книги из ГПНТБ / Ядернофизические методы анализа и контроля технологических процессов [сборник статей]

Если при однородной поверхностной плотности слоя распреде­ ление поверхностной плотности излучения, прошедшего через по­ глощающий слой по ширине слоя имеет вид I —A Iо(х), где А — величина, учитывающая излучение источника и геометрию систе­

Пусть материал в слое произвольным образом перераспределит­ ся при неизменном количестве материала и выражение для по­ верхностной плотности потока излучения, прошедшего через слой, примет вид 1= А 1\{х). Тогда, для полной величины потока излуче­ ния, прошедшего через слой, получим

случае не равны, то перераспределение материала в поглощающем слое должно привести к изменению потока излучения, прошедшего через материал. Отсюда следует, что при измерениях различных параметров материалов, основанных на поглощении излучений, перераспределение (при неизменном количестве) материала в по­ глощающем слое должно привести к появлению специфической погрешности измерений. Величина этой погрешности может быть определена отношением

Д (х) dx

I /0 (х) dx

о

С другой стороны, это же явление может быть использовано для оценки степени равномерности распределения материала в поглощающем слое.

Для оценки возможной величины погрешности, рассмотрим однородный поток излучения.

Будем считать, что материал в поглощающем слое расположен так, что нижняя и боковые поверхности его жестко фиксированы,

102

закону

у = k x + у0,

где у 0, х , у, к — соответственно средняя толщина, текущие коор­ динаты по ширине и толщине, угловой коэффициент верхней поверхности слоя; то для потока излучения, прошедшего через слой, получим

изменение распределения материала при неизменном его количестве в поглощающем слое приводит к появлению погрешности измере­ ния параметров слоя, связанных с поглощением излучения.

Величина погрешности увеличивается с возрастанием коэффи­ циента поглощения излучения и с увеличением степени неравно­ мерности распределения материала в поглощающем слое.

Этот фактор, безусловно, ограничивает возможности методов, основанных на поглощении излучений для измерения параметров материалов, имеющих перемещенную геометрию поперечного се­ чения.

УДК 539.106

С. А. Бибинов, Ю. Б. Мухин

РАДИОИЗОТОПНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРА ТОНКОЙ ВОЛЬФРАМОВОЙ ПРОВОЛОКИ

Быстрое развитие электротехнической промышленности и элек­ троники требует дальнейшего количественного и качественного рос­ та производства тонкой вольфрамовой проволоки.

103

Одним из показателей качества проволоки является точное соответствие фактического диаметра проволоки номинальному.

В настоящее время допуски на.вольфрамовую проволоку раз­ личного диаметра следующие (%);

Для удовлетворения таких высоких требований к проволоке предложены разнообразные методы и приборы: механические и оптические [1], приборы с токовихревыми и емкостными датчиками [2], с механотронными преобразователями [3], газоразрядные мик­ рометры [4], радиоизотопные приборы и лазеры. Применение тех или иных приборов и методов обусловлено свойствами материала проволоки, размером, необходимой точностью, производственными условиями измерения.

На заводах, производящих тонкую вольфрамовую проволоку, до сих пор диаметр определяется взвешиванием отрезка проволоки. Метод этот трудоемкий, требует использования дорогих торсион­ ных весов. Главный его недостаток — контроль диаметра только на концах катушки.

Приборы типа рычажных микрометров и фотооптиметров с ценой деления 1 мкм требуют очень осторожного и умелого обра­ щения, легко разрегулировываются, поэтому для цеховых условий малопригодны. В механических приборах необходимо значитель­ ное контактное усилие, вследствие чего возможно смятие измеряе­ мой проволоки, а отсюда — неверные показания. Механотронные преобразователи можно применять только для периодического контроля из-за быстрого износа расчетного контакта механотрона. Из бесконтактных способов метод вихревых токов трудно реали­ зовать ввиду малой проводимости вольфрама; фотоэлектрический метод (широко применяемый для контроля толстой проволоки) не обеспечивает необходимой точности при контроле тонкой проволо­ ки из-за дифракционных и интерференционных явлений.

В настоящее время проводятся работы по применению ионизи­ рующих излучений для измерения диаметра проволоки [5, 6]. И з­ вестны два варианта этого метода: р-теневой [7] и у-теневой. До­ стоинство первого — простота выполнения измерительной головки, легкость осуществления защиты от р-лучей; второго — возможность получения большей точности измерения из-за снижения аппаратур­ ной погрешности, наличие плато в счетной характеристике.

Мы исследовали возможность применения у-теневого метода для измерения диаметра вольфрамовой проволоки от 12,5 до 180 мкм. Для этих целей мы пользовались щелевым коллиматором из полированных брусков вольфрама.

104

Блок-схема установки представлена на рис. 1. С целью выбора источника, обеспечивающего наибольшую чувствительность, изме­ рен диаметр проволоки е Cd109, Am241, Pm 147, Fe55, Sr90. Наилучшая чувствительность, т. е. относительное приращение счета при изме­

Оптимальные размеры щели получены по следующим приближен­ ным формулам:

N = а0/ (h — d) + <sQlde~™d ,

где N — поток излучений, прошедший через коллиматор с измеряе­ мой проволокой; 0О— поток излучения, проходящий через единицу

где A = d ]—d2. Относительная ошибка измерения определяется как e=<AN/N. Изменение счета на единицу параметра ДА должно быть в 3—5 раз больше статистической и аппаратурной ошибок:

Контроль диаметра проволоки в динамике происходит следую­ щим образом. Измерительная головка с источником, коллимато­ ром и сцинцилляционным детектором устанавливается на воло­ чильном станке. Измеряемая проволока центрируется с помощью направляющих роликов в щели и непрерывно перемещается со скоростью 30 м/мин. Регистрация осуществляется на пересчетный прибор ПП-9-2М, в течение времени измерения (30 сек.) -накапли­ вается информация о диаметре проволоки. Результат фиксируется на цифропечатающей машине БЗ-15, затем осуществляется авто­ матический сброс и новый пуск регистратора.

Таким образом, на ленте цифропечатающей машины дискретно появляются данные об усредненном диаметре на 15-метровом участке проволоки.

Для проверки точности регистрации методом травления были приготовлены катушки проволоки со ступенчатым изменением диа­ метра (120— 118,5— 117 мкм). Зависимость изменения счета по длине катушки представлена на рис. 2а. На рис. 26 представлен график изменения счета нормальной катушки (изменение диамет­ ра в пределах допуска).

В заключение следует отметить достоинства радиоизотопногометода для измерения тонкой вольфрамовой проволоки.: бесконтактность; большой срок работы без замены источника; нечувст­ вительность измерения к слою смазки (отпадает необходимость в очистке проволоки); возможность оперативного контроля (100%) проволоки, а также процесса волочения, т. е. сокращение брака и непроизводительной работы оборудования; возможность центра­ лизации контроля на большом числе станков единым регистрато­

-06

ром, обрабатывающим информацию с датчиков, установленных на каждом станке, и выдающим допусковые сигналы на рабочее место.

ДЕЙСТВИЕ у-ИЗЛУЧЕНИЯ НА СТЕКЛА, АКТИВИРОВАННЫЕ НЕОДИМОМ

Свойства стимулированного излучения твердотельных лазеров во многом определяются радиационными дефектами, генерирован­ ными в активных элементах ОКГ мощным излучением источника накачки и ионизирующим излучением. В частности, облучение че­ тырехуровневого стеклянного лазера у-лучами существенно изме­

В настоящей статье описывается влияние центров окрасок, об­ разованных у-лучами Со60 в стеклах, активированных Nd3+ с Се, на свойства излучения четырехуровневого стеклянного лазера.

Активные элементы типа ГЛС-4П, ГЛС-28-2, ГЛС-1 и импульс­ ная лампа накачки ИФП-5000 располагались в одноламповом, эл­ липтическом осветителе. Образец находился в стеклянной (квар­ цевой) трубке и охлаждался проточной водой. Лазерный активный элемент облучался у-лучами Со60 при мощности потока 100 pjceK дозой 0— 109 р. Резонаторами служили внешние плоские, диэлек­ трические зеркала с отражением 100 и 70%. Свойства стимулиро­ ванного излучения твердотельного лазера в течение. одной вспышки изучались фотоэлектрическим, калориметрическим, спект­ ральным и фотографическим методами, описанными в '[!].'■ :

На рис. 1 приведены типичные осциллограммы временных характеристик стеклянных лазеров типа ГЛС-4Г1, • содержащих

107

ли, что с увеличением дозы у-луча поглощение стекла, активиро­ ванного Nd3+, в области генерации существенно растет.

Снижение выхода твердотельного лазера и интенсивности линий генерации, уменьшение размера пучка по сечению и длительности импульсов лазера, а также повышение поглощательной способно­ сти во всех полосах стекла с Nd3+ после облучения в обоих типах стеклянных лазеров, особенно в области генерации, объясняется* как нам кажется, возникновением центров окрасок в стеклянных

но, что железо в стеклах-может существовать в пяти формах: в ка­ честве модификатора сетки — Fe2+, стеклообразователя — Fe3+, про­ межуточных ионов — Fe2+-Fe3+, коллоидно-дисперсных окислов —

Fe203, FejCU и щелочных ферритов [4]. Снижение концентрации Fe3+ в стекле и появление Fe2+ после облучения может привести к увеличению поглощательной способности стекла с Nd3+, особенно в области генерации лазера, так как полосы поглощения центров окрасок Fe2+ лежат в спектральном интервале излучения неодимо­ вого лазера. Заметное изменение указанных характеристик стиму­ лированного излучения лазера, рбусловленное появлением центров Fe2+, наблюдается при дозе 104 р для образцов типа ГЛС и при !02— 103 р для КГСС. Эти центры окраски более устойчивы отно­ сительно действия мощного видимого излучения источника накач­ ки, так.-как расположены в инфракрасной области спектра.

10»

Исследование временных, энергетических свойств излучения

•Лазера и спектральных характеристик лазерных активных элемен­ тов, приготовленных с добавлением 0,1% церия (образцы типа ГЛС), показало, что образцы с церием устойчивы к радиационным повреждениям вплоть до 104 р. Начиная с дозы 105 р энергетичес­ кие и временные характеристики ухудшаются, снижается выход лазерного излучения.

В, см‘

Результаты наших исследований могут представить практичес­ кий интерес, в частности, для изучения радиационных явлений б лазерных материалах собственным стимулированным излучением генератора и для создания индикаторов ионизирующего излучения.

110

у-лучами, представляют собой электроны и дырки, локализован­ ные на собственных или примесных дефектах решетки. Центрами окрасок в активном элементе рубинового лазера являются Сг2+ и Сг4+. Изменение в концентрации активатора с участием центров окрасок в рубине может значительно влиять на модовую структу­ ру излучения рубинового лазера [1—3].

В настоящей статье исследуется влияние центров окрасок на модовую структуру рубинового лазера в зависимости от дозы у-лучей.

Эксперимент проводился на лазерной установке, работающей в свободном режиме. Активным элементом лазера служил светлорозовый рубин длиной 75 и диаметром 7,5 мм с концентрацией хрома 0,05%. Активный элемент и лампа-вспышка источника на­ качки ИФП-5000 располагались в фокусах эллиптического отра­ жателя. В ходе эксперимента образец охлаждался проточной во­ дой. Центры окрасок в рубине создавались у-лучами мощностью 100 р/сек в пределах доз 102— 108 р. Излучательная способность лазера восстанавливалась мощным видимым излучением лампывспышки и термоотжигом; модовая структура исследовалась фо­ тоэлектрическим и сверхскоростным (СФР) методами [4]. Спектр поглощения исследуемого образца в зависимости от дозы у-лучей был зарегистрирован в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Резонаторами служили плоские диэлектрические зеркала с отражением 70 и 100%.

При у-облучении активный элемент рубинового лазера окра­ шивался и цвет его с увеличением дозы облучения становился темнее. До облучения рубин в области спектра 400—750 нм имеет две полосы поглощения с максимумами 420 и 550 мл. После у-облу- чения дозой свыше 103 р (рис. 1) наряду с двумя полосами погло­ щения (/) появляется новая полоса (5) с максимумом 470 нм, интенсивность которой возрастает с ростом дозы облучения вплоть до 10® р. При дозах облучения от 106 до 109 р спектр поглощения исследуемого лазерного рубина остается почти неизменным, что

разуется и при облучении мощным ультрафиолетовым светом' лампы-вспышки. По мнению авторов работ [1, 5—7] полоса погло­ щения рубина с максимумом на длине волны 470 нм обусловлена электронно-дырочными процессами, в результате которых актива­ тор Сг3+ изменяет валентность, образуя центры окрасок Сг2+ иС г4+.

Рассмотрим влияние центров окрасок, наличие которых мы уста­ новили экспериментально в зависимости от дозы у-лучей, на модо­ вую структуру излучения рубинового лазера. Временная структура рубинового лазера с плоскими зеркалами представляет собой на­ бор хаотически чередующихся пичков различных амплитуд. Пичковая структура излучения лазера регистрировалась ФЭУ-22 и осциллографом ОК-17М. Более отчетливая структура пичков без

111