Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 18 )

4.4.2 Индикаторы ионизирующего излучения

Для преобразования распределения интенсивности или суммарной дозы ионизирующего излучения, полученного после взаимодействия с контролируемым объектом, в видимое могут быть использованы следующие индикаторы: фотопленка, ксерорадиографическая пластина, радиолюминесцентные индикаторы, электронно-оптические преобразователи и рентгеновидиконы. Универсальным индикатором, используемым в наиболее широком спектре излучений, является фотопленка. Она имеет наибольшее применение в настоящее время в неразрушающем контроле качества. Рентгеновидиконы могут быть использованы в качестве индикаторов в сочетании с радиоэлектронными блоками обработки электрических сигналов. Вместе с тем рентгеновидиконы могут применяться как преобразователи рентгеновского излучения в электрические сигналы и служат основой для построения автоматизированных систем контроля. Рассмотрим особенности индикаторов ионизирующих излучений, которые применяются для контроля качества промышленной продукции.

Фотопленка использует фотохимический эффект взаимодействия ионизирующих излучений с веществом, широко применяется для дефектоскопии и изучения внутреннего строения контролируемых объектов. Она обладает свойством интегрировать падающее излучение, причем при правильной организации контроля легко получать дефектоскопическую чувствительность не хуже 1 % [1].

Радиолюминесцентные индикаторы [22–24] изготавливают на основе различных люминофоров в виде экранов или монокристаллов (сцинтилляторы). Эти индикаторы преобразуют падающее ионизирующее излучение в видимое свечение, что позволяет оператору производить неразрушающий контроль непосредственно в технологическом потоке или фиксировать видимое изображение с помощью фото - или видеоаппаратуры.

Сцинтилляционные монокристаллы [24] изготовляют из неорганических веществ, например NaI (Т1), К1 (Т1), СSI (Na), а также из органических веществ, например антрацен, стилбен и др., в виде пластин или дисков. При взаимодействии падающего излучения с атомами монокристалла происходят короткие (около  с) вспышки света (сцинтилляции), число которых зависит от интенсивности падающего на монокристалл ионизирующего излучения и его спектра.

Сцинтилляционные кристаллы являются основой для создания сцинтилляционных счетчиков с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), рентгеновских электронно-оптических преобразователей (РЭОП) и других устройств для преобразования ионизирующих излучений в видимое изображение. Подбирая монокристаллы различного состава, можно преобразовывать в световое излучение (далее – в электрический сигнал) ионизирующие излучения различных видов и энергий (от 30 кэВ до 40 МэВ). Поскольку толщина кристаллов может быть сделана достаточно большой, эффективность регистрации излучения с их помощью повышается. Поэтому по сравнению с флуоресцирующими экранами и фотопленкой сцинтиллирующие кристаллы имеют более высокую эффективность преобразования излучения и повышенную разрешающую способность.

Электронно-оптические преобразователи [22–25] при радиационном контроле качества используются с двумя целями: для преобразования изображения ионизирующего излучения в видимое изображение (рентгеновский ЭОП – РЭОП) и для повышения яркости изображения в видимом свете (усилитель яркости). В первом случае электронно-оптический преобразователь имеет мишень, чувствительную к воздействию ионизирующего (чаще всего рентгеновского) излучения. Рентгеновские электронно-оптические преобразователи позволяют выявлять дефекты с размером 3–5 % толщины полуфабриката или изделия при разрешающей способности 1,5–2 линий/мм.

При использовании электронно-оптического преобразователя в качестве усилителя яркости преобразование изображения ионизирующего излучения в видимое осуществляется сцинтиллятором, флуороскопическим экраном или другим рентгеновским электронно-оптическим преобразователем, а изображение в видимом свете проецируется на фотокатод вторичного электронно-оптического преобразователя. Полученное на выходном экране более яркое изображение может быть подано на следующий электронно-оптический преобразователь, т. е. еще раз усилено по яркости. Системы таких электронно-оптических преобразователей называют каскадными и используют на практике до пяти каскадов усиления яркости.

Рентгеновидиконы – это специальные передающие телевизионные трубки, которые дают возможность получить электрический сигнал об интенсивности ионизирующего излучения после взаимодействия его с контролируемым объектом и получить видимое изображение этого распределения на телевизионном экране.

В целом устройство рентгеновидикона подобно устройству видиконов [22–24], работающих в диапазоне видимого света. Принципиальным отличием рентгеновидиконов, позволяющим использовать его для преобразования рентгеновского излучения в электрический сигнал, является полупроводниковая мишень, чувствительная к рентгеновскому излучению. Мишень рентгеновидикона изготавливают из аморфного селена, окиси цинка, окиси свинца, сернистой сурьмы и других соединений. Входное окно закрыто тонкой алюминиевой пластиной для защиты чувствительного слоя от воздействия других видов излучений (в первую очередь от видимого света).

4.4.3 Первичные преобразователи ионизирующего излучения в электрические сигналы

Преобразование величин, характеризующих ионизирующие излучения, в электрический сигнал могут производить следующие устройства: электронно-вакуумные приборы и рентгеновидиконы, фотоэлектронные умножители в сочетании с монокристаллическими сцинтилляторами, ионные приборы и полупроводниковые приборы. Каждый тип приборов имеет свои особенности и области наилучшего применения.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) [22–25] используют в паре со сцинтиллирующим кристаллом для получения электрических сигналов, зависящих от интенсивности и состава излучения. Фотон или частица, вызвавшая сцинтилляцию, приводит к появлению в цепи анода фотоэлектронного умножителя импульса электрического тока, который может быть зарегистрирован. Амплитуда полученного импульса зависит от энергии кванта ионизирующего излучения, материала и размеров сцинтиллирующего монокристалла, а количество импульсов, появляющихся за единицу времени, зависит от интенсивности падающего на монокристалл излучения.

Достоинствами сцинтиллятора, объединенного с фотоэлектронным умножителем, являются высокая чувствительность, большая разрешающая способность по времени ( с) и возможность измерения энергии частиц излучения. Недостатком ФЭУ являются: большой шум в выходном сигнале и влияние нестабильности напряжения высоковольтного источника питания.

Ионные приборы [22–24] основаны на взаимодействии ионизирующего излучения с газом, в котором оно создает свободные носители зарядов. Для неразрушающего контроля используют ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера. Разница между этими приборами состоит в конструктивных особенностях и различных электрических режимах работы.

Ионные приборы являются эффективными, простыми и доступными преобразователями энергии ионизирующих излучений в электрический сигнал. Недостаток этих приборов – ограниченные возможности по регистрации параметров излучений, сравнительно большие габариты и хрупкость.

Полупроводниковые приборы [24]. Работа полупроводниковых приборов основана на внутреннем фотоэффекте, проявляющемся в том, что при воздействии излучения изменяется удельная электрическая проводимость полупроводникового вещества за счет изменения числа носителей зарядов (электронов или дырок), количество которых связано с интенсивностью излучения и его энергий. Для регистрации ионизирующих излучений используют полупроводниковые резисторы с одним проводящим слоем и устройства с несколькими слоями, имеющими различные типы проводимости. Полупроводниковые резисторы (датчики проникающих излучений) изготовляют на основе пленок из поликристаллических материалов – сульфида кадмия, селенида кадмия и др. – путем возгонки в вакууме и осаждения полупроводниковой пленки на металлическую подложку, которая является одним из выводов. Второй вывод наносится поверх полупроводникового слоя также напылением в вакууме. Полупроводниковые детекторы многослойной конструкции для преобразования ионизирующих излучений в электрические сигналы изготавливают из германия или кремния. Полупроводниковые детекторы могут быть выполнены поверхностно-барьерными в виде -перехода или диффузионно-дрейфовыми в виде трехслойного кристалла -типа.

Поверхностно-барьерные детекторы сравнительно просты в изготовлении, работают при комнатной температуре и используются для регистрации и спектрометрии заряженных частиц с малой длиной пробега и нейтронов. Такие детекторы часто изготавливают на базе одного кристалла в виде пар, предназначенных для включения в дифференциальные схемы и мостовые электрические.

В целом полупроводниковые приборы являются удобными и перспективными преобразователями ионизирующих излучений в электрический сигнал, особенно когда необходимо измерять два параметра: интенсивность и энергию квантов излучения.

Фотоэлектронные умножители, ионные и полупроводниковые приборы получили наибольшее применение в практике радиационного контроля качества при реализации радиометрических методов в толщинометрии, контроле физико-химических свойств и изредка в дефектоскопии. Вместе с тем в тех случаях, когда индикаторы ионизирующих излучений по каким-либо причинам (вследствие низкой эффективности регистрации излучений с большой энергией квантов или малой чувствительности) не могут быть использованы, тогда одноточечные первичные измерительные преобразователи в сочетании со сканирующей системой и системой двумерной индикации дают возможность получить пространственные распределения интенсивности и спектрального состава ионизирующего излучения.

В этом смысле первичные измерительные преобразователи обладают универсальными свойствами, проще в изготовлении, имеют более высокие метрологические характеристики, хотя и за счет меньшей скорости получения информации (последовательный анализ).