Анализ технологического процесса Планарной технологии

 

3. Радиометрическая дефекторкопия

В радиографическом и радиоскопическом методах автоматическая обработка результатов контроля до настоящего времени встречает некоторые трудности. Этих недостатков лишен радиометрический метод контроля. Радиометрический метод основан на просвечивании исследуемых объектов узким коллимированным пучком излучения и регистрации прошедшего излучения высокоэффективными детекторами: сцинтилляционными кристаллами, газоразрядными счетчиками и др. (рис.3.1).

При сканировании контролируемого объекта этим пучком на выходе детектора образуется электрический сигнал, величина которого пропорциональна плотности потока, прошедшего через объект излучения. Когда пучок излучения проходит через дефектный участок, плотность потока меняется. Если через Nо обозначить среднюю частоту поступления фотонов в детектор в отсутствие контролируемого объекта, то средняя частота счета N(L) детектора за поглотителем толщиной L составит

где В — фактор накопления излучения, рассеиваемого в образце и на стенках коллиматора и попадающего на детектор; в — эффективность регистрации излучения детектором.

 

Рис. 3.1. Схема радиометрического метода контроля:

1 — источник излучения; 2 — контролируемый  объект; 3 — коллиматор; 4 — детектор;    5 — усилитель; 6 — регистрирующее  устройство; 7 — дефект

Рентгеновская пленка эффективно регистрирует ионизирующее электромагнитное излучение благодаря усилению изображения (примерно в 1012 раз) в процессе фотообработки, причем тонкий чувствительный слой пленки поглощает весьма малую часть излучения, падающего на нее. радиографическом и радиоскопическом методах автоматическая обработка результатов контроля до настоящего времени встречает некоторые трудности. Этих недостатков лишен радиометрический метод контроля.    В радиометрический метод основан на просвечивании исследуемых объектов узким коллимированным пучком излучения и регистрации прошедшего излучения высокоэффективными детекторами: сцинтилляционными кристаллами, газоразрядными счетчиками и др. (рис. 3.1).

При сканировании контролируемого объекта этим пучком на выходе детектора образуется электрический сигнал, величина которого пропорциональна плотности потока, прошедшего через объект излучения. Когда пучок излучения проходит через дефектный участок, плотность потока меняется.

Для увеличения разрешающей способности метода просвечивать объекты следует возможно более узким пучком. Однако чрезмерное уменьшение поперечного сечения коллиматора снижает число фотонов, падающих на детектор. Размеры площади окна коллиматора у современных радиометрических дефектоскопов составляют около 1 см2.

Последнее обстоятельство делает эффективным применение этих систем при дефектоскопическом контроле качества сварки довольно толстостенных изделий: стали до 500 мм, алюминия до 1000 мм, магния и пластмасс до 2000 мм. В качестве детекторов излучения в радиометрическом методе применяют в основном сцинтилляционные датчики (сцинтилляционный кристалл с фотоумножителем), хотя возможно применение и других детекторов.

Установки со сцинтилляционными кристаллами могут обеспечить относительную чувствительность к изменению толщины контролируемого объекта на уровне десятых долей процента. Для того чтобы просветить всю зону, подлежащую контролю, осуществляют сканирование изделия пучком излучения. Для этого либо одновременно перемещают источник и детектор излучения при неподвижном изделии, либо перемещают изделие между неподвижными источником и детектором.

В связи с тем, что практически невозможно поддерживать стабильность эффективности регистрации детекторов и выхода излучения (у бетатронов), погрешности результатов измерения уменьшают, используя дифференциальные схемы. Контролируемое изделие просвечивают двумя узкими пучками, излучение регистрируется двумя датчиками, напряжение на которые поступает от одного блока питания. Сравнивающее устройство выделяет разность сигналов обоих детекторов.

При соответствующей настройке схемы сигнал на входе регистрирующего прибора отсутствует тогда, когда оба пучка проходят бездефектные участки изделия. Колебания напряжения в сети и изменения интенсивности излучения сказываются на таких установках в гораздо меньшей степени. Когда один из пучков проходит через дефектный участок изделия, разностный сигнал детекторов регистрируется выходным прибором (самописцем и др.).

Для сокращения времени контроля, повышения его надежности и упрощения схемы сканирования применяют многоканальные схемы. Всю зону контроля делят на полосы с шириной, соответствующей размеру окна коллиматора в каждом канале, и каждую полосу просвечивают через отдельный коллиматор на самостоятельный детектор одновременно с просвечиванием остальных полос.

Радиометрический дефектоскоп БД-2 предназначен для контроля сварных швов толстостенных (до 250 мм по стали) изделий. В качестве источника излучения применен бетатрон на 25 МэВ, в приемнике содержится семь пар сцинтилляционных счетчиков. За один проход контролируется зона шириной 100 мм.

Для контроля сварных кольцевых и продольных соединений барабанов и баллонов приемник излучения размещают на штанге и во время контроля вводят их внутрь этих объектов. Производительность контроля до 5 ма/ч. Чувствительность дефектоскопа при производительности 3 м2/ч не хуже 1% толщины.

Радиометрический гамма-дефектоскоп СИД-1, использующий радиоизотопные источники, контролирует зону шириной 20 мм за один проход (два канала) и обеспечивает производительность около 1,5 м2/ч . С его помощью можно просвечивать сварные соединения стальных изделий толщиной до 80 мм при чувствительности не хуже 1% толщины. В дефектоскопах БД-2 и СИД-1 предусмотрено также просвечивание на рентгеновскую пленку.

Лучшие результаты применения радиометрического метода получают при контроле сварных швов со снятым усилением, поскольку рельеф валика усиления регистрируется измерительной схемой дефектоскопа. В отличие от радиографии характер, форма и расположение дефектов в радиометрическом методе контроля не определяются, и поэтому на фоне рельефа валика усиления трудно выделить дефекты сварного соединения.

Хорошие результаты дает применение радиометрических установок в металлургии для контроля качества слитков, их раскроя и т. д. С большим успехом принципы радиометрического метода используют в различных рентгеновских и радиоизотопных приборах технологического контроля: при измерении уровня агрессивных и сыпучих веществ в агрегатах, измерении толщины проката, покрытий и т. д.

В соответствии с основным назначением аппаратуру радиометрического контроля относят к приборам, использующим ионизирующие излучения для измерения физических характеристик просвечиваемых объектов. По характеру измеряемой величины их подразделяют на толщиномеры и дефектоскопы. Кроме того, классификационными признаками являются условия измерения (поглощение излучения и его обратное рассеяние), вид используемого ионизирующего излучения (рентгеновские трубки, изотопные источники, ускорители) и конструктивно-эксплуатационные особенности.

При радиометрическом методе контроля детекторами излучения являются различного рода счетчики, ионизационные камеры, сцинтилляционные преобразователи.

В радиометрических приборах может быть использован аналоговый или дискретный (счетный) метод представления информации. Выбор метода обусловлен быстродействием, точностью, числом каналов, выходным устройством анализа и принятия решения.

Дискретный метод измерения заключается в определении числа импульсов на выходе детектора. В этом случае могут быть погрешности измерения двух видов: статистические и аппаратурно-статистические. Первые вызваны отклонением случайных чисел импульсов на выходе детектора от средних значений (принимаемых за истинный результат); вторые связаны с наличием «мертвых времен» детектора, пересчетного устройства или механического счетчика и возрастают с увеличением средней скорости счета. Аналоговый метод измерения позволяет определить суммарный заряд детектора, вызванный ионизацией регистрируемого излучения. В этом случае возможны погрешности трех видов: аппаратурные, статистические и аппаратурно-статистические.

Аппаратурные погрешности обусловлены главным образом дрейфом коэффициента усиления детектора и усилителя и порога дискриминации. Аппаратурно-статистические погрешности являются следствием «мертвых времен» и могут быть учтены при градуировке. Наиболее существенны статистические погрешности.

Радиометрические дефектоскопы и толщиномеры обычно работают при малых суммарных относительных погрешностях. Вследствие этого закон распределения статистических и суммарных погрешностей можно считать близким к нормальному.

При работе аналоговым методом возможны два режима: стационарный и нестационарный.

Первый из них является режимом толщинометрии, когда измерение производится по установившемуся выходному сигналу.

Нестационарный режим является режимом дефектоскопии и характеризуется тем, что измерение производится по мгновенному неустановившемуся выходному сигналу. Если измерения невозможно проводить дискретным методом (в случае источника тормозного излучения), то следует выбирать способ измерения по среднему току в нестационарном режиме, который при малой погрешности просчетов обеспечивает большую точность. Для достижения достаточной линейности выходного напряжения в нестационарном режиме постоянная времени должна быть в 5—10 раз больше времени измерения. Напряжение на выходе соответственно в это же число раз должно быть меньше напряжения в стационарном режиме (при неизменном коэффициенте усиления тракта).

При использовании среднетокового метода измерений в нестационарном режиме необходимо точно фиксировать момент окончания измерения, что усложняет схему и вносит дополнительную аппаратурную погрешность.

Узкий (коллимированный) пучок тормозного или -излучения сканирует по контролируемому объекту, последовательно просвечивая все его участки (рис.3.2). Излучение, прошедшее через контролируемый участок, регистрируется детектором, далее преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный интенсивности (плотности потока) излучения, падающего на детектор. Электрический сигнал через усилитель поступает на регистрирующее устройство. В качестве выходных регистрирующих устройств обычно применяют миллиамперметр, механический счетчик отдельных импульсов, осциллограф, самопишущий потенциометр и т. д. При наличии дефектов в материале (пустота) регистрирующее устройство отмечает возрастание интенсивности (потока) излучения. Наличие дефектов может отмечаться отклонением стрелки прибора, записью на самопишущем приборе, срабатыванием реле, приводящего в действие исполнительный механизм, который отмечает -на изделии дефектные участки, л т. д. Источник излучения и детектор устанавливают с противоположных сторон (работа в прямом пучке) контролируемого объекта и одновременно передвигают параллельно поверхности просвечиваемого материала и все время на одинаковом расстоянии от нее. Иногда сканируют контролируемое изделие при неподвижном источнике излучения и детекторе.

По принципу измерения и способам регистрации ионизирующих излучений толщинометрию можно отнести к разновидности радиометрического ме-

тода радиационной дефектоскопии. Схема измерения толщины основана на ослаблении или отражении (обратном рассеянии) ионизирующих излучений. Прошедшее через измеряемый материал излучение содержит информацию о толщине и регистрируется детектором излучения. Электрический сигнал, пропорциональный интенсивности прошедшего излучения, с детектора через усилитель поступает на измерительный прибор, шкала которого градуирована в единицах толщины измеряемого материала.

Отличия дефектоскопии от толщинометрии обусловлены различиями в характере решаемых ими задач.

 

 

 

 

 

 

Рис.   3.2   Схема  радиометрического контроля:

1— источник излучения; 2 — коллиматоры; 3 — контролируемый объект; 4 — направление перемещения; 5 — сцинтилляционный кристалл; 6 — фотоэлектронный умножитель; 7 — усилитель; 8 — регистрирующий прибор

 

 

1.   Ввиду   локализации   дефектов   и небольшой их протяженности требуется быстродействующая    регистрирующая аппаратура, тогда как благодаря плавному изменению толщины допускается усреднение результатов, что повышает точность измерений. Постоянную времени   прибора   необходимо   подбирать таким    образом,    чтобы   за    интервал измерения можно было зарегистрировать дефект, пересекающий пучок излучения.   Например,   при   выявлении дефектов протяженностью около 2 см, перемещающихся со скоростью 15 м/с, постоянная     времени    должна    быть 0,01—0,02 с.

2.  В режиме выявления дефектов размеры   окна   коллиматора   в   основном определяются  размером минимальных обнаруживаемых  дефектов   и  поэтому всегда малы. В связи с этим при прочих равных условиях для обеспечения одинаковой чувствительности в режимах дефектоскопии   и  толщиномстрии необходимо   повышать   интенсивность излучения. При построении регистрирующей   аппаратуры   следует   учитывать, что в таких условиях она работает в неустановившемся режиме. Как показано выше, это снижает чувствительность прибора.

3.  Толщину деталей можно измерить при наличии эталонов, поскольку режим толщинометрии рассчитан на абсолютные измерения.

4.  В силу того, что дефекты выявляют   путем   сравнения   качества   двух объемов контролируемого изделия, просматриваемых в соседние моменты времени, в дефектоскопии производят непрерывные измерения, а в толщенометрии   возможны   точечные   измерения.

5.   Из-за конечных размеров коллиматора дефект не мгновенно перекрывает окно коллиматора, поэтому усредненный сигнал от дефекта на выходе детектора не является прямоугольным. Это служит дополнительной причиной того,   что дефектоскопический   режим работы установки менее чувствителен.