Радиационный способ контроля плотности

 

РАДИАЦИОННЫЙ-СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ, заключающийся в том, что поток электронов направляют на поверхность контролируемого объекта и регистрируют обратнорассеянные электроны, вышедшие за пределы экранируемой области поверхности объекта , отличающийся тем, что, с целью контроля распределения плотности по глубине объекта, ступенчато увеличивают энергию электронов и размеры экранируемой области , причем при каждой энергии дополнительно получают результаты регистрации для модельньЕХ образцов и по разнице результатов регистрации судят о плотности глубинного слоя объекта . S

СОЮЗ СОВЕтСНИХ

СОДИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (l9) . (I1) (5))4 G01 N9 2

ГОСУДАРСТВЕННЬЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛЛМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТН ЫТИЙ (21) 2688729/18-25 (22) 24.11.78 (46) 23.06.85. Бюл. М 23 (72) В.Н.Руденко и В.Б.Сорокин (71) Научно-исследовательский институт электронной интроскопии при Томском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного

Знамени политехническом институте имени С.N.Êèðîâà (53) 620.179.18(088.8) (54)(57) РАДИЛЦИОННЫй -СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ, заключающийся в том, что поток электронов направляют на поверхность контролируемого объекта и регистрируют обратнорассеянные электроны, вышедшие за пределы экранируемой области поверхности объекта, отличающийся тем, что, с целью контроля распределения плотности по глубине объекта, ступенчато увеличивают энергию электронов и размеры экранируемой области, причем при каждой энергии дополнительно получают результаты регистрации для модельных образцов и по разнице результатов регистрации судят о плотности глубинного слоя объекта.

7662

56

1

Изобретение относится к плотнометрии твердых тел радиационными методами,.а конкретнее к способам контроля плотности твердых тел по обратному рассеянию быстрых электронов.

Известен радиационный способ контроля плотности, заключающийся в том, что поток электронов направляют, на поверхность объекта и регист- 30 рируют обратнорассеянные электроны, вышедшие за пределы экранируемой области поверхности объекта.

Однако результат регистрации не дает возможность судить о распределении плотности по глубине.

Изделия порошковой металлургии характеризуются зависимостью плотности от глубины, причем вид распределения определяет эксплуатационные щ характеристики, поэтому его определение важно, например, при отработке технологии изготовления изделия.

Цель изобретения — контроль распределения плотности.по глубине объ- 25 екта.

Указанная цель достигается тем, что поток электронов направляют на поверхность контролируемого объекта

1 и регистрируют обратнорассеянные электроны, вышедшие за пределы экранируемой области, ступенчато увеличивают энергию электронов и размеры экранируемой области поверхности объекта, из которой регистрация обратнорассеяиных электронов исключается, причем при каждой энергии электронов и соответствующем оптимальном размере экранируемой области производят регистрацию обрат-4О норассеянных электронов не только на объекте, но и на модельных образцах, которые изготовляют по результатам регистрации при всех предыдущих энергиях. Переход к каждой последующей энергии увеличивает глубину контроля на величину, равную разности толщин насыщения обратного рассеяния для двух последующих значений энергий электронов. Изменение же размеров экранируемой области при переходе к большей энерI гии электронов до оптимального раз мера позволяет измерить плотность объекта с наилучшей чувствительностью, Получение результатов регистрации при каждой энергии электронов не только для объекта, но и для модельных образцов обеспечивает точность определения плотности.

При этом при каждой энергии могут быть использованы всего два модельных образца, которые изготовляют из материала того же состава, что и объект. (например, из шихты той же марки). Образцы моделируют плотность и толщину слоев, которые были определены при предыдущих энергиях электронов и различаются тем, что слой, плотность которого определяют при данной энергии электронов, моделируется для одного образца в виде полубесконечного образца с плотностью равной плотности слоя, определенно ro при предыдущей энергии, а для другого — в виде полубесконечного образца с известной плотностью, но отличающейся от плотности такового для первого образца.

Различие в результатах- регистраций на модельных образцах позволяет при каждой энергии определить чувствительность к изменениям плотности в глубинном слое, плотность которого измеряется, а различие в результатах регистраций на объекте и од* ном из модельных образцов — плотность глубинного слоя.

При падении пучка электронов с энергией E, имеющего диаметр сечения 2 t o на поверхность объекта результат регистрации обратнорассеянных электронов (J(E,1определяетк ся плотностью объекта и эффективным атомным номером его материала

U(E„)= Q(z) (у), Для однородного. по составу объекта (например, hepрита) =2 =const, результат зависимости от плотности объекта у определяется. вкладом F d 4 слоя

dt, расположенного на глубине н имеющего плотность р =9(1) и зависящего от радиуса Р экранируемой области поверхности объекта, содержащей область поверхности, ограниченную сечением пучка t (Р ) " ).

Если априорно известно, что плотность такого объекта мало отличается во всех частях объема от некоторой плотности о, то равенство o

7662

U„UCE ) = F (E,R,p,t)dt s(F<(E,R, о

" З,(EÄ,Я,9,<

Ро )" (9-9 )« 9 о о о выполняется с высокой точностью.

Различие результатов регистраций на объекте LJ и образце Цк, имею1 Н 10 щем плотность на любой глубине ,го тогда

Н Т

Ы„=u U,=u, (E„R9, Р =

50 4. тиками слоев р. и (о -<; „) (1 =1,2, ° ° ° (К-1)) (см. фиг.5).

Изготовляем модельный образец К", состоящий из подложки, имеющей плотность (9 +ау ) и толщину 4 >)($

СК „ ) и покрытий, характеристики которых совпадают с характеристиками образца К (см. фиг.6).

Различие результата. регистрации для объекта (Т ) и модельного образца (К ) -т-к т-и

dU =, Ц - 1Ц

К = к к у где Н вЂ” образец имеющий плотность по всей глубине, причем 9 выбио рается по априорным сведениям

9ytP)t 9(i Рмакс армен Ро Уммкс ((дР (Е„,R,р,tI а9 р-р,) dt

9о

20 для

ПРИ энеРгии электРОИОВ Ек к нос (Ett) к Я р а для 4 (4 значение величины оггрек деляющей чувствительность к изменениям плотности зависит от Р и имеет максимум при оптимальном для энергии E = E радиусе Р= д„, что к иллюстрируется экспериментальной зависимостью на фиг.4.

Для контроля с наилучшей чувствительностью к

dP (E,R,,p,t) )() " " " . (,-,)d =кк д, (е, R, р,y) (9-9.)"

40

Если при реализации способа используются электроны с энергией Е„, Е,...

Ек,... Е„, (E„(Eт (-. (Eк (... E ) то контролируются соответственно слои

При энергии Eк и радиусе к

T-Н

Я "(р;-ро) (g.-,», .

Перед измерением при Ек и й» по результатам измерений при всех Е>и

R; имеем, что объект имеет плотность р; в слое (Ф,. -Ф.;„), (1=1,2,3... (К-1) 3 . Изготовляем модельный обра- 55 зец К, состоящий из подложки, имеюЩей плотность Р и толЩинУ 4 oPkк— и (К-1) покрытий с характерис- T -К

=",Ж-Ь1 ".,(Ð,-9,)(;,) " "к,к-1(PK- PO)(к-1 kt) KKCPK PK-1) к(к - )-ГК р р ) к (к )()+

"- к к-. (.-,-У.) (.,- к-, ) "„(,-,-po)"

"(к к-a)j кк(Рк Укч)(к к- )

АналОгичНО

Из (2) определяем Я и находим

9» " (1)

ПОдлОжки и покрытия мОдельных Образцов изготовляются из области цилиндрических образцов одинакового с объектом состава вблизи их оси и медианного сечения, где, как известно, плотность слабо зависит от положения элементарного объема.

Пример конкретной реализации предлагаемого способа на альбедном электронном плотномере НИИ электронной интроскопии.

Имеется объект — толстая пластина феррита, толщина которой равна

1=8 мм, а средняя по всему объему плотность, измеренная методом гидростатического взвешивания, р =

= 4,54 г/см . Известно также, что при данной технологии ферриты этого состава имеют. плотность в диапазоне

4,20-4,85 г/см . Имеются также тонкие, толщиной около 1 мм, ферритовые пластины различной толщины, плотности которых также промерены гидростатическим взвешиванием и лежат в укаэанном диапазоне и которые изготовлены из шихты того же состава, 766250

Устанавливаем наименьшую энергию электронов в пучке )1=2 МэВ, обес печивающую массовую глубину контроля

0,499 г/см . Берем образец 1" в виде тонкой пластины, плотность которой

Я1(=4,58 г/см, а толщина t„ =1,11мм.

При этом массовая толщина образца

1 11 9, =0,508 г/см, что превышает глубину контроля при Е =2 МэВ. ((1

Берем образец 1 в виде тонкой пластины, плотность которой у„ =

=4,72 г/см, а толщина 1„„ =1,08 мм.

При этом массовая толщина образца

1" 11„ 1(„„ =0,51 г/см, что.также превышает глубину контроля при энергии

Е1=2 МэВ.

По соотношению (4) определяем, что диаметр экранируемой области поверхности ти 2 1 =5, 26 мм. что и контролируемый объект. Необходимо найти распределение плотности по глубине объекта — толстой ферритовой пластины предлагаемым способом контроля плотности объекта по обратному рассеянию электронов при реализации его на альбедном электронном плотномере с бетатроном на энергии 2-6 NaB в качестве источ- 1б ника электронного пучка с диаметром сечения 2) =3,5 мм.

Массовая глубина контроля при энергии электронов в пучке E. составляет 15

Ы„(Е)((lсм )-"2,4 sin(l

Для пучка с диаметром сечения, равном 2(, при энергии электронов к наилучшая чувствительность к изменениям плотности объекта, плотность 20 которого мало отличается во всех частях его объема от (, наблюдается при диаметре экранируемой области поверхности объекта, равном 2 R, при у к Ф р находится из соотношения

Е, (%98) (((„-р ) (мм)=О,Ф 10 Ф)

2у (г/смз)

Таким образом при максимальной энергии Е =6 МэВ, которую обеспечивает в данном случае бетатрон, массовая глубина контроля составляет

1,411 г/см, что намного меньше моссовой толщины объекта, равной

4р =3,63 г/см . Таким образом тол- 35 щина объекта при всех энергиях из диапазона (2-6) МэВ не окажет влияния на результаты контроля.

Устанавливаем коллиматор с диаметром торца 5,26 мм, .обеспечивающий экранирование области поверхнос ти с диаметром 5,26 мм.

Направляем пучок электронов последовательно на образцы 1", 1", и объект Т путем приведения их поочередно в контакт с торцом коллиматора, регистрируем при этом обратнорассеянные электроны, вышедшие из поверхности за пределами экранируе% мой области диаметром 2 R„, и определяемом отношением результатов регистраций датчика-монитора и датчика обратнорассеянных электронов служащее мерой плотности.

При этом для удобства путем изменения коэффициентов передачи датчик устанавливаем отношение равным 1 при контроле образца 1 ;

Имеем (1=1, q, =1 7 ((г =1,74, Плотность объекта в слое (0-+ j нахо1 дим из соотношения

Г Г1 F1 .

g„ 4,74 (г/см ).

Толщина слоя (О- 1 )h4 = при этом

1 1 1 равна 1((ос СЕ.2 — =(О(мм

1 у

Берем тонкий образец с плотностью

p„=4,73 r/см и толщиной 1,08 мм и изготавливаем из него путем шлифования образец 1 с толщиной 1 =1,05 мм.

Увеличиваем энергию электронов в пучке до энергии F» =4 МэВ, обеспе2 чивающей массовую глубину контроля

0,977 г/см .

Берем образец 1. Берем пластину феррита с плотностью р (=4,74 г/см и толщиной at (--1,07 мм. При этом т. 1 (Л t2(=1 01 Г/см что превра щает массовую глубину контроля при

Е =4 МэВ.

Собираем модельный образец 2

t из образца 1 и этой пластины путем приведения их в плотный контакт.

По соотношению (4) определяем, что 2 Й =7,02 мм. Путем смены коллиматора на коллиматор, имеющий диаметр торца 7,02 мм, обеспечиваем увеличение по сравнению с предыдущим диаметра экранируемой области поверхности от 5,26 до 7,02 мм.

766250

Направляем пучок электронов на образец 2 путем приведения его в контакт с торцом коллиматора и произ водим регистрацию обратнорассеянных электронов, вьппедших за пределами экранируемой области поверхности образца 2 с диаметром 7,02 мм, устанавливая при этом для удобства путем изменения усиления датчиков отношение результатов регистраций датчика-монитора и датчика обратнорассеянных электронов равным 1. г

Получае.2 с г =1.

Берем пластйну феррита с плот.— ностью р»=4,.60 г/cM3 H TQJID HQH

dg<„=1 0 мм. При этом „р сН»у „=

=0,988 г/см, что превышает массовую глубину контроля при Е=4 ИэВ. »

Собираем модельный образец 2 20 из образца 1 и этой пластины путем приведения их в плотный контакт.

Направляем пучок электронов на образец 2 со стороны. образца 1 путем приведения его в контакт с тор- 25 цом коллиматора, производим регистрацию обратнорассеяннкх электронов, вышедших из образца 2 за пределами и зкранируемой области поверхности диаметром 7,02 мм и определяем отношение результатов регистраций датчика-монитора и датчика обратнорассеянных электронов.

Получаем g =1,42. . Направляем пучок электронов на объект Т путем проведения его в контакт с торцом коллиматора, производим регистрацию обратнорассеянных электронов, вышедших из поверхности за пределами экранируемой области диаметром 7,02 мм, и определяем отношение результатов регистраций.

Получаем ф =1,18.

Плотность о22ъекта Т в слое(„-t ) определяем из соотношения 45 2 12 22 2

2 2 2

22" P2t 22 22

=4,68 г/смз .

Толщину слоя at -- 4<-Ф.„находим из 50 соотношения Мг- " f,02 2»

Уг

Берем тонкую пластину с плотностьк

4,63 г/см и толщиной 1,02 мм.

Берем тонкую пластину с плотностью 4,68 г/см и- толщиной 1,07 мм и изготавливаем из нее образец 2 с толщиной 1,02 мм.

Увеличиваем энергию электронов в пучке до энергии Е =6 ИэВ, обеспечивающей массовую глубину контроля 1,411 г/см2, Берем образец 1 и 2.

Берем пластину феррита с плотностью р =4,65 г/см и толщиной

d4>l =0,98 мм.

При этом 9 9 г 9 что превышает массовую глубину контроля при E = 4 ИэВ. Собираем моl дельный образец 3 из образцов 1 и 2 и этой пластины путем приведения их в плотный контакт.

По отношению (4) определяем, что

Л

2.R2l =8,78 мм. Путем смены коллиматора на коллиматор, имеющий диаметр торца 8,78 мм, обеспечиваем увеличение по сравнению с предыдущим диаметром экранируемой области поверхности от 7,02 мм до 8,78 мм.

Направляем пучок электронов на образец 3 со стороны образца 1 путем приведения его в контакт с торцом коллиматора, .производим регистрацию обратнорассеянных элекl тронов, вьппедших из образца 3, за пределами экранируемой области поверхности диаметром 8,78 мм устанавливая при этом для удобства путем изменения усиления датчиков отношение результатов регистраций равным 1. зl

Получаем q,З =1.

Берем пластину феррита с плотностью р » =4,53 r/ñì и толщиной .2 .Q»=1 01 мм.

При этом 9 +до р +д »р „—

=1,43 г/см2, что повьппает массовую глубину контроля при энергии E =

6 ИэВ.

Собираем модельный образец 3" из образцов 1 и 2 и этой пластины путем приведения их. в плотный контакт.

Направляем пучок электронов на образец 3 со стороньь образца 1 путем приведения его в контакт с торцом коллиматора, производит регистрацию обратнорассеянных электронов, вьппедших из образца 3" за пределами. экранируемой.области поверхности диаметром 8,78 мм и определяем отношение результатов. регистра= ций датчика-монитора и датчика обратнарассеянных электронов.

766250 нас(ю) P-"Л

Корректор И. Эрдейи

Техред Л.Мартяшова

Редактор С.Титова

Заказ 4521/6 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.,д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Получаем q, 0,87, Направляем пучок, электронов на объект Т путем приведения его в контакт с торцом коллиматора, производим регистрацию обратнорассеянных электро. нов, вышедших из поверхности объектаТ за пределами экранируемой области диаметром 8,78 мм и определяем отношение результатов регистраций датчика- 10 монитора и датчика обратнорассеянных электронов.

Получаем =0,99

Плотность объекта Т в слое (t

-1 ) определяем из соотношения

ФЬ Рэ з у .4,64 г/см .

Толщину слоя (4 i4 -1 находим из

5 3 2 соотношения

И) =0,94 мм.

Таким образом имеем распределение плотности по глубине объекта T в виде гистограммы у(0-. 1,05)=4,73 г/см, р(1,05—

-2,07) = 4,68 r/см, (2,07-3,01)=

= 4,64 г/см, Предлагаемый способ позволяет контролировать распределение плотности по глубине пористых объектов без разрушения объектов, что невозможно при использовании известных способов плотнометрии твердых тел.