ما هو مبدأ العمل لدروع سبائك التنغستن؟

1. المبدأ الأساسي: التوهين من خلال التفاعل 

الهدف الأساسي لأي درع إشعاعي التوهين —إضعاف شدة الإشعاع أثناء مرورها من خلال مادة. تتفوق سبيكة التنغستن في هذا بسبب خصائصها الفريدة.  

الخاصية الرئيسية: كثافة غير عادية

• سبيكة التنغستن الثقيلة لديها كثافة ~17-19 جم/سم     . هذا هو أعلى بكثير  من مواد التدريع التقليدية مثل الرصاص (11.3 جم/سم) أو الصلب (7.8 جم/سم). 

• لماذا الكثافة مهمة: تخيل الإشعاع كتيار من الجزيئات الصغيرة ذات الطاقة العالية (أو الفوتونات) التي تحلق عبر الفضاء. كلما زاد عدد الذرات التي يمكنك حزمها في مسارها ، زادت فرصة إحدى هذه الجسيمات مع ذرة وتفقد الطاقة. الكثافة العالية تعني المزيد من الذرات لكل سنتيمتر مكعب ، مما يخلق "جدارًا" يصعب على الاختراق. 

الخاصية الرئيسية: العدد الذري العالي (Z) 

• التنغستن لديه مرتفع جدا الرقم الذري (z = 74)  ، وهذا يعني أن ذراتها لها نواة كبيرة كثيفة تحيط بها العديد من الإلكترونات.  

• لماذا العدد الذري مهم: إن فعالية التدريع ، وخاصة ضد الفوتونات عالية الطاقة (الأشعة السينية وأشعة جاما) ، تحكمها عمليات تعتمد اعتمادًا كبيرًا على العدد الذري للمواد التدريبية. زيادة Z أعلى بشكل كبير من احتمال هذه التفاعلات. 

2. كيف يعمل ضد أنواع مختلفة من الإشعاع 

تعتمد آلية التفاعل المحددة على نوع الإشعاع: 

أ. للأشعة السينية وأشعة جاما (فوتونات)

هذا هو المكان الذي يضيء فيه التنغستن. الفوتونات ليس لها كتلة أو تهمة ، بحيث لا يمكن إيقافها إلا عن طريق التفاعل المباشر مع الذرة. تحدث ثلاث عمليات رئيسية: 

1. تأثير كهروضوئي: يصطدم الفوتون بإلكترون داخلي في ذرة التنغستن وينقل كل طاقته إلى ذلك ، مما يؤدي إلى إخراج الإلكترون من الذرة. الفوتون هو امتصاص تماما. يهيمن هذا التأثير على الطاقات السفلية وهو يتناسب مع (Z⁴/Z⁵)  ، جعل Tungsten عالية Z قوية بشكل لا يصدق.      

2. نثر كومبتون: يصطدم فوتون عالي الطاقة مع إلكترون خارجي فضفاض. إنه ينقل جزءًا فقط من طاقته إلى الإلكترون ، مما تسبب في الارتداد ، والفوتون نفسه نثر في اتجاه جديد مع انخفاض الطاقة. تقوم هذه العملية بإعادة توجيه وتضعف شعاع الإشعاع داخل الدرع بشكل متكرر. 

3. الإنتاج زوج: بالنسبة للفوتونات ذات الطاقة العالية جدًا (> 1.02 MEV) ، يتفاعل الفوتون مع المجال الكهربائي القوي لنواة التنغستن ويتم تحويله إلى زوج من المادة (إلكترون و positron). إن إنشاء هذه الجسيمات يستهلك طاقة الفوتون. 

باختصار: تجعل هذه التفاعلات عالية من التنغستن المرتفعة في التنغستن ، مما يعني أن الفوتونات إما ممتصة أو تضعف بشكل كبير على مسافة قصيرة جدًا. 

B. لجزيئات ألفا وبيتا 

• جزيئات ألفا (نوكلي): هذه ثقيلة ، مشحونة ، وتوقف بسهولة. درع رفيع يكفي. لا يتم استخدام التنغستن عادةً في بواعث ألفا النقية بسبب المبالغة ؛ قيمتها الأساسية في حظر الأشعة السينية الثانوية (Bremsstrahlung) المنتجة عندما تباطأ جزيئات بيتا.

• جزيئات بيتا (الإلكترونات): مع مرور جزيئات بيتا عبر التنغستن ، يتم إبطاءها من خلال الاصطدامات مع الإلكترونات (التأين) وانحرافها بواسطة النوى الذرية (Bremsstrahlung إشعاع). كثافة التنغستن تتوقف بكفاءة. 

C. للنيوترونات 

النيوترونات غير مشحونة ولا يمكن إيقافها عن طريق التأين وحده. يتطلب التدريع نهجًا مختلفًا من خطوتين: 

1. الاعتدال: يجب أولاً إبطاء النيوترون (المعتدل) عن طريق التصادم مع ذرات الضوء (مثل الهيدروجين في الماء أو البولي إيثيلين أو البارافين). تفقد النيوترونات السريعة الطاقة في هذه الاصطدامات وتصبح نيوترونات "حرارية" بطيئة. 

2. امتصاص: بمجرد التباطؤ ، يمكن التقاط النيوترونات الحرارية (امتصاص) بواسطة نوى عناصر محددة ، مثل Boron-10 أو الكادميوم. التنغستن نفسه ليس امتصاص نيوترون جيد. 

• دور التنغستن: في إشعاع المجال المختلط (على سبيل المثال ، المفاعلات النووية) ، حيث توجد كل من النيوترونات وأشعة جاما ، يتم استخدام مركبات التنغستن أو التنغستن. يقوم التنغستن بحظر أشعة جاما بشكل فعال ، في حين أن البوليمر البورون أو غيره من المواد التي يمتص النيوترون ، وغالبًا ما يتم وضعها مع أو دمجها في سبيكة ، تعالج النيوترونات.