CC BY
12
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 280 1975
ЭКРАНЫ ДЛЯ ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ РАДИОГРАФИИ
Ю. А. МОСКАЛЕВ, Д. И. СВИРЯКИН, Ю. А. ЕГОРЕНКО
В работах [1—3] было показано, что в ряде практических случаев радиографирования представляет интерес использование в качестве преобразователей потоков радиации в видимое изображение люминесцентных экранов на основе светосоставов, проявляющих специфические свойства накапливать энергию радиационного возбуждения и освобождать ее в виде светового излучения при нагревании. Такие светосоставы называются термолюминофорами, а методы регистрации излучения с их использованием — термолюминесцентными.
Анализ и исследование свойств и характеристик термолюминофоров с точки зрения требований визуального дефектоскопического контроля показали, что микрокристаллический сульфат кальция, активированный марганцем, является наиболее подходящим из известных термолюминофоров. Достоинствами Са504-Мп являются его влагоустойчи-вость и. нечувствительность к воздействию видимого и ближнего ультрафиолетового света. Нагревание для получения термолюминесценции после облучения осуществляется в области малых температур от 50 до 200° С/
Синтез термолюминофора СаБО^Мп обычно осуществляется совместной прокалкой Са504'ЗН20 и МпБО*. Плавнем служит 25%-ная серная кислота. Следует заметить, что экспериментальная кривая, отражающая зависимость световыхода люминофора от концентрации активатора, имеет ярко выраженный максимум. При увеличении концентрации активатора световыход сначала растет, поскольку увеличивается плотность центров люминесценции и, следовательно, растет вероятность захвата носителей энергии в этих центрах.
При больших концентрациях активатора становится заметной вероятность поглощения, обусловленная активатором, совпадает со спектром люминосценции и световыход падает [4]. Поэтому технология синтеза люминофора является основным фактором, влияющим на чувствительность термолюминесцентной радиографии, т. е. радиографии с использованием термолюминесцентных экранов.
При изготовлении экранов суспензия, представляющая смесь порошка люминофора СаБО^Мп с кремнийорганической смолой, наносилась на подложку из полированного алюминия методом полива. Затем производилась сушка полученного слоя в течение 18—20 часов при температуре 150—200° С и механическая шлифовка, после чего термолюминесцентный экран готов к использованию при радиографическом контроле материалов и изделий. Схема просвечивания объекта контроля показана на рис. 1, где цифрами обозначено: / — источник излучения; 2 — объект контроля; 3 — защитная кассета, предохраняющая термолюминесцентный экран от загрязнения и механических повреждений; 4 — слой
Рис. 1. Схема радиографированид
термолюминофора СаБС^ -Мп; 5 — подложка из полированного алюминия.
Прошедшее через объект контроля излучение при взаимодействии со слоем термолюминофора приводит к возбуждению валентных электронов, которые, попадая в зонд проводимости, могут быть локализованы на метостабильных уровнях, обусловленных ионрадикалами БОз-, [5].
Число электронов, локализованных на метостабильных уровнях, определяется дозой падающего излучения и свойствами кристаллофосфо-ра. Переход локализованных электронов на уровень активатора сопровождается световым излучением, величина интенсивности которого (т. е„ светосумма) служит мерой поглощенной энергии.
Время сохранения накопленной светосуммы определяется температурой термолюминофора и при 20° С составляет 7 ^10 дней при уменьшении первоначальной светосуммы примерно на 30%- После окончания процесса экспонирования производят проявление сформированного на термолюминесцентном экране теневого радиационного изображения путем равномерного нагрева подложки. Вид функции распределения яркости в процессе нагрева зависит от скорости изменения температуры. При линейном режиме нагрева эта функция имеет резко выраженный максимум в области температур 100-М 10° С, величина которого, а также полный интеграл по площади под кривой термовысвечивания пропорциональны поглощенной дозе и эта пропорциональность сохраняется до 105 рад.
Поскольку термолюминофор СаБС^-Мп имеет один уровень ловушек, то при линейном режиме нагрева вид кривой высвечивания объясняется двумя одновременно протекающими конкурирующими процессами: один обусловлен тем, что с ростом температуры количество электронов, освобожденных с уровней захвата, возрастает и интенсивность люминесценции увеличивается, другой — тем, что количество запасенных в зоне проводимости электронов уменьшается и в связи с этим снижается интенсивность люминесценции.
На рис. 2 приведена блок-схема установки для снятия характеристик термовысвечивания. Облученный рентгеновским излучением термолюминесцентный экран 2 помещался на устройство нагрева 1 с регулируемой скоростью изменения температуры. Сверху на устройство нагрева надвигался полый цилиндр, обеспечивающий термостатирование и светоизоляцию термолюминесцентного экрана. В крышке цилиндра имеется ввод для световода <3, представляющего собой стекловолокнис-тый жгут длиной 40 см и сечением 5X5 мм2. Светопропускание световода 60%. Световое излучение термолюминесцентного экрана через све-
Рис. 2. Блок-схема установки для снятия кинетических характеристик термолюминесценции
товод передавалось на вход фотоэлектронного умножителя 6, электрический сигнал с ФЭУ поступал через усилитель постоянного тока 7 на самописец 8 и записывался па диаграммной ленте. Контроль температуры осуществлялся с помощью термопары 4У введенной вместе со световодом внутрь цилиндра и находящейся в контакте с поверхностью термолюминесцентного слоя. Эдс термопары фиксировалась микровольтметром 5 и переводилась по градуировочной кривой в шкалу температур.
Кривые зависимости яркости (В) термовысвечивания экрана от времени нагрева при постоянной скорости нагрева 18 град/мин. для различных доз облучения представлены на рис. 3.
лучения. Кривые 1, 2, 3 соответственно для экспозиционных доз рентгеновского излучения: 1,5 • 10~;5; 3,8 • 10~3 и
6 • Ю-3 к/кг
Кроме дозы и режима нагрева яркость термовысвечивания зависит ■от толщины термолюминесцентного слоя. Вследствие того, что светосостав СаБС^-Мп непрозрачен для собственного светового излучения, а наблюдение изображения производилось с поверхности экрана, обращенной во время экспонирования к источнику излучения, кривая зависимости относительного световыхода от толщины термолюминесцентного слоя должна иметь участок «насыщения». Это подтверждается экспериментально полученным графиком зависимости светосуммы на едини-
цу поглощенной дозы ( ) от толщины экрана (1. представленного
па рис. 4. Как видно из графика, световыход линейно возрастает при увеличении толщины экрана до 0,5 мм и переходит в область насыщения при (1>0,6 мм. Эффект зеркального отражения подложки (пунктирная кривая рис. 4) в эксперименте не зафиксирован ввиду того, что термолюминофор Са504-Мп имеет собственный коэффициент диффузного отражения видимого света, близкий к единице.
0.1 02 0.3 0А 0.5 0,6 0.7 0.& 0.9 1,0 1.1 (1.мм
Рис. 4. Зависимость световыхода термолюминесценции СаБ04 • Мп от толщины экрана
Таким образом, при толщине экрана из термолюминофора Са304-Мп 0,5-^0,7 мм поверхность подложки не оказывает влияния на величину световыхода, в то же время данная толщина экрана является оптимальной по световыходу в диапазоне энергий рентгеновского излучения 20^-90 КаВ.
Испытания экранов из порошкового термолюминофора СаБС^-Мп показали, что при линейном росте температуры максимальная разница в яркостях двух участков, получивших различные дозы облучения, имеет месю в области температур максимального световыхода. Длительность сохранения яркости на уровне 0,7 от максимальной составляет около 2 минут и является достаточной при анализе радиационного изображения размером 15X25 см2. Увеличение толщины экрана более 0,6 мм не влияет существенным образом на световыход термолюминесценции.
Термолюминесцентная радиография материалов 'является в настоящее время малоизученной областью применения термолюминофоров и в своем развитии явится дополнительным методом к известным систе-м а м к серо- и пленочного радиографического контроля промышленных изделий. Способность экранов на основе термолюминофоров накапливать информацию позволит вести контроль объектов большого диапазона толщин с использованием источника излучения со сравнительно небольшой мощностью дозы.
ЛИТЕРАТУРА
1. В. А. Д о б р о м ы с л о в, С. В. Румянцев. Радиационная интроскопия. М., Атомиздат, 1972.
2. «Методы неразрушающих испытаний». Под редакцией Р. Шарпа. М., «Мир», 1972.
3. В. И. Горбунов и др. Рентгенография с использованием термолюминесцентных преобразователей. (Настоящий сборник).
4. К. К. Ш в а р ц и др. Термолюминесцентная дозиметрия. Рига, «Зинан-те», 1968.
5. Л. Н. Иванов. Автореферат кандидатской диссертации. МГУ, 1972.
