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

ка настолько незначительно, что при измерении им можно пре­ небречь.

Различают три вида счетчиков для регистрации нейтронов:

1)счетчики, наполненные водородом, или счетчики, стенки которых покрыты водородсодержащими соединениями;

2)счетчики, стенки которых покрыты делящимися вещест­

вами;

3)счетчики, в которых реакции происходят в газовом напол­ нителе.

Ра.. 3.2. Счетная характеристика газоразрядного счетчика.

Счетчики первой группы регистрируют протоны отдачи и пригодны поэтому для измерения энергии и потока быстрых ней­ тронов. Счетчики второй группы в зависимости от используемо­ го делящегося вещества служат для обнаружения или только быстрых нейтронов (U238, Th232), или как быстрых, так и мед­ ленных нейтронов (U235, Ри239).

Для счетчиков третьей группы особенно удобны в качестве наполнителя газообразные соединения В10. В результате реак­ ции нейтронов с ядром В10 образуются заряженные частицы (ядро Ы7 и а-частица), которые при движении ионизируют мо­ лекулы газа.

2.Полупроводниковые детекторы

Впоследнее время широкое распространение получают де­ текторы, в которых преобразование энергии частиц или фотонов

вэлектрические импульсы происходит в переходной области по­

сто их называют твердыми ионизационными камерами. Полу­ проводниковые детекторы — быстродействующие приборы, весь­ ма удобные для регистрации и измерения спектров а-частпц, протонов, нейтронов и дейтронов. Некоторые детекторы п—р- и

60

р—п*- и особенно /г—;'—р- н р—/—/t-типов пригодны для регист­ рации и спектроскопии f5- и у-излучений; они пригодны также для дозиметрических целей.

Если в кристаллический полупроводник (Si или Ge) «-типа (рис. 3.3, а) методом диффузии ввести примеси р-типа, т. е. ак­ цепторы, то в результате п-—p-перехода возникает запирающий слой, расстояние которого от поверхности кристалла зависит от

p-Si n-SL p-Si L-Si ' n-SL

Рис. 3.3. Принципиальная схема полупроводниковых счетчиков типа п—р (а) и п—i—р (б). Заштрихованные области — чув­ ствительные области счетчиков.

температуры и длительности диффузии (т. е. легко регули­ руется). Методом диффузии можно также ввести доноры в ве­ щество р-типа.

Зона пространственного заряда запирающего слоя («актив­ ная толщина»), или зона поля, зависит от напряжения и может достигать 1 мм. Если приложить к такому запирающему слою напряжение в направлении запираний, то в высокоомном крем­ нии при комнатной температуре возникает лишь слабый темпо­ вой ток. Если в результате облучения в запирающем слое наб­ людается ионизация, то свободные электроны перемещаются из зоны пространственного заряда к р-слою и, наоборот, образовавг шиеся дырки движутся к л-слою.

В последнее время применяют также счетчики п—i—р-типа (см. рис. 3.3, б), в которых с помощью специальной технологии достигается большая толщина чувствительного слоя (несколько миллиметров), не зависящая (начиная от нескольких вольт и выше) от рабочего напряжения. Этот детектор представляет собой пластинку монокристаллического кремния, состоящую из трех слоев, различных по типу проводимости: п- и p-слои обла­ дают соответственно электронной и дырочной проводимостью (низкого удельного сопротивления); t-слой— область с собст­

* п — примесный полупроводник, в котором преобладающими носителями являются электроны (донорный полупроводник); р — примесный полупровод­ ник, в котором преобладающими носителями являются дырки (акцепториьш полупроводник).

61

венной проводимостью, т. е. с малой концентрацией носителей заряда и высоким удельным сопротивлением. При включении такого счетчика в запирающем направлении все напряжение сосредоточивается в i-слое (чувствительной области счетчика). При прохождении заряженной частицы через чувствительный слой вдоль ее пути (трека) создаются электронно-дырочные па­ ры. Образовавшиеся носители заряда под действием сильного поля перехода движутся к его границам. Когда трек заряженной частицы не выходит за границы чувствительного слоя, амплиту­ да импульса оказывается с высокой точностью пропорциональ­ ной энергии частицы. Счетчики п—i—р- и p—i—л-типов рабо­ тают удовлетворительно уже при низких рабочих напряжениях.

Полупроводниковые счетчики позволяют с высокой точностью измерять энергию ядерных излучений. К преимуществам таких счетчиков следует отнести высокую скорость счета, нечувстви­ тельность к магнитным полям, малые размеры, возможность разрешения по энергии спльнононизирующнх частиц на значи­ тельном фоне слабопонизирующих частиц (например, а-частиц

щих излучений, обладающим низкой эффективностью регистра­ ции рентгеновского и у-излучений, в настоящее время широко применяют сцинтилляционный метод.

Современный сцинтилляционный счетчик (рис. 3.4) пред­ ставляет собой комбинацию фосфора, реагирующего на ядерное излучение вспышками света (сцинтилляции), и фотоэлект­ ронного умножителя (ФЭУ), в котором слабые вспышки света преобразуются в импульсы электрического тока.

Чаще всего в качестве сцинтилляторов используют щелочно­ галоидные кристаллы (Nal, KI, Csl), активированные редкозе­ мельными элементами (Т1, Ей), и органические вещества в раз­ личных состояниях (жидкие, например раствор n-терфенила в толуоле, монокристаллы— антрацен, стильбен и пр.). Механизм их высвечивания под действием заряженных частиц (электро­ нов, а-частиц, протонов и других частиц, непосредственно па­ дающих на детектор или являющихся продуктом взаимодейст­ вия таких незаряженных частиц, как у-фотоны и нейтроны, с материалом сцинтиллятора) не выяснен до конца. В настоящее

■62

время ясно, что в щелочиогалоидных кристаллах кинетическая энергия заряженных частиц преобразуется в энергию возбуж­ дения сцинтиллятора, подвижными носителями которой яв­ ляются электроны проводимости, дырки и экситоны. Захват этих носителей центрами люминесценции, в создании которых основную роль играют, по-видимому, ионы активирующего веще-

3 4

Рис. 3.4. Принципиальная схема устройства сцинтнлляционного счетчика:

ства, и вызывает высвечивание кристаллов. В органических ве­ ществах заряженная частица вызывает возбуждение молекул вещества, составляющего основу сцинтиллятора. Высвечивание органических сцинтилляторов связано с электронными перехо­ дами в молекулах, а процесс переноса энергии носит межмоле­ кулярный характер.

Временные характеристики сцинтиллятора определяются по­

В энергию фотонов превращается только малая часть всей поглощенной в сцинтилляторе энергии частицы, определяемая

частицы или фотона. При этом возникает от нескольких десят­ ков до нескольких десятков тысяч фотонов. Фотоны разле­ таются под разными углами, поэтому только часть их попадает из сцинтиллятора па фотоумножитель.

63.

ФЭУ состоит из фотоэлемента и электронного умножителя. Функции первого выполняет фотокатод, второго—-умножитель- ная (динодная) система ФЭУ. Фотоны попадают на фотокатод и вырывают из него фотоэлектроны, которые с помощью диа­ фрагмы собираются на первый электрод (дшгод) умпожительной системы. Если использовать хорошие сурьмяно-цезиевые фотокатоды, то на каждые пять фотонов можно получить один фотоэлектрон, однако, как правило, для обычных фотокатодов фотонный выход составляет 5— 15%. Вследствие вторичной электронной эмиссии каждый попадающий на динод электрон выбивает из него несколько вторичных электронов в зависимо­ сти от материала динода, и этот процесс повторяется на всех

чаях в качестве чувствительного детектора излучений. При этом частицы и фотоны воспринимаются непосредственно фотокато­ дом ФЭУ.

При выборе фосфора и ФЭУ исходят из назначения счетчи­ ка. Для счета а-частиц. имеющих малую проникающую способ­ ность, обычно используют тонкий слой ZnS (Ag), для |5-частиц высоких энергий, рентгеновских и у-фотонов— большие кристал­ лы Nal(Tl) пли жидкие фосфоры, для [5-частиц малых и сред­ них энергий (до 3 Мэе) — антрацен и стнльбен.

С помощью сцинтилляционных счетчиков можно регистриро­ вать и нейтроны. Как правило, быстрые нейтроны регистрируют органическими сцинтилляторами, а для регистрации тепловых нейтронов применяют бор в сочетании с органическими сцин­ тилляторами, кристаллами ZnS (Ag) и другими люминесцирующими кристаллами. Особенно удобно применять слоистые сцин­ тилляторы. Их преимущество состоит в том, что они почти не регистрируют у-излучение и в то же время имеют высокую эф­ фективность регистрации нейтронов.

Достоинствами сцинтилляционных счетчиков являются:

1) высокая чувствительность (эффективность) к рентгенов­ скому излучению и ко всем видам ядерных излучений (до 100% для а- и |5- и до 5—90% — для рентгеновского и у-излучений);

Мюллера, обладая более высокой эффективностью и разрешаю­ щей способностью.

64

К недостаткам сцинтилляционных счетчиков следует от­ нести:

1) наличие шумов ФЭУ, которые ухудшают амплитудное разрешение и требуют специальных мер борьбы с фоном — схе­ мы совпадения или сильное охлаждение ФЭУ;

2)зависимость амплитуды импульса от скорости счета при больших скоростях счета;

3)явление «утомления» динодов при значительных анодных токах, что значительно сокращает срок службы ФЭУ, а иногда приводит к его порче;

4)резкую зависимость коэффициента усиления ФЭУ от на­ пряжения на дпнодах.

4. Фотографический метод [29, 35]

Использование рентгеновских пленок в качестве детекторов рентгеновского или у-излучения основано на фотохимическом действии этих излучений. На фотоэмульсию пленок непосредст­ венно воздействуют не рентгеновские или у-фотоны, а вторичные электроны, образованные при поглощении излучения.

Оптическая плотность негатива D0пт зависит от действия из­ лучения на светочувствительный слой рентгеновской пленки, т. е. от мощности экспозиционной дозы падающего на него из­ лучения Р, длины волны X, продолжительности экспозиции t и фактора проявления

где /о— интенсивность света, падающего на негатив; i — интен­ сивность света после прохождения негатива.

Исследования показали, что при одинаковой фотообработке одинаковая оптическая плотность достигается при выполнении условия

экспозиционной дозы.

При регистрации рентгеновского или у-излучения на рентге­ новскую пленку без флуоресцирующих экранов с достаточной степенью точности можно считать, что р=1. Иначе говоря, плот­ ность почернения пленки зависит лишь от величины Pt, и поэто­ му безразлично, например, производить просвечивание в течение 2 мин при токе рентгеновской трубки 20 ма или в течение 4 мин

при токе 10 ма. Однако этот закон взаимозаменяемости неверен в случае использования флуоресцирующих экранов, когда плен­

ка облучается видимым светом.

При рассмотрении кривых зависимости D от Р или t отме­ чается, что, начиная с некоторого значения мощности экспози­ ционной дозы или определенного времени облучения, плотность

негатива растет медленнее, чем мощность экспозиционной дозы или время, и после достижения области насыщения может наблюдаться явление соляризации, когда с ростом экспозиции

излучения пли времени экспозиции. Такие кривые называют ха­ рактеристическими (рис. 3.5). На приведенном графике имеется несколько областей: за точкой Е наступает явление соляриза­ ции, DE — область насыщения, прямолинейный участок ВС ха­ рактеризует диапазон плотности, в котором определенному приросту экспозиции соответствуют наибольший прирост плот­ ности (наибольшая разность в плотности) и максимальный ко­ эффициент контрастности. Мерой контрастности служит тангенс угла наклона касательной в какой-либо точке кривой. Коэффи­ циент контрастности, полученный при специальных условиях проявления, обозначается буквой у, он равен тангенсу макси­ мального утла наклона характеристической кривой ао:

66

Чувствительность пленок обычно определяется в р~1 и чис­ ленно равна обратной величине дозы излучения в рентгенах, необходимой для получения определенной плотности почернения снимка. При этом используют излучение рентгеновской трубки при напряжении 80 кв. Для экранных пленок чувствительность

На рис. 3.6 приведена относи­ тельная чувствительность, рассчитанная по энергии, поглощае­

мой внутри зерна бромистого серебра. Наибольшей чувствитель­ ности соответствует энергия 45 кэв. Приблизительно такой эф­ фективной энергией обладает спектр рентгеновского излучения при напряжении на трубке 80 кв.

5. Спектрометрический метод (36, 37]

Для практических целей представляет интерес исследовать энергетический спектр не только излучения самого источника, применяемого для дефектоскопического контроля, но и излуче­ ния, прошедшего через материал контролируемого объекта (по­ глотителя) .

Энергетический спектр является качественной характеристи­ кой излучения и может быть измерен специальным прибором —■ спектрометром. Существует несколько видов спектрометров, в которых измеряется энергия фотонов, поглощенная в сцинтил-

3* 67

ляционном кристалле. В зависимости от того, какой процесс по­ глощения энергии выбран для измерения поглощенной энергии, различают спектрометры фотопоглощения, комптоновские спек­ трометры, спектрометры пар и спектрометры полного погло­ щения.

Работа простейшего спектрометра фотопоглощения происхо­ дит по следующей схеме. Излучение источника через отверстие коллиматора попадает на ецпнтилляцнонный кристалл. Взаимо­ действие излучения с веществом сцинтиллятора приводит к об­ разованию в нем свободных электронов, причем этот процесс в зависимости от энергии фотонов и материала сцинтиллятора может происходить в результате фотоэффекта, комптон-эффек- та и эффекта образования пар. В любом из этих процессов энер­

тора, которая частично отдается сцинтиллятором в виде свето­ вого излучения. Так как большинство сцинтилляторов создает световые вспышки, по величине пропорциональные поглощенной энергии, то, измеряя величину световой вспышки, можно изме­ рить энергию рентгеновского пли у-излучения. Возникающее световое излучение в сцинтилляторе попадает на фотокатод ФЭУ. При этом на аноде ФЭУ возникает импульс напряжения, пропорциональный световой вспышке в сцинтилляторе. С анода ФЭУ импульс напряжения через катодный повторитель по­ ступает на линейный импульсный усилитель. Усиленные им­ пульсы анализируются по амплитуде одноканальным или многоканальным анализатором амплитуд, а распределение им­ пульсов по амплитудам регистрируется счетным устройством.

Если фотон поглощается в результате фотоэффекта, то вся его энергия передается электрону и возникающему при образо­ вании фотоэлектрона характеристическому излучению, и элек­ трон, и характеристическое излучение, как. правило, погло­ щаются в кристалле, и, следовательно, вся энергия фотона

При работе с однокристалльным спектрометром энергию фо­ тонов определяют по положению пика фотоэлектрического по­ глощения на графике, представляющем зависимость интенсив­ ности счета импульсов от амплитуды импульсов. Основным до­ стоинством однокристалльного сциитилляционного спектрометра является его большая эффективность. Эффективность регистра­ ции спектрометра зависит от размеров и плотности сцинтплляционного кристалла. Применение кристаллов, в состав которых входят элементы с большим атомным номером Z, например Nal(Tl) или CsI(Ti), позволяет повысить эффективность регист­ рации до 100%. К недостаткам спектрометров даннопэ типа следует отнести ограниченный диапазон энергии, в котором воз-

68