eng
Выпуск #1/2021
Н. П. Бобырь, И. Г. Лесина, А. А. Семенов, А. С. Аникин, Н. Е. Забирова, А. В. Лизунов, А. С. Крюкова, А. Н. Букин, Е. В. Козлова
Исследование распределения трития в конструкционных и функциональных материалах методом радиолюминографии
Исследование распределения трития в конструкционных и функциональных материалах методом радиолюминографии
Просмотры: 2268
DOI: 10.22184/2227-572X.2021.11.1.40.44
Многие методы анализа изотопов водорода в конструкционных и функциональных материалах позволяют судить только об интегральных величинах их концентраций, не давая информации о распределении водорода в образце. Относительно новый высокоинформативный метод анализа, такой как радиолюминография, позволяет с высокой точностью определять содержание и распределение трития в различных материалах. Это открывает новые перспективы в исследованиях взаимодействия водорода с конструкционными и функциональными материалами. Метод радиолюминографии позволяет определять коэффициенты диффузии трития в широком диапазоне температур даже в тех случаях, когда применение мембранных методов затруднено. Благодаря применению различных типов фотопластин детектирование трития возможно как по бета-излучению, так и по тормозному рентгеновскому излучению. В работе приведены примеры применения метода радиолюминографии для качественного и количественного определения трития на поверхности и в приповерхностной области образца.
Многие методы анализа изотопов водорода в конструкционных и функциональных материалах позволяют судить только об интегральных величинах их концентраций, не давая информации о распределении водорода в образце. Относительно новый высокоинформативный метод анализа, такой как радиолюминография, позволяет с высокой точностью определять содержание и распределение трития в различных материалах. Это открывает новые перспективы в исследованиях взаимодействия водорода с конструкционными и функциональными материалами. Метод радиолюминографии позволяет определять коэффициенты диффузии трития в широком диапазоне температур даже в тех случаях, когда применение мембранных методов затруднено. Благодаря применению различных типов фотопластин детектирование трития возможно как по бета-излучению, так и по тормозному рентгеновскому излучению. В работе приведены примеры применения метода радиолюминографии для качественного и количественного определения трития на поверхности и в приповерхностной области образца.
Теги: concentration determination diffusion coefficient gas chromatography headspace analysis hydrogen isotopes photostimulated luminescence radioluminography tritium tritium distribution volatile organic compounds изотопы водорода коэффициент диффузии радиолюминография тритий фотостимулированная люминесценция
Исследование распределения трития в конструкционных и функциональных материалах методом радиолюминографии
Н. П. Бобырь 1, 2, И. Г. Лесина 1, А. А. Семенов 1, А. С. Аникин 1,
Н. Е. Забирова 1, А. В. Лизунов 1, А. С. Крюкова 1, А. Н. Букин 1, 3, Е. В. Козлова 1
Многие методы анализа изотопов водорода в конструкционных и функциональных материалах позволяют судить только об интегральных величинах их концентраций, не давая информации о распределении водорода в образце. Относительно новый высокоинформативный метод анализа, такой как радиолюминография, позволяет с высокой точностью определять содержание и распределение трития в различных материалах. Это открывает новые перспективы в исследованиях взаимодействия водорода с конструкционными и функциональными материалами. Метод радиолюминографии позволяет определять коэффициенты диффузии трития в широком диапазоне температур даже в тех случаях, когда применение мембранных методов затруднено. Благодаря применению различных типов фотопластин детектирование трития возможно как по бета-излучению, так и по тормозному рентгеновскому излучению. В работе приведены примеры применения метода радиолюминографии для качественного и количественного определения трития на поверхности и в приповерхностной области образца.
Ключевые слова: тритий, изотопы водорода, радиолюминография, фотостимулированная люминесценция, коэффициент диффузии
Статья получена 26.01.2021
Принята к публикации 09.02.2021
Последние десятилетия наблюдается рост исследований взаимодействия водорода и его изотопов с материалами. Это, в свою очередь, стимулирует развитие новых методов анализа содержания изотопов водорода в материалах, а также определения динамических параметров взаимодействия, таких как коэффициенты диффузии, константы проницаемости и т. п. Системы «металл – водород» изучают уже более ста лет, наработано огромное количество экспериментальных и промышленных методик анализа [1, 2]. Современный уровень развития техники дает возможность существенно повысить точность измерений, а также применить для анализа ранее недоступные способы и инструменты.
Использование радиоактивного изотопа водорода – трития – в качестве своеобразной метки в исследованиях открывает новые возможности для анализа. Тритий бета-радиоактивен, имеет период полураспада 12,32 года и при распаде испускает электрон со средней энергией 5,6 кэВ. Этот электрон можно детектировать различными способами, а по интенсивности излучения оценить количество трития в материале.
Наиболее распространенным методом для определения содержания трития в газе или твердом теле является ионизационная камера [2]. В камере, заполненной газом, содержащим тритий, при приложении разности потенциалов между электродами возникает ток, который зависит от расстояния между электродами, давления и типа газа, а также от концентрации трития. Этот метод широко применяется для изучения газовых смесей, а также для определения содержания трития в твердых материалах. Трудность заключается в том, чтобы нагреть образец материала до температуры, при которой происходит эмиссия трития из твердого тела в виде газа. Иногда для полной экстракции необходимо расплавить образец, что зачастую технически сложно.
Радиолюминография способна расширить возможности анализа содержания трития в твердом теле. Метод появился недавно, активно развивается и пока доступен ограниченному количеству исследовательских коллективов.
Радиолюминография по существу представляет собой усовершенствованный метод давно используемой авторадиографии, в котором вместо чувствительной мелкозернистой фотопленки используют специальные IP-пластины (Image Plate) [3]. Определение интенсивности излучения основано на явлении фотостимулированной люминесценции из IP-пластин, подвергнутых облучению. Образующиеся при β-распаде трития электроны облучают поверхность пластины, формируя на ней скрытое изображение. Благодаря этому появляется возможность определять с высокой точностью распределение трития по поверхности образцов из различных материалов. В этом заключается уникальность метода радиолюминографии. На рис. 1 представлена принципиальная схема процесса получения двумерного изображения.
Первый этап анализа – выдержка содержащего тритий образца на поверхности IP-пластины. В процессе выдержки электроны, образующиеся при распаде трития, вылетают из образца и достигают люминофора на поверхности IP-пластины. Люминесцентный слой пластин изготовлен из смеси люминофора BaFBr0,85I0,15 : Eu 2+ и связывающего кристаллы люминофора полимера (C / H / N / O = 8 / 12 / 2 / 1) состава 20 : 1 по массе. Пластины накапливают электронные F-центры и дырочные центры (Eu 2+ → Eu 3+) пропорционально дозе облучения, которые создают скрытое изображение распределения трития на поверхности образца. В зависимости от концентрации трития время выдержки может составлять от десятков секунд до нескольких часов.
Второй этап анализа состоит в считывании скрытого изображения IP-пластины полупроводниковым детектором под воздействием He-Ne-лазера. Подробно схема получения изображения описана в [4], время считывания изображения составляет несколько минут. Полученная в результате сканирования интенсивность двумерного изображения прямо пропорциональна содержанию трития в исследуемом образце материала. На рис. 2 представлены типичные радиолюминограммы образцов титана разной толщины, насыщенных тритием в одинаковых условиях. Видно, что с увеличением толщины слоя титана, а следовательно, и количества трития в образце, интенсивность изображения возрастает. Степень засветки люминофора на поверхности IP-пластины бета-частицами от распада трития выражена интенсивностью цветного двумерного изображения (от минимального – темно-синего, до максимального – красного).
В настоящий момент в распоряжении АО «ВНИИНМ» находятся два прибора для считывания скрытого изображения с поверхности IP-пластин. Сканер BAS‑1800II (Fujifilm, Япония) уже более 15 лет успешно используется для анализа поверхностной активности трития методом радиолюминографии. Его разрешение составляет 50 мкм и связано со свойствами оптической системы считывателя. Недавно поступил второй, более совершенный, прибор Amersham Typhoon производства GE Healthcare (Швеция). Основное преимущество прибора – более высокое разрешение сканирования – до 10 мкм, что является наилучшим показателем в мире на текущий момент. При помощи этого нового прибора можно проводить прецизионные измерения, а также исследовать тонкие образцы, где количество точек критично.
Специалисты АО «ВНИИНМ» в своей работе для регистрации излучения трития традиционно используют специальные фотопластины BAS-TR2025 размером 200 × 250 мм фирмы Fuji (Япония). IP-пластины класса TR оптимизированы для работы с тритием, поскольку бета-излучение этого изотопа обладает очень низкой энергией. В пластинах для работы с тритием нет изолирующего полимерного покрытия на чувствительном слое, что позволяет испускаемым электронам беспрепятственно с ним контактировать. Поверхности пластины могут достигать бета-частицы только с тех глубин образца, которые не превышают длину свободного пробега электрона с максимальной энергией излучения (для бета-частиц трития – 18,6 кэВ). Для большинства материалов эта глубина не превышает 3 мкм.
Для получения лучшего пространственного разрешения необходимо обеспечить плотный и равномерный контакт образца с поверхностью пластины. Однако при этом пластина может быть загрязнена тритием, что препятствует ее повторному использованию без процедуры предварительной очистки. Предельное пространственное разрешение пластины определяется размером кристаллитов люминофора и составляет около 5 мкм.
В случае необходимости определения распределения трития на глубине до 20–30 мкм без разрезания образца можно применять фотопластины BAS-SR. Они имеют специальное полимерное покрытие, защищающее поверхность от непосредственного контакта с радиоактивным образцом. Этот слой практически полностью поглощает бета-излучение трития, но прозрачен для рентгеновского и гамма-излучений. При распаде трития внутри материала образца испускается электрон, который взаимодействует с атомами материала пластины, приводя к возникновению тормозного и характеристического рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение может быть детектировано чувствительным слоем IP-пластины. В случае применения высокочувствительного гамма-детектора для анализа энергетического спектра такого рентгеновского излучения можно использовать метод бета-стимулированной рентгеновской спектроскопии для построения профиля распределения трития в материале [5].
Тормозное рентгеновское излучение, несмотря на существенно меньший вклад в формирование скрытого изображения, оказывается очень удобным при сопоставлении общего содержания трития в тех случаях, когда значительная часть бета-излучения поглощается толщей материала образца и не доходит до поверхности, контактирующей с IP-пластиной. В работе [6] было показано, что у источников бета-излучения на основе тритида титана интенсивность детектируемого бета-излучения не пропорциональна содержанию трития в источнике в связи с ростом самопоглощения по мере увеличения толщины слоя титанового геттера. В то же время интенсивность тормозного рентгеновского излучения, определяемого методом радиолюминографии, практически линейно зависит от содержания трития даже для образцов с толщиной титанового геттера 3 мкм.
Применение пластин двух типов (BAS-TR и BAS-SR) существенно расширяет возможности качественного анализа распределения трития в приповерхностном слое материалов.
Определение качественного распределения трития в пределах поверхности одного образца либо качественное сравнение нескольких различных образцов довольно хорошие и дают воспроизводимые результаты. Это подтверждено на большой выборке образцов различных материалов и верифицировано другими методами анализа. Определение общего содержания трития в образцах затруднено и возможно не для всех материалов, а зачастую требует дополнительных методов для правильной интерпретации. Однако специалистами АО «ВНИИНМ» этот метод неоднократно использовался для определения суммарного содержания трития в образцах целого ряда конструкционных материалов и давал удовлетворительные результаты [4]. Хорошим примером использования качественного двумерного изображения для получения численных характеристик является определение коэффициента диффузии трития в материале по его распределению на срезе образца [6].
Для количественного анализа содержания трития на поверхности материалов необходимо использовать образцы сравнения с точно известным содержанием радиоактивного вещества. Такие тритиевые стандарты с различным содержанием трития выпускаются серийно компанией ARC (США). Стандартная шкала представляет собой пластиковую пластину, на которой расположены 14 секций известной активности. Наибольшая доступная активность составляет 7 390 мкКи / г на пластине ART123A (рис. 3). Таким образом, экспонируя стандартные тритиевые шкалы раздельно либо совместно с исследуемыми тритийсодержащими образцами, можно количественно определять содержание изотопа в исследуемом материале. Время экспозиции тритиевой шкалы для получения достаточной статистической точности зависит от конкретного измерения и обычно составляет несколько часов. При длительном хранении тритиевых стандартов требуется учитывать радиоактивный распад трития, приводящий к снижению их активности.
При измерениях распределения трития в исследуемых образцах время экспозиции (т. е. контакта IP-пластины с исследуемым радиоактивным образцом) определяется активностью исследуемых образцов и может занимать от десятков секунд до нескольких суток. Время считывания и фиксирования изображения всей пластины, как правило, составляет несколько минут.
Для определения содержания трития в массивных образцах из различных металлов и сплавов в АО «ВНИИНМ» их подвергают резке на высокоточном отрезном станке Brillant 221 в условиях, исключающих десорбцию трития с поверхности среза, после чего на срезе исследуют профиль распределения трития. Интегрирование профиля распределения по площади среза, а затем и по всему образцу позволяет определить в нем общее содержание трития. Этот результат хорошо согласуется, например, с величиной общей активности трития в растворенном образце, полученной методом жидкостной сцинтилляции.
Следует обратить внимание на то, что если не принимать специальных мер, то на IP-пластинах по периметру экспонируемых образцов на радиолюминограммах присутствует область засветки, вызванная бета-излучением с боковой поверхности образцов. Засветки можно избежать, если перед резкой образца залить его специальным компаундом.
Но в большинстве случаев этими участками радиолюминограммы просто пренебрегают, так как они никак не искажают изображение той области, которая соответствует непосредственному контакту поверхности исследуемого образца с IP-пластиной и собственно несет информацию о распределении трития.
Метод радиолюминографии весьма перспективен для анализа содержания трития в материалах термоядерных реакторов. Например, для исследования накопления трития в области, содержащей дефекты структуры, которые возникают при нейтронном или имитационном облучениях [7, 8]. Другим важным применением является качественный анализ выхода дейтерия при детритизации материалов первой стенки термоядерных реакторов. В табл. 1 показано убывание содержания трития на поверхности предварительно насыщенного при давлении 9,4 ∙ 105 Па и температуре 400 °C образца бронзы Cu–Cr–Zr, который подвергали процессу последовательных водородных промывок [9] с нагревом образца до температур 200, 300, 400, 500 °C. Представлены радиолюминограммы одного и того же образца бронзы после процедуры водородной промывки при указанной температуре. Активность трития на поверхности определяли по интенсивности двумерного изображения усредненного на площадь поверхности образца в процентах от исходной. За исходную 100%-ную принималась активность насыщенного тритием образца при комнатной температуре (RT) до проведения процедуры детритизации.
Время выдержки образца на IP-пластине без защитного покрытия (TR) составляло 30 с, а на IP-пластине с защитным покрытием (SR), показывающей распределения трития на большей глубине – 1 ч. Показано, что существенный выход трития начинается при нагреве образца до 300 °C, а после серии промывок при 300 °C выход трития составляет более 99,9%. Полученные данные подтверждены в ходе параллельных экспериментов с применением ионизационной камеры.
Выводы
Таким образом, в работе проведен краткий обзор применимости метода радиолюминографии для исследований взаимодействия изотопов водорода с конструкционными и функциональными материалами. Приведено описание основных принципов работы применяемого оборудования. Показана возможность анализа содержания трития в приповерхностных областях исследуемых образцов в ходе процессов детритизации.
Финансирование
Работа выполнена при поддержке НИЦ «Курчатовский институт» (приказ № 1953 от 29 сентября 2020 года).
Литература
Аргеев В. Н., Бекман И. Н., Бурмистрова О. П. и др. Взаимодействие водорода с материалами. М.: Наука, 1987.
Tanabe T. Tritium: Fuel of fusion reactors. Springer, 2017, 365 p.
https://doi.org/10.1007/978-4-431-56460-7.
Иванов Б. В. Радиолюминография как метод изучения взаимодействия изотопов водорода с конструкционными материалами: область применения, достоинства и недостатки. Успехи в химии и химической технологии, 2013, 27(6): 131–135.
Ривкис Л. А., Прыкина И. Г., Филин В. М., Булкин В. И., Андреев Б. М. Измерение распределения трития методом радиолюминографии. Атомная энергия, 2008; 104(3): 164–169.
Matsuyama M., Murai T., Yoshida K., Watanabe K., Iwakiri H., Yoshida N. Studies on retention of tritium implanted into tungsten by b-ray-induced X-ray spectrometry. Journal of Nuclear Materials, 2002; 307–311: 729–734.
https://doi.org/10.1016/S0022-3115(02)01266-7.
Лесина И. Г., Семенов А. А., Аникин А. С. и др. Радиолюминография – высокоинформативный метод исследования тритийсодержащих материалов. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Материаловедение и новые материалы, 2019; 4(100): 81–90.
Hatano Y., Alimov V. Kh., Spitsyn A. V., Bobyr N. P. Tritium retention in reduced-activation ferritic/martensitic steels. Fusion Science and Technology, 2015; 67(2): 361–364. https://doi.org/10.13182/FST14-T30.
Alimov V. K., Torikai Y., Hatano Y., Schwarz-Selinger T.
Tritium retention in displacement-damaged tungsten exposed to deuterium-tritium gas mixture at elevated temperatures. Fusion Engineering and Design, 2021; 162: 112100–112106. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2020.112100.
Perevezentsev A. N., Bell A. C., Rivkis L. A., Filin V. M., Gushin V. V., Belyakov M. I., Bulkin V. I., Prykina I. G., Kravchenko I. M., Semenov A. A., Davidov A. I., Eliseev S. P. & Titov D. V. Experimental Trials of Methods for Metal Detritiation for JET. Fusion Science and Technology, 2007; 52(1): 84–99,
https://doi.org/10.13182/FST07-16.
References
Argeev V. N., Bekman I. N., Burmistrova O. P. at.al. Interaction of hydrogen with materials. Moscow: Nauka publ., 1987.
Tanabe T. Tritium: Fuel of fusion reactors. Springer, 2017. 1–365 p. https://doi.org/10.1007/978-4-431-56460-7.
Иванов Б. В. Radioluminography as method of research of hydrogren isotopes interaction with construction materials: field of application, advantages and disadvantages. Uspekhi v khimii i khimicheskoy tekhnologii [Advances in chemistry and chemical technology], 2013; 27(6): 131–135.
Rivkis L. A., Prykina I. G., Filin V. M., Bulkin V. I., Andreev B. M. Measurement of tritium distribution by radioluminography. Atomnaya energiya [Atomic Energy], 2008; 104(3): 164–169.
Matsuyama M., Murai T., Yoshida K., Watanabe K., Iwakiri H., Yoshida N. Studies on retention of tritium implanted into tungsten by b-ray-induced X-ray spectrometry. Journal of Nuclear Materials, 2002; 307–311: 729–734.
https://doi.org/10.1016/S0022-3115(02)01266-7.
Lesina I. G., Semenov A. A., Anikin A. S. and others. Radioluminography is a highly informative method for studying tritium-containing materials. Voprosy atomnoy nauki i tekhniki. Seriya: Materialovedeniye i novye materialy [Questions of atomic science and technology. Series: Materials Science and New Materials], 2019; 4(100): 81–90.
Hatano Y., Alimov V. Kh., Spitsyn A. V., Bobyr N. P. Tritium retention in reduced-activation ferritic/martensitic steels. Fusion Science and Technology, 2015; 67(2): 361–364. https://doi.org/10.13182/FST14-T30.
Alimov V. K., Torikai Y., Hatano Y., Schwarz-Selinger T. Tritium retention in displacement-damaged tungsten exposed to deuterium-tritium gas mixture at elevated temperatures. Fusion Engineering and Design, 2021; 162: 112100–112106.
https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2020.112100.
Perevezentsev A. N., Bell A. C., Rivkis L. A., Filin V. M., Gushin V. V., Belyakov M. I., Bulkin V. I., Prykina I. G., Kravchenko I. M., Semenov A. A., Davidov A. I., Eliseev S. P. & Titov D. V. Experimental Trials of Methods for Metal Detritiation for JET. Fusion Science and Technology, 2007; 52(1): 84–99. https://doi.org/10.13182/FST07-16.
Н. П. Бобырь 1, 2, И. Г. Лесина 1, А. А. Семенов 1, А. С. Аникин 1,
Н. Е. Забирова 1, А. В. Лизунов 1, А. С. Крюкова 1, А. Н. Букин 1, 3, Е. В. Козлова 1
Многие методы анализа изотопов водорода в конструкционных и функциональных материалах позволяют судить только об интегральных величинах их концентраций, не давая информации о распределении водорода в образце. Относительно новый высокоинформативный метод анализа, такой как радиолюминография, позволяет с высокой точностью определять содержание и распределение трития в различных материалах. Это открывает новые перспективы в исследованиях взаимодействия водорода с конструкционными и функциональными материалами. Метод радиолюминографии позволяет определять коэффициенты диффузии трития в широком диапазоне температур даже в тех случаях, когда применение мембранных методов затруднено. Благодаря применению различных типов фотопластин детектирование трития возможно как по бета-излучению, так и по тормозному рентгеновскому излучению. В работе приведены примеры применения метода радиолюминографии для качественного и количественного определения трития на поверхности и в приповерхностной области образца.
Ключевые слова: тритий, изотопы водорода, радиолюминография, фотостимулированная люминесценция, коэффициент диффузии
Статья получена 26.01.2021
Принята к публикации 09.02.2021
Последние десятилетия наблюдается рост исследований взаимодействия водорода и его изотопов с материалами. Это, в свою очередь, стимулирует развитие новых методов анализа содержания изотопов водорода в материалах, а также определения динамических параметров взаимодействия, таких как коэффициенты диффузии, константы проницаемости и т. п. Системы «металл – водород» изучают уже более ста лет, наработано огромное количество экспериментальных и промышленных методик анализа [1, 2]. Современный уровень развития техники дает возможность существенно повысить точность измерений, а также применить для анализа ранее недоступные способы и инструменты.
Использование радиоактивного изотопа водорода – трития – в качестве своеобразной метки в исследованиях открывает новые возможности для анализа. Тритий бета-радиоактивен, имеет период полураспада 12,32 года и при распаде испускает электрон со средней энергией 5,6 кэВ. Этот электрон можно детектировать различными способами, а по интенсивности излучения оценить количество трития в материале.
Наиболее распространенным методом для определения содержания трития в газе или твердом теле является ионизационная камера [2]. В камере, заполненной газом, содержащим тритий, при приложении разности потенциалов между электродами возникает ток, который зависит от расстояния между электродами, давления и типа газа, а также от концентрации трития. Этот метод широко применяется для изучения газовых смесей, а также для определения содержания трития в твердых материалах. Трудность заключается в том, чтобы нагреть образец материала до температуры, при которой происходит эмиссия трития из твердого тела в виде газа. Иногда для полной экстракции необходимо расплавить образец, что зачастую технически сложно.
Радиолюминография способна расширить возможности анализа содержания трития в твердом теле. Метод появился недавно, активно развивается и пока доступен ограниченному количеству исследовательских коллективов.
Радиолюминография по существу представляет собой усовершенствованный метод давно используемой авторадиографии, в котором вместо чувствительной мелкозернистой фотопленки используют специальные IP-пластины (Image Plate) [3]. Определение интенсивности излучения основано на явлении фотостимулированной люминесценции из IP-пластин, подвергнутых облучению. Образующиеся при β-распаде трития электроны облучают поверхность пластины, формируя на ней скрытое изображение. Благодаря этому появляется возможность определять с высокой точностью распределение трития по поверхности образцов из различных материалов. В этом заключается уникальность метода радиолюминографии. На рис. 1 представлена принципиальная схема процесса получения двумерного изображения.
Первый этап анализа – выдержка содержащего тритий образца на поверхности IP-пластины. В процессе выдержки электроны, образующиеся при распаде трития, вылетают из образца и достигают люминофора на поверхности IP-пластины. Люминесцентный слой пластин изготовлен из смеси люминофора BaFBr0,85I0,15 : Eu 2+ и связывающего кристаллы люминофора полимера (C / H / N / O = 8 / 12 / 2 / 1) состава 20 : 1 по массе. Пластины накапливают электронные F-центры и дырочные центры (Eu 2+ → Eu 3+) пропорционально дозе облучения, которые создают скрытое изображение распределения трития на поверхности образца. В зависимости от концентрации трития время выдержки может составлять от десятков секунд до нескольких часов.
Второй этап анализа состоит в считывании скрытого изображения IP-пластины полупроводниковым детектором под воздействием He-Ne-лазера. Подробно схема получения изображения описана в [4], время считывания изображения составляет несколько минут. Полученная в результате сканирования интенсивность двумерного изображения прямо пропорциональна содержанию трития в исследуемом образце материала. На рис. 2 представлены типичные радиолюминограммы образцов титана разной толщины, насыщенных тритием в одинаковых условиях. Видно, что с увеличением толщины слоя титана, а следовательно, и количества трития в образце, интенсивность изображения возрастает. Степень засветки люминофора на поверхности IP-пластины бета-частицами от распада трития выражена интенсивностью цветного двумерного изображения (от минимального – темно-синего, до максимального – красного).
В настоящий момент в распоряжении АО «ВНИИНМ» находятся два прибора для считывания скрытого изображения с поверхности IP-пластин. Сканер BAS‑1800II (Fujifilm, Япония) уже более 15 лет успешно используется для анализа поверхностной активности трития методом радиолюминографии. Его разрешение составляет 50 мкм и связано со свойствами оптической системы считывателя. Недавно поступил второй, более совершенный, прибор Amersham Typhoon производства GE Healthcare (Швеция). Основное преимущество прибора – более высокое разрешение сканирования – до 10 мкм, что является наилучшим показателем в мире на текущий момент. При помощи этого нового прибора можно проводить прецизионные измерения, а также исследовать тонкие образцы, где количество точек критично.
Специалисты АО «ВНИИНМ» в своей работе для регистрации излучения трития традиционно используют специальные фотопластины BAS-TR2025 размером 200 × 250 мм фирмы Fuji (Япония). IP-пластины класса TR оптимизированы для работы с тритием, поскольку бета-излучение этого изотопа обладает очень низкой энергией. В пластинах для работы с тритием нет изолирующего полимерного покрытия на чувствительном слое, что позволяет испускаемым электронам беспрепятственно с ним контактировать. Поверхности пластины могут достигать бета-частицы только с тех глубин образца, которые не превышают длину свободного пробега электрона с максимальной энергией излучения (для бета-частиц трития – 18,6 кэВ). Для большинства материалов эта глубина не превышает 3 мкм.
Для получения лучшего пространственного разрешения необходимо обеспечить плотный и равномерный контакт образца с поверхностью пластины. Однако при этом пластина может быть загрязнена тритием, что препятствует ее повторному использованию без процедуры предварительной очистки. Предельное пространственное разрешение пластины определяется размером кристаллитов люминофора и составляет около 5 мкм.
В случае необходимости определения распределения трития на глубине до 20–30 мкм без разрезания образца можно применять фотопластины BAS-SR. Они имеют специальное полимерное покрытие, защищающее поверхность от непосредственного контакта с радиоактивным образцом. Этот слой практически полностью поглощает бета-излучение трития, но прозрачен для рентгеновского и гамма-излучений. При распаде трития внутри материала образца испускается электрон, который взаимодействует с атомами материала пластины, приводя к возникновению тормозного и характеристического рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение может быть детектировано чувствительным слоем IP-пластины. В случае применения высокочувствительного гамма-детектора для анализа энергетического спектра такого рентгеновского излучения можно использовать метод бета-стимулированной рентгеновской спектроскопии для построения профиля распределения трития в материале [5].
Тормозное рентгеновское излучение, несмотря на существенно меньший вклад в формирование скрытого изображения, оказывается очень удобным при сопоставлении общего содержания трития в тех случаях, когда значительная часть бета-излучения поглощается толщей материала образца и не доходит до поверхности, контактирующей с IP-пластиной. В работе [6] было показано, что у источников бета-излучения на основе тритида титана интенсивность детектируемого бета-излучения не пропорциональна содержанию трития в источнике в связи с ростом самопоглощения по мере увеличения толщины слоя титанового геттера. В то же время интенсивность тормозного рентгеновского излучения, определяемого методом радиолюминографии, практически линейно зависит от содержания трития даже для образцов с толщиной титанового геттера 3 мкм.
Применение пластин двух типов (BAS-TR и BAS-SR) существенно расширяет возможности качественного анализа распределения трития в приповерхностном слое материалов.
Определение качественного распределения трития в пределах поверхности одного образца либо качественное сравнение нескольких различных образцов довольно хорошие и дают воспроизводимые результаты. Это подтверждено на большой выборке образцов различных материалов и верифицировано другими методами анализа. Определение общего содержания трития в образцах затруднено и возможно не для всех материалов, а зачастую требует дополнительных методов для правильной интерпретации. Однако специалистами АО «ВНИИНМ» этот метод неоднократно использовался для определения суммарного содержания трития в образцах целого ряда конструкционных материалов и давал удовлетворительные результаты [4]. Хорошим примером использования качественного двумерного изображения для получения численных характеристик является определение коэффициента диффузии трития в материале по его распределению на срезе образца [6].
Для количественного анализа содержания трития на поверхности материалов необходимо использовать образцы сравнения с точно известным содержанием радиоактивного вещества. Такие тритиевые стандарты с различным содержанием трития выпускаются серийно компанией ARC (США). Стандартная шкала представляет собой пластиковую пластину, на которой расположены 14 секций известной активности. Наибольшая доступная активность составляет 7 390 мкКи / г на пластине ART123A (рис. 3). Таким образом, экспонируя стандартные тритиевые шкалы раздельно либо совместно с исследуемыми тритийсодержащими образцами, можно количественно определять содержание изотопа в исследуемом материале. Время экспозиции тритиевой шкалы для получения достаточной статистической точности зависит от конкретного измерения и обычно составляет несколько часов. При длительном хранении тритиевых стандартов требуется учитывать радиоактивный распад трития, приводящий к снижению их активности.
При измерениях распределения трития в исследуемых образцах время экспозиции (т. е. контакта IP-пластины с исследуемым радиоактивным образцом) определяется активностью исследуемых образцов и может занимать от десятков секунд до нескольких суток. Время считывания и фиксирования изображения всей пластины, как правило, составляет несколько минут.
Для определения содержания трития в массивных образцах из различных металлов и сплавов в АО «ВНИИНМ» их подвергают резке на высокоточном отрезном станке Brillant 221 в условиях, исключающих десорбцию трития с поверхности среза, после чего на срезе исследуют профиль распределения трития. Интегрирование профиля распределения по площади среза, а затем и по всему образцу позволяет определить в нем общее содержание трития. Этот результат хорошо согласуется, например, с величиной общей активности трития в растворенном образце, полученной методом жидкостной сцинтилляции.
Следует обратить внимание на то, что если не принимать специальных мер, то на IP-пластинах по периметру экспонируемых образцов на радиолюминограммах присутствует область засветки, вызванная бета-излучением с боковой поверхности образцов. Засветки можно избежать, если перед резкой образца залить его специальным компаундом.
Но в большинстве случаев этими участками радиолюминограммы просто пренебрегают, так как они никак не искажают изображение той области, которая соответствует непосредственному контакту поверхности исследуемого образца с IP-пластиной и собственно несет информацию о распределении трития.
Метод радиолюминографии весьма перспективен для анализа содержания трития в материалах термоядерных реакторов. Например, для исследования накопления трития в области, содержащей дефекты структуры, которые возникают при нейтронном или имитационном облучениях [7, 8]. Другим важным применением является качественный анализ выхода дейтерия при детритизации материалов первой стенки термоядерных реакторов. В табл. 1 показано убывание содержания трития на поверхности предварительно насыщенного при давлении 9,4 ∙ 105 Па и температуре 400 °C образца бронзы Cu–Cr–Zr, который подвергали процессу последовательных водородных промывок [9] с нагревом образца до температур 200, 300, 400, 500 °C. Представлены радиолюминограммы одного и того же образца бронзы после процедуры водородной промывки при указанной температуре. Активность трития на поверхности определяли по интенсивности двумерного изображения усредненного на площадь поверхности образца в процентах от исходной. За исходную 100%-ную принималась активность насыщенного тритием образца при комнатной температуре (RT) до проведения процедуры детритизации.
Время выдержки образца на IP-пластине без защитного покрытия (TR) составляло 30 с, а на IP-пластине с защитным покрытием (SR), показывающей распределения трития на большей глубине – 1 ч. Показано, что существенный выход трития начинается при нагреве образца до 300 °C, а после серии промывок при 300 °C выход трития составляет более 99,9%. Полученные данные подтверждены в ходе параллельных экспериментов с применением ионизационной камеры.
Выводы
Таким образом, в работе проведен краткий обзор применимости метода радиолюминографии для исследований взаимодействия изотопов водорода с конструкционными и функциональными материалами. Приведено описание основных принципов работы применяемого оборудования. Показана возможность анализа содержания трития в приповерхностных областях исследуемых образцов в ходе процессов детритизации.
Финансирование
Работа выполнена при поддержке НИЦ «Курчатовский институт» (приказ № 1953 от 29 сентября 2020 года).
Литература
Аргеев В. Н., Бекман И. Н., Бурмистрова О. П. и др. Взаимодействие водорода с материалами. М.: Наука, 1987.
Tanabe T. Tritium: Fuel of fusion reactors. Springer, 2017, 365 p.
https://doi.org/10.1007/978-4-431-56460-7.
Иванов Б. В. Радиолюминография как метод изучения взаимодействия изотопов водорода с конструкционными материалами: область применения, достоинства и недостатки. Успехи в химии и химической технологии, 2013, 27(6): 131–135.
Ривкис Л. А., Прыкина И. Г., Филин В. М., Булкин В. И., Андреев Б. М. Измерение распределения трития методом радиолюминографии. Атомная энергия, 2008; 104(3): 164–169.
Matsuyama M., Murai T., Yoshida K., Watanabe K., Iwakiri H., Yoshida N. Studies on retention of tritium implanted into tungsten by b-ray-induced X-ray spectrometry. Journal of Nuclear Materials, 2002; 307–311: 729–734.
https://doi.org/10.1016/S0022-3115(02)01266-7.
Лесина И. Г., Семенов А. А., Аникин А. С. и др. Радиолюминография – высокоинформативный метод исследования тритийсодержащих материалов. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Материаловедение и новые материалы, 2019; 4(100): 81–90.
Hatano Y., Alimov V. Kh., Spitsyn A. V., Bobyr N. P. Tritium retention in reduced-activation ferritic/martensitic steels. Fusion Science and Technology, 2015; 67(2): 361–364. https://doi.org/10.13182/FST14-T30.
Alimov V. K., Torikai Y., Hatano Y., Schwarz-Selinger T.
Tritium retention in displacement-damaged tungsten exposed to deuterium-tritium gas mixture at elevated temperatures. Fusion Engineering and Design, 2021; 162: 112100–112106. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2020.112100.
Perevezentsev A. N., Bell A. C., Rivkis L. A., Filin V. M., Gushin V. V., Belyakov M. I., Bulkin V. I., Prykina I. G., Kravchenko I. M., Semenov A. A., Davidov A. I., Eliseev S. P. & Titov D. V. Experimental Trials of Methods for Metal Detritiation for JET. Fusion Science and Technology, 2007; 52(1): 84–99,
https://doi.org/10.13182/FST07-16.
References
Argeev V. N., Bekman I. N., Burmistrova O. P. at.al. Interaction of hydrogen with materials. Moscow: Nauka publ., 1987.
Tanabe T. Tritium: Fuel of fusion reactors. Springer, 2017. 1–365 p. https://doi.org/10.1007/978-4-431-56460-7.
Иванов Б. В. Radioluminography as method of research of hydrogren isotopes interaction with construction materials: field of application, advantages and disadvantages. Uspekhi v khimii i khimicheskoy tekhnologii [Advances in chemistry and chemical technology], 2013; 27(6): 131–135.
Rivkis L. A., Prykina I. G., Filin V. M., Bulkin V. I., Andreev B. M. Measurement of tritium distribution by radioluminography. Atomnaya energiya [Atomic Energy], 2008; 104(3): 164–169.
Matsuyama M., Murai T., Yoshida K., Watanabe K., Iwakiri H., Yoshida N. Studies on retention of tritium implanted into tungsten by b-ray-induced X-ray spectrometry. Journal of Nuclear Materials, 2002; 307–311: 729–734.
https://doi.org/10.1016/S0022-3115(02)01266-7.
Lesina I. G., Semenov A. A., Anikin A. S. and others. Radioluminography is a highly informative method for studying tritium-containing materials. Voprosy atomnoy nauki i tekhniki. Seriya: Materialovedeniye i novye materialy [Questions of atomic science and technology. Series: Materials Science and New Materials], 2019; 4(100): 81–90.
Hatano Y., Alimov V. Kh., Spitsyn A. V., Bobyr N. P. Tritium retention in reduced-activation ferritic/martensitic steels. Fusion Science and Technology, 2015; 67(2): 361–364. https://doi.org/10.13182/FST14-T30.
Alimov V. K., Torikai Y., Hatano Y., Schwarz-Selinger T. Tritium retention in displacement-damaged tungsten exposed to deuterium-tritium gas mixture at elevated temperatures. Fusion Engineering and Design, 2021; 162: 112100–112106.
https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2020.112100.
Perevezentsev A. N., Bell A. C., Rivkis L. A., Filin V. M., Gushin V. V., Belyakov M. I., Bulkin V. I., Prykina I. G., Kravchenko I. M., Semenov A. A., Davidov A. I., Eliseev S. P. & Titov D. V. Experimental Trials of Methods for Metal Detritiation for JET. Fusion Science and Technology, 2007; 52(1): 84–99. https://doi.org/10.13182/FST07-16.
Отзывы читателей
