Контрольная работа по "Высшей математике"

Детекторы на основе Si(Li) дают удовлетворительные результаты по энергетическому разрешению при энергии фотонов примерно до 100 кэВ, а германиевые детекторы — при более высоких энергиях. Если требуется максимальное разрешение по энергиям, детекторы обоих типов должны работать при низких температурах. Германиевые детекторы неудобны тем, что их необходимо хранить при низких температурах, иначе они постоянно портятся.

Энергия, выделившаяся в  полупроводниковом детекторе, тратится на образование носителей заряда в виде свободных электронов и дырок, которые собираются на электродах. Обычно образуется так много носителей, что статистическими флюктуациями их числа можно пренебречь. Однако полный собираемый заряд очень мал, и детектор нужно подключать к усилителю с большим коэффициентом усиления и низким собственным шумом. Именно шум, создаваемый этим усилителем, ограничивает энергетическое разрешение детектора обычно значением ~ 3 кэВ.

Электронные схемы  детекторов. На рис. 9 и 10 представлены электронные схемы детекторных устройств, работающих в токовом и спектрометрическом режимах.

Токи в диапазоне 10 ^-10 ... 10 ^-7 А можно достаточно точно измерить с помощью серийных пикоамперметров. При измерении таких токов следует особое внимание обращать на экранирование сигнального провода, исключение его подвижности при измерениях и на чистоту изолирующих поверхностей элементов детекторных устройств.

Наиболее точные измерения  могут быть произведены с использованием цифровой техники, например путем преобразования выходного сигнала пикоамперметра в последовательность импульсов, частота которой пропорциональна выходному сигналу с последующим измерением частоты счетчиком-таймером. Системы такого типа могут измерять потоки ионизирующих частиц с точностью около 0,01 %.

 

 

Рис. 9. Электронная схема токового детекторного устройства:

1 - фотоприемник или ионизационная камера; 2 - катод; 3 - анод; 4 - экранированный сигнальный кабель; 5 - пикоамперметр; 6 - цифровой преобразователь; 7 - счетчик; 8 - таймер

Рис. 10. Электронная  схема спектрометрического детекторного устройства:

1 - детектор; 2 -предварительный усилитель; 3 - основной усилитель; 4 - многоканальный анализатор; 5 - одноканальный анализатор; 6 - счетчик; 7 – таймер

 

Предварительный и основной усилители спектрометрического измерительного канала предназначены для формирования и усиления импульсов напряжений, поступающих из детектора. Предварительный усилитель является первой ступенью в схеме обработки импульсов, располагается в непосредственной близи от детектора и выдает импульсы, мощность которых достаточна для их передачи по экранированному сигнальному проводу. Главное требование к основному усилителю - работа при высоких загрузках без искажений импульсов.

Амплитудные анализаторы  спектрометрических схем дифференцируют усиленные импульсы напряжения по их амплитуде. Одноканальный анализатор выдает логический импульс только в том случае, если входной импульс выше некоторого порога и ниже некоторого уровня. Эти логические импульсы накапливаются в течение определенного интервала времени с помощью счетчика и таймера. Полученное количество отсчитанных импульсов и представляет собой результат радиометрического измерения.

Многоканальные анализаторы  содержат несколько каналов конечной ширины ΔU, центрированных на U₁, U₂... и т.д., где U — амплитуда выходного импульса для того, чтобы получить энергетический спектр.

Многоканальный анализатор выполняет также функции отсчета  импульсов и их хронирование. Современные многоканальные анализаторы работают на основе использования компьютеров и могут обеспечивать некоторую степень анализа.

Коллиматоры. Эти устройства предназначены для ограничения размеров поперечного сечения рабочего пучка излучения и уменьшения количества нежелательных фотонов, воздействующих на детектор.

Коллиматор источника  излучения обычно имеет больший диаметр, чем фокусное пятно источника, для того чтобы в рабочем пучке излучения было как можно больше фотонов. При этом диаметр коллиматора источника должен быть как можно меньше фокусного расстояния (расстояние источник - детектор).

Влияние нежелательного рассеянного излучения на общий  сигнал является сложной функцией размеров и положений коллиматоров источника и детектора, толщины и положения ОК, а также энергии фотонов проникающего излучения. Это влияние можно минимизировать за счет использования коллиматоров с максимальным отношением их длин к диаметрам и установки максимального фокусного расстояния.

Вклад рассеянного излучения  в сигнал зависит от положения  ОК относительно источника излучения и детектора. Путем направленного изменения этого положения можно так разместить ОК, чтобы небольшим его отклонениям от оптимального положения соответствовало незначительное изменение сигнала. Обычно для того чтобы свести к минимуму поток рассеянного излучения, достигающего детектора, диаметр коллиматора последнего делают меньше диаметра коллиматора источника.

Для изготовления коллиматоров часто используют уран и свинец.

Уран, обедненный изотопом уран-235, имеет достаточно высокую  плотность и коэффициент ослабления излучения. Единственный недостаток обедненного урана - это его слабая радиоактивность. Радиоактивность урана делает его непригодным для использования в качестве материала коллиматора при низких значениях интенсивности рабочих пучков излучения. Уран является лучшим материалом для экранирования и коллимирования излучения иридия-192, цезия-137 и кобалъта-60 и рентгеновского излучения с энергией фотонов выше 400 кэВ.

Свинец - это мягкий материал, и его часто используют для  изготовления коллиматоров в сочетании  со стальными кожухами.

Достаточно эффективно ослабляет излучение вольфрам, но он трудно поддается механической обработке; требуется специальное легирование. Даже такие сплавы, как WniFe, трудно механически обрабатывать.

При энергии фотонов  рабочего пучка ниже 100 кэВ в качестве материала коллиматора можно использовать сталь, однако коллиматор, выполненный из более тяжелых металлов, часто бывает более компактен.

Очень важно при функционировании радиометрического устройства поддерживать правильное расположение источника излучения и детектора относительно друг друга. По этой причине всегда предпочтительно закреплять источник излучения и детектор на устойчивых опорах и осуществлять сканирование ОК пучком излучения путем перемещения ОК относительно рабочего пучка излучения. Когда такое сканирование осуществить невозможно, приходится перемещать источник излучения и детектор. В этом случае штативное устройство, служащее для поддержания и перемещения излучателя и детектора, должно иметь особую конструкцию, удерживающую их на расчетном расстоянии, например выполненную в виде вилки.

Система, в которой  диаметр одного коллиматора больше диаметра другого, при несоосности вносит меньшие погрешности в измерительные данные, чем система с коллиматорами одинаковых диаметров.

 

ИЗМЕРИТЕЛИ  ТОЛЩИНЫ МАТЕРИАЛОВ

 

Рентгеновские и радионуклидные измерители широко используют для бесконтактного автоматического контроля толщины листового проката путем регистрации прошедшего через материал излучения. Подбором необходимых ускоряющих напряжения и тока рентгеновской трубки с помощью рентгеновских толщиномеров можно осуществлять контроль, например, стального проката толщиной 0,002 ... 25 мм с погрешностью измерения 0,2 % от верхнего значения диапазона измерений.

Радионуклидные источники, в основном с β-активностью, используют для измерения толщины стальной полосы в диапазоне от нескольких микрометров до 0,8 мм, а источники с γ-активностью - для контроля горячего проката из стали толщиной 3,5 ... 40 мм. При контроле толщины алюминиевого проката верхнее значение диапазона увеличивается, а при контроле проката меди и сплавов на ее основе - уменьшается.

Системы, основанные на регистрации  прошедшего через ОК излучения, можно  условно разделить на две группы:

1)  прямого измерения  параметров одного пучка излучения  - абсолютный метод',

2) непрерывного сравнения  параметров двух потоков излучения  - компенсационный метод.

В системах прямого измерения (рис. 11) стабилизация напряжения и тока трубки осуществляется с помощью микропроцессоров. В качестве детекторов используют ионизационные камеры и сцинтилляционные счетчики. Детектор с предусилителем, как правило, помещают в термостат для снижения влияния температуры окружающей среды.

Измерители, работающие по методу сравнения двух потоков  излучения, в зависимости от числа  применяемых источников и приемников могут быть трех видов:

•  с одним источником излучения и двумя приемниками;

• с двумя источниками  и одним приемником;

•   с  двумя   источниками  и  двумя   приемниками (рис. 12).

 

Технические характеристики рентгеновских измерителей толщины стального

проката

Диапазон контролируемых толщин, мм.....    0,025 .... 25

(семь модификаций)

Аппаратная   составляющая   погрешности

три толщине ОК:

0,2...0,4 мм, мкм...........    ±2,0

0,4...2,0 мм, %.............     ±0,2

4,0...16,0 мм, мкм.........    ±20

cреднее квадратическое отклонение слу-

чайной  составляющей   погрешности   при

толщине ОК:

до 1,0 мм, мкм.............    2,0

свыше 1,0 мм, %..........     0,2

Быстродействие, с...............................     0,02

Время перестройки на новый номинал, с ...    5

 

Калибровка толщиномеров в, достаточно широком диапазоне  значений толщины проката (0,025 ... 25 мм) осуществляется разделением этого  диапазона на отдельно калибруемые  поддиапазоны. Скорость контроля горячекатаного листа в настоящее время может достигать значений 16 м/с, холоднокатаного - до 30 м/с.

Для проверки геометрии  горячекатаного листа требуется  измерение не только продольной разнотолщинности в процессе горячей прокатки, но и поперечной разнотолщинности. Для решения этой задачи применяют два способа.

В первом используют два рентгеновских толщиномера, один из которых контролирует толщину ОК в виде полосы по центру, другой перемещается поперек полосы и контролирует полосу по синусоидальной кривой, определяемой скоростями движения полосы и перемещения прибора. Разность показаний центрального и перемещающегося толщиномеров характеризует поперечный профиль полосы по толщине.

 

 

Рис. 11. Структурная  схема толщиномера прямого измерения:

1 - источник излучения; 2 - градуированный магазин стандартных образцов толщины; 3 - ионизационная камера; 4 - предусилитель; 5 - электронный блок; 6 - процессор; 7 - индикатор отклонения толщины полосы от номинала; 8 - корректор толщины ОК; 9 - корректор химического состава ОК; 10 - пульт управления толщиномера; 11 - ОК в виде полосы; 12 - охлаждающая рубашка

 

Рис. 12. Структурная схема толщиномера, работающего по методу сравнения двух потоков излучения:

/ - источник излучения; 2 - образцы толщин; 3 - сцинтилляци-онный кристалл; 4 - ОК в виде полосы; 5 - подвижный образец толщины; б - ФЭУ; 7 - усилитель; 8 - показывающий прибор; 9 - блок питания ФЭУ; 10 - регулятор тока ФЭУ; 11 - блок обработки сигнала; 12 – контроллер

 

Рис. 13. Структурная  схема измерителя профиля ОК в  виде полосы:

1- ОК; 2 - блок с двумя источниками излучения; 3 - магазин стандартных эталонов; 4 - блок детекторов; 5 - микропроцессор; б — пульт задания химсостава ОК; 7 — пульт задания толщины OK; 8 - пульт задания температуры; 9 - дисплей

 

Недостаток этого способа - измерение происходит в двух разных сечениях полосы и, следовательно, на результате сказывается неодинаковое геометрическое положение полосы относительно потоков излучения. К юстировке толщиномеров предъявляют высокие требования. Так, наклон полосы выше 3° приводит к дополнительной погрешности измерения толщины.

Во втором способе используют один прибор, измеряющий профиль объекта в виде полосы в одном сечении (рис. 13).

 

РАСШИФРОВКА РЕЗУЛЬТАТОВ  КОНТРОЛЯ

 

При обнаружении дефектов процесс контроля заканчивается  установлением типа дефекта, его местоположения и размеров.

Радиометрические методы позволяют определить две координаты дефекта: протяженность и его лучевой размер.

При использовании аналоговой радиометрической аппаратуры с непосредственной записью результатов контроля на диаграммную ленту самопишущего прибора задача классификации сводится к расшифровке дефектограмм.

Разнообразие типов  дефектов, их случайное группирование  и расположение не позволяют сделать однозначное заключение о характере дефекта, так как различные дефекты могут приводить к одинаковому возмущению электрического сигнала на выходе детектора. Однако задача их распознавания облегчается благодаря тому, что известно, какие дефекты характерны для данного технологического процесса.

Для повышения  достоверности расшифровки дефектограмм необходимо проводить следующие мероприятия:

1) анализ известных  дефектов, встречающихся при изготовлении  изделия;

2) опытную эксплуатацию  дефектоскопа с целью набора  статистического материала о  наиболее распространенных дефектах;

3) сравнение величины и конфигурации сигнала от дефекта с результатами контроля радиометрическим методом.