К вопросу об оценке эффективности преобразования гамма-изображения в потенциальный рельеф мишенью рентгенвидикона Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА.

Том 213 1972

К ВОПРОСУ ОБ ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГАММА-ИЗОБРАЖЕНИЯ В ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ РЕЛЬЕФ МИШЕНЬЮ РЕНТГЕНВИДИКОНА

А. П. ШПАГИН

(Представлена объединенным семинаром секторов контроля лесоматериалов и РСД НИИ ЭИ)

Рентгенвидиконы — передающие телевизионные трубки, чувствительные к рентгеновским и гамма-лучам, нашли широкое применение в промышленности при дефектоскопии мелких изделий. Несмотря на это, рентгенвидиконы исследованы очень слабо. Не получены формулы, связывающие чувствительность рентгенвидиконов с энергией применяемого излучения и параметрами полупроводникового слоя, а поэтому трудно судить о том, насколько далека достигнутая в настоящее время чувствительность от предельно возможной, т. е. каковы перспективы дальнейшего увеличения чувствительности. Для разработки оптимальных интроскопов с рентгенвидиконами и дальнейшего совершенствования самих рентгеновидиконов необходимо иметь математическую модель рентгенвидиконного интроскопа.

Для получения математической модели интроскопа нужно разделить канал передачи информации в интроскопе на последовательные самостоятельные этапы и произвести отдельно анализ каждого этапа. В интроскопе с рептгенвидиконом можно выделить следующие этапы:

а) преобразование модулированного потока гамма-излучения в распределение поглощенной в мишени энергии;

б) преобразование распределения поглощенной энергии в потенциальный рельеф на внутренней поверхности мишени;

в) считывание потенциального рельефа; ;

г) усиление видеосигнала;

д) обработка видеосигнала с целью повышения чувствительности интроскопа к дефектам определенного типа;

е) воспроизведение изображения.

На каждом этапе преобразования информации в общем случае возможны два вида потерь.

1. Градационные потери, которые обусловлены уменьшением отношения сигнал/шум.

2. Частотно-контрастные потери, проявляющиеся в уменьшении четкости изображения и уменьшении контраста мелких дефектов. Они обусловлены уменьшением коэффициента передачи для верхних пространственных частот.

Для оценки потерь информации на этапе преобразования модулированного потока излучения в распределение поглощенной в мишени энергии достаточно определить следующие три характеристики рентген-видикона являющиеся функциями энергии падающих квантов:

а) среднюю энергию поглощаемую в полупроводниковом слое мишени, при нормальном падении на поверхность мишени одного кванта с энергией Е\

б) дисперсию этой энергии Щ (Е)\

в) усредненное распределение поглощенной энергии в мишени, нормированное на один квант излучения.

Две первые характеристики позволяют определить отношение сигнал/шум после первого этапа, а третья позволяет рассчитать частотно-контрастную характеристику после первого этапа.

Физический смысл и значение функций П(£) и Пд (Е) можно пояснить следующим конкретным примером. Предположим, просвечивается изделие моноэнергетическим пучком гамма-квантов с энергией Е, причем в среднем за время кадра на некоторый участок планшайбы рентгенвидикона, равный по площади элементу разложения и расположенный напротив целого (бездефектного) участка изделия, падает Мф квантов, а на равный ему участок, расположенный напротив дефектного участка, падает Л^ф + А^ квантов. Для упрощения рассуждений предположим, что рассеянное излучение отсутствует (например, просвечивается 'изделие небольшой толщины из материала с высоким сечением фотоэффекта). Тогда энергия сигнала и дисперсия энергии фона на выходе идеализированного интроскопа, у которого отношение сигнал/шум полностью определяется статистическими шумами поглощенных квантов, и коэффициент передачи всех последующих этапов преобразования сигнала в интроскопе равен единице, определяются формулами:

= (1)

Л2и7ф = Л'фПд(£), (2)

а отношение сигнал/шум на выходе интроскопа ц, = N,11 (Е) = Тпхп (£)_

где Твх — отношение сигнал/шум на входе интроскопа.

Если выполняются условия

(4)

г0 < х, (5)

где х — толщина полупроводникового слоя (мишени), где ¡д, — линейный коэффициент ослабления излучения в материале мишени, г0—■ экстраполированный пробег электронов материале мишени (глубина проникновения), то функции П (Е) и Щ (Е) можно вычислить с достаточной для практического применения точностью по формулам, полученным с учетом только первого столкновения, и в предположении, что вся передаваемая электронам энергия расходуется ими на ионизацию непосредственно в точке столкновения [1].

П (Е) - + (7)

И-

Пд (Е) =1(1- + а/е) (8)

где к и \1С —толщина и коэффициент линейного поглощения стеклянной планшайбы рентгенвидикона (экспоненциальный множитель после второй скобки в формулах (6) и (7) учитывает ослабление интенсивности излучения стеклянной планшайбой), т и а — линейные коэффициенты

П(Е) /У кэб / \Х-0,5мм

Х-0.

фотоэффекта и комптоновского рассеяния для материала мишени, Ев и ¡е —энергия, передаваемая электрону отдачи в среднем за один акт комптоновского рассеяния и дисперсия этой энергии, соответственно [1] (т, а, £а, Iе, (I и [1С —функции энергии, эта функциональная зависимость не отражена в приведенных выше формулах для простоты написания) .

У реальных рентгенвидиконов чаще всего мишени бывают из селена, причем, толщина мишени изменяется от 0,1 мм до 0,5 мм. При такой толщине мишени условие (4) выполняется при энергии квантов» большей (50 — 70) кэв, однако поскольку при энергиях, меньших 70 кэв, коэффициент взаимодействия излучения с материалом мишени полностью определяется фотоэффектом, то расчет по формулам (6) и (7) дает точ-¿о|-/__|_|_J ный результат в этом диапа-

зоне энергий даже при [лх>-1, т. е. условие (4) не ограничивает области применения формул (6) и (7).

1-Ьг—I-^-1-1 Условие (5) ограничивает

диапазон применимости формул (6) 'и (7) сверху. Используя имеющиеся в литературе [2, 3] сведения о зависимости между энергией электронов и их экстраполированным пробегом, можно установить, что условие (2) выполняется при толщине слоя селена (0,2—0,5) мм для энергий электронов, меньших 200™ ^-300 кэв.

На рис. 1 и 2 приведены вычисленные по формулам (6) и (7) функции И(Е) и П д (Е) для рентгенвиди-кона с торцевым стеклом толщиной /г = 2 мм, состоящим из 34% кремния, 7,2% кальция, 10,8% натрия и Е кэб кислорода, мишень ко-

п 50 юо 150 зоо' торого состоит из селена

плотностью 4,8 г/смъ и имеет Рис. 2. Зависимости дисперсии поглощенной в ми- толщину 0,1 И 0,5 ММ. Влия-шени энергии, нормированной на один падающий [Ше сигнальной ПЛЭСТИНЫ При квант, от энергии кванта расчете не учитывалось, по-

тому что предполагалось, что в качестве сигнальной пластины используется тонкий слой алюминия, а коэффициенты ослабления излучения в алюминии и стекле примерно одинаковы. Если же в качестве сигнальной пластины применяется слой хлорного олова, то необходимо дополнительно учитывать ослабление излучения сигнальной пластиной. На рис. 3 приведены зависимости от энергии отношения П(Т) ]/Т1д (Е) для двух толщин мишени. Они позволяют судить о степени изменения отношения сигнал/шум за счет того,.

Рис. 1. Зависимости нормированной на один падающий квант средней поглощенной в мишел-ш энергии от энергии кванта

40

ПА(£) кэб** 10* у

= 0,5мм

X ~ 0, /мм

а б

as

ог

что в мишени поглощается только некоторая часть всего излучения, падающего на торцевую планшайбу рентгенвидикона.

Функции П (£) и Пд (Е), которые в основном характеризуют лишь первый этап преобразования информации в рентгенвидиконе, позволяют судить о некоторых характеристиках всего рентгенвидикона <и даже интроскопа с рентгенвидиконом. В частности, они дают возможность рассчитывать предельное значение отношения сигнал/шум в инт-роскопе, которое при заданной интенсивности источника излучения может быть достигнуто за счет увеличения эффективности накопления и считывания потенциального рельефа и улучшения а» способа усиления видеосигнала. Способ расчета для случая сплошного спектра рассмотрен в [1]. Функция 11(E), кроме того, определяет спектральную чувствительность рентгенвидикона. Действительно, поскольку процессы накопления потенциального рельефа и его считывание протекают одинаково при всех энергиях

излучения, то причиной не- a so too i5o гоо

равномерности спектральной

чувствительности рентгенви- Рис• 3. Изменение отношения сигнал/шум из-за е> * того, что в мишени поглощается только часть па-

диконов могут быть либо не- дающего на торцевое стекло излучения, линейная зависимость квантового выхода мишени от

энергии квантов, либо неравномерность поглощающей способности мишени по диапазону энергии. Эксперименты, проведенные для германия, кремния и некоторых других полупроводников, показывают, что квантовый выход изменяется в указанных полупроводниках линейно с изменением энергии [4]. Если линейная зависимость квантового выхода от энергии наблюдается и для селена, то функция спектральной чувствительности рентгенвидикона определяется отношением поглощенной в мишени энергии излучения к энергии, падающей на торцевое стекло. Так как функция 11(f) нормирована на один падающий квант, то функция спектральной чувствительности будет подобна отношению П(Е)/Е.

& С j 1 X = 0,5мм >

ЛИТЕРАТУРА

1.A. П. Ш п а г и н. Разработка и исследование телевизионного радиационного интроскопа. Кандидатская диссертация, Томск, 1967.

2. А. А. Воробьев, Б. А. Кононов. Прохождение электронов через вещество, Томск, из-во ТГУ, 1966.

3. L. V. S р е n s е г. Energy Dissipation Bu Fast Electrons. Nat. Bur. St. (US). 1959.

4. В. С. Вавилов. Действие излучения на полупроводники. М., Физматгиз, 1963.