книги из ГПНТБ / Горбачев В.И. Ксерорадиографический метод дефектоскопии

лющемся над заряженным .фотополупроводниковым слоем / ксерорадиографической пластины (рис. 2.4). Электрод при­ паивают к мембране микротелефона 3 типа ДЭМ-4М, кото­ рая колеблется в соответствии с частотой напряжения, пода­ ваемого от генератора 4 типа ЗГ-10. Наводимый в электроде ток усиливается и регистрируется измерительным усилите­ лем 5 типа ИМ-28 или ламповым вольтметром. По градуировочному графику можно определить значение потенциала ксерорадиографической пластины, сопоставляя показания ис­ точника стандартных напряжений и усилителя ИМ-28.

При одинаковом времени электризации с ростом напря­ жения на короинрующей проволочке растет потенциал, до которого заряжается ксерорадиографическая пластина, при-

Рис. 2.5. Зависимость потенциала ксерорадиографиче­ ской пластины от времени электризации при различном расстоянии d от короинрующей проволочки до фотопо­

лупроводникового слоя (напряжение иа короинрующей проволочке 7 кв).

чем с уменьшением расстояния от короинрующей проволочки до поверхности фотополупроводникового слоя потенциал уве­ личивается и стремится к постоянной величине. Удобно про­ следить последнюю зависимость в координатах потенциал ксерорадиографической пластины — время электризации при различном расстоянии от коронирующего электрода до по­ верхности фотополупроводникового слоя (рис. 2.5).

При электризации от одной короинрующей проволочки, находящейся под отрицательным потенциалом, обнаружена зависимость характера распределения зарядов на фотополупроводннковом слое от материала держателей (исследова­ лись держатели из эбонита и текстолита). Влияние материала держателей на качество электризации ксерорадиографнческих

20

пластин можно объяснить различной степенью зарядки ди­ электрических держателей, в результате чего образуются электростатические поля, которые изменяют конфигурацию потока ионов, распространяющихся с проволочки при корон­ ном разряде.

Для уменьшения вредного влияния электрических полей, создаваемых держателями, длину коронирующей проволочки следует брать примерно в полтора раза больше длины заря­ жаемой ксерораднографнческой пластины; держатели нужно изготовлять из проводящего материала и помещать в непо­ средственной близости от них заземленный металлический экран.

Распределение 'потенциала по поверхности селенового слоя ксерораднографнческой пластины при наличии в электрпзаторе заземленного металлического экрана над корони­ рующей проволочкой показано на рис. 2.6. В этом случае при зарядке ксерораднографнческой пластины как положитель­ ный, так и отрицательный потенциалы распределяются рав­ номерно. Полосы и мелкие точки на снимках — это результат царапин и неоднородностей селенового слоя, которые явились причиной утечки электрических зарядов.

Таким образом, для обеспечения равномерной электриза­ ции ксерорадиографических пластин от неподвижной корони­ рующей проволочки параметры зарядной камеры должны быть следующими. Диаметр коронирующей проволочки 0,04— 0,08 мм, расстояние от коронирующего электрода до фото­ полупроводниковой поверхности не менее 40 мм, разность по­ тенциалов между заземленной подложкой ксерорадногра­ фнческой пластины и коронирующим электродом 5—8 кв. На крышке зарядной камеры должен быть установлен зазем­ ленный металлический экран на расстоянии 15—20 мм от ко­ ронирующей проволочки. Время электризации зависит от электрофизических свойств применяемых ксерорадиографиче­ ских пластин и цели предполагаемых исследований.

Оптимальный потенциал ксерораднографнческой пластины обычно определяют экспериментально. На рис. 2.7 показаны ксерорадиограммы сварного шва, полученные при различном потенциале селенового фотополупроводникового слоя толщи­ ной 100 мкм. Анализ ксерорадиограмм позволяет сделать вы­ вод о том, что оптимальный потенциал ксерорадиографической пластины составляет 800—1000 в. Ксерорадиограммы, полученные при потенциалах пластин свыше 1000 в, имеют значительное число дефектов изображения в виде мелких то­ чек, возникающих, вероятно, из-за пробоя фотополупровод­ никового слоя в местах с неоднородностями и включениями в аморфном селене. Ксерорадиограммы, полученные при по­ тенциалах пластин меньше 800 в, имеют малую плотность и низкую контрастность.

21

2.2. ОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Электростатическое изображение формируется на поверх­ ности фотополупроводникового слоя после избирательного облучения его ионизирующим излучением. Механизм обра­ зования электростатического изображения на ксерорадиографнческоп пластине в первом приближении можно проследить,

верхностными электростатическими зарядами, другой обклад­ кой — зарядами экранирования в подложке или на контакте подложка — фотополупроводник. Этот конденсатор сравни­ тельно медленно разряжается в темноте и с большой скоро­ стью — под действием видимого света и ионизирующего из­ лучения. Скорость темпового спада потенциала зависит от концентрации свободных носителей в фотополупроводнпке и

контакте фотаполуггроводника и металла. Сопротивление и емкость этого запорного слоя зависят от знака заряда и напряженности электрического поля.

Определяющую роль в общем сопротивлении фоточувст- внтелы-юго слоя играет сопротивление запорного слоя на контакте фотополупроводник — подложка. Об этом свиде­ тельствует быстрый рост начального потенциала ксерорадиографической пластины при малых значениях толщины фотополупроводнлка. Объясняется это тем, что общее сопротив­ ление фоточувствительного слоя в данном случае возрастает за счет увеличения ширины высокоомного запорного слоя. При дальнейшем увеличении толщины фотополупроводника величина начального потенциала растет медленно, так как ширина запорного слоя практически не меняется, а общее сопротивление фоточувствителы-юго слоя возрастает, в ос­ новном, за счет увеличения толщины фотополупроводника, имеющего по сравнению с запорным слоем малое удельное сопротивление.

Для удобства расчетов введено понятие эффективной тол­ щины фотополупроводникового слоя, которая равна ширине запорного слоя, имеющего сопротивление, эквивалентное об­ щему сопротивлению фоточувствительного слоя.

Под действием излучения общее сопротивление фотополупроводиикового слоя уменьшается за счет образования доба­ вочного числа свободных носителей тока, количество которых возрастает с увеличением числа поглощенных рентгеновских или у-квантов. В зависимости от знака заряда образовавшие-

24

ся свободные носители тока движутся в электрическом поле конденсатора к поверхностным электростатическим зарядам или к зарядам экранирования, нейтрализуя их в том и другом случае. В результате нейтрализации зарядов потенциал об­ лученных участков ксерорадиографической пластины умень­ шается. На поверхности фотополупроводникового слоя воз­ никает потенциальный рельеф, представляющий собой элек­ тростатическое изображение исследуемого объекта.

Рассматривая ксерорадиографическую пластину как плос­ кий конденсатор, уравнение темпового спада потенциала мож­ но записать в общем виде, дифференцируя известное выра­ жение

где V — потенциал ксерорадиографической пластины; а — плотность зарядов; Сэ ф ф —эффективная емкость, опреде­ ляемая эффективной толщиной фотополупроводникового слоя.

Сделав соответствующие преобразования, получим

^T= J ^= 1 -e x p ( J^7i^y4 <J2>

где V0 — потенциал ксерорадиографической пластины до эк­ спонирования (^ = 0); Vc —• потенциал ксерорадиографической

25

мя жизни свободных носителей значительно меньше времени их дрейфа между обкладками конденсатора.

Полученные теоретические закономерности разрядки ксерорадиографических пластин качественно хорошо согласуются с экспериментальными результатами. На рис. 2.8 показан в логарифмическом масштабе темновой спад потенциала ксе-

Ш1б){ , . . ,

Рис. 2.8. Темновой спад потенциала ксерораднографн­ ческой пластины:

/ — положительный заряд; 2 — отрицательный заряд .

рорадиографической пластины для положительного и отрица­ тельного зарядов. Эти графики представляют собой в области слабых электрических полей прямые линии, что подтверждает экспоненциальный характер разрядки фотополупроводниково­ го слоя. В сильных электрических полях спад потенциала про­ исходит быстрее, чем в слабых. Это объясняется тем, что концентрация свободных носителей тока в фотополупроводйике возрастает с увеличением напряженности электрическо­ го поля, в результате чего электропроводность фоточувстви­ тельного слоя не является постоянным параметром, а растет

.26

с повышением напряженности электрического поля по закону Френкеля. Поэтому при высоких потенциалах ксерорадиографической пластины уравнения разрядки фотополупровод­ никового слоя (2.6) и (2.7) несправедливы.

Экспериментальные исследования показывают, что в ксерорадиографии выполняется закон взаимозаместимости, ко­ торый заключается в том, что спад потенциала ксерорадиографической пластины под действием рентгеновского излуче-

-ния зависит от произведения интенсивности излучения на время, в течение которого облучается фотополупроводниковый слой, и не зависит от каждого из эгих сомножителей в от­ дельности. Другими словами, если уменьшить интенсивность излучения в несколько раз и во столько же раз увеличить вре­ мя облучения, то результирующее действие облучения не из­ менится.

Закон взаимозаменяемости непосредственно следует из уравнения (2.7), характеризующего относительный спад по­ тенциала под действием облучения. В этом уравнении влия­

выражением закона взаимозаместимости является условие

.постоянства изменения потенциала AV7V=const при постоян­ ном значении интегрального потока излучения Ис — const.

Результаты исследований, подтверждающих закон взаимо-

.заместимости, приведены в работе [12]. В ней показано, что, облучая ксерорадиографическую пластину рентгеновским из­ лучением при напряжении на рентгеновской трубке 50 кв, можно получить равноценные изображения объекта, если про­ изведение анодного тока на время экспозиции одинаково.

Закон взаимозаместимости выполняется для фотополупро­ водниковых слоев на основе аморфного селена, по данным

Проявление электростатического .изображения — физиче­ ский процесс, заключающийся в отложении заряженных час­ тиц красителя на поверхности фотополупроводникового слоя в соответствии с распределением на нем электрических за­ рядов.

Электростатические изображения проявляют различными •методами: каскадным, магнитной кистью, жидкостным и по­ рошковым облаком.

%1

ское изображение. При этом менаду заряженным проявляю­ щим порошком и зарядами электростатического изображения

.действуют кулоновские силы притяжения. Когда их значение лревысит электростатическую силу взаимодействия прояв­ ляющего порошка и носителя, проявляющий порошок осядет на заряженном участке фоточувствительного слоя. Для этого внешнее поле электростатического изображения должно пре­ вышать определенное критическое значение, определяемое трибоэлектрическими характеристиками носителя и прояв­ ляющего порошка.

Каскадный метод проявления имеет серьезные недостатки, 'ограничивающие его применение в ксерорадиографии для це­ лен дефектоскопии: малую скорость проявления и низкое ка­ чество при визуализации полутоновых изображений из-за ярко выраженного «краевого эффекта» (см. гл. 4).

Модификацией каскадного метода проявления является

мые на полюсе магнита вдоль его силовых линий в виде во­ лосков кисти. Достоинство метода состоит в том, что метал­ лический носитель играет роль проявляющего электрода, что позволяет уменьшить краевой эффект. Недостатками метода проявления магнитной кистью являются малая производи­ тельность и возможность повреждения поверхности фотопо­ лупроводникового слоя металлическим носителем.

При жидкостном проявлении [23—25] электризацию про­ являющих частиц осуществляют их диспергированием в высокоомных жидкостях. В результате диспергирования на границе раздела твердой и жидкой фаз образуется двойной электрический слой. Знак возникающих зарядов в двойном электрическом слое определяется, в основном, контактными "потенциалами, возникающими на границе высокоомной жидкости и (проявляющего'порошка. Положительно заряжает­ ся обычно фаза с более высокой диэлектрической проницаемо­ стью. Таким образом, изменяя поверхностные свойства прояв­ ляющих частиц, можно изменять знак и значение заряда, который они приобретают при диспергировании в жидкости.

Электростатические изображения проявляют, погружая

.•фотополупроводниковый слой в емкость с жидким проявите-

.лем. Под действием электростатических сил частицы прояв­ ляющего порошка движутся к фотополупроводниковому слою и отлагаются на его поверхности в соответствии с .ве­ личиной потенциала электростатического изображения.

Для изготовления проявляющего порошка используют разнообразные пигменты: сажу, окись цинка, нигрозин, типо­ графскую краску. В качестве высокоомных жидкостей ис­ пользуют керосин, бензин, четыреххлористый углерод, фреон. В их состав обычно вводят фиксирующие вещества (смолы,

'29