Контрольная работа по "Высшей математике"

 

СРЕДСТВА РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО  КОНТРОЛЯ

Радиоизотопные  источники излучения. Разработаны различные структурные схемы регистрации радиометрических дефектоскопов со сцинтилляционными счетчиками, работающие в среднетоковом (рис. 3, а) и импульсном режимах (рис. 3, б).

 

 

Рис. 3. Структурные  схемы радиометрических дефектоскопов:

1 - источник излучения; 2 - изделие; 3 - блок детектирования; 4 - формирователь; 5 - блок обработки; 6 - блок регистрации

 

Преимуществом аппаратуры, построенной  по среднетоковому принципу, является простота схемы. К недостаткам следует  отнести нестабильность заряда, приносимого на интегратор импульсами детектора, а также наличие в полезном сигнале импульсов, вызванных рассеянным излучением и шумами фотоумножителя, которые снижают чувствительность схемы.

В аппаратуре, построенной по счетному принципу, измеряется средняя частота  следования импульсов, поступающих  с ФЭУ, амплитуда которых превышает установленный порог дискриминации. Импульсы нормализуются по амплитуде и длительности, что позволяет снизить флюктуации на выходе интегратора по сравнению со среднетоковым режимом.

Интегральный дискриминатор  отрезает часть спектра импульсов, обусловленную рассеянным излучением и шумами фотоумножителя. Это также повышает чувствительность аппаратуры. Устранение рассеянного излучения необходимо также при контроле изделий сложной конфигурации с использованием заполнителей, так как спектры излучения за материалом изделия и заполнителя совпадают только в области фотопика. В случае такой дискриминации отсекается часть несущих полезную информацию импульсов, вызванных квантами, рассеянными в материале кристалла.

К недостаткам аппаратуры, построенной  по счетному принципу, следует отнести  усложнение схемы по сравнению со среднетоковым режимом, которое  окупается повышением чувствительности. Поэтому необходимо максимально упрощать регистрирующие схемы, особенно при конструировании многоканальных дефектоскопов.

Источник излучения - ускоритель. При радиометрическом контроле существует зависимость между минимальным выявляемым дефектом, флюктуацией напряжения питания ФЭУ и начальной интенсивностью излучения.

При дифференциальном методе измерения (рис. 4) за контролируемым изделием симметрично оси, вдоль которой  распространяется излучение, размещают выносной блок с двумя детекторами. По соответствующей схеме сравниваются качества двух объемов контролируемого изделия. При идентичных параметрах каналов измерения в двухканальном дефектоскопе с использованием вычитающей схемы детерминированные погрешности взаимно уничтожаются.

При контроле изделий  большой толщины заметно возрастает влияние погрешностей, обусловленных квантовым характером излучения и наличием рассеянного излучения. В этом случае наиболее целесообразно проводить контроль компенсационным методом, при котором один сцинтилляционный детектор расположен за контролируемым изделием, а второй - непосредственно в пучке излучения перед контролируемым изделием (рис. 5). В дифференциальном методе контроля с применением вычитающей схемы

 

 

Рис. 4. Схема  дифференциального контроля:

1 - источник излучения; 2 - детектор; 3 - схема сравнения

 

 

Рис. 5. Схема  компенсационного контроля:

1 - проходной счетчик; 2 - источник излучения; 3 - изделие; 4 - детектор; 5 - схема сравнения

 

 

 

Рис. 6. Схема сравнения  сигналов с ФЭУ

 

флюктуация регистрируемого  сигнала линейно зависит от флюктуации начальной интенсивности излучения и коэффициента преобразования.

Дифференциальный и  компенсационный методы контроля изделий, имеющих переменное сечение, малоэффективны ввиду низкой точности определения размеров дефектов при использовании вычитающей схемы. С целью повышения их эффективности измеряют отношения или логарифмы отношения амплитуд импульсов сцинтилляционных детекторов. В этом случае размер минимального выявляемого дефекта не зависит от изменения толщины контролируемого изделия.

При реализации дифференциального и компенсационного методов контроля могут быть использованы различные схемы измерения. Наиболее простой способ обработки информации сцинтилляционных детекторов основан на применении вычитающей схемы в среднетоковом варианте (рис. 6). Однако схемы измерения среднего тока ФЭУ, являясь в большинстве случаев оптимальными для дефектоскопии радиоактивными изотопами в случае использования бетатрона, неэффективны ввиду их низкой помехоустойчивости.

Широкое распространение  в бетатронной и рентгеновской дефектоскопии получили схемы, основанные на измерении разности усредненных с помощью диодов и интегрирующих звеньев импульсов первого и второго сцинтилляционных детекторов (рис. 7).

 

 

 

Рис. 7. Схема сравнения  сигналов с предварительным интегрированием

 

 

 

Рис. 8. Схема сравнения  сигналов фотоумножителей с предварительным  их расширением

 

Существенным недостатком  этих схем является необходимость выбора параметров интегрирующих звеньев  строго одинаковыми. В противном  случае при нестабильно работающем ускорителе точность определения степени дефектности контролируемого изделия не может быть высокой. Этот недостаток устраняется при сравнении амплитуд импульсов сцинтилляционных детекторов пропорционально дозе в импульсе излучения с их предварительным преобразованием, которое осуществляется с помощью зарядного устройства и ключа (рис. 8).

Управление ключом производят таким образом, чтобы длительность получаемых импульсов равнялась половине периода следования импульсов излучения. Благодаря предварительному преобразованию формы импульсов сцинтилляционных детекторов повышаются быстродействие и помехоустойчивость дефектоскопов как при вычитающей схеме, так и при схеме измерения соотношения.

Нормативные документы  регламентируют выбор источников излучения при проведении радиометрического контроля в зависимости от толщины и плотности просвечиваемого материала по табл. 1.

 

 

 

1. Область применения  радиометрического метода
Толщина просвечиваемого  сплава, мм, на основе			Источник излучения
железа	титана	алюминия
От1 до 130	От 2 до 230	От 5 до 370	Рентгеновские аппараты напряжением от 40 до 1000 кВ
От 1 до 150	От 2 до 300	От 5 до 500	Радиоактивные источники  излучения: |70Тт, 75Se, 192Ir, 137Cs, 60Co
Св.50	Св.90	Св. 150	Бетатроны с энергией ускоренных электронов от 6 до 35 МэВ

 

ДЕТЕКТОРЫ, ИХ ЭЛЕКТРОННЫЕ  СХЕМЫ И КОЛЛИМАТОРЫ

При радиометрическом методе НК наиболее часто используют следующие детекторы: ионизационные камеры, газоразрядный счетчик, сцинтиллятор с фотоприемником, полупроводниковые приборы.

Из-за достаточно большой  напряженности электрического поля в ионизационной камере электроны и положительные ионы, возникающие при ионизации молекул газа проникающим излучением, не успевают рекомбинировать, поэтому накопленный на аноде камеры отрицательный заряд не зависит от напряженности электрического поля в камере и пропорционален воспринимаемой молекулами газа энергии проникающего излучения. Ионизационные камеры работают в токовом режимe, и их ток при постоянной энергии фотонов пропорционален потоку фотонов проникающего излучения.

Ионизационные камеры являются чрезвычайно стабильными детекторами при воздействии на них весьма интенсивных полей излучения, при которых другие типы детекторов были бы выведены из строя. Для повышения квантовой эффективности ионизационных камер их наполняют газом с высоким атомным номером, например ксеноном.

Пропорциональные  счетчики. Если напряженность электрического поля возрастает по сравнению с его значением в ионизационной камере, освобожденные ионизирующим излучением электроны будут ускорены до таких значений энергии, при которых они начинают ионизировать молекулы газа, что приводит к генерации дополнительных электронно-ионных пар. В этом случае накопленный на аноде заряд будет пропорционален переданной газу энергии. С помощью измерения этого заряда можно проводить энергетическую спектрометрию взаимодействующего с газом излучения, т.е. отдельные фотоны будут обнаруживаться и идентифицироваться в соответствии с накопленным зарядом.

Счетчики Гейгера. Если напряженность электрического поля в газовой камере возрастет по сравнению с его значением в пропорциональном счетчике, то каждое фотонное взаимодействие с газом камеры вызовет в нем электрический пробой, что, как следствие, приведет к накоплению на аноде достаточно большого заряда, значение которого не зависит от переданной газу энергии фотона и в этом случае фотон будет обнаружен, но будет утрачена информация о его энергии.

Сцинтилляторы с фотоприемниками. Сцинтилляторы, прозрачные для собственного излучения, можно соединить с фотоприемником и использовать такую комбинацию в качестве детектора. Такие детекторы, как правило, работают в токовом режиме, но могут использоваться и при спектрометрии фотонного излучения.

В зависимости от конкретного  типа детектора и электронных детекторных схем верхний предел скорости счета, которую может допустить спектрометрическая система, находится между 10⁴ и 10⁵ импульсами в секунду. Как правило, не следует использовать спектрометрическую систему при скоростях счета более 10⁴ импульсов в секунду. В этом случае целесообразно применять системы, работающие в токовом режиме, в которых в качестве сцинтилляторов используют щелочио-галлоидные соединения Nal(Tl), CzI(Na) и CzI(Tl), а также сложные окислы типа германата висмута Вi₄Gе₃O₁₂, вольфрамата кальция CaWO₄, цинка ZnWO₄ и кадмия CdWO₄, которые по ряду свойств превосходят щелочно-галоидные кристаллы (не гигроскопичны, химически устойчивы, механически прочны, теплостойки, радиационно устойчивы).

Перспективными преобразователями  являются оксидные сцинтилляторы на основе алюмината иттрия YАlO₃(Се) и оксида алюминия А1₂О₃(Тi), имеющие высокую химическую, механическую, термическую и радиационную стойкость.

У рассматриваемых детекторов в качестве фотоприемников используют ФЭУ, кремниевые фотодиоды (поверхносто-барьерные, диффузионные, лавинные и др.), фототранзисторы и т.п.

ФЭУ имеют ряд недостатков: нестабильность характеристик во времени, необходимость высоковольтного (до 3 кВ) питания, большие габариты и массы. Когда сцинтилляционный фотоэлектронный детектор используется в токовом режиме, для оценки среднего потока фотонов проникающего излучения измеряется ток с его выхода. На выходе ФЭУ ток имеет значение порядка 10 ^-10 ... 10 ^-7 А. Чтобы надежно измерить токи такого порядка, темновой ток ФЭУ (фоновый ток, измеряемый при отсутствии облучения детектора) должен быть менее 10^-11 А.

Квантовый выход фотокатода фотоумножителя меняется в пределах примерно от 10 до 20 %. Среди прочих факторов энергетическое разрешение сцинтилляционного счетчика определяется статистическими флюктуациями количества выбитых из фотокатода электронов при заданной энергии, выделившейся в сцинтилляторе. Существенную роль играют также неоднородность светосбора и вариации квантового выхода вдоль поверхности фотокатода. При высокой эффективности светосбора энергия 1 МэВ, выделившаяся в кристалле йодида натрия, приведет к испусканию с фотокатода примерно 4000 фотоэлектронов. При этом выброс по амплитуде выходного сигнала с фотоумножителя вследствие статистических флюктуации этой величины составляет менее 2%.

К достоинствам фотодиодов следует отнести линейность их характеристик в широком диапазоне освещенностей. Для кремниевых фотодиодов в диапазоне изменения фототока 10 нА ... 10 мА люкс-амперные характеристики линейны при изменении освещенности на 8 порядков.

Детекторы в  комбинации сцинтиллятор CzI(Tl) -кремниевый фотоприемник имеют обобщенный квантовый выход Q_D около 0,8. Линейные фотодиоды имеют коэффициент шума F » 3 дБ при коэффициенте усиления 10. Здесь под коэффициентом шума понимается отношение шума на выходе фотодиода к шуму на его входе, т.е.

 

F = Q_D^-1/2   (терминология заимствована из акустики).

 

Шумы на выходе Ш_ВЬ1Х и входе Ш_вх отличаются на 1 дБ,

если 20 lg(Ш_BblХ / Ш_вх) = 1, т.е. Ш_вых / Ш_вх » 1,12; если же сигналы отличаются на 3 дБ, то

20 lg (Ш_вых / Ш_вх) = 3 и Ш_вых / Ш_вх = 1,41 .

Следовательно, обобщенный квантовый выход лавинного фотодиода  имеет значение

 

Q_D=F^-2=1 /(1,41)²

 

Эффективность светосбора в рассматриваемых комбинированных  детекторах зависит от обработки поверхностей сцинтиллятора, выбора его геометрии, а также от материалов, используемых для оптического контакта.

Полупроводниковые детекторы. Эти устройства наиболее часто используют в спектрометрических системах контроля, так как они имеют высокое разрешение по энергии.