Le prestazioni di schermatura descrivono quanto bene una parte in lega pesante di tungsteno attenua i raggi gamma, i raggi X- e le radiazioni beta prima che raggiungano un rilevatore, un paziente, un operatore o componenti elettronici sensibili. Le leghe pesanti di tungsteno vengono utilizzate per collimatori, schermi per siringhe, contenitori schermanti, reticoli a foglie multiple, beute per il trasporto di isotopi e blocchi di arresto del fascio perché combinano una densità vicina a quella del tungsteno puro con la lavorabilità di un metallo sinterizzato. La prestazione non è un singolo numero; è il risultato di cinque variabili che interagiscono.
Composizione e densità
Il contenuto di tungsteno è la variabile dominante. I gradi commerciali contengono il 90%, 92,5%, 95% o 97% di tungsteno in peso, mentre il resto è una matrice legante di nichel-ferro, nichel-rame o nichel-ferro-rame che conferisce al materiale la sua duttilità. ASTM B777 copre queste quattro classi e assegna densità nominali rispettivamente di 17,0, 17,5, 18,0 e 18,5 g/cm3. Poiché l'attenuazione è proporzionale al prodotto del coefficiente di attenuazione di massa e della densità, un materiale di classe 4 fornisce circa il 9% in più di attenuazione per millimetro di parete rispetto a un materiale di classe 1 e una parte può essere resa più sottile per lo stesso compito di schermatura. La scelta del legante è importante per la resistenza alla corrosione e il comportamento magnetico piuttosto che per l'attenuazione, poiché nichel, ferro e rame hanno densità molto inferiori rispetto al tungsteno.
Spessore e densità areale
L'attenuazione segue una legge esponenziale, quindi la schermatura è un compromesso tra lo spessore della parete e una trasmissione accettabile piuttosto che una proprietà che può essere citata come percentuale. La variabile pratica è la densità areale, il prodotto di densità e spessore. A 662 keV, l'energia gamma del cesio-137, il coefficiente di attenuazione di massa del tungsteno è di circa 0,0585 cm2/g, che per una lega di classe 3 a 18,0 g/cm3 dà un coefficiente di attenuazione lineare vicino a 1,05 cm-1, uno strato di mezzo valore vicino a 0,66 cm e un decimo strato di valore vicino a 2,2 cm. Tali valori sono valori calcolati per un fascio stretto monoenergetico; in una struttura di installazione reale, è necessario tenere conto della dispersione e dello spettro energetico della sorgente, e lo spessore di progetto è normalmente impostato dalla trasmissione richiesta piuttosto che da un singolo valore di metà strato.
| Classe ASTM B777 | Contenuto nominale di tungsteno | Densità nominale | Attenuazione relativa per unità di spessore |
|---|---|---|---|
| Classe 1 | 90% | 17,0 g/cm3 | Riferimento |
| Classe 2 | 92.5% | 17,5 g/cm3 | Circa il 3% in più |
| Classe 3 | 95% | 18,0 g/cm3 | Circa il 6% in più |
| Classe 4 | 97% | 18,5 g/cm3 | Circa il 9% in più |
Geometria, giunti e perdite di radiazioni
Un blocco denso è valido tanto quanto il suo percorso più debole. Giunti diritti tra segmenti, spazi non sigillati attorno alle aperture del collimatore, angoli interni acuti e fori per bulloni creano tutti percorsi di flusso che aggirano il materiale sfuso. Le prestazioni in un assieme reale sono quindi regolate dalla progettazione dei giunti a sovrapposizione, a gradini o maschio e femmina e dal gioco consentito dalla tolleranza di lavorazione. Per i collimatori, lo spessore e la spaziatura delle foglie impostano la risoluzione spaziale, mentre la profondità totale dello stack imposta l'attenuazione del raggio fuori asse, quindi entrambe le dimensioni devono essere specificate insieme.
Condizioni superficiali, contaminazione e radiazione secondaria
Le superfici lavorate possono contenere residui di abrasivo, ossido o refrigerante incorporati; ustioni da sfregamento e micro-fratture possono aprire percorsi invisibili in una radiografia. Per la radiazione beta, uno strato rivolto a basso numero atomico viene talvolta posizionato sul lato di ingresso per ridurre la produzione di bremsstrahlung, poiché l'arresto delle particelle beta in un materiale ad alto numero atomico genera raggi X. La radiazione diffusa e secondaria dovrebbe essere valutata per l'intero insieme, non solo per il fascio primario, e qualsiasi insieme che fa parte di un'installazione medica o nucleare deve soddisfare i requisiti di progettazione della schermatura e di controllo di qualità di tale installazione.
Verifiche delle specifiche per le parti acquistate
Una specifica di acquisto per i componenti di schermatura dovrebbe indicare la classe ASTM B777 o il contenuto di tungsteno richiesto, la densità e la sua tolleranza, il sistema legante, le dimensioni finite con tolleranza di spessore, la planarità e la finitura superficiale richieste per le facce di accoppiamento e il metodo di ispezione, normalmente la misurazione della densità su un campione più l'ispezione dimensionale di ogni faccia critica. L'ispezione ad ultrasuoni o l'esame radiografico sono appropriati laddove la porosità interna comprometterebbe il giunto o lo spessore della parete. Se la parte è sottoposta a pressione o deve essere sigillata in un pallone, le proprietà meccaniche e il test di tenuta dovrebbero essere indicati separatamente dai requisiti di schermatura.
Domande frequenti
Q:Un contenuto di tungsteno più elevato significa sempre una migliore schermatura?
R: Per millimetro di muro sì, perché la densità è maggiore. A parità di massa, la differenza tra le classi è piccola, quindi la vera domanda è quanto spazio è disponibile nell’assemblaggio e se il materiale più duro della classe 4 può ancora essere lavorato secondo le tolleranze richieste.
Q:Quanto deve essere spessa una parete di lega pesante di tungsteno per il cesio-137?
R: Per una trave stretta, uno strato di decimo valore è di circa 2,2 cm in una lega di classe 3. I progetti pratici di solito richiedono una verifica tramite calcolo o test, poiché l'accumulo-e la dispersione riducono l'attenuazione effettiva e la trasmissione richiesta dipende dal limite di dose dell'installazione.
Q:Quale standard specifica i gradi di leghe di tungsteno ad alta densità?
R: ASTM B777 specifica il metallo ad alta densità a base di tungsteno nelle quattro classi sopra descritte, con densità nominali di 17,0, 17,5, 18,0 e 18,5 g/cm3.
Q:La lega pesante di tungsteno è adatta per gli impianti di risonanza magnetica?
R: Solo laddove l'applicazione tollera il comportamento magnetico del legante. I leganti contenenti nichel sono ferromagnetici, quindi è necessario selezionare un sistema legante non-magnetico se il componente si trova all'interno di un forte campo magnetico.
Q:Come viene verificata la densità di un pezzo finito?
R: Il metodo usuale è la prova di immersione di Archimede su un provino o sul pezzo stesso, riportata rispetto alla densità nominale con la tolleranza concordata, supportata dal controllo dimensionale delle facce critiche.
Q:La lega pesante di tungsteno può essere saldata o unita ad altri metalli?
R: Può essere brasato, saldato o fissato meccanicamente con buoni risultati quando il giunto è progettato per la differenza di dilatazione termica tra la lega e il materiale accoppiato. La saldatura per fusione di materiali ricchi di tungsteno non è normalmente consigliata.
