ГОСУДАРСТВЕННЫЕ СТАНДАРТЫ СОЮЗА ССР

МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ГОСТ 27602-88-ГОСТ 27605-88

(МЭК 544.1-77, МЭК 544.2-79,

МЭК 544.3-79, МЭК 544.4-85)

Издание официальное

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ М о с к в а

УДК 621.315 61.001.4:006.354    Группа    Е39

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ

Методы определения влияния ионизирующего излучения

Electrical insulating materials. Methods for determining the effects of ionizing radiation

ОКП (ОКСТУ) 3491

Срок действия с 01.01.89 до 01.01 94

Несоблюдение стандарта преследуется по закону Часть 1 ВОЗДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

1. ОБЛАСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

В настоящем стандарте широко представлены проблемы, связанные с оценкой влияния ионизирующего излучения на электроизоляционные материалы всех типов. Стандарт является руководством по дозиметрической терминологии, методам определения экспозиционной и поглощенной дозы, а также методам расчета поглощенной дозы.

Раздел 1. ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С ОЦЕНКОЙ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

2. ИЗМЕНЕНИЯ, ВЫЗВАННЫЕ РАДИАЦИЕЙ

Хотя различные типы излучения действуют на вещество по-разному, первичным процессом является процесс возникновения ионов и электрически возбужденного состояния молекул, что, в свою очередь, приводит к образованию свободных радикалов. Последующие химические изменения показывают результаты взаимодействия излучений с веществом материала.

Издание Официальное    Перепечатка    воспрещена

© Издательство стандартов, 1988

С. 2 ГОСТ 27602-88 (МЭК 544.1—77)

2.1.    Постоянные изменения

Постоянные эффекты, обусловленные химической реакцией, изменяются в зависимости от поглощенной дозы и в некоторых ситуациях зависят от мощности дозы. Часто эти эффекты зависят как от условий окружающей среды, так и от механических нагрузок, воздействующих на материал во время облучения. В результате ухудшаются механические свойства, что часто сопровождается значительными изменениями электрических свойств.

2.1.1.    Для большинства электротехнических применений вполне возможно, что ухудшение механических свойств будет основным критерием для оценки радиационной стойкости. Однако изменения tg6 или диэлектрической проницаемости (например, в резонансной схеме) могут быть очень серьезными.

2.2. Временные изменения

Временные влияния облучения определяются, прежде всего, изменениями электрических свойств, таких как наведенная проводимость как во время облучения, так и спустя некоторое время после пего. Эти эффекты, прежде всего, зависят от мощности дозы облучения.

2.2.1.    Проводимость при постоянном токе, которая наблюдается во время облучения, связана, по-видимому, с мобильными электронами, которые генерируются в результате облучения. Стойкость эффекта в течение длительного времени после облучения объясняется содержанием электронов, образующихся в результате облучения, которые во время облучения улавливаются в участках с низкой потенциальной энергией. Они медленно выходят из своих потенциальных ям и рекомбинируют с противоположно заряженными катионами.

3. ОЦЕНКА ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

Для органических соединений поглощенная доза является параметром первостепенного значения, так как эффекты от радиации, наблюдающиеся в таких материалах, в большинстве случаев пропорциональны поглощенной энергии. Однако экспериментально обычно бывает удобнее измерять плотность потока энергии поля излучения, по которой можно рассчитать поглощенную дозу. Для излучений различных типов иоле излучений описывается по-разному.

Поле заряженных частиц или нейтронное поле обычно характеризуется мощностью потока, т. е. количеством частиц, проходящих через единицу площади поперечного сечения за единицу времени.

В тех случаях, когда энергия частиц имеет разные значения, требуется дополнительная информация, касающаяся спектра

2

ГОСТ 27602-88 (МЭК 544.1—77) С. 3

энергии частиц. Аналогичным образом можно описать поле электромагнитного излучения с помощью плотности фотонного пото! а и распределения энергии. Однако для рентгеновских и гамма-лучей поле обычно характеризуется эффектом ионизации воздуха. Для этой цели JCRU дала количественное определение «экспозиции», взяв за единицу измерения рентген (см. пн. 6.2 и 11.2).

3.1.    Во всех случаях характеристику радиационного поля излучения надо дать таким образом, чтобы можно было произвести расчет полученной дозы при помещении любого материала в данное поле. Необходимо установить стандартные методы измерения характеристик радиационных полей, воздействие которых должны испытывать электроизоляционные материалы. Разд. 2 отвечает этому требованию и является своеобразным перечнем радиационных дозиметрических методов с соответствующими ссылками.

4 ОЦЕНКА ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ И МОЩНОСТИ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ

В настоящее время усовершенствованы методы оценки, позволившие получать данные для расчета поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы облучения, путем оценки с помощью таких детекторов, как ионизационные камеры, калориметры или химические дозиметры.

В разд. 2 приведены надежные и удобные методы таких измерений, а в разд. 3 содержатся данные, включая зависящие от энергии факторы, которые используются при расчетах. Однако в разд. 3 рассматривается только фотонное излучение. Природа воздействия, обусловленная нейтронами с энергией менее 1 МэВ. различна. Большая часть энергии передается в данном случае в виде упругого рассеивания и переноса зарядов и не имеет отношения к воздействию фотонной радиации.

5. ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ

5.1.    Постоянные эффекты

Цель стандартизации испытательных методов — создание единообразных методов, которые следует использовать при определении относительной радиационной стойкости электроизоляционных материалов. Рабочий индекс может быть механический и (или) электрический в зависимости от основной функции материала при его использовании.

5.1.1 Методы испытаний и образцы

В публикации МЭК 216 говорится следующее: «Для удовлетворительной работы электроизоляционные материалы долж-

3

С. 4 ГОСТ 27602-88 (МЭК 544 1—77)

ны обладать необходимым сочетанием физических, химических и диэлектрических свойств, а эти свойства должны быть характерны для каждого применения, для каждого вида изоляции». Таким образом, например, для полиэтилена измерения его механических и электрических свойств на листовых образцах должны быть достаточными, чтобы охарактеризовать изменения, обусловленные излучением, в то время как для слоистых труб необходимы другие методы испытаний. Для эмалированных проводов в качестве удовлетворительных методов оценки могут быть проведены испытания на изгиб на оправке, истирание и пробой скрученной пары.

5.1.2. Условия окружающей среды

Как указывалось выше, и рабочая температура (во время и после облучения), и атмосфера (особенно кислород воздуха и влага) могут значительно повлиять на эффект, получаемый от действия радиации. Имеются указания на то, что на разные материалы температура оказывает различное воздействие: одни материалы подвержены ускоренному старению, другие имеют более высокую стойкость к старению в определенном диапазоне температур. Температура является также важным фактором в присутствии кислорода; при достаточно высокой температуре помимо радиационного окисления происходят нормальные процессы термического окисления. Антиоксиданты, которые обычно добавляют в изоляцию для уменьшения окисления, могут, по-видимому, терять свою активность при радиолизе. Поэтому вопрос о совместном рассмотрении нагревостойкости и стойкости к излучению актуален так же, как и положения, выдвинутые в Публикации МЭК 216.

Кислород может оказывать большее воздействие при низкой дозе мощности, чем при высокой, так как у него будет больше времени для диффузии. Таким образом, может случиться так, что при облучении некоторых материалов на открытом воздухе будут наблюдаться большие различия в результатах между кратковременным облучением дозой высокой мощности и длительным облучением дозой низкой мощности, что и подтверждается практикой.

5.1.3. После радиационные эффекты

В некоторых органических полимерах могут наблюлагься послерадиационные эффекты, обусловленные разными причинами, например постепенным распадом остаточных свободных радикалов. На подобные явления необходимо делать поправку в любой оценочной методике. Там, где во время облучения испытания проводить нельзя, их необходимо проводить через интервалы, зарегистрированные после облучения, обеспечивая .хранение образцов в стандартной атмосфере лаборатории.

5.2. Временные эффекты

ГОСТ 27602-88 (МЭК 544.1—77) С. 5

Измерение наведенной проводимости дело довольно тонкое, так как фотоэлектроны и комптоновские электроны в материале электродов будут стремиться исказить наведенный ток в самих образцах. Ионный ток за счет ионизированной атмосферы также будет способствовать появлению ошибок при измерениях, если не принять мер к их исключению. Необходимо сформулировать экспериментальные методы, которые, оставаясь сравнительно простыми, исключают большинство ошибок измерений.

5.2    1. Было разработано и опубликовано несколько способов, которые позволят избежать вакуумирования в измерительной ячейке, поисков самых лучших электродных материалов и конфигураций образца, различные методы с идентичными образцами должны быть тщательно оценены до того, как можно будет предложить конкретные рекомендации.

5.2    2. После четкого определения большинства практических методов необходимо установить критерий чувствительности к излучению Удобно пользоваться простой величиной, такой как наведенная проводимость (а,) на единицу мощности дозы, или ст./ао — отношение к темновой проводимости (сто), измеренные в тех же самых экспериментальных условиях (поле, температура, окружающая среда и т.д.).

5    2 3. Опыт показал, что наведенная проводимость обычно бывает не совсем пропорциональна поглощенной мощности дозы (обозначена D)_y а изменяется в отношении D^a, где а меньше единицы. Отсюда чувствительность к излучению можно представить виде зависимости o_t = KD^a. Для того, чтобы определить К и а, требуется, по меньшей мере, два измерения. Дальнейшие осложнения возникают из того факта, что К и а также зависят от интегральной дозы, поглощенной образцом.

Раздел 2 РУКОВОДСТВО ПО ДОЗИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДАМ.

СВЯЗАННЫМ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

6. ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

6    I. Как указано в разд 1 настоящего стандарта, для того чтобы сравнивать влияния различных видов облучения на свойства различных электроизоляционных материалов, необходимо определить дозу, поглощаемую материалом Разные материалы, подверженные воздействию одного и того же потока фотонов или частиц, могут поглощать различные количества энергии.

6.2. Поскольку непосредственные измерения дозы, поглощенной материалом, обычно невозможны, измеряют или степень воздействия, или поглощаемую мощность дозы в стандартном материале (таком как воздух), затем измерения переводят в по-

5

глощенную дозу в образце методами, описанными в следующем разделе.

6.3. Экспозиция X является отношением dQ к dm, где dQ — абсолютная величина общего заряда ионов одного знака, имеющихся в воздухе, при условии, что все электроны (отрицательные и положительные), освобожденные фотонами в элементе объема воздуха с массой dm, полностью затормаживаются в воздухе.

х=-*2-.

dm

За единицу экспозиции принят рентген (R)\ его определение дано в п. 11.2.

7. АБСОЛЮТНЫЕ МЕТОДЫ

Абсолютные методы дают возможность определить экспозиционную или поглощенную дозу при помощи физических измерений, не зависящих от калибровки прибора в известном поле излучения. Это определение не подразумевает точности абсолютного метода; на основе результатов изучения измерительных методов и основных реакций, вызванных излучением, созданы три абсолютных метода, которые легли в основу первичных дозиметрических стандартов. Эти методы, как правило, не используются в исследованиях радиационных эффектов, но они приведены в национальных и международных стандартах и предназначены для калибровки источников излучений. Для фотонных источников точность калибровки находится в пределах 2—3%.

7.1.    Ионизационная камера со свободным воздухом используется исключительно для измерения экспозиции X, т. е. камера служит для измерения величины заряда dQ, образовавшегося в воздухе, и массы к массе dm воздуха, в котором освобождены ионизирующие электроны.

7.2.    Резонаторная ионизационная камера является индикатором излучения, который может использоваться для измерения экспозиционной дозы, на основе чего можно рассчитать поглощенную дозу, если величина D не будет слишком высокой и если будут обеспечены условия электронного равновесия. Если камера используется для измерения поглощенной дозы в определенной среде, то для этой среды необходимо подобрать как соответствующие стенки, так и газ. Для определенного типа излучения подбирают материал двух видов, если поглощение этого излучения приводит к тем же плотностям потока и энергетическому распределению вторичных ионизирующих частиц как в одной среде, так и в другой.

7.3.    Другими методами, предназначенными для определения поглощенной дозы, которые могут использоваться в качестве

6

ГОСТ 27602-88 (МЭК 544.1—77) С 7

надежных стандартных методов для проведения сравнения между различными лабораториями, являются калориметрический метод и метод химической реакции, последний является вторичным методом.

7.3.1.    Калориметрические системы действуют на основе энергии, поглощенной от поля излучения, в 'котором они находятся; эта энергия сохраняется до тех пор, пока она не перейдет в тепловую энергию. Количество этого тепла оценивается измерением повышения температуры системы. Теплоемкость системы калибруется электрически путем измерения количества посыпающей электрической энергии, требующейся для получения того же возрастания температуры, что и в результате излучения. В некоторых системах был отмечен переход энергии излученчт в химическую, создающий наибольшие отклонения, для устранения которых можно сделать соответствующие поправки. Поскольку превращение поглощенной энергии излучения в тепловую устанавливает систему, которая измеряет выделение энергии почти независимо от количества радиации, калориметрическая система представляет собой абсолютный метод, по которому калиброваны другие стандартные методы

8. ВТОРИЧНЫЕ МЕТОДЫ

Кроме первичных стандартных методов, есть другие методы, которые стали широко применяться как вторичные. Методы основаны на большом разнообразии поддающихся измерению химических реакций или превращений энергии, сообщаемой данному материалу как результат воздействия поля излучения. В тех случаях, когда требования к точности измерений невелики, вторичные методы имеют определенные преимущества

8.1.    Дозиметрия химических превращений основана на том принципе, что после облучения имеют место окисление и реакции восстановления в степени, прямо пропорциональной поглощенной дозе Ферросульфатный метод с использованием дозиметра Фрике является широко распространенным и наиболее надежным. Большое значение имеют другие системы, поскольку они позволяют расширить рамки фсрросульфатного метода. Наиболее полезным и надежным методом из этих систем является цериевосульфатный метод.

9. ТАБУЛИРОВАНИЕ МЕТОДОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ

В таблице приложения А приведен неполный перечень абсолютных и вторичных методов с некоторыми основными характеристиками, такими, например, как:

7

тип измерения (поглощенная доза или мощность поглощенной дозы);

диапазон поглощенных доз или мощности поглощенной дозы;

влияние энергии излучения;

влияние температуры;

наблюдения, представляющие практический интерес.

9.1. Так как дозиметрия излучения пока еще является областью активных исследований, в данный стандарт невозможно было включить все разработанные методы. Точно также в стандарте не приведены все инструкции, необходимые для проведения дозиметрических измерений при помощи какого-нибудь из описанных методов. В перечень, в основном, включены методы, принятые как национальными, так и международными стандартами; в перечне также указаны диапазоны, принятые в настоящее время. Трудности, присущие дозиметрии при высоких поглощенных дозах или высоких мощностях поглощенных доз — обычное явление при облучении электроизоляционных материалов, возникают из возможных радиационных эффектов или повреждений деталей дозиметров (например, повреждение изоляции ионизационных камер). Специальные методы испытания могут понадобиться во избежание подобных осложнений.

Раздел 3. РАСЧЕТ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ ОТ РЕНТГЕНОВСКОГО И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИИ

10. ЦЕЛЬ

10.1. Настоящий стандарт устанавливает метод расчета поглощенной материалом дозы на основе данных поля рентгеновского и гамма-излучений и композиционного состава материала. На основе величины поглощенной дозы для одного материала можно рассчитать поглощенную дозу для другого материала, подвергнутого воздействию того же самого поля излучения. Методика ограничивается использованием полей электромагнитного излучения в диапазоне от 0,1 до 3 МэВ.

11. ВЕЛИЧИНЫ ИЗЛУЧЕНИЙ И ЕДИНИЦЫ

111. Экспозиция является мерой поля излучения, воздействию которого подвержен материал, в то время как поглощенная доза — это мера энергии, сообщенной материалу, подверженному облучению Поэтому поглощенная доза является основным параметром для оценки воздействия излучения на материал. Для того чтобы легче измерить дозу, поглощенную материалом, необходимо достигнуть равновесия заряженных частиц (см. приложение В).

8

ГОСТ 27602-88 (МЭК 544.1—77) С. 9

рентген (Р); 1Р = 2,58хЮ~⁴ Кл/кг. Рентген в цифровом отношении идентичен старой единице, под которой понималась доза, при которой в 0,001293 г воздуха образуются ионы с суммарным зарядом в одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака.

Таким образом, экспозиция описывает влияние поля электромагнитного излучения на вещество посредством ионизации, которую создает излучение в воздухе — стандартном контрольном материале. Использование термина «экспозиция» официально не было распространено до обозначения воздействия со стороны полей излучений других типов; отсюда неправильное его использование в других случаях помимо электромагнитного излучения. Поскольку экспозиция применима лишь к электромагнитному излучению, необходимо использовать другие величины, чтобы можно было описать условия, в которых происходит облучение частицами. Как для нейтронного, так и для электронного облучения описание поля ионизации обычно дается посредством количества частиц и их энергии.

11.3. Поглощенная доза выражается посредством энергии, сообщенной облучаемому материалу, независимо от природы ионизационного поля.

Поглощенная доза D —это отношение dr к tfm, где d,~ средняя энергия, сообщаемая ионизирующим излучением веществу в элементе объема, a dm — масса вещества в этом элементе объема.

Поэтому единой единицы будет достаточно для всех типов излучения. Эта единица — рад; 1 рад= 10~² Дж/кг.

Дж/кг — единица СИ.

Поскольку в приведенном определении не указывается поглощающий материал, то единица рад может применяться лишь со ссылкой на определенный материал. Поглощенная доза, выраженная в радах, определяется композиционным составом облучаемого материала.

Поэтому при облучении в том же самом радиационном поле различные материалы обычно получают различные поглощенные дозы.

12. РАСЧЕТ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИИ ЭКСПОЗИЦИИ (ЭКСПОЗИЦИОННОЙ ДОЗЫ)

12.1. Облучение электроизоляционных материалов фотонным излучением при энергии менее 3 МэВ часто характеризовалось экспозицией, измеряемой в свободном воздухе вместо образца. 2—2141    9