатынасына байланысты бөлшектер материалдың көлеміне біркелкі бөлінуі немесе көлденең өлшемдері ~1-50 мкм болатын конгломераттарға біріктірілуі мүмкін. Сур. 4.66. Протон ағынының әлсіреу коэффициентінің тәуелділігі (1) және шыны микросфералардағы NH сутегі мөлшерінен (2) экран ішіндегі n нейтрондарының саны Сур.4.67. Әр түрлі материалдар үшін P / P0 экран қалыңдығына тәуелділігі: 1-сутегі қосылған полиэтилен; 2-бор нитриді қосылған полиэтилен; 3-алюминий сур. Толтырғыштың біркелкі үлестірілмеген композициялық материалының үлгісін көрсетеді. Толтырғыш бөлшектері Z осіне перпендикуляр бағытталған, диаметрі 50 мкм цилиндрлік қабықшалармен қоршалған, олардың бойына энергиясы 20 МэВ протон сәулесі түскен. Сур. 4.68. Цилиндрлік микроинклюзиясы бар композициялық материалдың моделі - сур. матрицасы полиэтилен, ал толтырғыш сутегі болатын осындай композиттің ішіндегі XZ жазықтығында сіңірілген энергияның есептелген таралуын көрсетеді. Құрылымдық материалдарға радиациялық әсерді модельдеудің келесі қадамы наноөлшемді элементтері бар материалдарға көшу болуы керек. Мұндай ауысуды GEANT4 кешенін қолдану арқылы жүзеге асыруға болады, онда жоғарыда айтылғандай, бөлшектерді есептеу кезінде бақыланатын энергияның төменгі шекарасы 10 эВ-қа дейін азаяды. Сур. 4.69. Композит моделінің XZ жазықтығында сіңірілген энергиясының таралуы Осылайша, микро және наноөлшемді толтырғыштарды қолдана отырып, жасалған жаңа композициялық материалдар жер маңындағы орбиталарда және планетааралық ұшуларда ұзақ уақыт пайдалануға арналған перспективалық ҒА радиациялық қорғау жүйелерін құру кезінде сәтті қолданылуы мүмкін. Математикалық модельдеудің қарастырылған әдістері ҒА нақты пайдалану жағдайларына қатысты композиттердің құрамы мен құрылымын оңтайландыруға мүмкіндік береді. жүктеу/скачать 5,17 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|