Qual è il principio di lavoro della schermatura della lega di tungsteno?

1. Il principio fondamentale: attenuazione attraverso l'interazione

L'obiettivo principale di qualsiasi scudo di radiazioni è attenuazione —indebolire l'intensità delle radiazioni mentre passa attraverso un materiale. La lega di tungsteno eccelle a causa delle sue proprietà uniche.

Proprietà chiave: densità straordinaria

• La lega pesante di tungsteno ha una densità di ~17-19 g/cm³ . Questo è significativamente più alto rispetto ai tradizionali materiali di schermatura come piombo (11,3 g/cm³) o acciaio (7,8 g/cm³).

• Perché la densità conta: Immagina le radiazioni come un flusso di piccole particelle (o fotoni) ad alta energia che volano nello spazio. Più atomi puoi mettere sul suo percorso, maggiore è la possibilità che una di queste particelle si scontrerà con un atomo e perde energia. Alta densità significa più atomi per centimetro cubo, creando un "muro" che è molto più difficile da penetrare nelle radiazioni.

Proprietà chiave: numero atomico elevato (Z)

• Il tungsteno ha un alto livello Numero atomico (z = 74) , il che significa che i suoi atomi hanno un nucleo grande e denso circondato da molti elettroni.

• Perché il numero atomico è importante: L'efficacia della schermatura, in particolare contro i fotoni ad alta energia (raggi X e raggi gamma), è governata da processi che dipendono fortemente dal numero atomico del materiale di schermatura. Una Z più elevata aumenta drasticamente la probabilità di queste interazioni.

2. Come funziona contro diversi tipi di radiazioni

Il meccanismo di interazione specifico dipende dal tipo di radiazione:

A. per raggi X e gamma raggi (fotoni)

È qui che il tungsteno brilla più luminoso. I fotoni non hanno massa o carica, quindi possono essere fermati solo dall'interazione diretta con un atomo. Si verificano tre processi chiave:

1. Effetto fotoelettrico: Un fotone si scontra con un elettrone a guscio interno in un atomo di tungsteno e trasferisce tutta la sua energia ad esso, espellendo l'elettrone dall'atomo. Il fotone è completamente assorbito . Questo effetto domina le energie inferiori ed è proporzionale a (Z⁴/Z⁵) , rendendo la Z alta di Tungsten incredibilmente potente.

2. Scattering Compton: Un fotone ad alta energia si scontra con un elettrone esterno legato. Trasferisce solo una parte della sua energia all'elettrone, causando il rinculo e il fotone stesso dispersi in una nuova direzione con energia inferiore. Questo processo reindirizza ripetutamente e indebolisce il raggio di radiazione all'interno dello scudo.

3. Produzione di coppie: Per i fotoni molto ad alta energia (> 1,02 MeV), il fotone interagisce con il potente campo elettrico di un nucleo di tungsteno e viene convertito in una coppia di antimaterie (un elettrone e un positrone). La creazione di queste particelle consuma l'energia del fotone.

In breve: l'alta z e densità di Tungsten rendono queste interazioni estremamente probabili, il che significa che i fotoni sono assorbiti o significativamente indeboliti su una distanza molto breve.

B. per particelle alfa e beta

• Particelle alfa (he nuclei): Questi sono pesanti, caricati e facilmente fermati. Uno scudo sottile è sufficiente. Il tungsteno non è in genere usato per emettitori alfa puri a causa di eccesso; Il suo valore primario è bloccare il raggi X secondari (Bremssstrahlung) prodotto quando le particelle beta vengono rallentate.

• Particelle beta (elettroni): Mentre le particelle beta passano attraverso il tungsteno, vengono rallentate attraverso collisioni con elettroni (ionizzazione) e deviate dai nuclei atomici (radiazione Bremsstrahlung). La densità del tungsteno li ferma in modo efficiente.

C. per neutroni

I neutroni non sono carichi e non possono essere fermati dalla sola ionizzazione. La schermatura richiede un approccio diverso, in due fasi:

1. Moderazione: Un neutrone deve prima essere rallentato (moderato) scontrandosi con atomi di luce (come l'idrogeno in acqua, polietilene o paraffina). I neutroni veloci perdono energia in queste collisioni e diventano lenti neutroni "termici".

2. Assorbimento: Una volta rallentati, i neutroni termici possono essere catturati (assorbiti) da nuclei di elementi specifici, come Boron-10 O Cadmio . Il tungsteno stesso non è un buon assorbitore di neutroni.

• Ruolo del tungsteno: In Radiazione a campo misto (ad es. Reattori nucleari), in cui sono presenti sia i neutroni che i raggi gamma, vengono utilizzati compositi a base di tungsteno o tungsteno. Il tungsteno blocca efficacemente i raggi gamma, mentre un polimero drogato in boro o altro materiale che assorbe i neutroni, spesso stratificato o incorporato in lega, gestisce i neutroni.