Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние изученности вопроса 11
1.1 Особенности проведения и крепления горных выработок на пластах, склонных к горным ударам 11
1.2 Цель, задачи и методы исследования 28
ГЛАВА 2 Исследования форм и параметров разрушений угольного массива вокруг горных выработок на удароопасных пластах 30
2.1. Методика исследования 30
2.2 Результаты исследования 31
2.2.1 Геологическая характеристика экспериментальных участков на шахтах Баренцбургского угольного месторождения 31
2.2.2 Породы кровли 32
2.2.3 Характеристика угольного пласта 34
2.2.4 Породы почвы 35
2.3 Характер деформирования и разрушения охранных целиков 36
Выводы по главе 2 51
ГЛАВА 3 Исследования проявления горного давления в выработках закрепленных анкерной крепью на пластах, склонных к горным ударам, в условиях шахт кузнецкого угольного бассейна 53
3.1 Горно-геологическая характеристика пластов 53
3.1.1 Геологическая характеристика пласта Болдыревского - № 24 53
3.1.2 Геологическая характеристика пласта XXIV 54
3.1.3 Геологическая характеристика пласта III 55
3.2 Характеристика обследуемых выработок 56
3.2.1 Краткая пояснительная записка к паспорту проведения и крепления фланговых уклонов 56
3.2.2 Краткая пояснительная записка к паспорту проведения и крепления основного штрека гор. - 40 м 58
3.2.3 Краткая пояснительная записка к паспорту проведения и крепления транспортного и вентиляционного бремсбергов 59
3.3 Методика исследования 61
3.3.1 Методика определения категории удароопасности 61
3.3.2 Основные положения методики обследования анкерной крепи
3.3.2.1 Требования к элементам анкерной крепи 62
3.3.2.2 Внешние признаки опасных деформаций выработок и анкерной крепи... 63
3.3.2.3 Оценка состояния выработок и анкерного крепления в шахтных условиях 66
3.4 Результаты исследования проявления горного давления на шахте «им. СМ. Кирова» ОАО «СУЭК-Кузбасс», г. Ленинск-Кузнецкий 68
3.4.1 Экспериментальные участки: фланговый вентиляционный и фланговый путевой уклоны № 24-03 68
3.4.1.1 Оценка напряженного состояния пласта по изменению выхода буровой мелочи сім шпура 68
3.4.1.2 Результаты обследования фланговых уклонов № 24-03 77
3.5 Результаты исследования проявления горного давления на шахте «Первомайская» ОАО УК «Северный Кузбасс», г. Березовский 82
3.5.1 Экспериментальный участок: основной штрек гор. -40 м 82
3.5.1.1 Оценка напряженного состояния пласта по изменению выхода буровой мелочи сім шпура 82
3.5.1.2 Результаты обследования основного штрека гор. - 40 м 84
3.6 Результаты исследования проявления горного давления на ЗАО «Распадская-Коксовая» ОАО «Распадская», г. Междуреченск 88
3.6.1 Экспериментальные участки: транспортный и вентиляционный бремсберги 88
3.6.1.1 Оценка напряженного состояния пласта по изменению выхода буровой мелочи сім шпура 88
3.6.1.2 Результаты обследования транспортного и вентиляционного бремсбергов 92
Выводы по главе 3 94
ГЛАВА 4 Рекомендации по обеспечению устойчивости парных горных выработок на пластах, склонных к горным ударам .. 96
4.1 Методика расчета расстояния между парными выработками на пластах, склонных к горным ударам 96
4.2 Требования к элементам анкерной крепи горных выработок на пластах, склонных к горным ударам 100
4.3 Способ крепления горных выработок на удароопасных пластах 102
4.3.1 Моделирование процесса проходки выработки вне зоны влияния очистных работ 106
4.3.1.1 Исследования зависимости несущей способности комбинированной (анкерно-рамной) крепи от порядка и времени установки ее элементов 108
4.3.1.2 Постановка задачи 111
4.3.1.3 Методический подход к численному моделированию строительства выработки с учетом этапности строительства в двухмерной постановке 115
4.3.1.4 Результаты численного моделирования 120
Выводы по главе 4 127
Заключение 128
Список литературы
- Особенности проведения и крепления горных выработок на пластах, склонных к горным ударам
- Геологическая характеристика экспериментальных участков на шахтах Баренцбургского угольного месторождения
- Геологическая характеристика пласта XXIV
- Требования к элементам анкерной крепи горных выработок на пластах, склонных к горным ударам
Особенности проведения и крепления горных выработок на пластах, склонных к горным ударам
Электронные ускорители - это насыщенные сложной техникой установки, в которых с помощью электрических и магнитных полей получают направленные высокоэнергетические пучки электронов.
По характеру траекторий генерируемых ускоренных частиц различают линейные ускорители, в которых траектории электронов близки к прямым линиям, и циклические ускорители (бетатрон, микротрон, синхротрон, циклотрон), в которых траектории электронов близки к окружностям. По характеру ускоряющего поля электронные ускорители делятся на резонансные и нерезонансные ускорители (последние - индукционные и высоковольтные) [36, 37]. В зависимости от энергии получаемых быстрых электронов современные электронные ускорители делятся на три группы: до 10 МэВ; от 10 МэВ до 100 МэВ; свыше 100 МэВ [27, 38]. Отличительной особенностью группы ускорителей с энергией электронов до 10 МэВ является отсутствие наведенной радиоактивности. При работе со второй группой ускорителей с энергией ускоренных электронов не менее 10 МэВ, но не более 100 МэВ основными факторами, определяющими радиационную обстановку до и после защиты, являются тормозное излучение и фотонейтроны. При проектировании радиационной защиты ускорителя с энергией электронов свыше 100 МэВ необходимо учитывать фотонейтроны с энергией более 50 МэВ, возникающие при взаимодействии высокоэнергетического тормозного излучения с ядрами веществ мишени и элементов ускорителя [38].
При воздействии электронного пучка на мишень электроны пучка претерпевают взаимодействия, которые можно разделить на упругие и неупругие.
Упругим рассеянием называется процесс взаимодействия частиц, при котором сохраняется полная кинетическая энергия всех взаимодействующих частиц, но происходит ее перераспределение между частицами. При упругом рассеянии изменяется направление вектора скорости электрона. Мишени при каждом акте упругого рассеяния передается энергия порядка 1 эВ, что пренебрежимо мало по сравнению с первоначальной энергией электронов в пучке (104 - 106 эВ). Угол отклонения от направления падения может принимать значения в переделах от 0 вплоть до 180. Упругое рассеяние происходит в результате взаимодействия электронов высокой энергии с ядрами атомов, частично экранированных связанными электронами.
В результате упругих взаимодействий электрон может покинуть мишень. Такой электрон называется отражённым. Доля отраженных электронов может достигать 30% от изначального количества электронов пучка. Электроны пучка, которые вылетают с поверхности мишени в качестве отражённых электронов, имеют меньшую энергию, чем до взаимодействия, так как проходят некоторое расстояние внутри твёрдого тела и теряют энергию.
Дифференциальное сечение упругого рассеяния da электрона с кинетической энергией Е в телесный угол dQ на атоме с зарядом eZ , где Z атомный номер, связано с углом отклонения (рассеяния) формулой Резерфорда:
Таким образом, из уравнения (1.4) следует: вероятность упругого рассеяния больше в материалах с большим атомным номером и при низких энергиях электронов.
Неупругим рассеянием называется процесс взаимодействия частиц, при котором часть кинетической энергии электрона расходуется на возбуждение внутренних степеней свободы атома или ядра, энергию излучений или образующихся частиц. При неупругих взаимодействиях траектория электрона изменяется мало, при этом происходит передача энергии мишени. Неупругие взаимодействия происходят, в основном, между электронами пучка и электронами мишени.
Для электронов при неупругом рассеянии в веществе основные механизмы потери энергии: - ионизационные потери энергии (ионизационное торможение); радиационные потери энергии (радиационное торможение). В области относительно небольших энергий преобладают ионизационные потери электронов. Формула для ионизационных потерь энергии электрона выражается [39]:
С ростом энергии электронов растут радиационные потери. Потери энергии электронов на образование фотонов тормозного излучения определяются следующими уравнениями [39]:
Область энергий электронов условно делят на две: когда ионизационные потери ниже радиационных и наоборот. На границе между ними существует критическая энергия, при которой ионизационные и радиационные потери равны. Критическая энергия электронов для твердых веществ выражается:
Ввиду широкого использования электронных ускорителей в науке, технике и медицине, перспективным направлением в области строительно-радиационного материаловедения является разработка новых строительных материалов, способных обеспечить высокую защиту при облучении электронами и возникающего тормозного гамма-излучения, при этом сохраняя свои эксплуатационные характеристики.
Основные требования, предъявляемые к современным строительным материалам, применяемых в качестве радиационно-защитных инженерных барьеров и экранов Основными документами, регламентирующими уровень воздействия ионизирующего излучения в России, являются СанПин 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности» (НРБ - 99/2009), а так же федеральные законы РФ: «О радиационной безопасности населения» № 3-ФЗ от 09.01.96 г.; «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» № 52-ФЗ от 30.03.99 г.; «Об охране окружающей природной среды» №2060-1-ФЗ от 19.12.91г.; «Об использовании атомной энергии» № 170-ФЗ от 21.11.95 г.
Основные требования по обеспечению радиационной безопасности определяются: «Основными санитарными правилами обеспечения радиационной безопасности» (ОСПОРБ - 99/2010) СП 2.6.1.2612-10; "Гигиеническими требованиями к размещению и эксплуатации ускорителей электронов с энергией до 100 МэВ" (СанПиН 2.6.1.2573-10); «Санитарными правилами обращения с радиоактивными отходами» (СПОРО - 2002) СП 2.6.6.1168-02; правилами международной комиссии по радиационной защите; санитарными правилами проектирования и эксплуатации АЭС (СП АС - 2003) СП 2.6.1.24 - 03 [40 - 46].
Основными принципами обеспечения радиационной безопасности являются: уменьшение мощности источников до минимальных величин (защита количеством); сокращение времени работы с источниками для работающих (защита временем); увеличение расстояния от источника до работающих (защита расстоянием) и экранирование источников излучения материалами, поглощающими ионизирующее излучение (защита конструкциями) [47, 48].
Выбор материалов и конструктивных решений определяются видом бомбардирующих частиц, их энергией и интенсивностью, видом источника (открытый или закрытый), его геометрией, а так же эксплуатационными характеристиками материала, его стоимостью и т.д. Защитные барьеры и экраны в зависимости от применяемых материалов подразделяются на стеклянные, лакокрасочные, полимерные, бетонные, керамические, металлические. Для возведения защитных барьеров так же могут использоваться практически все природные материалы: горные породы, пески, глины, грунты, вода [49].
Совмещение в защитных барьерах и экранах функций ограждающей и защитной приводит к созданию массивных конструкций. Поэтому основным требованием при выборе материала, защищающего от радиационного воздействия, является обеспечение эффективного поглощения излучения при условии уменьшении толщины и массы конструкции защиты. За счет уменьшения материалоемкости защитных конструкций, с повышенными радиационно-защитными характеристиками, улучшаются технико-экономические показатели.
Геологическая характеристика экспериментальных участков на шахтах Баренцбургского угольного месторождения
На оксиде железа отмечаются полосы поглощения в области 3420 см" и 3360 см"1, которые соответствуют валентным колебаниям гидроксильных групп. Полоса поглощения 1640 см"1 идентифицирована как деформационные колебания групп НОН (адсорбционная вода). Полосы в области 520 см"1 и 620 см"1, 800 см соответствуют валентным колебаниям групп Fe - О [27, 101 - 103, 130].
Поскольку поверхность оксидов обычно покрыта полимолекулярным слоем физически адсорбированной воды, которая препятствует протеканию процесса модифицирования [130 - 132], поэтому перед модифицированием оксид железа подвергали процедуре термообработки при 180 С до установления постоянной массы [130-132].
На ИК-спектре высоко дисперсного оксида железа в гематитовой форме видно (рис. 3.1,6), что при термообработки происходит удаление полимолекулярного слоя физически адсорбированной воды: сглаживание полос поглощения в области 3420 см"1- 3360 см"1 свидетельствует об удалении кристаллизационной воды, уменьшение интенсивности полосы
Соединение Fe(OH)2+Cl соответствует процессу принудительной гидратации ее гидроксилами, входящими в структуру этого соединения [27, 133, 134]. В результате активации поверхность гематита приобретает дополнительные активные центры в виде Fe(OH)2+.
После активирования поверхности высокодисперсного оксида железа одноимёнными с дисперсной фазой ионами Fe3+, схему протекания химических превращений при модифицировании можно преде
Взаимодействие ионов модификатора (Al ) с поверхностью высокодисперсного оксида железа объясняется как силами электростатического взаимодействия (физическая адсорбция), так и хемосорбцией через ОН - группы его поверхности, являющиеся основным типом реакционных центров, по которым происходит модифицирование. На рисунке 3.2 представлена изотерма адсорбции ионов модификатора из водных растворов высокодисперсным неактивированным (а) и активированным (б) оксидом железа. 100 150 200 250 300 350 400 Мг/л
Концентрация ионов модификатора в водном растворе Изотерма адсорбции ионов модификатора из водного раствора высокодисперсным оксидом железа: а - до активирования; б - после активирования Возрастание адсорбции в области равновесных концентраций идет вплоть до образования мономолекулярного слоя на поверхности высокодисперсного гематита: при равновесной концентрации 210 мг/л величина адсорбции на неактивированном оксиде железа составляет Г = 1, 53 мг/г; при равновесной концентрации 205 мг/л величина адсорбции на активированном оксиде железа составляет Г = 3, 05 мг/г. Наличие на поверхности высоко дисперсного активированного оксида железа избытка гидроксильных групп влияет на более высокую адсорбцию ионов модификатора (Al ) в водном растворе. Анализ ИК - спектра высокодисперсного модифицированного оксида железа подтверждает вышесказанное (рис. 3.3).
На рисунке 3.3 заметно снижение интенсивности полос поглощения в области 800 см"1, 620 см"1, 520 см"1, которые идентифицированы как валентные колебания групп Fe - О, причем, снижение полосы в области 800 см"1 соответствует компенсации совпадающих полос, характерных для водосодержащей формы оксида алюминия [27, 101 - 103, 130]. Уменьшение интенсивности спектра в области колебаний групп Fe - О свидетельствует о взаимодействии ионов А1 с отрицательно заряженными (О") участками гидроксильных групп поверхности оксида железа.
Сглаживание полос в области 3620 см"1, 3420 см"1- 3360 см"1 указывает на химическом взаимодействии гидроксильных групп (-ОН) с модификатором (ионами А13+). Новые полосы поглощения 1390 см_1-1350 см"1, 1020 см"1- 920 см"1, 620 см"1- 585 см"1 и 520 см"1- 450 см"1 свидетельствуют об образовании на поверхности высокодисперсного оксида железа монослоя в виде водосодеращеи формы оксида алюминия [27, 101 - 103, 130, 134]. Известно [90, 132, 135], что при нагревании водосодержащая форма оксида алюминия - байерит, переходит в безводные формы оксида алюминия, а при малых температурах способен частично перейти из тригидратной в моногидратную модификацию оксида алюминия - бемит (а - А12Оз Н20) (рис. 3.4).
Рентгенограммы высоко дисперсного оксида железа: а - исходный; б - модифицированный На рентгенограмме высокодисперсного модифицированного оксида железа (рис. 3.5, б) зафиксированы рефлексы при 3.691, 2.702, 2.521, 2.296, 2.211, 1.842, 1.697, 1.485 А, которые соответствуют фазе а - Fe203, а так же рефлексы при 2.896, 2.776, 2.578, 2.149 А, которые соответствуют БезС [99, 100, 130]. Согласно [114, 116] появившиеся новые рефлексы при 4.730, 4.370, 2.463, 2.435, 2.256, 1.944, 1.724 А, соответствуют байериту (р - А1203 ЗН20) [99, 100, 130, 135, 136].
Максимальное взаимодействие компонентов наблюдается в системах, где межфазная энергия минимальна, т.е. значения поверхностного натяжения компонентов равны или близки между собой [137]. С целью образования прочной связи между алюминиевым сплавом и трехвалентным оксидом висмута через промежуточный слой используют модификатор, который в значительной степени повлияет на уменьшение межфазной энергии в системе: матрица - наполнитель. В качестве модификатора поверхности оксида висмута, с преимущественным содержанием бисмитовой формы (а - Ві203), использован 0,1М раствор хлорида алюминия А1С13-6Н20.
Предварительная подготовка оксида висмута с целью гидроксилирования его поверхности заключалась в мокром помоле с последующим кипячением и обработкой ультразвуком (22 кГц). Ультразвуковая обработка позволила увеличить концентрацию поверхностных дефектов и количество дефектов кристаллического состояния [125, 138, 139], создала благоприятный рельеф для дальнейшего закрепления пленки модификатора на поверхности частиц оксида висмута.
После мокрого помола в течение 6 часов и ультразвуковой обработки в течение 30 мин большая доля частиц оксида висмута имело размер 0,5 - 2 мкм, что позволяет в дальнейшем получить высокоэффективный композиционный материал с высокой степенью однородности.
Возможность закрепления пленки модификатора на частицах высокодисперсного оксида висмута, аналогично оксиду железа, обусловлено наличием на поверхности наполнителя активных адсорбционных центров -гидроксильных групп -ОН [125, 129].
Методом ИК - спектроскопии на поверхности высокодисперсного оксида висмута установлено наличие основных центров (рис. 3.6 а). Полосы поглощения высокодисперсного Ві2Оз в области 3550 см"1- 3450 см"1, согласно данных корреляционной диаграммы групповых частот [125], относятся к валентным колебаниям кристаллизационной воды (полоса 3550 см"1), а так же адсорбционной воды (полоса 3450 см"1). Наличие слабовыраженной полосы (узкий пик) 1642 см"1 соответствует деформационным колебаниям кристаллизационной воды. На ИК -спектре полоса поглощения в области 940 см"1 свидетельствует о маятниковых колебаниях кристаллизационной воды [99 - 101, 125]. Кривые спектров в области 705 см"1, 495 см"1 и 180 см"1 идентифицированы как валентные колебания групп Ві-О[102, 103, 125].
Геологическая характеристика пласта XXIV
Видно, что путь электронов состоит из отрезков, определяемых расстоянием между двумя последовательными актами упругого рассеяния при атомном столкновении. Траектория электрона после рассеивания становится настолько сложной, что напоминает процесс диффузии частиц в веществе. Абсолютная глубина проникновения электронов в композите оказывается намного меньше, чем полный путь до торможения, определяемый ионизационными и отчасти, радиационными потерями [113, 149, 150].
Из кривых распределения поглощенной дозы по глубине (рис. 5.1) и результатов физического моделирования прохождения моноэнергетического пучка из 500 электронов (рис. 5.2), следует, что эффект поглощения электронов наиболее выражен у КМ - 1. При одинаковых энергиях облучения эффективный пробег электронов в КМ - 1 незначительно больше эффективного пробега электронов в стали. Поскольку, плотность КМ - 1 в 2 раза меньше плотности стали, то можно говорить о том, что разработанный материал в 2 раза эффективнее, чем сталь, так как при одинаковой толщине защиты масса радиационно-защитного барьера и экрана из КМ - 1 будет в 2 раза меньше, чем масса экрана, сделанного из стали.
Основная задача защиты от пучков быстрых электронов сводится к защите от вторичного тормозного излучения. С увеличением энергии электронного пучка происходит увеличение радиационных потерь этой энергии, как следствие, и тормозное излучение становится более интенсивным. При облучении электронным пучком с энергией Е =1 МэВ, основная масса электронов в материале и их тормозное излучение сохраняют направление движения первичного пучка быстрых электронов (рис. 5.2. а и г). При облучении с энергией Е= 5 МэВ, рассеяния в материале настолько интенсивные, что наблюдаемый поток электронов и квантов тормозного излучения, рассеянных на 180 градусов, составляет значительную долю от первичного потока электронов (рис. 5.2. в и ё).
Физическая модель наглядно показывает (рис. 5.2 в и е), что интенсивность тормозного излучения в КМ - 1 значительно меньше, чем в стали, следовательно, и менее эффективно генерируется в КМ - 1 жесткое электромагнитное излучение, чем в стали [149].
Результаты расчетов изменения коэффициентов отражения, поглощения электронов различной энергии, их эффективного пробега, а так же глубины концентрации максимальной накопленной дозы для КМ - 1 представлены в таблице 5.1.
Параметры распределения электронов в поверхностных слоях КМ - Энергияэлектронов,МэВ Эффективныйпробегэлектронов,мм Глубина концентрации максимальнойдозы, мм Коэффициенты
Результаты моделирования (табл. 5.1) показали, что достаточно в широком энергетическом спектре 82 - 97 % электронов приходится на поглощение в КМ - 1, причем с возрастание энергии электронного пучка эффект поглощения увеличивается. Для электронов с энергией 3 МэВ глубина концентрации максимальной дозы заметно увеличивается. При энергии 1 МэВ коэффициент отражения по энергии выше, чем по частицам, а для больших энергий это соотношение меняется в обратную сторону. Это связано с преобладанием неупругого взаимодействия электронов с атомами вещества, а так же частичной потерей энергии в поверхностных слоях и вылетом за пределы образца за счет обратного рассеивания электронов [149].
Образцы КМ - 1, изготовленные в форме дисков диаметром 25 мм и толщиной, которая выбиралась, исходя из решения задачи определенных защитных свойств материала, устанавливали на пути пучка быстрых электронов, перпендикулярно падающего на плоскую поверхность образца. За облучаемыми образцами вплотную к их внешней поверхности закрепляли дозиметр, который был экранирован от попадания электронов, рассеянных в конструкции ускорителя. Чувствительным элементом дозиметра служил алмазный детектор, представляющий собой пластину площадью 0,25 см и толщиной 300 мкм с напылением на плоской поверхности диска запирающим и инжектирующим контактами [116].
При непрерывном облучении КМ - 1 пучком электронов с энергией Е = 3 МэВ происходило постепенное снижение мощности дозы до некоторого минимального значения. Мощность дозы за образцом КМ - 1 зависит от его относительной толщины d / R (где d- толщина образца; R - расчетный пробег электронов с заданной энергией (уравнение 5.1)). На рисунке 5.3 представлена кинетика изменения мощности дозы электронного пучка на внешней поверхности образца КМ - 1 разной толщины.
На внешней поверхности образца КМ - 1 толщиной 0,25 R мощность дозы уменьшается на 6,25 % и практически не меняется уже через 50 с с момента начала воздействия пучка быстрых электронов. При толщине образца 0,5 R мощность дозы на внешней поверхности уменьшается на 50 % и практически не изменяется через 250 с. За образцами КМ - 1 с большей относительной толщиной снижение дозы до устойчивого минимального значения протекает с меньшей скоростью [142].
Твердотельные превращения высокодисперсного модифицированного оксида железа под воздействием электронного облучения Поскольку наполнитель алюминиевого сплава, представленный высокодисперсным модифицированным оксидом железа, составляет 42 % по массе КМ - 1, целесообразно провести исследования твердотельных переходов оксида железа под воздействием электронного облучения с энергией 3 МэВ при флюенсе 1018 электронов/см2. На образцах высокодисперсного модифицированного оксида железа, с преимущественным содержанием гематитовой фазы, под воздействием потока быстрых электронов происходит изменение вида ИК - спектра (рис.5.4). На рисунке 5.4 видно, что с возрастанием дозы облучения происходит снижение гематитовой фазы (а - Fe203), и образуется магнетитовая фаза (Fe304). На это указывает увеличение интенсивности полос поглощения в области 700 см"1 - 450 см"1. С изменением поглощенной дозы электронного облучения от 0,5 МГр до 2 МГр происходит сдвиг максимума в низкочастотную область от 585 - 560 см_1до 550 см"1, появляется полоса при 650 см"1, которая отнесена к маггемиту у-БегОз [101 - 103, 134]. т,%
Требования к элементам анкерной крепи горных выработок на пластах, склонных к горным ударам
Отличительная особенность гамма - квантов от других частиц, способных ионизировать вещество, состоит в том, что они обладают нулевой массой покоя, т.е. не обладают скоростью, отличной от скорости света. Следовательно, при прохождении гамма - квантов через вещество они не могут замедляться, поэтому в среде происходит либо поглощение фотонов (фотоэффект, эффект образования электронно-позитронных пар, ядерные превращения), либо их рассеивание на большие углы (эффект Комптона). Рассеянные гамма - кванты отклоняются от первоначального пути и обладают меньшей энергией, чем первичные гамма -кванты. Этот процесс изменения числа фотонов и их энергии при прохождении через вещество называется ослаблением гамма - излучения [28].
Физическая модель процессов взаимодействия гамма-излучения с композиционным материалом Для обеспечения заданной кратности ослабления гамма-излучения необходимо задать определенную толщину защитного материала, т.е. исследовать зависимость энергетических коэффициентов пропускания ЭКП (величины обратной кратности ослабления дозы излучения) от толщины защитного материала.
Для получения значений ЭКП композиционного материала проведено расчетное моделирование методом Монте-Карло для двух общих случаев: для случая нормального падения моноэнергетического пучка гамма - квантов на поверхность КМ - 1; для случая точечного источника гамма - излучения в защите бесконечной геометрии. Во втором случае, при определении ЭКП необходимо учитывать геометрический фактор ослабления потока гамма-излучения, которое пропорционально 1/г2, где г - расстояние в толще КМ - 1 от точечного изотропного источника до расчетной точки.
При прохождении моноэнергетического фотонного излучения через мишень одновременно может иметь место не более двух эффектов взаимодействия: фотоэлектрического поглощения и комптоновского рассеяния, либо комптоновского рассеяния и образования электронно-позитронных пар. Для излучения с энергией 0,661 МэВ Е 1 МэВ (60Со Ет = 1172 кэВ; 137Cs Ет= 661 кэВ) основным препятствием при прохождении мишени из КМ - 1 являются атомные электронные оболочки, на которых рассеиваются фотоны (комптоновское рассеяние). Следовательно, в геометрии узкого пучка от плотности электронных орбиталей в объеме мишени зависят ее защитные свойства, т.е. величина коэффициента массового ослабления КМ - 1 зависит от удельной массы материала, и слабо зависит от его химического состава.
Химический состав композиционного материала приобретает тем большее значение, чем ярче выражено рассеяние гамма - квантов. В этом случае радиационно-защитными характеристиками мишени являются энергетические факторы накопления (ЭФН) и отражения (альбедо).
На базе библиотеки «Geant 4» рассчитаны процессы прохождения гамма -квантов с энергий от 0,01 МэВ до 1 МэВ через стенку мишени из КМ - 1. Определены интегральные характеристики композиционного материала: ЭКП и ЭФН. Полученные данные представлены в виде таблиц международного стандарта (Приложение А) и частично оформлены графически на рисунках 5.10 -5.14.
Из представленных зависимостей следует, что ЭФН КМ - 1 непрерывно возрастает с увеличением толщины мишени (или ДСП - длины свободного пробега фотона) и энергии гамма-излучения, а ЭКП - снижается с увеличением толщины мишени. Относительный максимум ЭКП и ЭФН наблюдается для энергий фотонов при 0,1 МэВ, что вызвано возбуждением электронного К - слоя атомов висмута, и последующей флуоресценцией фотоэлектрона с энергией 0,09111 МэВ (рис. 5.10-рис. 5.14).
Геометрические условия экспериментальных испытаний в условиях узкого пучка гамма-квантов: 1. Блок детектирования СРП-68-01; 2. Кристалл блока детектирования Nal (Та) 30x25 мм; 3. КМ - 1; 4.Защитный блок УПДГ-2М-Д; 5. Источник гамма-излучения; 6. Свинцовый поглотитель 40 мм; 7. Пучок гамма-квантов;
На рисунках 5.17 и 5.18 графически представлены экспериментально полученные функции ослабления мощности дозы гамма-излучения от точечных источников 137Cs и 60Со в мишени из КМ - 1. Шкала мощности дозы излучения представлена в логарифмическом виде, поскольку ослабление подчиняется экспоненциальному закону. Для удобства сравнения мощностей доз гамма-излучения различных энергий, зависимости ослабления отображены в относительных единицах и отнормированы другу к другу при нулевой толщине защиты.
Из отношения функций ослабления мощности дозы гамма-излучения для геометрии широкого пучка и геометрии узкого пучка выведены функции дозовых факторов накопления Вдоз(г, Е) (5.2) для энергий Ет = 661 кэВ и Ет= 1172 кэВ в КМ - 1, которые представлены на рисунке 5.17 и на рисунке 5.18 кривыми 3:
Согласно ГОСТ 25645.331 радиационная стойкость материалов характеризуется арбитражным критерием радиационной стойкости. По данному критерию радиационная стойкость характеризуется дозой, полученной материалом, которая приводит к снижению его прочности в два раза [160].
Облучение КМ - 1 проведено гамма - квантами от точечного источника 60Со. По достижении определенных величин накопленной дозы, образцы КМ - 1 испытывали на прочность при изгибе и сжатии (рис. 5.19).
На базе библиотеки «Geant 4» получена физическая модель взаимодействия электронного пучка с энергией до 5 МэВ с разработанным композиционным материалом. В композиционном материале 82 - 97 % энергетических частиц с энергией до 5 МэВ приходиться на поглощение. При энергиях выше 1 МэВ возрастают процессы неупругого взаимодействия электронов с атомами вещества мишени за счет чего, альбедо по энергии становится меньше, чем по частицам.