Сравнение чувствительности идеализированных интроскопов на рентгеновидиконах с мишенями из селена и окиси свинца Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

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

Том 248 1975

СРАВНЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ИДЕАЛИЗИРОВАННЫХ ИНТРОСКОПОВ НА РЕНТГЕНОВИДИКОНАХ С МИШЕНЯМИ ИЗ СЕЛЕНА И ОКИСИ СВИНЦА

А. П. ШПАГИН, В. С. ДЕРКАЧ

(Представлена научным семинаром НИИ электронной интроскопии)

Приведены результаты расчетов зависимостей отношений сигнал/шум для идеализированых интроскопов на рентгеновидиконах с мишенями из селена и окиси свинца для двух толщин мишеней в области энергий моноэнергетического излучения 20-^200 кэв.

Чувствительность интроскопа определяется совместным влиянием всех его звеньев, параметров этих звеньев и процессами, проходящими в них. В частности, для интроскопа с рентгеновидиконом чувствительность определяется изменением доли поглощенной в мишени энергии излучения, электрофизическими свойствами мишени, ее геометрией, способом считывания потенциального рельефа, шумами усилителей и параметрами воспроизводящей аппаратуры. Чувствительность интроскопа может быть охарактеризована отношением сигнал/шум, обеспечиваемым данным интроскопом при просвечивании эталонного дефек-тометра, например, канавочного дефектометра с определенным отношением глубины канавки к толщине дефектометра.

Для анализа интроскопа и определения влияния отдельных его параметров на чувствительность целесообразно канал передачи информации в интроскопе разделить на последовательные самостоятельные этапы и произвести анализ каждого этапа. В интроскопе с рентгеновидиконом к первому этапу можно отнести преобразование модулированного потока гамма-излучения в распределение поглощенной в мишени энергии. Ко второму этапу — преобразование распределения поглощенной энергии в потенциальный рельеф на внутренней поверхности мишени и к третьему этапу-—преобразование потенциального рельефа в видеосигнал и обработка видеосигнала.

На каждом этапе преобразования информации возникают дополнительные шумы, что эквивалентно уменьшению отношения сигнал/шум, а следовательно, и чувствительности интроскопов.

Целью данной работы является оценка влияния материала мишени на первый этап преобразования информации в рентгеновидиконном интроскопе. Эту оценку можно произвести на основе сравнения отношения сигнал/шум идеализированных интроскопов, характеризующихся тем, что все этапы преобразования, кроме первого, не вносят дополнительных шумов, т. е. отношение сигнал/шум на выходе интроскопа равно отношению сигнал/шум после первого этапа преобразования. При этом удобно принять отношение сигнал/шум на входе интроскопа равным единице. Тогда отношение сигнал/шум на выходе идеализированного

интроскопа для случая моноэнергетического излучения может быть определено по формуле [1]

НЕ)= "(£) . (1)

где

П (Е)—-средняя энергия, поглощенная в мишени, при нормальном падании на нее одного кванта с энергией Е\ Пд (Е)—дисперсия поглощенной энергии.

Для мишени из селена в диапазоне энергий от 20 до 200 кэв функции П(£") и Пд(£) могут быть вычислены с достаточной для практического применения точностью по формулам, полученным с учетом только первого столкновения и в предположении, что вся передаваемая электронам энергия расходуется на ионизацию непосредственно в точке столкновения:

И (Е) = — (1 — е'^) (<сЕ + о£а) (2)

пд (£) = !( 1 _ (XЕ2 + а/е) е-*с*с, (3)

где

т и а — линейные коэффициенты фотоэффекта и комптоновского рассеяния для материала мишени;

/г и Нс — толщина полупроводникового слоя мишени и стеклянной планшайбы рентгеновидикона соответственно;

\х и ¡лс — коэффициент линейного поглощения полупроводникового слоя мишени и стеклянной планшайбы рентгеновидикона;

Еа и ¡е — энергия, передаваемая электрону отдачи в среднем за один акт комптоновского рассеяния и дисперсия этой энергии. Формулы, определяющие Е а и /е, приведены в литературе [1, 2].

Для материала мишени из окиси свинца в области энергий до 200 кэв при расчете функций П(£) и Пд (Е) необходимо учитывать энергию, выносимую характеристическими квантами, возникшими при фотоэффекте на /(-оболочке атомов свинца. В этом случае функцию Н(Е) удобно представить в виде двух функций

= + (4)

где

Т1\(Е) учитывает поглощенную в мишени энергию при условии, что все характеристические кванты вылетают из мишени. При энергии падающих квантов, меньших 200 кэв, и малых толщинах полупроводникового слоя функцию И\(Е) можно вычислить с точностью, достаточной для практического применения, по формуле, полученной с учетом только первого столкновения

П, (Е) = — (1 - е-**) (хЕ - хкЕк + ОЕ9) е^А, (5)

I*

где

т — коэффициент фотопоглощения только за счет фотоэффекта на Л'-оболочке атомов свинца.

Предполагая, что соотношение между т и Тк во всем интервале энергий сохранится таким же, как и в области скачка, для окиси свинца можно записать тк=0,81т.

Ек— средняя энергия характеристических квантов, для свинца Ек = 75 кэв.

Функция Пх(£) в формуле (4) учитывает энергию характеристического излучения, поглощаемую в полупроводниковом слое мишени. Так

как поглощение характеристических квантов проходит в основном за

счет фотоэффекта, то функция ПХ(Е) с высокой точностью может быть определена при учете только одного столкновения. Принимая, что характеристические кванты имеют изотропное распределение, а количество образовавшихся квантов пропорционально вероятности фотоэффекта на /(-оболочке атомов свинца можно получить для ПХ{Е) следующую формулу:

1(1

ем

(6)

где

Их — коэффициент ослабления характеристического излучения

С Л|2

в окиси свинца, в данном случае |лх=1,73- , у=соэ0 — косинус угла

г

между направлением первичного и характеристического квантов.

Соотношение для дисперсии поглощенной в материале мишени энергии Пд (Е) может быть получено, если считать, что все поглощаемые характеристические кванты поглощаются в объеме, соответствующем одному элементу разложения. В этом случае импульс тока, возникающий в мишени из-за поглощения характеристического кванта, будет складываться с соответствующим импульсом фотоэлектрона, так как они происходят одновременно. Поэтому поглощение характеристических квантов будет просто эквивалентно уменьшению тк и соответственно увеличению числа полностью поглощенных квантов. Тогда функция Пд (Е) выразится как

Пд (Е) = (1 — - Ек ^к (2Е - Ек) + аД] +

V-

+ ПХ{Е){2Е-Ек)\е~^с. (7)

По формулам (1—7) были проведены расчеты отношения сигнал/шум для идеализированных интроскопов на рентгеновидиконах с мишенями из селена толщиной 0,1 и 0,5 мм и окиси свинца толщиной 0,1 и 0,5 мм. При расчетах было принято, что плотность селена 4,8 г/см6, а плотность окиси свинца 8г/смг [3]. Расчеты проводились для рентгено-видиконов с торцевым стеклом толщиной Лс==2лш, состоящим из 34% кремния, 72% кальция, 10,8% натрия, 48% кислорода. Влияние сигнальной пластины при расчете не учитывалось, потому что предполагалось, что в качестве сигнальной пластины используется тонкий слой алюминия, а коэффициент ослабления излучения в алюминии и стекле примерно одинаковы. Если же в качестве сигнальной пластины применяется слой хлористого олова, то необходимо дополнительно учитывать ослабление излучения сигнальной пластиной.

Полученные в результате расчетов зависимости приведены на рис. 1, где кривые 1, 2 показывают зависимости отношения сигнал/шум идеализированных интроскопов на рентгеновидиконах с мишенями из

2. Заказ 8816 17

т6~ /

1.0

0£

0£

02

V ;

\|

V N

—

50

г'ОО

&3

Рис. 1. Отношение сигнал/шум для идеализированных интроскопов на рентгеновиди-конах с мишенями из окиси свинца и селена, толщиной 0,5 и 0,1 мм, соответственно кривые 1, 2, 3, 4

окиси свинца, толщиной соответственно 0,5 мм и 0,1 мм и 3, 4 — с мишенями из селена, толщиной 0,5 мм и 0,1 мм.

Из сравнения кривых 1-^-4, рис. 1 видно, что идеализированные рентгеновидиконные интроскопы с мишенями из окиси свинца имеют значения отношения сигнал/шум большие, чем интроскопы с мишенями из селена при одинаковых толщинах мишеней и одинаковых значениях

энергий излучения моноэнергетического источника, особенно в области энергий от 90 до 120 кэв. Так, если для одинаковых толщин мишеней из селена и окиси свинца 0,5 мм в области энергий от 50 до 90 кэв разнина в значениях отношения сигнал/шум составляет ^25%, то в области энергий от 90 до 200 кэв значения отношений сигнал/шум для мишени из селена меньше в 2,5-^3 раза. В области энергий от 90 до 200 кэв значения отношений сигнал/шум даже для мишени из окиси свинца толщиной ОД мм "больше значений отношения сигнал/шум для мишени из селена толщиной 0,5 мм. Второй максимум для мишени из окиси свинца и скачок при энергии 88 кэв обусловлены фотоэффектом на /(-оболочке атомов свинца. Первый максимум отношения сигнал/шум для обоих материалов мишеней в области энергий 30-ь50 кэв соответствует максимальной спектральной чувствительности рентгеновидиконов с мишенями из вышеуказанных материалов. Следовательно, интроскопы на основе рентгеновидиконов с мишенями из окиси свинца более перспективны, чем изготавливаемые в настоящее время с мишенями из селена. Ошибки в расчете отношения сигнал/шум по формуле (1) являются в основном систематическими и определяются ошибками, допущенными при расчете функций П(Е) и Пд (£"). Первая из них возникает вследствие того, что часть энергии, переданная электронам вблизи границы мишени, выносится ими за пределы мишени, а, с другой стороны, некоторая доля не учитываемой в расчете энергии переносится в мишень электронами, вылетающими из торцовой планшайбы рентге-новидикона. Однако в случае стеклянной или алюминиевой планшайбы энергия, переносимая из планшайбы, много меньше энергии, выносимой из мишени, и ее можно не учитывать. При рассматриваемых выше энергиях основной вклад в ошибку вносят фотоэлектроны, так как комптоновские электроны отдачи имеют малую энергию и малый пробег. При расчете ошибки предполагалось, что энергия выносится только фотоэлектронами, причем все фотоэлектроны летят перпендикулярно плоскости мишени и теряют свою кинетическую энергию на пути, равном максимальной глубине проникновения. Очевидно, что все эти предположения приводят к завышению ошибки, следовательно, вычисленная ошибка будет больше истинной. С учетом указанных допущений относительная ошибка расчета функции П(£) для мишени из селена определяется формулой где

о = —--е~

211 (£)

где

/ — максимальная глубина проникновения электрона с энергией Ее в материале мишени, Ее=Е—Есв, где Есв — энергия связи электрона. При расчете предполагалось, что все фотоэлектроны выбиваются с /(-оболочки, тогда £Св=13 кэв.

Относительня ошибка У Пд(£л) того же знака и, вероятно, того же порядка, что и ошибка, допущенная при вычислении функции П(£), а следовательно, относительная ошибка, допущенная при вычислении отношения сигнал/шум, меньше ошибки П (Е).

Для определения относительной ошибки, допущенной при вычислении П(£) для мишени из окиси свинца, можно получить следующую формулу:

8 в ЬЛ (Е ~ Е'к) + U ~ (Е - El) + 1Ъ (Е'к - El)\ 100% e-v.chc

2П (Е)

(9)

где

Ек1 и El — энергия связи электронов на К и L — оболочках атомов свинца, равные соответственно 88 кэв и 15 кэв.

tu hy h— экстраполированные пробеги электронов, взятые при энергиях соответственно Е—Ек\ Е—ELt ЕК1—Еь из литературы [4].

Расчет по формулам (8) и (9) дал следующие значения относительной ошибки функции П (Е) для мишени из окиси свинца толщиной 0,1 мм: 6%, 6%, 11% соответственно для энергий 100 кэв, 150 кэв, 200 кэв и для мишени из селена толщиной 0,1 мм: &%, 16%, 20% для тех же значений энергий. При увеличении толщины мишени относительная ошибка уменьшается обратно пропорционально поглощенной энергии (ведь абсолютная ошибка не изменяется с изменением толщины мишени).

Выводы

Приведенные расчеты показывают, что интроскопы на рентгеновидиконах с мишенями из окиси свинца должны иметь большую чувствительность, чем интроскопы на рентгеновидиконах с мишенями из селена при одинаковых толщинах мишеней, особенно в диапазоне энергий 90^-200 кэв, что обусловлено высоким эффективным атомным номером материала мишени. Наличие второго максимума в зависимости if> (Е) для интроскопов на рентгеновидиконах с мишенями из окиси свинца в области энергий 100-*-200 кэв позволяет предположить, что указанные интроскопы с промышленными рентгеновскими установками на 120^ 200 кэв можно использовать при просвечивании изделий средней толщины— из алюминия порядка 100 мм, из стали—30 мм.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. П. Ш п а г и н. Кандидатская диссертация. Томск, 1967.

2. С. В. Стародубцев, А М. Романов. Взаимодействие гамма-излучения с веществом. Часть I, изд-во «Наука», Уз. ССР, Ташкент, 1964.

3. Справочник химика. Т.. I ,1963.

4. L. V. Spenser. Energy Dissipation bu Fast Electrons. Nat. Bur. St(US), 1959.