Детекторы ионизирующих излучений

В радиационной дефектоскопии и дозиметрии наиболее распространены ионизационные, полупроводниковые, радиолюминесцентные и фотографиче­ские детекторы ионизирующих излучений.

Ионизационный детектор представляет собой наполненный газом конденсатор. При отсутствии электрического поля между обкладками конденсатора образо­вавшиеся под воздействием излучения пары ионов взаимно нейтрализуются – рекомбинируют. При наличии поля ионы движутся к соответствующим элек­тродам и во внешней цепи появляется ток, величина которого определяется разностью потенциалов на электродах.

Для регистрации ионизирующих излучений применяют детекторы, рабо­тающие в различных областях газового разряда. В области насыщения работают ионизационные камеры. Напряжение насыщения зависит от формы электродов и расстояния между ними.

Обычно напряжение на электродах ио­низационных камер составляет порядка 100-220В. Применяются ионизацион­ные камеры цилиндрической и плоской формы. Размеры камер определяются ви­дом регистрируемого излучения и его энергией.

Регистрация α- и β-частиц происходит вследствие непосредственной иониза­ции этими частицами газа, заполняющего камеры, а регистрация рентгеновско­го и γ-излучений обусловлена главным образом ионизирующим действием электронов, выбиваемых этими излучениями из стенок камеры.

Поскольку коэффициент газового усиления (отношение величины заряда на электродах конденсатора к величине заряда, образовавшегося в результате пер­вичной ионизации) ионизационных камер равен единице, ионизационные токи в них намного меньше, чем в других ионизационных детекторах, поэтому на выходе камеры имеются усилительные устройства.

К газоразрядным счетчикам относят пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера.

Пропорциональные счетчики работают в области полной пропорцио­нальности, коэффициент газового усиления линейно зависит от напряжения на электродах, значение импульса тока зависит от первичной ионизации, можно определять вид и энергию ионизирующих частиц. Коэффициент газового уси­ления пропорционального счетчика может достигать 106. На электроды про­порционального счетчика подается напряжений более 300 В.

Счетчики Гейгера-Мюллера работают в области Гейгера (U>U4), величи­на импульса тока в которой не зависит от первичной ионизации и имеет одина­ковое значение для любых видов и энергий ионизирующих частиц, производя­щих ионизацию в единицу времени.

В условиях самостоятельного газового разряда регистрация счетчиком каждой последующей частицы возможна лишь при условии гашения разряда, вызванного предыдущей частицей. По способу гашения газового разряда счет­чики Гейгера-Мюллера подразделяются на несамогасящиеся и самогасящиеся. В несамогасящихся счетчиках для гашения разряда используют радиотехниче­ские средства, (последовательно с анодом в цепь включают резисторы сопро­тивлением Oм вызывающие при максимальном разрядном токе падение анодного напряжения до значения, при котором самостоятельный разряд в счетчике прекращается).

В самогасящихся счетчиках в газ, заполняющий счетчик, вводят "гася­щие" добавки: пары и газы органических и галогенных соединений, кислород.

Молекулы гасящей добавки нейтрализуют положительные ионы, передавая им положительный заряд, и диссоциируют на катоде не образуя вторичных элек­тронов. Молекулы "гасящей" добавки поглощают кванты ультрафиолетового излучения, создаваемые электронной лавиной.

На электроды несамогасящихся счетчиков подается напряжение 700 В, самогасящие счетчики работают при напряжениях 400-450 В. Самогасящие счетчики имеют наибольший коэффициент усиления (). Их выходной сигнал имеет амплитуду до 50В, поэтому может быть зарегистрирован без уси­ления.

Полупроводниковые детекторы. Принцип действия полупроводниковых детекторов основан на явлении фотопроводимости, т.е. на изменении электри­ческой проводимости в твердых телах под действием излучения. К полупро­водниковым детекторам относятся полупроводниковые счетчики и электрора­диографические пластины.

Полупроводниковый счетчик в известном приближении можно рассмат­ривать как ионизационную камеру, в которой вместо газа использован полу­проводник (кремний, германий, сульфид кадмия и др.).

Амплитудное разрешение полупроводниковых счетчиков ≈ в 5 раз луч­ше, чем пропорциональных. Они обладают такими преимуществами, как высо­кая скорость счета, линейность сигнала в широком диапазоне энергий, возмож­ность селективной регистрации частиц, небольшие размеры и др.

Электрорадиографические (ксерорадиографические) пластины применя­ются в качестве детектора ионизирующего излучения при электрорадиографи­ческом методе радиационной дефектоскопии.

Электрические свойства пластины изменяются в соответствии с энергией воспринятого рентгеновского или гамма излучения. Если зарядить пластину электрическим зарядом до определенного уровня, а затем подвергнуть иониза­ционному облучению,

то величина остаточного заряда на любом участке пла­стины будет однозначно связана с интенсивностью излучения, падающего на данный участок. Причем остаточный заряд будет тем меньше, чем больше ин­тенсивность излучения. Следовательно, в тех местах пластины, на которое по­пало излучение, прошедшее через какой-либо дефект, остаточный заряд будет меньше, чем в других местах пластины. Таким образом, в пластине образуется скрытое изображение, которое проявляют с помощью различных красящих мелкозернистых порошков на основе талька, оксида цинка, мела (КС4-5, ПС4-1, ПС4-74). Порошок предварительно электризуют и опыляют им пластину, при этом скрытое изображение превращается в видимое. Затем пластину наклады­вают на обычную бумагу, на которой фиксируется полученной и 1080 изобра­жение объекта. Весь процесс занимает 10-40с. Пластина состоит из подложки (алюминий, латунь, стальная фольга), сверху которой нанесен слой полупро­водника (селен, оксид цинка, сера, сульфид кадмия и др.). Чаще всего в качестве подложки применяют алюминий, а полупроводником является аморфный селен.

Чтобы ксерографические пластины оказались чувствительными к воздей­ствию излучения, их необходимо предварительно зарядить коронным разрядом при напряжении 7-12 кВ, длительность зарядки составляет 10-120 с. Ксерогра­фические пластины хранят в кассетах, чтобы заряд под действием видимого света не стекал через металлическую подложку. Заряд пластины сохраняется не более 30 мин, срок службы пластины типа СЭРП-100П более 700 экспозиций. Радиолюминесцентные детекторы. Принцип действия этих детекторов основан на явлении радиолюминесценции – излучении некоторыми веществами света под воздействием ионизирующего излучения. Такими веществами являются люминофоры и сцинтилляторы.

Люминофоры, применяемые для регистрации рентгеновского и γ - из­лучений, можно разделить на две группы: с желто-зеленым свечением и с сине-фиолетовым.

С желто-зелеными свечением (смесь сульфидов цинка и кадмия) дают спектральное распределение свечения, максимум энергетического выхода которого совпадает с максимумом чувствительности человеческого глаза. Эти люминофоры используют для изготовления флуороскопических экранов, при­меняемых для визуального наблюдения изображений при облучении объектов исследования рентгеновским или γ-излучением. Люминофоры с сине-фиолетовым свечением (вольфрамат кальция) максимум энергетического вы­хода свечения близок к максимуму спектральной чувствительности радиографических пленок. Их используют для изготовления флуоресцентных экранов, применяемых для усиления фотографического действия рентгеновского и γ-излучений.

Сцинтилляторами называют люминофоры, которые под воздействием ионизирующего излучения люминесцируют кратковременными (100 мкс-1нс) вспышками – сцинтилляциями. Поскольку каждая вспышка является результа­том действия одной ионизирующей частицы, сцинтилляторы можно использо­вать для количественной оценки излучения.

Сцинтилляционный счетчик представляет собой сочетание сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), преобразующего световые вспыш­ки в электрические импульсы. В качестве сцинтиллятора чаще всего применя­ют кристаллы йодистого натрия или йодистого калия, активированные талли­ем.

Высокая светоотдача сцинтиллятора и высокий коэффициент усиления ФЭУ ( обеспечивают высокую чувствительность счетчика. Скорость счета импульсов в секунду против у газоразрядных), пропорцио­нальность зависимости ионизирующей способности частицы от амплитуды импульса тока на выходе ФЭУ, позволяет различать частицы по их энергиям.

Фотографические детекторы. Использование этих детекторов основано на действии ионизирующего излучения на фотографическую эмульсию.

К фотографическим детекторам относя радиографические пленки, применяемые в радиографии и дозиметрии. Основой радиографической пленки служит гибкая прозрачная подложка 4 толщиной 100-200 мкм из негорючей пластмассы – ацетатцеллюлозы (рис.2.3).

 

Рисунок 2.3 – Схема строения радиографической пленки

На подложку с двух сторон наносят, чувствительную к излучению, эмуль­сию 2, представляющую собой слой желатины толщиной 10-30 мкм, в котором равномерно распределены микрокристаллы бромистого серебра (≈3 мкм). Для увеличения прочности соединения между эмульсией и подложкой лежит слой специального клея 3, называемый подслоем. Снаружи на эмульсию наносят защитный слой 1 из задубленной желатины толщиной до 1 мкм, предохраняю­щий эмульсию от механических повреждений. Когда в результате действия из­лучения в кристалле бромистого серебра накапливается определенное число атомов восстановленного серебра, в нем образуется так называемый центр скрытого изображения. Эти центры, называемые также центрами проявления можно рассматривать как частицы катализатора, способствующие восстанов­лению ионов серебра во всем объеме облученных кристаллов.

Зерна восстановленного металлического серебра придают пленке темную окраску, т.е. определяют ее прозрачность. В общем случае проявленное изо­бражение представляет собой картину из почерневших и прозрачных (светлых) мест на пленке, отвечающих соответственно участкам эмульсии подвергнутым и неподвергнутым действию излучения. Степень почернения какого-либо уча­стка изображения зависит от количества зерен металлического серебра на нем и определяется интенсивностью излучения I и временем t от воздействия на эмульсию. Произведение называют экспозицией.

Чтобы зафиксировать полученное изображение, т.е. сделать его нечувст­вительным к свету, проявленную пленку обрабатывают в растворе закрепителя. Закрепитель растворяет кристаллы бромистого серебра, непрореагировавшие с проявителем.

Одним из основных показателей радиографической пленки являются ее контрастность – свойство отвечать на определенной увеличение экспозиции большим или меньшим увеличением оптической плотности. От контрастности пленки зависит контрастность изображения на радиографическом снимке.

Другим важным показателем пленки является чувствительность. Этот по­казатель в радиографии используют для определения правильности выбранной экспозиции и для сравнения пленок между собой.

Разрешающая способность пленки определяется максимальным, прихо­дящимся на 1мм длины снимка, количеством раздельно видимых под микро­скопом штриховых линий одинаковой ширины (при ширине промежутка меж­ду линиями, равной ширине штриха).

Чувствительность радиографических пленок к рентгеновскому и γ-излучениям невелика – большая часть квантов, попадающих на пленку (-99%), проходит через нее, не вызывая в эмульсии фотохимических реакций; поэтому в радиографии для сокращения экспозиции применяют пленку с усиливающи­ми металлическими или флуоресцентными экранами.

Усиливающие экраны. Для увеличения чувствительности пленок к рент­геновскому излучению и, следовательно, сокращению времени просвечивания, в промышленной рентгенографии широко применяются усиливающие экраны. Последние делятся на две принципиально различные категории – металличе­ские усиливающие экраны и флуоресцентные усиливающие экраны. Усили­вающее действие экранов первого типа основано на экспонировании пленки вторичными электронами, выбитыми из тонкой фольги металлического экрана рентгеновскими фотонами. Поскольку пробег этих электронов очень мал, они практически полностью поглощаются пленкой, повышая тем самым ее плот­ность потемнения. Из-за того, что пробег их мал, размывание изображения при этом не происходит, т.е. усиление изображения не сопровождается потерей его качества. Практически используются свинцовые или свинцово-оловянные фольги. Коэффициент усиления их, т.е. отношение экспозиций с экраном и без него, может, в зависимости от энергии рентгеновского излучения, доходить до 2-2,5. Совместно с пленкой используют пару экранов по обе ее стороны, т.о. воздействие экрана практически удваивается. Упомянутые выше форматы пле­нок СТРУКТУРИКС заранее снабжены парой свинцовых фолы толщиной 27 мкм, нанесенных на бумажную основу.

Усиливающее действие флуоресцентных экранов основано на конверти­ровании ими части рентгеновского излучения в оптическое веществом экрана -люминофором. В то время как пленка поглощает около 1 % дошедшего до нее рентгеновского излучения, экран имеет значительно большую поглощающую способность (до 20 %), а возникшее в экране свечение практически полностью поглощается пленкой.

Поэтому, коэффициенты усиления флуоресцентных эк­ранов составляют несколько десятков и более. Большинство экранов использу­ет люминофор вольфрамат кальция , но в последние годы появились новые, достаточно эффективные, на базе солей натрия, гадолиния, лантана. Однако расплатой за существенное уменьшение экспозиции при использовании флуоресцентных экранов являются существенные потери в контрастной чувст­вительности, т.е. качестве контроля. Причина этого в очень большом размере зерна люминофора. Так, если средний размер зерна у безэкранной рентгенов­ской пленки составляет не более 0,5 мкм, у экранной пленки – 1-1,5 мкм, то у экранов порядка 10 мкм.

Флуоресцентные экраны используются в комплекте из двух экранов (пе­реднего и заднего) в возможно более тесном контакте с пленкой. Толщина зад­него экрана обычно больше толщины переднего, т.к. его свечение, направлен­ное к пленке в меньшей степени ослабляется собственным поглощением экра­на. Как правило, флуоресцентные экраны используются со специально предна­значенными типами пленок.

Фотообработка пленки. Полученное в результате экспонирования скры­тое изображение, трансформируется в видимое в процессе фотообработки пленки. Первой ее стадией является проявка, при которой скрытое изображе­ние многократно усиливается. Проявитель включает в себя:

- одно или несколько проявляющих веществ (метол, гидрохинон, фенидон и т. д.);

- ускоритель – вещество со щелочной реакцией;

- предохраняющее вещество – препятствующее быстрому окислению про­явителя;

- противовуалирующее вещество.

Все указанные компоненты растворяются в необходимом количестве во­ды.

Отечественной промышленностью выпускаются готовые порошковые на­боры для проявки рентгеновской пленки "Рентген-2" и "Рентген-2М" на базе метолгидрохинонового проявителя. Порошковые химикаты не следует разво­дить непосредственно в проявочных баках. Следует растворить в небольшом количестве теплой воды (не выше 50°С) содержимое одного пакета, а затем, после его полного растворения, добавить содержимое второго пакета. После этого, в готовую смесь добавляется указанное изготовителем количество воды. Зарубежными производителями поставляются проявители в виде жидкого кон­центрата - G 128 и G 135 фирмы Агфа-геверт (Бельгия), LX-24 фирмы Кодак (США), Кронекс MD фирмы Дюпон (США). Для приготовления готового про­явителя достаточно лишь разбавить концентрат водой, как правило, в соотно­шении 1:4.

Время проявления обычно указывается на упаковке пленки. Важно лишь помнить, что оно существенно зависит от температуры проявителя. Стандарт­ное время проявления при температуре 20°С для проявителя "Рентген -2" - 6 мин., для проявителя G 128-5 мин.

Увеличение времени проявления повышает плотность снимка. Так, уве­личение времени проявления с 5 мин. до 10 мин. может увеличить оптическую плотность снимка до 50 %. Следует, однако, иметь в виду, что плотность вуали также возрастает на 50 %, поэтому повышения контрастности снимка таким путем едва ли можно добиться. Температура проявителя не должна быть ниже 18°С. Не рекомендуется и температура проявителя выше 24°С. В процессе про­явления желательно перемешивать растворы – особенно в первые 30 с. Это пре­дотвращает воздействие пузырьков воздуха на поверхность пленки, что приво­дит к появлению пятен на снимке.

По мере расхода проявляющего вещества и накопления продуктов прояв­ления, активность проявителя уменьшается. Для ее восполнения в проявитель может быть добавлен восстанавливающий раствор, приготовленный из прояви­теля G128, разведенного в соотношении 1:3. Однако, подобное восполнение не бесконечно. В итоге, проявитель следует заменить. Расход проявителя легко оценить из соотношения -проявка 1 м² пленки требует 1 л проявителя. Кроме того, ресурс проявителя, даже если он не используется, сокращает окисление его кислородом воздуха. Для предотвращения этого проявитель следует, по возможности, изолировать от контакта с воздухом. Неиспользуемый какое-то время готовый проявитель рекомендуется слить в бутылки с узким горлом и, наполнив доверху, плотно закупорить.

В последние годы появились быстрообрабатываемые рентгеновские пленки. Фирмой Агфа-Геверт выпускается пленка СТРУКТУРИКС D 6R со временем проявления в обычном проявителе 1,5-2 мин.

По окончании процесса проявки, пленка подвергается промежуточной промывке, желательно в проточной воде, в течение 2-3 мин.

Другим методом принудительного окончания процесса проявки является погружение пленки на 30 с в 3% раствор уксусной кислоты (так называемая стоп-ванна).

Фиксирование или закрепление является процессом, обеспечивающим сохранение результата проявления. Это обеспечивается удалением с пленки ос­татков бромистого серебра. В процессе фиксирования пленка приобретает про­зрачность (осветляется). Время фиксирования должно быть вдвое больше вре­мени, необходимого для осветления пленки. Рецептуры фиксажей приводятся в соответствующих химико-фотографических руководствах. Целесообразно пользоваться готовыми фиксажами, например, отечественными БКФ-2 или "Рентген-2М" или зарубежными концентратами G 328 и G 335 (Агфа-Геверт), КРОНЭКС MF-E (Дюпон) или AL-4 (Кодак).

В первые 30 с фиксирования пленку следует полоскать в фиксаже. Если этого не делать, возможно появле­ние на пленке белых пятен осадка.

Фиксаж считается отработанным, если вре­мя осветления в нем пленки увеличивается вдвое по сравнению с первоначаль­ным. Расход фиксажа составляет около 1 л на 1 м² пленки. По окончании про­явления пленка должна быть подвергнута окончательной промывке и сушке. Температура в сушильном шкафу не должна превышать 40°С. Хорошие резуль­таты дает помещение в сушильный шкаф селикагеля (осушителя), уменьшаю­щего влажность воздуха. При большом объеме обрабатываемых пленок, безус­ловно, целесообразно использовать автоматическую фотообработку. Пленоч­ные процессоры серии СТРУКТУРИКС NTD фирмы Агфа-Геверт позволяют обрабатывать до 200 пленок в час с высоким качеством.

 

Принципы рентгенографии

Стандартная технология получения рентгенографического изображения включает в себя наличие источника рентгеновского излучения (рентгеновского аппарата) с одной стороны контролируемого объекта и детектора излучения с другой его стороны. Проникающая способность излучения, зависящая от его энергии (или длины волны), должна быть такова, чтобы достаточное количест­во рентгеновских квантов дошло до детектора, и было им зарегистрировано. В качестве детектора в промышленной рентгенографии практически исключи­тельно и повсеместно используется радиографическая пленка, заключенная в светонепроницаемую кассету или конверт, прозрачные для рентгеновского из­лучения.

Формирование рентгеновского изображения на пленке подчиняется всем законам геометрической оптики, т.е. происходит полностью аналогично обра­зованию тени в видимом свете. Таким образом, резкость изображения объекта на пленке непосредственно зависит от размера источника излучения и расстоя­ний от него до пленки и от пленки до объекта. Поэтому, для получения макси­мально резкого изображения, кассету с пленкой располагают как можно ближе к контролируемому объекту.

Контролируемый объект и пленка облучаются или, как говорят, экспонируются в течение определенного времени экспозиции, после чего пленка изымается и подвергается фотообработке. Фотообработка включает в себя этапы проявки, фиксации, промывки и сушки. Обработанная пленка (рентгенограмма) помещается затем на подсвечиваемый экран – так на­зываемый негатоскоп, для просмотра. Различия в интенсивностях рентгенов­ского пучка прошедшего сквозь различные участки образца, наблюдаются на рентгенограмме в виде различия степени почернения или, иначе говоря, опти­ческой плотности разных участков пленки (рис. 2.4).

 

Рисунок 2.4 Формирование рентгеновского изображения на пленке

Оптическая плотность почернения пленки измеряется в так называемых единицах оптической плотности, представляющих собой логарифм отношения интенсивностей падающего и прошедшего сквозь пленку света. Т.е., например, оптическая плотность 3 означает, что данная пленка ослабит падающий свет в 1000 раз (log 1000 = 3). На глаз такая пленка выглядит очень черной и требует для просмотра сильной лампы или негатоскопа.

Практически, задачей дефектоскописта является получение пленки с плотностью от 1,5 до 3, поскольку расшифровка такой пленки наиболее удобна (снимки с более высокой плотностью с трудом поддаются разглядыванию, а с более низкой - выглядят серыми и не столь информативны), а, главное, в этом диапазоне контрастность большинства типов пленок максимальна.

Контрастность является одной из важнейших характеристик качества изображения и представляет собой разность оптических плотностей участков пленки, содержащего и не содержащего дефект. Чем больший контраст между деталями изображения на рентгенограмме, тем лучше качество изображения или, как говорят, контрастная чувствительность. Последняя полностью харак­теризует выявляемость дефектов в направлении просвечивания. Вместе с тем, разрешающая способность характеризует выявляемость дефектов в перпенди­кулярном направлении.

Другим важнейшим фактором, влияющим на контрастную чувствитель­ность и разрешающую способность, является нерезкость изображения. Источ­никами нерезкости являются несколько причин. Важнейшие из них – геометри­ческая нерезкость U_r (рис. 2.5), являющаяся, в сущности, областью полутени от дефекта из-за конечного размера фокусного пятна рентгеновской трубки.

 

(2.9)

где:

– размер фокусного пятна трубки, т.е. области на ее аноде, из которой выходит излучение;

– фокусное расстояние, т.е. расстояние от фокусного пятна до пленки;

– контролируемая толщина.

 

Рисунок 2.5 – Геометрическая нерезкость U_r

Другая важнейшая составляющая нерезкости – собственная или внутрен­няя нерезкость, обусловленная зернистой структурой бромистого серебра в пленке и люминесцирующего кристалла во флуоресцентном экране.

 

3. Импульсные рентгеновские дефектоскопы (на примере рентгенов­ского аппарата АРИНА)

Общие сведения

Портативные импульсные рентгеновские аппараты серии АРИНА пред­назначены для использования в качестве источника рентгеновского излучения при неразрушающем контроле материалов методом рентгенографии.

Условия эксплуатации: в диапазоне температур от минус 40 до плюс 50°С, атмосферном давлении 101,3+5,3-25,6кПа (760+40-200мм рт ст), относи­тельной влажности воздуха до 98% при температуре плюс 25°С и при более низких температурах без конденсации влаги.

На рис. 3.1 показан импульсный рентгеновский дефектоскоп серии АРИ­ НА (АРИНА-1, АРИНА-3, АРИНА-5, АРИНА-7).

Рисунок 3.1 – Импульсный рентгеновский дефектоскоп серии АРИНА

В табл. 3.1 приведены основные технические характеристики импульс­ных рентгеновских дефектоскопов серии АРИНА

Таблица 3.1 – Основные технические характеристики импульсных рентгеновских дефектоскопов серии АРИНА

Наименование	АРИНА-1	АРИНА-3	АРИНА-5	АРИНА-7
Экспозиционная доза рентгеновского излучения на рас­стоянии (500±20) мм от торца рентгеновского блока в пря­мом пучке за 1,5 мин, не ме­нее	129 (500) мкКл/кг (мР)	206 (800) мкКл/кг (мР)	258 (1000) мкКл/кг (мР)	387 (1500) мкКл/кг (мР)
Толщина стали, с флуорес­центными экранами	30 мм	40 мм	60 мм	80 мм
Толщина стали, доступная для рентгенографирования	15 мм	20 мм	30 мм	40 мм
Напряжение питания	автономно	однофазная сеть переменного тока (220±22) В (50±1) Гц, батарея ак­кумуляторов 24 В
Масса и габаритные размеры составных частей, не более: рентгеновский блок	3* кг - 420 х120х190 мм	5,5 кг-450 х120х190 мм	6,0 кг -460 х130х190 мм	8,5 кг -580 х130х210 мм
Пульт управления	1,0 кг -140 мм х Ǿ70	5,0 кг - 380 х270х100 мм	6,8 кг -380 х270х100 мм	6,8 кг -380 х270х100 мм

 

Примечание: * – без учета веса аккумуляторных батарей.