Радіофізичні методи діагностики матеріалів і середовищ



Сторінка13/24
Дата конвертації09.03.2016
Розмір5.77 Mb.
1   ...   9   10   11   12   13   14   15   16   ...   24

4.5. Детектори іонізуючого випромінювання


Детектором іонізуючого випромінювання називають чутливий елемент, призначений для перетворення енергії іонізуючого випромінювання в інший вид енергії, зручний для реєстрації та (або) вимірювання параметрів іонізуючого випромінювання [8, 28].

Іонізуюче випромінювання можна виявити лише за взаємодією його із середовищем, що призводить до утворення іонів різних знаків. Явище іонізації використовується в більшості детекторів іонізуючих випромінювань. У деяких детекторах, наприклад сцинтиляційних, використовуються ефекти, що супроводжують іонізацію.

Детектори, що застосовуються в апаратурі радіаційного контролю та дозиметрії, класифікують у такий спосіб:

 іонізаційні;

 напівпровідникові;

 радіолюмінесцентні;

 радіографічні.

Іонізаційні камери. В іонізаційній камері до об'єму газу між двома електродами прикладається різниця потенціалів. Залежно від форми електродів камери підрозділяють на циліндричні, пласкі та сферичні.

На рис. 4.10 наведена схема циліндричної іонізаційної камери, у якій газом наповнений циліндричний катод 1, через який проходить аксіально розміщений стрижневий анод 2. За наявності поля іони та електрони 4, що утворилися під дією випромінювання 3, рухаються до відповідних електродів і в зовнішньому ланцюзі з'являється струм, величина якого визначається різницею потенціалів на електродах. Залежність іонізаційного струму І від напруги U на електродах камери показана на рис. 4.11. При збільшенні напруги від нуля до U1 іонізаційний струм лінійно зростає, тому що зі збільшенням напруженості поля збільшується швидкість іонів і підвищується ймовірність досягнення ними відповідного електрода без рекомбінації. У діапазоні напруг U1U2 всі іони, що утворилися, досягають електродів, тому збільшення напруги не викликає збільшення струму. Цю ділянку називають областю насичення.

Рисунок 4.10 – Схема циліндричної іонізаційної камери:

1 катод; 2  анод; 3  іонізуюче випромінювання; 4  іони та електрони


При збільшенні напруги вище U2 (рис. 4.11) швидкість іонів стає достатньою для іонізації молекул газу внаслідок зіткнень (ударної іонізації), внаслідок чого з'являються нові носії зарядів. У діапазоні напруг U2U3 спостерігається спочатку область пропорційності, а потім область обмеженої пропорційності, де лінійна залежність порушується.

Нарешті, у діапазоні напруг U3U4 (область Гейгера) у газі, що заповнює камеру, виникає електронна лавина, що збуджує атоми газу. Збуджені атоми випускають кванти ультрафіолетового випромінювання. Ці кванти разом із позитивними іонами вибивають із катода вільні електрони, які, прискорюючись електричним полем, сприяють підтримці в газі самостійного розряду.



Іонізаційні камери працюють в області насичення (U1U2). Напруга насичення залежить від форми електродів і відстані між ними. Напруга на електродах іонізаційних камер звичайно становить 100–220 В. Іонізаційний струм, що виникає в камері, вимірюють під час його проходження через зовнішній ланцюг. Цей струм дуже малий, що вимагає застосування підсилювальних пристроїв.

U

U1

U4

U2

U3

I

Рисунок 4.11 – Залежність іонізаційного струму від напруги на електродах іонізаційної камери



Газові лічильники. Газовий лічильник – це детектор, за конструкцією аналогічний іонізаційній камері. Призначений для реєстрації окремих іонізувальних частинок. На відміну від іонізаційних камер у газових лічильниках для посилення іонізаційного струму використовується газовий розряд.

Залежно від характеру газового розряду, що використовується, такі лічильники можна розділити на два типи:

 пропорційні лічильники (із несамостійним розрядом);

 лічильники Гейгера (із самостійним розрядом).



Пропорційні лічильники працюють в умовах газового посилення в області пропорційності (діапазон напруг U2U3 на рис. 4.11), де значення імпульсу струму залежить від первинної іонізації, тому за допомогою цих лічильників можна визначати вид та енергію іонізуючих частинок.

Коефіцієнт газового посилення пропорційного лічильника може досягати 106. Щоб коефіцієнт газового посилення якнайменше залежав від місця виникнення первинної іонізації, катод лічильника виготовляють у вигляді циліндра, а як анод використовують тонку вольфрамову нитку, натягнуту по осі цього циліндра (конструкція, аналогічна циліндричній іонізаційній камері). На електроди пропорційного лічильника подається напруга більше 300 В.

Лічильник Гейгера працює при напругах, що перевищують U3 (рис. 4.11). Струм вихідного імпульсу такого лічильника не залежить від значень початкової іонізації. Всі імпульси при заданій напрузі незалежно від роду іонізаційних частинок та їх енергій мають однакове значення струму. Лічильники Гейгера найбільш широко застосовують для дозиметричного контролю.

Напівпровідникові детектори. До напівпровідникових детекторів відносять власне напівпровідникові детектори (лічильники) та електрорадіографічні пластини.

Напівпровідники під дією іонізуючого випромінювання змінюють свої властивості та можуть використовуватися як детектори випромінювання. У радіаційному неруйнівному контролі та дозиметрії застосовуються такі типи напівпровідникових детекторів: дифузійні детектори з рп-переходом, поверхнево-бар'єрні та дифузійно-дрейфові детектори.

Схема дифузійного детектора з рп-переходом наведена на рис. 4.12. У процесі виготовлення такого детектора за допомогою дифузійної технології безпосередньо під його поверхнею формують рп-перехід. При прикладанні до детектора зовнішньої напруги з полярністю, що зміщює рп-перехід у зворотному напрямку, потенційний бар'єр на переході зростає та виникає збіднена носіями заряду зона 1 (рис. 4.12). Ця збіднена область є чутливим об'ємом детектора та аналогічна чутливому об'єму газу в іонізаційному детекторі. Заряджені частинки, потрапляючи в збіднену носіями заряду область, генерують електронно-діркові пари. Оскільки в чутливому об'ємі напівпровідникового детектора існує електричне поле, при взаємодії іонізуючою частинкою з ним виникає імпульс струму, пропорційний енергії, яка віддана частинкою чутливому об'єму детектора.

Рисунок 4.12 – Схема дифузійного детектора з рп-переходом:

1 – збіднена область; 2 – електричні контакти; 3 – вхід детектора; 4 – область n-типу; 5 – кремній р-типу; 6 – металевий електрод
Принцип дії поверхнево-бар'єрних і дифузійно-дрейфових детекторів той самий, що й у детектора з рп-переходом: виникає збіднена зона, у якій існує електричне поле. Спосіб створення збідненої зони, так само як і її розміри та місце розташування в кристалі, варіюється від одного типу детектора до іншого. Поверхнево-бар'єрні детектори порівняно з детекторами з рn-переходом мають кращу роздільну здатність за енергією, однак в останніх більш широка збіднена область, що дозволяє їм детектувати частинки з більш високою енергією.

Напівпровідникові детектори у поєднанні з підсилювачами дозволяють вимірювати густини потоку важких частинок, електронів і фотонного випромінювання. Поверхнево-бар'єрні кремнієві детектори застосовують для реєстрації швидких і повільних нейтронів. Амплітудна роздільна здатність напівпровідникових детекторів приблизно в п'ять разів краща, ніж газових пропорційних лічильників. Крім того, вони мають такі переваги, як висока швидкість рахунку, лінійність сигналу в широкому діапазоні енергій, можливість селективної реєстрації частинок, невеликі розміри та ін.



Електрорадіографічні пластини застосовують як детектор іонізуючого випромінювання при електрорадіографічному методі радіаційного контролю. Під час проведення електрорадіографічного контролю використовують напівпровідникові селенові пластини, що складаються з металевої алюмінієвої підкладки, на яку у вакуумних умовах шляхом термічного випару нанесений шар фотонапівпровідника  аморфного селену. Товщина селенового шару становить 100–500 мкм.

Процес одержання електрорентгенограми складається з таких етапів. Для надання пластині з напівпровідниковим шаром фоточутливості на поверхню шару аморфного селену наносять рівномірний за площею електричний заряд. У процесі нанесення заряду висока напруга (5–7 кВ) підводиться до електродів, що розміщені над пластиною. У повітряному проміжку між електродами і шаром селену виникає коронний розряд. Іони повітря, що утворилися в процесі розряду, осідають на селеновому шарі. Залежно від полярності напруги, що подається на електроди, на поверхню селенового шару може бути нанесений або позитивний, або негативний потенціал відносно підкладки. Після зарядки пластину закривають світлонепроникним кожухом і вона готова до експонування.

Експонування зарядженої пластини здійснюється фотонним випромінюванням, що пройшло через контрольований об'єкт. Взаємодіючи із селеновим шаром, випромінювання генерує вільні носії заряду (електронно-діркові пари) і зменшує його електричний опір. Унаслідок зменшення опору нейтралізується заряд, нанесений на шар. Причому нейтралізація заряду в першому наближенні пропорційна інтенсивності випромінювання. Унаслідок цього на поверхні фотонапівпровідникового шару утворюється приховане електростатичне зображення, що проявляється при запиленні поверхні селенового шару дрібнодисперсним зарядженим порошком  електрографічним проявником. Інтенсивність осідання порошку на пластині також пропорційна значенню залишкового заряду.

Далі проявлене видиме порошкове зображення переносять на інший носій (як правило, папір), який використовують для аналізу та зберігання електрорентгенограми.



Радіолюмінесцентні детектори. Принцип дії цих детекторів базується на явищі радіолюмінесценції  випромінюванні деякими речовинами світла під впливом іонізуючого випромінювання [28].

Явище радіолюмінесценції можна пояснити в такий спосіб. При взаємодії випромінювання з речовиною генеровані електрони передають речовині свою кінетичну енергію шляхом іонізації та збудження атомів речовини. Іонізація пов'язана з видаленням електрона з атома, а збудження – з підвищенням енергетичного стану електрона в атомі. Повернення збуджених електронів у нормальний низькоенергетичний стан (релаксація) відбувається досить швидко і супроводжується випущенням речовиною фотонів видимого світла.

Ці світлові фотони, що випускаються, проявляються у вигляді спалахів, тобто речовини сцинтилюють, і тому називаються сцинтиляторами, або люмінофорами.

Є різні сцинтилятори, що дозволяють детектувати альфа- і бета-частинки, фотонне та нейтронне випромінювання. Низка сцинтиляторів, які широко застосовуються в системах рідіаційного контролю, наведена у табл. 4.1.

Сцинтиляційні матеріали виготовляють у газоподібній, рідкій і твердій формах. Як сцинтилятори широко застосовують органічні рідини та тверді речовини, а також неорганічні гази та тверді речовини. Тверді органічні сцинтилятори випускають у вигляді кристалів, пластинок і гелів. Тверді сцинтилятори мають більш високу густину, ніж гази, і перевершують за ефективністю детектування газові іонізаційні камери на кілька порядків.
Таблиця 4.1 – Сцинтилятори для систем радіаційного контролю

НазваХімічна формулаТип детектованих частинокЙодид натріюNI (Tl)ФотониЙодид цезіюCs (Tl)ФотониЙодид літіюLi (Eu)Фотони, нейтрониСульфід цинкуZn (Ag)Альфа-частинкиГерманат вісмутуViGe3O12ФотониВольфрамат кадміюCdWO4ФотониОксисульфід гадолініюGd2O2S(Tb)Фотони

Як показали дослідження, люмінесценція багатьох твердих тіл сильно залежить від наявності в них незначних домішок, що визначають як колір світіння, так і здатність до люмінесценції. Ці домішки називають активаторами, а люмінофори, що їх містять, розглядають як тверді розчини активатора в основній речовині  основі люмінофора. Акт випромінювання світла відбувається в мікроскопічних утвореннях, пов'язаних з атомами активатора. Такі утворення отримали найменування центрів світіння. У табл. 4.1 для сцинтиляторів у дужках хімічних формул зазначені елементи, що використовуються як активатори.

Для ефективного застосування в апаратурі радіаційного контролю та дозиметрії сцинтилятори повинні відповідати низці вимог: вони повинні мати високу щільність і містити атоми хімічних елементів із високим атомним номером, мати високу ефективність перетворення енергії іонізуючого випромінювання у світлову енергію та високу просторову роздільну здатність, мати відпрацьовану технологію виготовлення.

Для вимірювання параметрів іонізуючих випромінювань сцинтилятори сполучають із перетворювачами «світло–сигнал»: фотоелектронними помножувачами, фотодіодами або іншими фотоприймачами. При виборі пари сцинтилятор  фотоприймач для досягнення високої ефективності детектування необхідно враховувати відповідність спектральної характеристики випромінювання сцинтилятора спектральній характеристиці чутливості фотоприймача. Мірою такої взаємної відповідності є коефіцієнт спектральної відповідності Кс :

, (4.7)


де I() – нормована спектральна характеристика випромінювання сцинтилятора; S() – нормована спектральна характеристика чутливості фотоприймача.

Детектори «сцинтилятор ФЕП». Фотоелектронний помножувач (ФЕП) – це електровакуумний прилад, що складається з фоточутливого шару (фотокатода) і системи спеціальних електродів, що називаються динодами. Фотокатод за рахунок зовнішнього фотоефекта перетворює світлові фотони в потік фотоелектронів, що прискорюються електростатичним полем, після чого їх кількість множиться на динодах. Кількість динодів ФЕП звичайно становить від 9 до 13. Робота динода базується на явищі вторинної електронної емісії, коли первинний електрон, потрапляючи на динод, вибиває кілька електронів (які називаються вторинними). Наприкінці динодної системи знаходиться анод, крізь який проходить вихідний струм ФЕП.

Пари сцинтилятор  ФЕП підбирають із урахуванням їх взаємної спектральної відповідності, що тим краще, ніж ближче до одиниці значення коефіцієнта спектральної відповідності, яке розраховується за формулою (4.7). Так, наприклад, комбінація сцинтилятора Cs(Tl) і ФЕП із багатолужним фотокатодом, для якої Кс = 0,83, є більш доцільною, ніж комбінація Cs(Tl) і ФЕП із SbCs-фотокатодом, для якої Кс = 0,48.

За рахунок високого коефіцієнта підсилення ФЕП (106–108) такі детектори перевищують за ефективністю детектування іонізаційні камери та напівпровідникові детектори.

Детекторам «сцинтилятор – ФЕП» властива також низка недоліків. Це чутливість до магнітних полів та до зміни температури, порівняно невелика (102–103) лінійна ділянка динамічного діапазону, необхідність високовольтного живлення ФЕП і жорсткі вимоги до його стабільності, відносно великі габарити.



Детектори «сцинтилятор фотодіод». Детектори «сцинтилятор  фотодіод» мають практично всі переваги детекторів «сцинтилятор – ФЕП», зокрема реалізацією в них ефекту внутрішнього підсилення (при застосуванні як фотоприймача лавинного фотодіода).

Схема детектора «сцинтилятор – фотодіод» наведена на рис. 4.13. Сцинтилятор 2 перетворює іонізуюче випромінювання 1 у світлові фотони, що потрапляють на рn-перехід 4 фотодіода. Фотодіод перетворює світловий потік в електричний сигнал, який після підсилення в підсилювачі 3 надходить на вихід детектора. Як фотоприймач у таких детекторах звичайно застосовують кремнієві або арсенід-галієві фотодіоди.

Детектори «сцинтилятор  фотодіод» мають низку переваг перед детекторами «сцинтилятор  ФЕП»: низька напруга живлення; невелика споживана потужність; малі габарити; мала чутливість до механічних, температурних і магнітних впливів. Крім того, ефективність перетворення енергії випромінювання такими детекторами приблизно на порядок вища, ніж детекторами «сцинтилятор  ФЕП».

Нині детектори «сцинтилятор – фотодіод» знайшли широке застосування в дозиметрії іонізуючих випромінювань; у радіаційних системах неруйнівного контролю з лінійним і матричним розміщенням десятків, сотень і тисяч таких детекторів, у промислових і медичних томографах [8].

Рисунок 4.13 – Схема детектора «сцинтилятор – фотодіод»:

1 – іонізуюче випромінювання; 2 – сцинтилятор; 3 – підсилювач; 4 – рn-перехід; 5 – SiО2; 6 – металевий контакт


Радіографічні детектори. До радіографічних детекторів відносять радіографічні плівки, що застосовуються в радіографії та дозиметрії.

Рисунок 4.14 – Структура

радіографічної плівки

Основою радіографічної плівки є гнучка прозора підкладка 4 товщиною 100–200 мкм із пластмаси  ацетатцелюлози (рис. 4.14). На підкладку із двох боків наносять чутливу до випромінювання емульсію 2, що становить шар желатини товщиною 10–30 мкм, у якому рівномірно розподілені мікрокристали бромистого срібла розміром не більше 3 мкм. Для збільшення міцності з’єднання між емульсією та підкладкою служить шар спеціального клею 3, що має назву підшару. Зовні на емульсію наносять захисний шар 1 із задубленої желатини товщиною до 1 мкм, що захищає емульсію від механічних ушкоджень.

У мікрокристалах бромистого срібла негативні іони брому пов'язані з позитивними іонами срібла силами електростатичного притяжіння. По дією іонізуючого випромінювання негативний іон брому втрачає свій валентний електрон і стає нейтральним атомом, а електрон, що звільнився, взаємодіючи з вільним позитивним іоном срібла, перетворює його в нейтральний атом срібла. Коли в кристалі бромистого срібла накопичується певна кількість атомів відновленого металевого срібла, у ньому утворюється так званий центр прихованого зображення. Для перетворення прихованого зображення у видиме радіографічну плівку обробляють у розчині проявника. У проявнику відбувається хімічна реакція відновлення бромистого срібла в металеве, причому процес відновлення проходить найбільш ефективно в кристалах, що мають центри прихованого зображення.

Зерна відновленого металевого срібла надають плівці темного забарвлення, тобто визначають її прозорість. Ступінь почорніння якої-небудь ділянки зображення залежить від кількості зерен металевого срібла на ньому і визначається інтенсивністю випромінювання I і часом t його впливу на емульсію. Добуток Н I · t називають експозицією.

Щоб зафіксувати отримане зображення, тобто зробити його не чутливим до світла, проявлену плівку обробляють у розчині закріплювача. Закріплювач розчиняє кристали бромистого срібла, що не прореагували із проявником.

Ступінь почорніння радіографічного знімка характеризують оптичною густиною почорніння D = lg(Р0/Р), де Р0 – падаючий на плівку світловий потік; Р – світловий потік, що пройшов через плівку. Із формули випливає, що оптична густина почорніння цілком прозорого знімка (Р0 = Р) дорівнює нулю. Оптична густина почорніння D = 2 відповідає ослабленню світлового потоку в 100 разів, D = 3  у 1000 разів.

Основні радіографічні характеристики плівки визначаються характеристичою кривою, що становить собою залежність оптичної густини почорніння D від логарифма експозиції lg Н : D = f(lg Н) (рис. 4.15).

З аналізу характеристичної кривої бачимо, що до експонування плівка має деяке початкове почорніння з оптичною густиною D0, яке називається вуаллю. Це пояснюється непрозорістю підкладки, а також здатністю деяких зерен бромистого срібла проявлятися без впливу на них випромінювання. Оптична густина вуалі тільки-но вироблених плівок не перевищує 0,2. Під час зберігання плівки густина вуалі зростає. Придатними для роботи вважаються плівки з оптичною густиною вуалі до 0,3.

Рисунок 4.15 – Характеристична крива радіографічної плівки

Характеристичну криву можна розділити на кілька ділянок (рис. 4.15). Ділянку АБ називають областю недотримувань. У цій області густина почорніння плівки є невеликою. Ділянку БВ називають областю нормальних експозицій. Тут густина почорніння пропорційна експозиції. Ця область відповідає області робочих експозицій у радіографії. На ділянці ВГ, або в області перетримувань, рівним приростам експозиції відповідають нерівні прирости оптичних густин, що поступово зменшуються. Нарешті, на ділянці ГД, в області соляризації, зі зростанням експозиції ступінь почорніння знімка зменшується.

Одним із важливих параметрів радіографічної плівки є її контрастність  властивість відповідати на певне збільшення експозиції більшим або меншим збільшенням оптичної густини. Від контрастності плівки залежить контрастність зображення на радіографічному знімку. Мірою контрастності плівки є коефіцієнт контрастності γ, що чисельно дорівнює тангенсу кута нахилу прямолінійної ділянки характеристичної кривої γ = tg α (рис. 4.15). Плівки з більш високим γ за тих самих умов просвічування дають більш контрастне зображення.

Іншим важливим параметром плівки є чутливість, що характеризує її здатність реєструвати іонізуюче випромінювання. Чутливість визначають за характеристичною кривою як величину, обернену експозиційній дозі у рентгенах (Р), необхідну для одержання оптичної густини, що перевищує на 0,85 (або на 2) густину вуалі. Одиницею вимірювання чутливості є Р-1. Якщо, наприклад, чутливість плівки дорівнює 25 Р-1, то це означає, що для отримання оптичної густини D = D0 + 0,85 (або D = D0 + 2) необхідна експозиційна доза випромінювання 1/25 Р, де D0 – оптична густина вуалі.

Чутливість плівки залежить від розмірів зерен бромистого срібла: у плівки з більшим розміром зерна чутливість вища, ніж у дрібнозернистої. Однак збільшення розміру зерна призводить до зниження роздільної здатності плівки.

Просторова роздільна здатність радіографічної плівки характеризується максимальною кількістю пар ліній (пар штрихів) на 1 мм довжини знімка, що роздільно реєструються плівкою. Пара ліній  дві сусідні лінії (біла та чорна) однакової ширини. Роздільна здатність характеризує можливість плівки реєструвати зображення дефектів із малими просторовими розмірами та близько розташованих дефектів контрольованого об'єкта. Просторова роздільна здатність сучасних радіографічних плівок становить 20–25 пар ліній/мм.



1   ...   9   10   11   12   13   14   15   16   ...   24


База даних захищена авторським правом ©refs.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка