टंगस्टन मिश्र धातु परिरक्षण का कार्य सिद्धांत क्या है?

1. मूल सिद्धांत: अंतःक्रिया के माध्यम से क्षीणन

किसी भी विकिरण ढाल का प्राथमिक लक्ष्य क्षीणन है - किसी सामग्री से गुजरते समय विकिरण की तीव्रता को कमजोर करना। टंगस्टन मिश्र धातु अपने अद्वितीय गुणों के कारण इसमें उत्कृष्टता प्राप्त करती है।

मुख्य संपत्ति: असाधारण घनत्व

टंगस्टन भारी मिश्र धातु का घनत्व ~17-19 ग्राम/सेमी³ है। यह सीसा (11.3 ग्राम/सेमी³) या स्टील (7.8 ग्राम/सेमी³) जैसी पारंपरिक परिरक्षण सामग्री से काफी अधिक है।

घनत्व क्यों मायने रखता है: अंतरिक्ष में उड़ने वाले छोटे, उच्च-ऊर्जा कणों (या फोटॉनों) की एक धारा के रूप में विकिरण की कल्पना करें। आप इसके पथ में जितने अधिक परमाणुओं को पैक कर सकते हैं, उतनी अधिक संभावना है कि इनमें से एक कण किसी परमाणु से टकराएगा और ऊर्जा खो देगा। उच्च घनत्व का अर्थ है प्रति घन सेंटीमीटर अधिक परमाणु, एक "दीवार" बनाना जिसमें विकिरण के प्रवेश के लिए बहुत कठिन है।

मुख्य संपत्ति: उच्च परमाणु क्रमांक (Z)

टंगस्टन की परमाणु संख्या बहुत अधिक होती है (Z = 74), जिसका अर्थ है कि इसके परमाणुओं में एक बड़ा, घना नाभिक होता है जो कई इलेक्ट्रॉनों से घिरा होता है।

परमाणु संख्या क्यों मायने रखती है: परिरक्षण की प्रभावशीलता, विशेष रूप से उच्च-ऊर्जा फोटॉनों (एक्स-रे और गामा किरणों) के खिलाफ, उन प्रक्रियाओं द्वारा नियंत्रित होती है जो परिरक्षण सामग्री की परमाणु संख्या पर बहुत अधिक निर्भर होती हैं। एक उच्चतर Z इन इंटरैक्शन की संभावना को नाटकीय रूप से बढ़ा देता है।

2. यह विभिन्न प्रकार के विकिरण के विरुद्ध कैसे काम करता है

विशिष्ट अंतःक्रिया तंत्र विकिरण के प्रकार पर निर्भर करता है:

A. एक्स-रे और गामा किरणों के लिए (फोटॉन)

यहीं पर टंगस्टन सबसे अधिक चमकता है। फोटॉन में कोई द्रव्यमान या आवेश नहीं होता है, इसलिए उन्हें केवल परमाणु के साथ सीधे संपर्क द्वारा ही रोका जा सकता है। तीन प्रमुख प्रक्रियाएँ होती हैं:

फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव: एक फोटॉन टंगस्टन परमाणु में एक आंतरिक-शेल इलेक्ट्रॉन से टकराता है और परमाणु से इलेक्ट्रॉन को बाहर निकालते हुए, अपनी सारी ऊर्जा उसमें स्थानांतरित कर देता है। फोटॉन पूरी तरह से अवशोषित हो जाता है। यह प्रभाव निम्न ऊर्जा पर हावी होता है और (Z⁴/Z⁵) के समानुपाती होता है, जिससे टंगस्टन का उच्च Z अविश्वसनीय रूप से शक्तिशाली हो जाता है।

कॉम्पटन स्कैटेरिंग: एक उच्च-ऊर्जा फोटॉन एक ढीले-ढाले बाहरी इलेक्ट्रॉन से टकराता है। यह अपनी ऊर्जा का केवल एक हिस्सा इलेक्ट्रॉन में स्थानांतरित करता है, जिससे यह पीछे हट जाता है, और फोटॉन स्वयं कम ऊर्जा के साथ एक नई दिशा में बिखर जाता है। यह प्रक्रिया बार-बार ढाल के भीतर विकिरण किरण को पुनर्निर्देशित और कमजोर करती है।

जोड़ी उत्पादन: बहुत उच्च-ऊर्जा वाले फोटॉन (>1.02 MeV) के लिए, फोटॉन टंगस्टन नाभिक के शक्तिशाली विद्युत क्षेत्र के साथ संपर्क करता है और पदार्थ-एंटीमैटर जोड़ी (एक इलेक्ट्रॉन और एक पॉज़िट्रॉन) में परिवर्तित हो जाता है। इन कणों के निर्माण में फोटॉन की ऊर्जा खर्च होती है।

संक्षेप में: टंगस्टन का उच्च Z और घनत्व इन अंतःक्रियाओं को अत्यधिक संभावित बनाता है, जिसका अर्थ है कि फोटॉन या तो बहुत कम दूरी पर अवशोषित हो जाते हैं या काफी कमजोर हो जाते हैं।

B. अल्फा और बीटा कणों के लिए

अल्फा कण (He नाभिक): ये भारी, आवेशित और आसानी से रुकने वाले होते हैं। एक पतली ढाल पर्याप्त है. ओवरकिल के कारण टंगस्टन का उपयोग आमतौर पर शुद्ध अल्फा उत्सर्जकों के लिए नहीं किया जाता है; इसका प्राथमिक मूल्य बीटा कणों के धीमा होने पर उत्पन्न होने वाली द्वितीयक एक्स-रे (ब्रेम्सस्ट्रालंग) को अवरुद्ध करना है।

बीटा कण (इलेक्ट्रॉन): जैसे ही बीटा कण टंगस्टन से गुजरते हैं, वे इलेक्ट्रॉनों के साथ टकराव (आयनीकरण) के माध्यम से धीमे हो जाते हैं और परमाणु नाभिक (ब्रेम्सस्ट्रालंग विकिरण) द्वारा विक्षेपित हो जाते हैं। टंगस्टन का घनत्व उन्हें कुशलतापूर्वक रोकता है।

C. न्यूट्रॉन के लिए

न्यूट्रॉन अनावेशित होते हैं और इन्हें केवल आयनीकरण द्वारा नहीं रोका जा सकता। परिरक्षण के लिए एक अलग, दो-चरणीय दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है:

संयम: न्यूट्रॉन को पहले हल्के परमाणुओं (जैसे पानी में हाइड्रोजन, पॉलीथीन या पैराफिन) से टकराकर धीमा (संयमित) करना होगा। तेज़ न्यूट्रॉन इन टकरावों में ऊर्जा खो देते हैं और धीमे "थर्मल" न्यूट्रॉन बन जाते हैं।

अवशोषण: एक बार धीमा होने पर, थर्मल न्यूट्रॉन को बोरॉन -10 या कैडमियम जैसे विशिष्ट तत्वों के नाभिक द्वारा कैप्चर (अवशोषित) किया जा सकता है। टंगस्टन स्वयं एक अच्छा न्यूट्रॉन अवशोषक नहीं है।

टंगस्टन की भूमिका: मिश्रित-क्षेत्र विकिरण (उदाहरण के लिए, परमाणु रिएक्टर) में, जहां न्यूट्रॉन और गामा किरणें दोनों मौजूद होते हैं, टंगस्टन या टंगस्टन-आधारित कंपोजिट का उपयोग किया जाता है। टंगस्टन गामा किरणों को प्रभावी ढंग से रोकता है, जबकि बोरान-डोप्ड पॉलिमर या अन्य न्यूट्रॉन-अवशोषित सामग्री, जो अक्सर मिश्र धातु के साथ स्तरित या शामिल होती है, न्यूट्रॉन को संभालती है।