CC BY
65
Н. И. Ли, А. С. Хабибуллин ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
В ПОЛИМЕР-ЖЕЛАТИНОВОЙ МАТРИЦЕ ГАЛОГЕНИДОСЕРЕБРЯНЫХ ФОТОМАТЕРИАЛОВ
Ключевые слова: ионизирующее излучение, радиографические фотоматериалы, скрытое фотографическое изображение, полимер-желатиновая матрица, микрокристаллы
галогенида серебра.
Рассмотрены особенности формирования и визуализации изображения в промышленной радиографии, а также факторы, определяющие качество изображения.
Keywords: x-ray films, latent photographic image, polimer-gelatine, microcrystal silver halides.
Especial feature of formation and visibility of image in practice technical radiography are consideration. Factors when definition the quality of image is consideration also.
В основе промышленной радиографии лежит ослабление интенсивности ионизирующего излучения при прохождении его через исследуемый объект.
Радиографические методы неразрушающего контроля основаны на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в радиографический снимок. На практике этот метод широко распространен в связи с его простотой и документным подтверждением получаемых результатов. Детектором скрытого изображения и регистратором статического видимого изображения служат радиационночувствительные эмульсионные слои, представляющие из себя полимер-желатиновую матрицу с диспергированными в ней микрокристаллами галогенида серебра. В зависимости от используемого излучения различают несколько разновидностей промышленной радиографии: рентгенографию, гаммаграфию, ускорительную и нейтронную радиографию. Каждый из перечисленных методов имеет свою сферу использования. Этими методами можно просвечивать стальные изделия толщиной от 1 до 700 мм.
При прохождении через изделие ионизирующее излучение ослабляется - поглощается и рассеивается. Степень ослабления зависит от толщины 5, плотности р и атомного номера z материала контролируемого объекта, а также от интенсивности М и энергии Е излучения. При наличии в веществе внутренних дефектов размером Ар изменяются интенсивность и энергия пучка излучения. При помещении за объектом детектора излучения, например, радиографического материала на полимерной подложке, содержащего в эмульсионном слое микрокристаллы галогенида серебра, через определенный промежуток времени, называемый временем экспонирования (облучения) в этом слое образуется скрытое фотографическое изображение этого объекта.
Критериями качества полученного изображения являются:
• выявляемость малоконтрастных и мелких деталей;
• полнота охвата объекта исследования, характеризующая насколько хорошо воспроизводятся участки объекта, сильно различающиеся по поглощению ионизирующего излучения
Численные значения указанных критериев зависят от физико-технических условий формирования изображения и характеристик применяемых технических средств.
Контраст изображения дефекта определяется двумя факторами: разницей в плотностях и атомных номерах материала дефектных и бездефектных мест изделия и контрастностью (средним градиентом) радиографической пленки.
Контраст изображения объекта обратно пропорционален энергии ионизирующего излучения, а также зависит от формы, размеров и расположения элементов в объекте исследования, от интенсивности рассеянного излучения.
В зависимости от типа сенсибилизации галогенидосеребряной эмульсии и вида (способа) экспонирования центры скрытого изображения распределяются по объему микрокристалла неравномерно. При возникновении скрытого изображения на поверхности микрокристалла его называют «поверхностным» скрытым изображением, при возникновении скрытого изображения внутри микрокристалла галогенида серебра, его называют «внутренним» центром скрытого изображения. При экспонировании фотоматериала светом образуются преимущественно «поверхностные» центры скрытого изображения.
При экспонировании ионизирующими излучениями образование скрытого фотографического изображения происходит за счет электронов, образующихся при поглощении этого излучения эмульсионными слоями. Однако ионизирующее излучение вследствие высокой проникающей способности слабо поглощается эмульсионными слоями, поэтому для повышения чувствительности и контраста изображения радиографический фотоматериал изготавливают нанесением эмульсии с двух сторон прозрачной подслоирован-ной полимерной (полиэтилентерефталатной) основы.
Радиационное изображение, несущее информацию об исследуемом объекте, регистрируется эмульсионными слоями радиографической пленки, которые содержат чувствительный к действию этого излучения галогенид серебра.
Ионизирующее излучение, прошедшее через контролируемый объект, ослабляется в зависимости от распределения плотности материала в объекте и, таким образом, содержит информацию об его внутреннем строении.
При достаточно высоких дозах излучения радиографические материалы экспонируются непосредственно рентгеновским или гамма - излучением. В тех случаях, когда дозы излучения имеют низкие значения, вследствие чего не могут быть зафиксированы радиографическим материалом, требуются дополнительные меры, увеличивающие поглощение рентгеновского или гамма-излучений. Для этих целей используют усиливающие экраны [1].
Чувствительность радиографических фотоматериалов к ионизирующим излучениям обычно мала, что объясняется малой толщиной эмульсионного слоя и, соответственно, малой дозой ионизирующего излучения, поглощенного им. Формирование скрытого фотографического изображения при действии рентгеновских и гамма-излучений обусловлено действием электронов, образующихся при взаимодействии излучений с химическими соединениями, входящими в состав усиливающего экрана и эмульсионного слоя [2]. Энергия этих электронов ниже, чем энергия квантов экспонирующего излучения. Электроны образуются во всем объеме эмульсионных слоев и находящихся в контакте с ними экранов, поэтому можно принять, что в радиографическом материале эмульсионные слои экспонируются равномерно по всей толщине.
Так как формирование скрытого изображения является следствием действия электронов, образующихся при поглощении ионизирующего излучения, массовый коэффициент ослабления является одной из важнейших характеристик радиографического материала.
Массовый коэффициент ослабления характеризует относительное уменьшение интенсивности ионизирующего излучения при прохождении через слой, содержащий массу, равную 1 г, на площади 1 см . Расчеты массового коэффициента ослабления носят, как правило, приближенный характер, так как в практических условиях радиографический фотоматериал облучается достаточно широким спектром излучения, и в расчетах трудно учесть вторичные процессы (собственное характеристическое излучение компонентов, входящих в состав полимер-желатиновой матрицы, частичное рассеяние).
В литературе [3] неоднократно отмечалась низкая чувствительность радиографических фотоматериалов к ионизирующим излучениям, особенно к гамма-излучению радиоактивных изотопов. Для повышения чувствительности радиографические материалы экспонируют в контакте с усиливающими экранами, имеющими высокое поглощение [1].
Формирование скрытого изображения при действии ионизирующего излучения (рентгеновского или гамма-излучения) происходит за счет электронов, образующихся при поглощении этих излучений. Образование электронов, оказывающих фотографическое действие, может происходить как в самом эмульсионном слое, так и вне слоя - в усиливающем экране. В качестве усиливающего экрана, например, используется свинцовая фольга, которая находится в контакте с эмульсионными слоями.
В связи с тем, что в научно-технической литературе не рассмотрен вопрос формирования радиографического изображения при экспонировании ионизирующим излучением, представлялось необходимым определить, какую роль в формировании скрытого изображения играют электроны, образующиеся при поглощении ионизирующих излучений в усиливающих экранах и, непосредственно, в эмульсионных слоях, и какой вклад они дают в построение радиографического изображения.
Можно представить действие ионизирующего излучения на фотографический фотоматериал в виде схемы, приведенной на рис. 1.
Длина пробега электронов, выделяющихся при поглощении излучения, определяется энергией источника излучения. Известно [4], что при энергии ионизирующего излучения 75 кэВ длина пробега электрона в эмульсионном слое, содержащем равное по весу количество галогенида серебра и желатина, составляет 30 мкм. С увеличением энергии излучения длина пробега электрона увеличивается. В условиях практической радиографии энергия ионизирующего излучения может превышать 1-10 МэВ. Вероятно, в этом случае образующиеся электроны могут пересечь эмульсионный слой, основу и оказать фотографическое действие на другой эмульсионный слой, как это показано на рис. 2.
Так как усиливающие экраны помещаются с двух сторон радиографического материала, то фотографическое действие этих экранов, точнее, электронов, эмиттируемых при поглощении ионизирующего излучения, может накладываться. Зависимость между энергией и направлением движения рассеянных фотонов и электронов отдачи, выделяющихся при поглощении излучения, наглядно демонстрируется диаграммой Дебая, из которой видно, что фотоны могут рассеиваться во всех направлениях, а электроны отдачи - только вперед [4].
Для изучения особенностей формирования радиографического изображения при экспонировании с усиливающими экранами был проведен эксперимент (схема представле-
на на рис. 1), предусматривающий дифференциацию действия ионизирующего излучения, поглощенного в экранах, электронов, эмиттируемых из экранов при поглощении ионизирующего излучения, поглощенного непосредственно в эмульсионных слоях, и обратного рассеянного излучения.
Рис. 1 - Схема воздействия ионизирующего излучения на радиографический фотоматериал: 1 - передний усиливающий экран; 2 - верхний эмульсионный слой; 3 - основа; 4 - нижний эмульсионный слой; 5 - задний усиливающий экран - поток ионизирующего излучения, падающий на радиографический фотоматериал; ^р - поток ионизирующего излучения, прошедший через радиографический фотоматериал (частично рассеянный и поглощенный); в4" - электроны, образующиеся в переднем
усиливающем экране при поглощении ионизирующего излучения; е2-, ез" - электроны, образующиеся в эмульсионных слоях при поглощении ионизирующего излучения; ^ - обратное рассеянное ионизирующее излучение (на схеме условно показаны только те потоки ионизирующего излучения и электронов, которые оказывают фотографическое действие)
Экспонирование эмульсионных слоев осуществляли непосредственно ионизирующим излучением (в этом случае усиливающие экраны вынесены за пределы кассеты) и тем же излучением, но в контакте с усиливающими экранами. Для того, чтобы определить оптические плотности каждого эмульсионного слоя, противоположный слой удаляли.
Следует отметить, что сложность этого эксперимента заключается в том, что трудно учесть поглощение электронов, выбиваемых из переднего усиливающего экрана и действующих на нижний эмульсионный слой. В качестве источника излучения использовали радиоактивный изотоп иридий-192. Результаты экспериментов приведены в таблице 1.
Анализ результатов показал (как видно из таблицы), что в формировании оптических плотностей верхнего эмульсионного слоя вклад электронов, выбиваемых из переднего усиливающего экрана, составляет 62,8 %, т.е. в 1,7 раза больше, чем вклад при непосредственном экспонировании ионизирующим излучением. Так как фотографическое действие
Рис. 2 - Схема эксперимента по изучению особенностей формирования радиографического изображения: 1 - источник излучения; 2 - фильтр; 3 - коллиматор; 4 - ступенчатые клинья из алюминия; 5 - передний усиливающий экран (свинцовая фольга), помещенный отдельно от пленки; 6 - задний усиливающий экран (свинцовая фольга), помещенный отдельно от пленки; 7 - кассета; 8 - передний усиливающий экран (свинцовая фольга), находящийся в контакте с пленкой; 9 - радиографический фотоматериал; 10 - задний усиливающий экран (свинцовая фольга), находящийся в контакте с пленкой; 11 - дозиметр ДРГЗ-04
Таблица 1 - Действие ионизирующего излучения на эмульсионные слои радиографического фотоматериала при экспонировании с металлическими усиливающими экранами
Излучение, действующее на эмульсионные слои Оптическая % от суммар-
плотность, ной оптиче-
□, Б ской плотности слоя
Верхний эмульсионный слой:
• гамма-излучение иридия-192; 1.10 37.2
• гамма-излучение иридия-192 и электроны, выбивае- 2.96 100
мые из переднего усиливающего экрана; 1.86 62,8
• электроны, выбиваемые из переднего усиливающего
экран;
• обратное рассеянное излучение заднего усиливаю- - -
щего экрана.
Нижний эмульсионный слой: 1.05 О О'1? 37.8 1 АА
• гамма-излучение иридия-192;
• гамма-излучение иридия-192 и электроны, выбиваемые 2.83 100
из переднего усиливающего экрана, а также излучение со
стороны заднего усиливающего экрана;
• гамма-излучение иридия-192 и рассеянное излучение
со стороны заднего усиливающего экрана; 1.57 55,4
• электроны, выбиваемые из переднего усиливающего 1.24 43,8
экран;
• обратное рассеянное излучение со стороны заднего 0.52 18.4
усиливающего экрана
ионизирующего излучения определяется электронами, образующимися при поглощении, можно сделать вывод, что эта разница определяется различным поглощением энергии излучения экраном и эмульсионным слоем фотоматериала. Оптическая плотность нижнего слоя формируется, в основном, из трех составляющих: оптической плотности, образующейся при экспонировании непосредственно ионизирующим излучением, падающим на радиографический материал (и частично поглощенным передним экраном и верхним слоем), и обратным рассеянным излучением со стороны заднего экрана; кроме того, на этот эмульсионный слой могут оказывать влияние электроны, выбитые из переднего усиливающего экрана (и частично поглощенные верхним эмульсионным слоем и основой).
Обращает на себя внимание тот факт, что вклад электронов, выбиваемых с переднего усиливающего экрана, в построение изображения в этом слое составляет 43,8%, то есть передний экран играет очень значительную роль в построении изображения на обоих слоях. Электроны, эмиттированные из переднего экрана и оказывающие фотографическое действие на нижний эмульсионный слой, проходят через верхний эмульсионный слой и основу; поэтому можно сделать вывод о том, что длина пробега этих электронов более 200 мкм (суммарная толщина основы и эмульсионных слоев), то есть сравнима с толщиной фотоматериала.
Известно [1], что электроны, образующиеся при поглощении ионизирующего излучения, распространяются не только строго по направлению излучения, но также значительно рассеиваются. Длина пробега электронов, эмиттируемых из переднего усиливающего экрана, как показали экспериментальные данные, сравнима с толщиной фотоматериала, на основе чего можно сделать вывод, что качество радиографического изображения будет определяться, прежде всего, передним усиливающим экраном.
Задний усиливающий экран также поглощает ионизирующее излучение, и его вклад в построение оптической плотности изображения, формируемого в нижнем эмульсионном слое, составляет 18,4 %. Так как при поглощении ионизирующего излучения фотоны могут рассеиваться во всех направлениях, а образующиеся электроны - только в направлении излучения [5, 6], можно сделать вывод о том, что фотографическое действие заднего усиливающего экрана является следствием обратного рассеянного излучения (табл. 1).
Обобщая полученные результаты, можно сделать следующие выводы:
1. На примере экспонирования радиографического фотоматериала ионизирующим излучением радиоактивного изотопа иридий-192 рассмотрены особенности формирования изображения при экспонировании с металлическими усиливающими экранами. Установлено, что основной вклад в построение изображения в эмульсионных слоях вносят электроны, образующиеся при поглощении излучения в переднем усиливающем экране.
2. Установлено, что формирование изображения в верхнем эмульсионном слое радиографического фотоматериала осуществляется за счет электронов, эмиттируемых передним усиливающим экраном (62.8%), и электронов, образующихся непосредственно в эмульсионном слое при поглощении ионизирующего излучения (37,2 %).
3. Установлено, что формирование изображения в нижнем эмульсионном слое радиографического фотоматериала осуществляется за счет электронов, образующихся в эмульсионном слое при поглощении прямого ионизирующего излучения (37.8 %), и обратного рассеянного, падающего со стороны заднего экрана (18,4 %).
Литература
1. Румянцев, С.В. Радиационная дефектоскопия / С.В. Румянцев. - М.: Атомиздат, 1974. - 513 с.
2. Гурвич, А.М. Физические основы радиационного контроля и диагностики / А.М. Гурвич. - М.: Энергоиздат, 1989. - 167 с.
3. Фризер, Х. Фотографическая регистрация информации / Х.Фризер. - М.: Мир, 1978. - 671 с.
4. Nodestructive testing and diagnostics. / Edited V.V.Klyev. - Houston, USA: Metrix Instrument Co, -2004. - 211 p.
5. Pollitt, C. Radiography with High-Energy Radiation / C.G Pollitt // Journal of the British Steel Castings Research Association. - 2001. - № 65. - Р. 327-421.
6. Кондаков, А.В. Рентгенофазовый анализ элементного серебра, образующегося в процессе «пе-реосаждения» в Ag-желатин-иммобилизованных матричных системах / А.В. Кондаков [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2008. - №2 - С. 39-46
© Н. И. Ли - канд. техн. наук, доц. каф. технологии полиграфических процессов и кинофотоматериалов КГТУ, ninel@kstu.ru ; А. С. Хабибуллин - канд. техн. наук, зав. каф. технологии полиграфических процессов и кинофотоматериалов КГТУ.
