книги из ГПНТБ / Румянцев, С. В. Радиационная дефектоскопия

[13].Возрастание яркости свечения флуороскопического экрана

сповышением тока рентгеновской трубки объясняется увеличе­

нием дозы излучения, поглощаемой экраном за одно и то же время.

Увеличение яркости экрана с повышением напряжения на трубке можно объяснить следующим. Материал экранов доста­ точно плотный и непрозрачный, поэтому при низком напряжении

5

Рис. 9.3. Зависимость яркости экрана от тока (а) и напряжения (б) рентге­ новской трубки. Сплошные кривые — фильтры не использовали: штриховые — алюминиевый фильтр толщиной 38 мм.

излучение сильно поглощается ближайшими к трубке слоями экрана, и свечение слоев экрана, близких к наблюдателю, бу­ дет меньшим.

Повышение напряжения па трубке вызывает интенсивное свечение слоев экрана, более близких к наблюдателю, так как поглощение излучения первыми слоями уменьшается. При на­ пряжении свыше 200 кв яркость свечения будет убывать в силу уменьшения поглощенной дозы излучения. Поэтому наиболее эффективным диапазоном напряжений при просвечивании сле­ дует считать 50—200 кв.

На яркость изображения существенно влияют толщина и плотность просвечиваемого материала. С увеличением толщины материала яркость свечения экрана при низком напряжении убывает быстрее, чем при высоком. Однако повышение яркости свечения экрана за счет повышения напряжения и тока рент­ геновской трубки нельзя считать радикальным средством улуч­ шения выявляемое™ дефектов, поскольку увеличение яркости за счет повышения тока трубки невелико, а увеличение напря­ жения на рентгеновской трубке снижает чувствительность про­ свечивания. Кроме того, увеличение тока и напряжения трубки

34 2

связано с большей радиационной опасностью для контролера. Правда, радиационную опасность можно до некоторой степени снизить, применив установку для непрямого наблюдения экрана, когда наблюдатель находится вне пучка рентгеновского излуче­

лучения, например сцпнтилляционные кристаллы, или использовать специальные усилители яр­

кости изображения. К ним относятся полупроводниковые усили­ тели. основанные на использовании электролюминесценции, электроннооптические преобразователи и усилители яркости изображения.

в. Сцинтилляционные кристаллы

В установках для визуального рентгеновского контроля вместо флуороскопических экранов можно применять сцинтилляцнонпые кристаллы, в частности монокристаллы Nal(-Tl), К1(Т1), CsI(Tl) и др. Такие монокристаллы в некоторых случаях, превосходят флуороскопические экраны (Zn, Cd)S, Ag по каче­ ству изображения и эффективности регистрации излучения. Зер­ нистость люминесцентного слоя флуороскопических экранов обусловливает их большую внутреннюю нерезкость и малую разрешающую способность. Вследствие этого невозможно уве­ личение толщины люминесцентного слоя с целью повышения эффективности регистрации излучения.

343

Отличительными особенностями монокристаллических сцин­ тилляторов являются следующие: а) хорошее перекрытие спектра излучения со спектральной характеристикой современ­

ляют применять их для просвечивания материалов тормозным излучением с энергией до 15—30 Мэе, расширив тем самым диапазон толщины изделий, контролируемых визуальным мето­ дом, до 300 мм (по стали). Время высвечивания сцинтилляцион-

может быть рассмотрено с помощью оптических средств пли

лы имеют диаметры: Nal(Tl) — 100 мм\ CsI(Tl)— 70— 150 мм.

Экспериментальные исследования кристалла Nal(Tl) тол­ щиной 25 мм при напряжении на рентгеновской трубке 2000 кв [72] показали, что яркость его свечения в 15 раз выше яркости, создаваемой экраном ZnS(Ag), и остается выше последней вплоть до 150 кв. Основным недостатком кристаллов Nal(Tl) яв­ ляется их гигроскопичность. При длительном использовании они мутнеют. Кристаллы CsI(Tl) имеют меньший световой выход по сравнению с Nal(Tl), но они негигроскопичны.

Наилучшим приемником излучения кристалла Nal(Tl) яв­ ляется сурьмяно-цезиевый фотокатод, регистрирующий 95% излучаемой энергии. Однако эффективность регистрации нзлуче-

344

ння этого кристалла глазом составляет всего 3%, поэтому эти кристаллы непригодны для визуальных наблюдений. Для этих целен более выгодно использовать кристаллы CsI(TI).

Большая толщина и высокая плотность сцинтилляцнонных кристаллов делают их незаменимыми для регистрации коротко­ волнового излучения. С повышением энергии излучения отноше­ ние яркости к мощности дозы у сцинтилляционных кристаллов практически не изменяется, у флуороскопических экранов оно уменьшается в значительной степени.

Сциитилляционные кристаллы толщиной 3—5 мм поглоща­ ют до 90% рентгеновского излучения при максимальном напря­ жении па рентгеновской трубке 150—200 кв. Значения яркости свечения сцинтилляционных кристаллов толщиной 5 мм и флуо­ роскопического экрана в зависимости от напряжения на рент­ геновской трубке даны в табл. 9.5. Облучение преобразовате­ лен производилось в отсутствие поглотителя при фокусном рас­ стоянии 500 мм и анодном токе 20 ма. Яркость флуороскопиче­ ского экрана больше яркости сцинтилляционных кристаллов. Кристалл CsI(Tl) по яркости приближается к флуороскопиче­ скому экрану. У этого кристалла коэффициент спектрального

При просвечивании материалов яркость свечения сцинтилля­ ционных кристаллов начинает превосходить яркость флуороско­ пических экранов при тем меньшей толщине просвечиваемого материала, чем выше энергия излучения. Чем больше плотность просвечиваемого материала, тем заметнее этот эффект. Так, за стальным поглотителем толщиной свыше 1—2 мм при напря­ жении на трубке 150—200 кв и анодном токе 20 ма более эффек­ тивным будет кристалл CsI(Tl), хотя за поглотителем из алюми­ ниевого сплава толщиной менее 10— 15 мм ярче светится флуо­ роскопический экран.

Сциитилляционные монокристаллы по сравнению с флуоро­ скопическими экранами обладают более высокой разрешающей

345

способностью. Разрешающая способность сцинтилляционных монокристаллов толщиной 3—5 мм составляет при темной за­ делке (монокристалл со стороны источника излучения контакти­ рует с эбонитом) 5 линий/мм [73]. Получена разрешающая спо­ собность 12,5 линий/мм [74] на монокристаллах из CsI(Tl) тол­ щиной 3 мм в зеркальной заделке при энергии излучения

150 кэв.

г. Электролюминесцентные экраны

Для повышения эффективности методов радиационной интро­ скопии необходимы преобразователи, выход люминесценции ко­ торых существенно превосходит выход люминесценции флуоро­ скопических экранов и сцинтилляционных кристаллов. Такиепреобразователи в отличие от флуороскопических экранов одно­ временно будут являться и усилителями яркости изображений.

Заслуживает внимания развивающийся метод усиления яр­ кости изображения, основанный на использовании электролю­ минесценции —■свечения некоторых люминофоров под действи­ ем переменного электрического поля [75].

Электролюминофоры обычно изготовляют на основе суль­ фида цинка, активированного медью. Для улучшения качества люминофора применяют соактиваторы — свинец, марганец, алюминий и пр. Точной теории, объясняющей все свойства электролюминесцентного свечения кристаллов, пока нет. Однако опытным путем установлены некоторые закономерности этого свечения.

Яркость свечения электролюминофора 5 определяется не­ сколькими факторами, наиболее важными из которых являются напряжение U переменного электрического поля и его частота. Зависимость яркости свечения S от напряжения устанавли­ вается эмпирическими формулами:

для небольших значений U

(9.8>

где а, b и U0 ■— определяемые опытным путем константы, кото­ рые изменяются с частотой приложенного поля;

для больших значений U

(9.9}

где н= 34-4.

Яркость электролюминесценции возрастает с частотой и ве­ личиной возбуждающего напряжения (рис. 9.5). Максимальный коэффициент полезного действия (около 1,5 лм/вт) может быть получен при напряжении 400 в в диапазоне частоты 2504- 4-500 гц. Основываясь на свойствах электролюминофоров, можно изготовить усилители света.

346

Наибольшее распространение нашли фотопроводниковые усилители света, или амплификоны. В таких усилителях в ка­ честве светочувствительного элемента используется фотопро­ водник (рис. 9.6).

Частота, кгц

Рис. 9.5. Зависимость средней по времени яркости люминесценции от частоты и напряжения для зелеиосветящегося электролюминофора.

5 — э л е к т р о л ю м н н о ф о р ; 6 — п р о в о д я щ и й п р о з р а ч н ы й с л о й ; 7 — с т е к л я н н а я п л а с т и н а .

На полупроводнике, имеющем высокое темновое сопротивле­ ние в отсутствие света, происходит падение основной доли под­ водимого напряжения. На слой люминофора приходится незна­ чительная доля подводимого напряжения, и он не люминесцирует до тех пор, пока фотопроводниковый слой не будет освещен. С увеличением потока света падающего на фотопроводник, его сопротивление уменьшается и к электролюмпнофору приклады­ вается все большая часть напряжения. Под действием этого на­ пряжения электролюминофор начинает светиться.

Практически амплификон представляет собой слоистый кон­ денсатор (рис. 9.7). Назначение непрозрачного проводящего слоя 4 состоит в том, чтобы устранить обратную световую связь

347

между электролюминофором и фотопроводником. Для работы экрана к электропроводящим слоям 2 и 6 подводится перемен­

врентгеноскопии. В качестве фотопроводника используют по­ рошок CdS, связанный с пластиком. Эта смесь легко формуется

ввиде тонких однородных слоев с большой поверхностью. Кро­ ме того, порошок CdS имеет высокую чувствительность к рент­ геновскому излучению и низкий темновой ток — условия, необ­ ходимые для усилителя.

На рис. 9.8 приведены сравнительные характеристики свето­ вого выхода электролюминесцентного усилителя и обычного флуороскопического экрана. Измерение с усилителем проводи­

лось при времени экспозиции 10 сек.

348

пии. Однако большие размеры этих экранов, позволяющие при­ менять технику увеличения изображения и усиления яркости света в 100 раз по сравнению с флуороскопическими экрана­ ми, дают основание надеяться на дальнейшее исследование и разработку промышленных образцов полупроводниковых уси­ лителей.

Рис. 9.9. Послесвечение усилителя при различ­ ном уровне рентгеновского облучения (время возбуждения 1 сек). Числа у кривых — значе­ ния дозы, мр.

д. Электроннооптические преобразователи и усилители рентгеновского изображения

Чтобы получить удовлетворительное флуороскопическое изо­ бражение, яркость экрана необходимо увеличить до 102— 103нт при достаточной контрастности изображения. Эффективность флуороскопических экранов составляет в настоящее время около 3%- Поэтому даже если вся энергия рентгеновского пуч­ ка будет преобразована в свет, то получится лишь 30-кратное увеличение яркости. Электролюминесцентные экраны также не позволяют получить такую яркость изображения.

В связи с этим возникла необходимость в применении спе­ циальных усилителей яркости изображения. Наибольшее рас­ пространение [15, 70] получили усилители рентгеновского изо­

сферической формы 5, на которую нанесен слой люминесцент­ ного вещества 6. На поверхность этого слоя наносится полу­ прозрачный сурьмяно-цезиевый фотокатод 7, подобранный по чувствительности к световому излучению люминесцентного экрана. Выходной экран ЭОП в виде стеклянной пластинки 9, покрытой флуоресцирующим составом 8, расположен- в конусо-

350

образном алюминиевом аноде 12 с отверстием. Боковые стен­ ки колбы покрыты электропроводящим слоем 13. Между вход­ ным экраном и анодом прикладывается рабочее напряжение 25 кв. На проводящее покрытие, служащее фокусирующим электродом, подается напряжение +300 в по отношению к ка­ тоду. Рентгеновское или уизлучение, попадая на люминесцент­ ный экран 6, вызывает его свечение. Под действием этого

Рис. 9.10. Схематическое изображение электроинооптического пре­ образователя (ЭОП):

/ — и с т о ч н и к и з л у ч е н и я ; 2 — с в и н ц о в а я д и а ф р а г м а ; 3 — п р о с в е ч и в а е м ы й о б ъ е к т ; 4 — с т е к л я н н а я в а к у у м н а я к о л б а ; 5 — а л ю м и н и е в а я п о д л о ж к а ; 6 — л ю м и н е с ц е н т н ы й э к р а н ; 7 — ф о т о к а т о д ; 5, 9 — в ы х о д н о й э к р а н : 10 — о п т и ч е с к а я л и н з а ; 11 — о к у л я р , к и н о ф о т о а п п а р а т , п е р е д а ю щ а я т е л е в и з и о н ­ н а я т р у б к а ; 12 — а н о д ; 13 — м е т а л л и з и р о в а н н о е п о к р ы т и е ; 14 — э к р а н т е ­

л е в и з о р а .

света фотокатод 7 испускает фотоэлектроны. Электроны, выхо­ дящие из какой-либо точки фотокатода, фокусируются элек­ тростатическим полем в соответствующей точке выходного экрана 8 и 9, вызывая его свечение. В результате на выход­ ном экране получится световое изображение, строго соответ­ ствующее рентгеновскому изображению на входном экране преобразователя. Размеры выходного экрана примерно в де­ сять раз меньше размеров входного экрана. Вследствие ускоре­ ния электронов, а также из-за уменьшения размеров изображе­ ния усиление яркости составляет примерно 1000. В последнее время разработаны и применяются электроннооптические пре-

351