Характеристики экранирования характеризуют, насколько хорошо деталь из тяжелого вольфрамового сплава ослабляет гамма-лучи, рентгеновские-лучи и бета-излучение до того, как они достигнут детектора, пациента, оператора или чувствительной электроники. Тяжелые сплавы вольфрама используются для изготовления коллиматоров, экранов шприцев, защитных контейнеров, много-листовых решеток, колб для транспортировки изотопов и стопорных блоков для пучка-, поскольку они сочетают в себе плотность, близкую к плотности чистого вольфрама, с обрабатываемостью спеченного металла. Производительность — это не простое число; это результат взаимодействия пяти переменных.
Состав и плотность
Содержание вольфрама является доминирующей переменной. Коммерческие марки содержат 90 %, 92,5 %, 95 % или 97 % вольфрама по весу, а остальное составляет связующая матрица из никеля-железа, никеля-меди или никеля-железа-меди, которая придает материалу пластичность. ASTM B777 охватывает эти четыре класса и устанавливает номинальную плотность 17,0, 17,5, 18,0 и 18,5 г/см3 соответственно. Поскольку затухание пропорционально произведению массового коэффициента затухания на плотность, материал класса 4 дает примерно на девять процентов больше затухания на миллиметр стены, чем материал класса 1, и деталь можно сделать тоньше для той же самой защиты. Выбор связующего влияет на коррозионную стойкость и магнитные свойства, а не на затухание, поскольку никель, железо и медь имеют гораздо меньшую плотность, чем вольфрам.
Толщина и плотность площади
Затухание подчиняется экспоненциальному закону, поэтому экранирование — это компромисс между толщиной стенки и приемлемой передачей, а не свойство, которое можно выразить в процентах. Практическая переменная — это плотность площади, произведение плотности и толщины. При 662 кэВ, гамма-энергии цезия-137, массовый коэффициент затухания вольфрама составляет около 0,0585 см2/г, что для сплава класса 3 при 18,0 г/см3 дает линейный коэффициент затухания около 1,05 см-1, слой половинного значения около 0,66 см и слой десятого значения около 2,2 см. Эти цифры являются расчетными значениями для моноэнергетического узкого луча; при построении реальной установки необходимо учитывать рассеяние и энергетический спектр источника, а расчетная толщина обычно задается исходя из требуемого пропускания, а не из одного показателя слоя половинного значения.
| Класс, ASTM B777 | Номинальное содержание вольфрама | Номинальная плотность | Относительное затухание на единицу толщины |
|---|---|---|---|
| Класс 1 | 90% | 17,0 г/см3 | Ссылка |
| Класс 2 | 92.5% | 17,5 г/см3 | Примерно на 3% выше |
| Класс 3 | 95% | 18,0 г/см3 | Примерно на 6% выше |
| Класс 4 | 97% | 18,5 г/см3 | Примерно на 9% выше |
Геометрия, соединения и утечка радиации
Плотный блок хорош настолько, насколько хорош его самый слабый путь. Прямые стыки между сегментами, незакрытые зазоры вокруг апертур коллиматора, острые внутренние углы и отверстия под болты — все это создает пути потока, обходящие сыпучий материал. Таким образом, производительность реальной сборки определяется конструкцией соединения внахлест, ступенчатым или шпунтовым -и-пазовым соединением, а также зазором, допускаемым допуском обработки. Для коллиматоров толщина листа и расстояние между листами определяют пространственное разрешение, а общая глубина стопки определяет затухание внеосевого луча, поэтому оба размера необходимо указывать вместе.
Состояние поверхности, загрязнение и вторичное излучение
Обработанные поверхности могут содержать остатки абразива, оксидов или охлаждающей жидкости; шлифовальные ожоги и микротрещины-могут открыть пути, невидимые на рентгенограмме. Для бета-излучения на входной стороне иногда размещается лицевой слой с низким атомным номером, чтобы уменьшить образование тормозного излучения, поскольку остановка бета-частиц в материале с высоким атомным номером генерирует рентгеновские лучи. Рассеянное и вторичное излучение следует оценивать для всей сборки, а не только для первичного пучка, и любая сборка, являющаяся частью медицинской или ядерной установки, должна удовлетворять требованиям конструкции защиты и контроля качества этой установки.
Проверка технических характеристик приобретенных деталей
В спецификации на закупку защитных компонентов должен быть указан класс ASTM B777 или необходимое содержание вольфрама, плотность и ее допуск, система связующего, конечные размеры с допуском по толщине, плоскостность и чистота поверхности, необходимые для сопрягаемых поверхностей, а также метод проверки, обычно измерение плотности на образце плюс проверка размеров каждой критической грани. Ультразвуковой контроль или рентгенографическое исследование целесообразно применять в тех случаях, когда внутренняя пористость может поставить под угрозу соединение или толщину стенки. Если деталь находится под давлением или ее необходимо герметизировать в колбе, механические свойства и испытание на герметичность следует рассматривать отдельно от требований к защите.
Часто задаваемые вопросы
Q:Всегда ли более высокое содержание вольфрама означает лучшую защиту?
О: Да, на миллиметр стены, потому что плотность выше. При одинаковой массе разница между классами невелика, поэтому реальный вопрос заключается в том, сколько места доступно в сборке и можно ли еще обрабатывать более твердый материал класса 4 с требуемыми допусками.
Q:Какой толщины должна быть стенка из тяжелого вольфрамового сплава для цезия-137?
Ответ: Для узкого луча слой толщиной в одну десятую составляет около 2,2 см в сплаве класса 3. Практические конструкции обычно требуют проверки расчетами или испытаниями, поскольку наращивание-и рассеяние уменьшают эффективное затухание, а требуемая передача зависит от предела дозы установки.
Q:Какой стандарт определяет марки вольфрамовых сплавов высокой плотности?
A: ASTM B777 определяет металл высокой плотности на основе вольфрама в четырех описанных выше классах с номинальной плотностью 17,0, 17,5, 18,0 и 18,5 г/см3.
Q:Подходит ли тяжелый вольфрамовый сплав для магнитно-резонансных установок?
О: Только в том случае, если приложение допускает магнитное поведение переплета. Никельсодержащие связующие являются ферромагнитными, поэтому необходимо выбирать не-систему связующего, если компонент находится в сильном магнитном поле.
Q:Как проверяется плотность готовой детали?
Ответ: Обычным методом является испытание на погружение Архимеда на купоне или самой детали, сопоставленное с номинальной плотностью с согласованным допуском, подкрепленное проверкой размеров критических поверхностей.
Q:Можно ли сваривать или соединять тяжелый вольфрамовый сплав с другими металлами?
A: Его можно паять, паять или механически крепить с хорошими результатами, если соединение рассчитано на разницу теплового расширения между сплавом и сопрягаемым материалом. Сварка плавлением материалов с высоким содержанием вольфрама обычно не рекомендуется.
