CC BY
8
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА
Том 248 1975
*
ОЦЕНКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МЕТОДА ИНТРОСКОПИИ
БЫСТРЫМИ МОНОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ЭЛЕКТРОНАМИ
В. И. БОЙКО, В. В. ЕВСТИГНЕЕВ, В. М. ЗЫКОВ (Представлена научным семинаром НИИ электронной интроскопии)
Для конторля неоднородностей и внутренних дефектов относительно тонких (<5 г/см2), непрозрачных для света материалов возможно применить источники моноэнергетических электронов, излучение которых проникает сквозь образцы и создает теневое изображение внутреннего строения последних. Для преобразования невидимого электронного изображения в видимое необходимо использовать какой-либо электронно-оптический преобразователь. Перспективным в этом плане является сцинтилляционный метод электронно-оптического преобразования, дающий прямое оптическое изображение. Эго изображение после соответствующего усиления электронно-оптическим усилителем света можно наблюдать непосредственно глазом или передавать на фотокатод телевизионной системы и наблюдать на экране телевизора.
А. М. Якобсон и Ф. Н. Новицкий произвели оценку чувствительности бета-интроскопа [1]. При этом они считали, что бета-изображение создается в основном первичной компонентой бета-излучения, а рассеянное излучение дает общий фон.
Очевидно, что толщина просматриваемого материала должна быть мала по сравнению с пробегом частиц.
Настоящая работа посвящена оценке возможностей сцинтилляци-онного метода электронной интроскопии с помощью моноэнергетического пучка быстрых электронов, когда толщина контролируемого материала почти равна экстраполированному пробегу электронов.
При прохождении электронного пучка через вещество изменяется интенсивность пучка, распределение частиц по энергии и направление их движения. Изменение этих характеристик определяется массовой толщиной образца, пройденной электронным пучком и слабо зависит от атомного номера материала. Это позволяет использовать электронный пучок для контроля неоднородностей и внутренних дефектов слоистых изделий и материалов [2]. При измерениях с помощью сцинтилляцион-ного детектора его показания будут пропорциональны площади под кривой распределения поглощенной энергии в сцинтилляторе за образцом. Чувствительность сцинтилляционного метода для однородных образцов можно оценить из распределений поглощенной энергии (В(х))у полагая, что материал сцинтиллятора, расположенного непосредственно за образцом, несущественно искажает распределение О(х). Кривая поглощенной энергии для всех веществ имеет максимум и сле-
дующий за ним быстрый, близкий к линейному спад. Быстрое спадание ионизации с глубиной материала обеспечивает необходимую точность измерения толщины всего образца или обнаружения места дефекта. Изменение ¡поглощенной энергии D(x), близкое к линейной зависимости, выполняется в интервале (0,5^-0,9)RQl где Яэ — экстраполированный пробег. Чувствительность метода запишем в виде отношения
W
ох
AD
где oD = —--относительное приращение поглощенной энергии,
Дх
ох =--относительное изменение толщины.
л:
Для производной D' (х) в пределах линейного участка выполняется соотношение:
L. („
Ах R э — х
Тогда
oD _ D'(x).x — р •
ОХ |
X
Из выражения (2) видно, что относительное изменение интенсивности тем больше, чем больше х, т. е. с увеличением толщины для данной энергии выявляемость улучшается. Однако рабочим участком следует признать участок х= (0,7^0,9) так как при х<0,7-#э мало AD
, а при х>0,9*./?э мала интенсивность и велики флуктуации сигнала.
Минимальный размер дефекта по толщине в статическом режиме определим из выражения (2)
D'(x)-x \ х )
В последнем выражении заменим бD на порог контрастной чувствительности детектирующего устройства К, учтем, что рабочая точка находится на х=0,8-R0 и введем коэффициент надежности £ = 30, тогда
1-—3'). (4)
К примем равным 2%, так как чувствительность существующих элект-ронно-оптических преобразователей равна (2^-4)%.
Таким образом, предельное значение чувствительности метода электронной интроскопии равно
1,5%.
Наибольший эффект следует ожидать в случае слоистых изделий, когда на тяжелый материал толщиной (0,6^-0,8)нанесен тонкий, легкий материал (пленки, покрышка), причем контролировать необходимо последний. Суммарная толщина не должна превышать 0,9 /?э. В этом случае контроль будет производиться в области толщин, равных (0,7-^0,9)Яэ, и электронный пучок будет падать на образец со стороны тяжелого материала. Электроны, пройдя весь образец, попадают в дефектную область в легком материале, а затем, почти не рассеиваясь, попадают на сцинтиллятор. Это позволит получить хорошую контраст-
ность. Изображения же дефектов, лежащих в области толщин (0-^0,5)Яэ, будут размываться вследствие многократного рассеяния, которое претерпевает электрон в образце.
Выше была рассмотрена величина минимальной неоднородности Ах, которая может быть обнаружена электронным интроскопом. При этом полагалось, что поперечный размер дефекта ¿7 может быть произвольным. В действительности количество электронов Ы, поглощаемое элементом сцинтиллятора площадью д2 за время I, будет испытывать флуктуации, средний квадрат которых равен N. Число электронов определим следующим образом:
Л = (5)
где
г\(х) — коэффициент поглощения электронов,
А^о — число электронов, падающих на единицу площади образна в единицу времени.
В результате флуктуационных колебаний числа N яркость В элемента д2 будет воспринята глазом или приемником со временем накопления I как величина, изменяющаяся случайным образом со средней относительной амплитудой колебаний
ДВ
В
АТУ ^
(6)
фл N у N
При этом предполагается, что каждый поглощенный в сцинтилля-торе электрон порождает достаточно большое число световых квантов. Для нормального видения дефекта необходимо, чтобы относительная амплитуда флуктуационных колебаний была в несколько раз меньше, чем минимальный контраст изображения, т. е.
(7)
где
В
£ — коэффициент превышения сигнала над шумом—(2-*-4).
Из формулы (7) на основании формул (5, 6) получим
д2 >---.
АГо-тК*) * ь • к2
Полагая время накопления глаза /«0,1 сек., К=0,02 1—4, /У0= 1012 электронов/см2 сек, коэффициент поглощения электронов на глубине около (0,8-^0,9)ЯЭ; ц(х)= (0,1-^-0,2), определим минимальный линейный размер дефекта, выявляемого интроскопом
<7 = (0,1-0,2) мм.
Таким образом, проведенные расчеты показывают, что на существующей аппаратуре и источниках моноэнергетических электронов можно создать эффективные электронные интроскопы.
ЛИТЕРАТУРА
1. А. М. Я к о б с о н и Ф. Н. Новицкий. «Заводская лаборатория», № 10, 1194, 1963.
2. Б. А. Кононов, К. А. Д е р г о б у з о в, Ю. М. Степанов. «Дефектоскопия», № 4, 77, 1968.
