Рис. 1.
Зависимость плотности потемнения авторадиограммы (радон в полиэтилене) от величины поглощенной дозы излучения (гамма-источник
60Со).Вестник МГУ, серия 2, химия т.41, N1 (2000) 56-61
УДК 539.219.3: 621.039.8
И.Н.Бекман, И.М.Бунцева
(Кафедра радиохимии)
Разработаны способы использования радиоактивных газовых зондов для целей локальной дозиметрии кабельных материалов и изучения радиационно-стимулированных дефектов в полиэтилене. Исследования проводили на образцах полиэтилена низкой плотности, облученных до высоких доз ускоренными электронами. В качестве зондов использовали радон и пары гидрофобных или гидрофильных веществ, меченные радионуклидами с различными типами распада. Обнаружено, что диффузионно-структурный анализ позволяет осуществить измерение характера распределения поглощенной дозы по поверхности изоляции облученного кабеля, а в случае тонких образцов и умеренных доз облучения - по глубине полимера. Метод выявляет и локализует различного рода дефекты, возникающие в полиэтилене в радиационном или электрическом полях. Одновременно определяются транспортные и сорбционные характеристики дефектов кабельной изоляции. По данным диагностики выдается прогноз эксплуатационных свойств кабельных изделий.
В настоящее время теплостойкость кабельной изоляции из полиэтилена увеличивают путем ее облучения ускоренными до энергий 0,8-1,0 Мэв электронами. Облучение движущегося и вращающегося кабеля проводят сканирующим пучком электронов на растровом ускорителе. Радиационное модифицирование развернутым пучком ускоренных электронов хорошо соответствует специфике кабельной технологии, но обостряет проблемы дозиметрического контроля из-за увеличения пространственной неравномерности поля поглощенных доз. Вовлечение в практику кабельной технологии процесса облучения слоев изоляции большой толщины (сравнимой или даже большей, чем величина пробега ускоренных электронов в полимере) привело к необходимости учета функции распределения дозы по толщине изоляции. Таким образом, перед радиационной кабельной технологией возникла проблема измерения трехмерного пространственного поля поглощенной в изоляции дозы ионизирующего излучения. Подобная задача не может быть решена ни одним из известных методов традиционной дозиметрии и необходимо привлечение новых подходов.
Как известно, облучение полиэтилена гамма-радиацией или ускоренными электронами приводит к возрастанию растворимости в них благородных газов и паров гидрофильных веществ (для воды - на несколько порядков) и к уменьшению константы растворимости гидрофобных паров. Коэффициенты диффузии паров любых низкомолекулярных веществ в облученном полиэтилене всегда меньше, чем в необлученном [1-4]. Явление изменения параметров массо-переноса под действием излучения можно применить для целей дозиметрии [5], если воспользоваться так называемым диффузионно-структурным анализом (DCА), точнее его вариантом - методом радиоактивного диффузионного газового зонда, ДиГЗ [6].
Метод ДиГЗ основан на использовании процессов растворения и диффузии специальным образом подобранного вещества или группы веществ для изучения неоднородностей структуры объекта исследования и их изменений в пространстве и времени. Для целей диффузионно-структурного анализа используются различные вещества, но наибольшее распространение получили радиоактивные газы и пары. Частный случай ДиГЗ - метод радионуклидной газосорбционной дефектоскопии (РГД) [7] основан на способности радиоактивного газа или пара избирательно сорбироваться на поверхности твердого тела. Наличие радиоактивного газового зонда в неоднородностях структуры объекта исследования может быть обнаружено в результате регистрации его излучения. Картину распределения радиоактивности по поверхности изделия измеряют методом авторадиографии. Глубину залегания зонда и, следовательно, глубину анализа изменяют путем варьирования температуры и времени диффузии, а так же температуры и времени десорбции перед авторадиографированием. Поскольку интенсивность потемнения авторадиограммы в некоторой точке зависит от величины локального коэффициента и локальной константы растворимости газа, то метод РГД может оказаться достаточно эффективным с точки зрения диагностики облученных материалов.
Метод ДиГЗ основан на использовании процессов растворения и диффузии специальным образом подобранного вещества или группы веществ для изучения неоднородностей структуры объекта исследования и их изменений в пространстве и времени. Для целей диффузионно-структурного анализа используются различные вещества, но наибольшее распространение получили радиоактивные газы и пары. Частный случай ДиГЗ - метод радионуклидной газосорбционной дефектоскопии (РГД) [7] основан на способности радиоактивного газа или пара избирательно сорбироваться на поверхности твердого тела. Наличие радиоактивного газового зонда в неоднородностях структуры объекта исследования может быть обнаружено в результате регистрации его излучения. Картину распределения радиоактивности по поверхности изделия измеряют методом авторадиографии. Глубину залегания зонда и, следовательно, глубину анализа изменяют путем варьирования температуры и времени диффузии, а так же температуры и времени десорбции перед авторадиографированием. Поскольку интенсивность потемнения авторадиограммы в некоторой точке зависит от величины локального коэффициента и локальной константы растворимости газа, то метод РГД может оказаться достаточно эффективным с точки зрения диагностики облученных материалов.
В данной работе исследованы перспективы использования радиоактивных газовых зондов для целей локальной дозиметрии кабельных материалов и изучения радиационно - стимулированных дефектов в полиэтилене. Исследования проводили на различных образцах полиэтилена низкой плотности, облученных до высоких доз ускоренными электронами. В качестве зондов использовали тяжелый благородный газ и пары гидрофобных или гидрофильных веществ, меченные радионуклидами с различными типами распада.
В работе использовали полиэтилен высокого давления (низкой плотности, ПЭНП) марки 102-03003 со степенью кристалличности 48-50%, а также образцы промышленной кабельной изоляции на основе ПЭНП. Пластины толщиной 1 см облучали в атмосфере обычного воздуха на ускорителе электронов с энергией до 1,5 Мэв в интервале доз 0,1-2,0 МГрэй. Обычно облучали лишь одну поверхность пластины, толщина которой заведомо превышала пробег ускоренных электронов в полиэтилене. Для диффузионных экспериментов из пластин вырезали бруски квадратного сечения, длина которых в несколько раз превышала другие размеры.
В качестве газовых зондов применяли пары гидрофобных (бензол, циклогексан) и гидрофильных (уксусная кислота, вода) и благородный газ (радон). Пары были мечены изотопами 14C или 3Н (мягкие b-излучатели). Радон - a-излучатель. Выбор диффузантов диктовался стремлением получить широкий набор гидрофобных, гидрофильных и инертных газовых зондов с различными размерами молекул.
Измерение характера распределения дозового поля по поверхности облученного изделия. Отработку методики дозиметрии начинали с облучения пластин из ПЭНП до различных доз с последующей выдержкой их при комнатной температуре в атмосфере радиоактивного газа в течение времени, достаточном для равновесного насыщения слоя толщиной, равной максимальному пробегу излучения радионуклида зонда в полиэтилене (для радона - порядка 50 микрон). Образцы замораживали до температуры -20 oС и помещали на фотопленку со специальной ядерной эмульсией. После экспонирования авторадиограмму (АРГ) фотометрировали. Из полученных результатов строили калибровочный график плотности потемнения АРГ - экспозиционная доза облучения, измеренная стандартным ферро-сульфатным дозиметром. Типичный калибровочный график для радона приведен на Рис.1. Видно, что облучение полиэтилена начинает влиять на растворимость в нем радона начиная с 0,1 МГрэй. На участке 0,2-1,0 МГрэй зависимость является практически линейной, что позволяет использовать метод для решения обратной задачи - определения дозы по плотности потемнения АРГ. При более высоких дозах, увеличение интенсивности облучения слабо влияет на константу растворимости радона в ПЭНП.
Рис. 1.
Зависимость плотности потемнения авторадиограммы (радон в полиэтилене) от величины поглощенной дозы излучения (гамма-источник
60Со).
При практическом применении способа, отдельные участки облученного кабеля насыщали радиоактивным газом и заворачивали в фотопленку. Результаты фотометрирования подвергали статистическому анализу и, в соответствии со стандартными критериями, принимали или отвергали гипотезу о равномерном характере распределения излучения. Опыт использования метода РГД показал его эффективность с точки зрения обнаружения и пространственной локализации неравномерно облученных участков. При этом, в случае использования инертного газа или пара гидрофильного вещества, переоблученные участки выглядят темнее на АРГ по сравнению с основным материалом, тогда как недостаточно облученные выглядят светлее. Наоборот, при адсорбции радиоактивного гидрофобного пара, переоблученные участки выглядят светлее, а неодооблученные - темнее, чем основной материал. Поэтому, если требуется выделение облученных участков полимера на фоне необлученных, следует использовать воду, пары гидрофильных веществ или тяжелый благородный газ. Наоборот, если нужно выделить необлученный участок на фоне облученного лучше использовать радиоактивные пары органических растворителей. Пользуясь калибровочным графиком (типа приведенного на Рис.1) удается пересчитать плотность потемнения АРГ в дозу и тем самым построить функцию распределения поглощенной дозы по поверхности полимерного изделия. Разрешающая способность при использовании изотопа 14С - 120 микрон, 222Rn - 80 микрон, трития - несколько микрон. Метод диагностики является неразрушающим: после окончания исследований, образцы легко дегазируются и могут быть использованы по прямому назначению.
Измерение распределения дозы по объему облученного полимера. Для определения характера распределения дозы по объему материала, образец облучали на ускорителе и делали срез в направлении, перпендикулярном к облученной поверхности. Срез помещали в атмосферу радиоактивного молекулярного зонда и выдерживали в ней при комнатной температуре в течение двух часов [8]. Последующие операции соответствовали описанным выше.
При анализе тонких пленок, толщина которых много меньше пробегов ускоренных электронов в полиэтилене, доза равномерно распределена по объему изоляции и ее величина легко находится по калибровочному графику типа плотность потемнения АРГ/поглощенная доза. При анализе более толстых слоев и невысоких дозах (0,2-1,0 МГрэй) регистрируются кривые распределения дозы по глубине облученного материала.
Изучение АРГ, измеренных на образцах по толщине сравнимых или больше пробега электронах и при поглощенных дозах выше 1 МГрэя, продемонстрировало сложный характер адсорбции, растворения, диффузии и десорбции радиоактивных газовых зондов. Необходимость изучения влияния на эти процессы радиационных дефектов стимулировало проведение детального диффузионно-структурного анализа срезов толстых образцов полимера облученного до высоких доз.
Анализ локально облученного полиэтилена: а – авторадиограмма распределения радона по поверхности полиэтилена, облученного гамма-квантами через коллиматор с круглыми отверстиями; б – фотография под микроскопом участка облученный/необлученный полиэтилен
Рис.2.
Исследование процессов на границе раздела облученный/необлученный полимер. Пластину из ПЭНП облучали через коллиматор с круглым отверстием до дозы примерно 200 МГрэй. Образец выдерживали в течение суток в атмосфере радона, хранили на воздухе в течение трех часов до установления радиоактивного равновесия между радоном и продуктами его распада (при этом возможно проходила частичная дегазация образца) и помещали на фотопластинку. Типичная авторадиограмма приведена на Рис.2а. Видно, что на облученном участке проходила интенсивная адсорбция радона и плотность потемнения АРГ облученного участка намного выше по сравнению с необлученной областью. Неожиданным является возникновение по периферии облученной области светлого кольца (содержание радиоактивного зонда не только меньше, чем в необлученной области, но и меньше, чем в исходном полиэтилене). Фотография образца под микроскопом (Рис.2б) выявляет наличие в этой области большого количества трещин.
Появление особой области на границе раздела облученный-необлученный полимер можно объяснить следующим образом. Как известно, под действием излучения полиэтилен сшивается, плотность его увеличивается и он несколько сжимается. В результате на границе раздела исходной и необлученной областей возникают значительные напряжения, вызывающие растрескивание образца. Наличие открытой пористости приводит к дегазации пограничной области в ходе выдержки перед экспонированием на фотоматериале. В результате практически весь радон из зоны раздела удаляется.
Декорирование точечных дефектов на поверхности облученного полимера. Использование радона для целей зондовой диагностики основано на большой склонности последнего к образованию скоплений в дефектах структуры полиолефина типа границ сферолитов, пор, трещин и т.п. [9]. Декорирование подобных неоднородностей структуры представляет практический интерес, т.к. дефекты, сорбирующие радон, одновременно служат центрами конденсации паров воды и других коррозионно активных веществ при эксплуатаций кабельных изделий в агрессивных средах. Конденсация жидкой фазы внутри полиэтилена приводит к изменению его эксплуатационных свойств, например, к снижению напряжения пробоя кабельной изоляции. Поэтому обнаружение микроскоплений агрессивных веществ позволяет прогнозировать срок службы кабеля и определить условия его эксплуатации. Места повышенной сорбции газового зонда (коррозионноактивные центры) одновременно являются центрами скопления продуктов радиолиза, образовавшихся при облучении полиэтилена ионизирующим излучением.
Скопления радона обычно регистрируют методом трековой авторадиографии требующей использования толстослойной ядерной эмульсии. Толщина эмульсии должна быть равна или несколько больше длины пробега a-частиц радона в эмульсии. Плотность скоплений радона и, следовательно, плотность дефектов облученного полимера определяется по количеству скоплений треков, выходящих из одного центра ("звезд"), приходящихся на единицу площади поверхности образца. Емкость дефекта рассчитывается по числу треков в "звезде". Измерение параметров треков позволяет определить область локализации дефектов с точностью до нескольких десятков микрон, а также измерить глубину залегания дефекта.
Для пространственной локализации дефектов, образец выдерживали в атмосфере радона, методом трековой авторадиографии получали изображение треков a-частиц и с помощью окуляра микроскопа измеряли координаты начала и конца каждого трека в горизонтальной плоскости (x, y), а в вертикальной плоскости (z) - по шкале микрометрического винта наводки на резкость, фокусируя объектив последовательно на верхний и нижний конец трека. Зная длины пробега a-частиц радона в полиэтилене и в фотоэмульсии рассчитывали координаты точки распада радионуклида.
Рис.3. Трековая авторадиограмма распределения радона-222 по поверхности полиэтилена, равномерно облученного гамма-квантами до дозы 2 МГр.
В качестве примера на Рис.3 приведена авторадиограмма распределения треков *-частиц радона по поверхности пластины из ПЭНП, облученной ускоренными электронами до дозы 2 МГрэй. Видно, что в равномерно облученной области полиэтилена на фоне хаотически ориентированных треков встречаются отдельные скопления, декорирующие радиационные дефекты, характеризующиеся аномально высокой сорбционной способностью по отношению к радону. Сравнение трековой АРГ с фотографией того же участка полиэтилена в поляризованном свете показывает, что скопления обычно располагаются на границе контакта нескольких сферолитов. Подобные радиационные дефекты расположены в тонком приповерхностном слое полимера толщиной менее 100 мкм и представляют собой по-видимому микропузырьки, созданные скоплениями газообразных продуктов радиолиза.
Сравнение диагностических возможностей двух зондов: пара тритиевой воды и радона показало, что они декорируют различные типы неоднородности структуры полимера. Сорбция воды выявляет в первую очередь химически активные группы и места с повышенной гидрофильностью. Далеко не всегда эти места одновременно характеризуются высоким коэффициентом диффузии пара. Наоборот, подобные центры действуют как ловушки, уменьшающие величину эффективного коэффициента диффузии. Поэтому такие центры опаснее скорее из-за возможной коррозии полимера, чем с точки зрения прямого проникновения в объем изоляции агрессивной среды.
Места скопления плохо растворимого в полимере тяжелого благородного газа являются местами пониженной плотности полимера, поэтому они характеризуются высокими значениями коэффициента диффузии. Места, где одновременно сорбируются и вода и радон, обладают как повышенной сорбционной емкостью, так и повышенной скоростью диффузии. Именно по этим местам и будет идти основной поток жидкости и осуществляться пробой кабеля. Поэтому можно ожидать, что совпадение на авторадиограмме координат звезд a-частиц с участком повышенной концентрации тритиевой воды, обеспечит локализацию местоположений опасных дефектов, способных вызвать разрушение кабельной изоляции при взаимодействии с агрессивными средами в электрическом поле. Каждый из двух типов дефектов (электретные состояния и микропузырьки) в отдельности меньше повышают вероятность разрушения полимера. Синергизм взаимодействия дефектов при воздействии разрушающих внешних факторов значительно уменьшает устойчивость материала по сравнению с аддитивной суммой вкладов отдельных дефектов. Поэтому выявления мест совпадения двух типов дефектов существенно для прогнозирования долговечности кабельных изделий.
Одновременное определение двух типов дефектов с помощью двух различных по физико-химическим свойствам и типу радиоактивного излучения газовых зондов позволяет с помощью одной авторадиограммы определить места скоплений дефектов различных типов. При раздельном применении зондов увеличивается время измерений и возникает сложная проблема совмещения разных авторадиограмм.
Рис.4. Авторадиограмма распределения паров уксусной кислоты, меченой С-14, по поверхности продольного среза бруска полиэтилена, облученного с одной стороны ускоренными до 1,5 Мэв электронами до дозы 2 МГр
Декорирование структурных изменений полимера по длине пробега ускоренных электронов. На Рис.4 приведена авторадиограмма распределения паров уксусной кислоты, меченной 14С, по поверхности продольного среза бруска ПЭНП, облученного с одной стороны ускоренными до 1,5 Мэв электронами до дозы порядка 2 МГРэя. Видно: что на расстоянии от облучаемой поверхности равном примерно одной трети от пробега электрона в полиэтилене образуется слой наиболее активно сорбирующий зонд. Этот слой весьма дефектен и состоит из большого числа замкнутых пор (микропузырьков), заполненных газообразными продуктами радиационно стимулированной деструкции полиэтилена. При больших дозах, этот слой представляет собой практически полностью разрушенный полиэтилен.
На расстояниях от поверхности образца, равной 0,8-1,0 от длины пробега электронов (Re) также имеется довольно протяженная зона повышенной сорбции гидрофильного зонда. Возникновение этого слоя связано с известным эффектом роста поглощенной дозы в конце пробега электронов. При анализе среза под микроскопом в проходящем свете в этой области обнаруживается большое количество дендритных образований (трингов, каверн, микротрещин, микропробоев), хорошо сорбирующих радиоактивные газы и пары. Тринги и микропробои возникают из-за накопления зарядов статического электричества в объеме диэлектрика, при внедрении в него больших количеств электронов. Накопление высокого заряда приводит к возникновению в полимере структурных нарушений характерной формы (например, имеющих вид "замороженных молний"). На АРГ дефекты подобного типа хорошо заметны на расстояниях 0,7-0,8 Re. Тринги ранее наблюдали при анализе срезов изоляции кабеля в оптическом микроскопе, однако, они становились видимыми только после дополнительной трудоемкой обработке образцов.
Декорирование трингов. Обнаруженный эффект выявления трингов при заполнении их радиоактивным газом позволяет использовать методы ДиГЗ для декорирования дефектов, связанных с накоплением и перемещением электрических зарядов и вызванных ими процессов микроразрушений материала.
В рамках настоящей работы метод ДиГЗ был использован для решения таких задач, как: 1) декорирование структурных нарушений в ПЭНП, вызванных статическим электричеством; 2) определение сорбционных и диффузионных характеристик трингов; 3) выявление микропробоев, связанных с внешней поверхностью изоляции или жилой кабеля. В качестве объектов исследования использовали полиэтиленовую изоляцию свежеприготовленного кабеля; кабеля, эксплуатировавшегося при высоком постоянном напряжении; подводного кабеля, эксплуатировавшегося в морской среде в течение 10 лет; кабеля, облученного ускоренными до 1 Мэв электронами.
В ходе диагностики отрезки кабеля выдерживали в атмосфере радона, и затем изготавливали его поперечный срез. Для повышения контраста изображения образцы подвергали частичной дегазации. При этом зонд из основного материала удалялся, тогда как в трингах радон продолжал оставаться в равновесии с "активным налетом". Поверхность изготовленных таким образом образцов экспонировали на фотоматериале.
В ходе экспериментов было обнаружено, что тринги обладают повышенными по сравнению с основным материалом коэффициентами диффузии и коэффициентами адсорбции низкомолекулярных веществ. В результате тринги на авторадиограммах выглядят более темными по сравнению с областями ПЭНП. Некоторые примеры АРГ трингов, возникших как в объеме, так и в области, прилегающей к жиле кабеля, приведены на Рис.5. Видно, что радон достаточно надежно декорирует дефекты, возникающие при разряде статического электричества.
Форма и местоположение неоднородностей структуры, возникающих под действием статического электричества, существенно зависят от способов наведения зарядов в кабельной изоляции. При облучении ускоренными электронами, микропробои возникают на глубине порядка 0,7Re и имеют вид "замороженных молний" или дендритов. Тринги, образующиеся в морских кабелях, имеют вид кустов, "корень" которых всегда находится на границе раздела полиэтилен/жила кабеля. При возникновении в кабеле больших напряжений статического электричества, тринги образуются в объеме изоляции на макродефектах, имеют вид облаков, вытянутых вдоль электрического поля по направлению к внешним электродам конденсатора.
Таким образом, метод радиоактивного диффузионного газового зонда позволяет надежно обнаруживать наличие в полиэтилене трингов и микропробоев, ухудшающих характеристики кабельной изоляции и даже способных привести к ее пробою.
Рис.5 Декорирование радоном трингов в изоляции морских кабелей.
Опыт использования метода радиоактивного газового зонда в области радиационной кабельной технологии показал, что диффузионно-структурный анализ позволяет осуществить измерение характера распределения поглощенной дозы по поверхности изоляции облученного кабеля, а в случае тонких образцов и умеренных доз облучения - по глубине полимера. Метод также выявляет и локализует различного рода дефекты, возникающие в радиационном или электрическом полях. Одновременно ДСА обеспечивает возможность определения транспортных и сорбционных характеристик дефектов кабельной изоляции. В результате проведенной диагностики выдается прогноз эксплуатационных свойств кабельных изделий и рекомендации по мерам, необходимых для повышения сроков их применения.
