Электронный плотномер
ЭЛЕКТРОННЫЙ ШЮТНОМЕР,-содержащий источник электронов, детекторы обратнорассеянных электронов, коллиматор, имеющий канал для проводки электронов от источника, и внутренний канал регистрации обратнорассеянных электронов, пересекающий внешнюю поверхность коллиматора, являющуюся опорной поверхностью для контролируемого объекта, по окружности с радиусом, выбираемым в зависимости от контролируемого объекта и . энергии электронов от источника, а также измеритель отношения, входы которого соединены с детекторами обратнорассеянных электронов, соответствующими разным областям детектирования , отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля плотности при заданных производительности и разрешении контроля , один из детекторов, вьтолненных в виде колец, расположен на внешней поверхности коллиматора соосно с ним, а другой, имеющий внутренний радиус входной поверхности R, и внешний радиус входной поверхности Кг г7чввдаячг,-:. -Av.r, положен на расстоянии Н от плоскости торда коллиматора во внутреннем канале регистрации коллиматора, ограниченном соосными с каналом для проводки электронов от источника коническими поверхностями, внешняя из которых пересекает имеющий радиус Гд канал для проводки электронов от источника на расстоянии L, от плоскости торца коллиматора, а внутренняя - на расстоянии Lj причем от- . ношениео г/р удовлетврряет неравенству cf(CfV4 4 -4 4l-FH2Ftf-Ftf -4) ггр J где i F-1 1 F-0 . ( (Л ,.,-it iJ--- ..,-i,(.-. ,,9 Е - энергия электронов от источника; сх owoKc верхняя граница рабочего оо диапазона плотностей плотномера, С Н отношение о -;- удовлетворяет ра т венству О у отношение T-f ел I удовлетворяет неравенствам &-Cf
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИ4ЕСНИХ
РЕСПУБЛИК
Ф (19) (l () 4(51) G Ol N 9/24
)Ф . 1 4Я
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ равенству
q2 р
) 1=
z где
2->
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТ ЕТ СССР
IIO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 2943467/18-25 (22) 13.06.80 (46) 15.06.85. Бюл. Р 22 (72) В.Б.Сорокин (71) Научно-исследовательский институт электронной интроскопии при
Томском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте им. С .М.Кирова (53) 621.039.84 (088 ° 8) . (54)(57) ЭЛЕКТРОННЫЙ IUIOTHOMEP, содержащий источник электронов, детекторы обратнорассеянных электронов, коллиматор, имеющий. канал для проводки электронов от источника, и внутренний канал регистрации обратнорассеянных электронов, пересекающий внешнюю поверхность коллиматора, . являющуюся опорной поверхностью для контролируемого объекта, но окружности с радиусом, выбираемым в зависимости от контролируемого объекта и, энергии электронов от источника, а также измеритель отношения, входы которого соединены с детекторами обратнорассеянных электронов, соответствующими разным областям детектирования, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля плотности при заданных производительности и разрешении контроля, один из детекторов, выполненных в виде колец, расположен на внешней поверхности коллиматора соосно с ним, а другой, имеющий внутренний радиус. входной поверхности 81 и внешний радиус входной поверхности 11, рас-, положен на расстоянии 11 от плоскости торца коллиматора во внутреннем канале регистрации коллиматора, ограниченном соосными с каналом для проводки электронов от источника коническими поверхностями, внешняя из которых пересекает имеющий радиус 1. канал для проводки электронов от источника на расстоянии 4, от.плоскости торца коллиматора, а внутренняя — на расстоянии Lz> причем отношение 0"- >/„ удовлетврряет неравенству (((I) qz(< q z (Fl( 6 У где 1,-F к F =1-— F -=-0 У к . при (1(, ((при (а (р = (- — ((-к (° g =1- — ((- к) к2 где 0 5(KiO 9 (1 = — — — — - 2г, и макс у э 1 Э Е вЂ” энергия электронов от источ" ника; 8макс верхняя граница рабочего диапазона плотностей плотномера, Н отношение 0 = удовлетворяет ранг венству 3 = — — — — отношение ) «Р В.1 удовлетворяет неравенстго вам 8-q(6- ) 8. (-) (,-. Н а отношение / = . удовлетворяет 880105. Изобретение относится к области измерения плотности радиационными методами, а более конкретно к устройствам для контроля плотности материалов по обратному рассеянию электронов. Известен электронный плотномер, содержащий источник электронов, две системы детекторов, расположенные по одну сторону от плоскости опорного для контролируемого объекта торца коллиматора, выполненного сменным с радиусом дуги окружности, по которой торцевая поверхность коллиматора пересекает внешнюю поверхность коллиматора, выбираемым в зависимости от контролируемого объекта и энергии электронов и . имеющим во внешней части вырезы, в боковых поверхностях которых расположены экраны, детекторы каждой .системы расположены между экранами, детекторы одной системы расположе" ны напротив вырезов коллиматора, детекторы. другой системь расположе- 25 ны между вырезами коллиматора, вы-. ходы детекторов каждой системы соединены с устройствами суммирования, выходы которых соединены с входами измерителя отношений суммарных сигна-30 лов, причем вырезы коллиматора, эк- раны и системы детекторов симметричны относительно оси. коллиматора. В указанном электронном плотномере только детекторы, расположенные между вырезами коллнматора, обладают высокой чувствительностью к изменениям плотности контролируемых образцов материала, а детекторы, расположенные против вырезов, «) являются нечувствительными к изменениям плотности. Известно устройство для.осуществления способа контроля плотности материалов, заключающегося в том, 45 что на контролируемый материал I. направляют пучок электронов; регистрируют обратнорассеянные электроны, вышедшие из области поверхности контролируемого материала, на кото- 50 рую непосредственно падает пучок электронов, регистрируют обратнорассеянные электроны, вышедшие из части поверхности. контролируемого материала, не содержащейобласть,на которую $5 непосредственно падает пучок электронов, а о плотности объекта контроля судят по отношению интенсивностей обратнорассеянных электронов, вьппедших иэ соответствующих областей. Указанное устройство содержит источник электронов, два детектора, расположенные по одну сторону от плоскости опорного для контролируемого объекта торца коллиматора, выполненного сменным с радиусом дуги окружности, по которой торцевая поверхность коллиматора пересекает внешнюю поверхность коллиматора, выбираемым в зависимости от контролируемого объекта и энергии электронов, измеритель отношений сигналов детекторов, с одним из входов которого соединен детектор, расположенный против внутреннего канала регистрации обратнорассеянных электронов коллиматора, а с другим входом— детектор, расположенный около внешней поверхности коллиматора. Чувствительность данного устройства. к изменениям плотности силь- но зависит от диаметра канала для. проводки электронов от источника и уменьшается -при увеличении укаэанного диаметра. Вместе с тем при увеличенных диаметрах канала обеспечивается более высокая производительность контроля плотности крупных объектов, например пластин, изготовляемых методами порошковой металлургии. Кроме того, устройство имеет огра" ниченную точность и производительность контроля вследствие статистических флуктуаций выходного сигнала из-за регистрации детекторами лишь небольшой части обратнорассеянных электронов, выходящих иэ соответствующих областей. Цель изобретения - повышение точности контроля плотности при заданной производительности контроля и его разрешении по поверхности. Цель достигается тем, что в электронном плотномере, содержащем источник электронов, детекторы обратнорассеянных электронов, коллиматор, имеющий канал для проводки электронов от источника, и внутренний канал регистрации обратнорассеянных электронов, пересекающий внешнюю поверхность коллиматора, являющуюся опорной поверхностью для контролируемого объекта, по окружности с ,радиусом, выбираемым в зависимости от контролируемого объекта и энергии 880105 10 где ву z -(3i D-„ч(- 1 / В 1-F К Ю К 1- — — (1- ) V где F при К 35 и =0 электронов от источника, а также измеритель отношения, входы которого соединены с детекторами обратнорассеянных электронов, соответст.вующими разным областям детектиро,вания; один из детекторов, выполнен- ных в виде колец, расположен на внешней поверхности коллиматора соосно с ним, а другой, имеющий внутренний радиус входной поверхности R и внешний радиус входной поверхности 0, расположен на расстоянии Н от плоскости торца коллиматора во внутреннем канале регистрации коллиматора, ограниченном соосными с Я3 каналом для проводки электронов от источника коническими поверхностями, внешняя из которых пересекает имеющий радиус Г канал для проводки электронов от источника на щ расстоянии L от плоскости торца коллиматора, а внутренняя — на расстоянии L, причем отношение л удовлетворяет неравенсто 25 (= l — —., (1-k) при(< h, «У 1г 2го dмак ° причем К = 0 5-0 9 ° = — — — - -" -;40 э ° Е - энергия электронов от источ- ника;Зад„ - верхняя граница рабочего диапазона плотностей плотномера. Отношение расстояния H между плоскостью торца коллиматора и поверхностью детектора к расстоянию l между плоскостью торца коллиматора и ппоскостью окружности, по которой внутренняя коническая поверхность, \ ограничивающая внутренний канал регистрации, пересекается с поверхностью, ограничивающей канал для проводки электронов от источника, выбирается по соотношению Н вЂ” F 55 3= 1 F Ф а отношение z внутреннего радиуса кольцевого детектора во внутреннем канале, к радиусу канала для проводки пучка у . К1 г, — — выбирается из условия О 3 -g(5 — l)<(h + (Б -l), а также условия ( L) При условии выполнения указанных соотношений геометрия коллиматора . обеспечивает попадание на кольцевой детектор во внутреннем канале коллиматора без взаимодействия со стенка.ми канала только обратнорассеянных электронов, вышедших иэ кольцеобраэной области поверхности контролируемого объекта с внутренним радиусом К Г = г (1 — - -) и внешним радиусом К "o (l (l ")) при 1 k в а при Ч « К йз круговой области с радиусом, = „(l - — - (1 -k) ), в преV делах которых, как показывают расчеты, проведенные на основе статистического моделирования взаимодействия. электронов с веществом, и что косвенно подтверждено экспериментально, изменения плотности исследуемого материала вызывают наибольшие. относительные изменения потока обратнорассеянных электронов, особенно при изменениях плотности вблизи верхней границы рабочего диапазона, по сравнению с относи8801 . тельными изменениями потоков обратно.рассеянных электронов, выходящих из других участков области поверхности с радиусом г . Количество обратнорассеянных электронов, достигающих 5 поверхности детектора путем рассеяния на стенках внутреннего канала и вышедших из участков поверхности вне указанных областей, мало по сравнению с количеством обратнорассеян- <б ных электронов, достигающих детектор без взаимодействия со стенками канала. Большее относительное изменение регистрируемого потокаобратнорассеян- 15 ных электронов при изменении плотности определяет более высокую чувст- вительность к изменениям плотности. Кроме того, выполнение указанных соотношений параметров коллиматора обеспечивает регистрацию больших потоков обратнорассеянных электронов, причем из больших по площади областей поверхности контролируЕмых образ цов, чем при использовании известных устройств, что уменьшает статистическую погрешность контроля в течение единичного интервала времени, а при заданном уровне статистичес4 кой погрешности результата регистра- З0 ции дает возможность уменьшить время контроля и соответственно повысить его производительность. Регистрация обратнорассеянных, электронов, вышедших из больших по площади областей поверхности контролируемых образцов, уменьшает влияние поверхностных дефектов образцов на результаты контроля вследствие усреднения по большей площади поверх-40 ности образцов, что особенно важно при контроле материалов высокой плотности, линейные размеры зоны контроля для которых малы. На фиг.1 изображена схема элект- 4> ронного плотномера; на фиг. 2 — распределение потока обратнорассеянных электронов по области поверхности образца, на которую непосредственно падает пучок электронов от источника; на фиг. 3 — зависимость по. токов обратнорассеянных электронов на кольцевой детектор во внутреннем канале от плотности образца для данного устройства и известного плот- номера. Электронный плотномер содержит источник электронов, например бета05 трон с системой транспортировки и формирования электронного пучка, с выходной частью 1 которой соединен коллиматор 2, Торец 3 коллиматора является опорной поверхностью для контролируемого образца 4. Плоскость торца коллиматора пересекает внешнюю поверхность 5 коллиматора по окружности с радиусом 10, а поверхность 6, ограничивающую канал 7 коллиматора для проводки электронов от источника, по окружности радиуса 1 Коллиматор имеет внутренний канал 8 регистрации обратнорассеянных электронов, ограниченный внешней 9 и внутренней 10 коническими поверхностями, соосными с каналом 7 для проводки электронов от источника и пересекающими ограничивающую его поверхность по окружностям, плоскости 11 и 12 которых отстоят от плоскости торца коллиматора на рас-. стоЯНИЯХ !4 И gе Во внутреннем канале о регистрации коллиматора на расстоянии 11 от плоскости торца коллиматора располо-. жен кольцевой детектор 13, .входная -поверхность 14 которого имеет внутренний радиус 11, а внешний Й Детектором 13 является кольцевой пластмассовый сцинтиллятор, который соединен с устройством суммирования светового излучения из различных его частей в виде кольцевого полого световода 15, охватывающего коллиматор и соединенного с фотоумножителем 16. Охватывающий коллиматор кольцевой детектор 17-кольцевой пластмассовый сцинциллятор соединен с устройством суммирования светового излучения из различных его частей в виде кольцевого полого световода 18, охватйваю щего коллиматор и соединенного с фотоумножителем 19. Выходы обоих фотоумножителей соединены с входами измерщгеля 20 отношений амплитуд импульсов. В каждом цикле работы бетатрона пучок электронов из системы транспортировки проходит на коллиматор 2, формируется им и по каналу 7 для проводки электронов проходит на контролируемый образец 4. Часть обратнорассеянных электронов, вышедших из поверхности объекта за пределами области поверхности, ограниченной 7 880105 8 окружностью диаметром 2 й, проходит электронов от источника. Диаметр кана сцинтиллятор, который излучает нала для проводки электронов от иссвет в световод 18, часть которого точника 2 с выбирают в зависимости регистрирует фотоумножитель 19. от заданного разрешения контроля и Одновременно часть обратнорассеян- 5 его производительности. Диаметр 2Я„ ных эЛектронов, вышедших в пределах окружности, по которой торцевая пообласти поверхности образца ограни верхность коллиматора пересекает ченной окружностями с радиусами внешнюю поверхность выбирают s Ч "o " rz го (rior ° Гу (о1((зависимости от энергии электронов по внутреннему каналу 8 коллиматора 10 от источника Е и средней плотноспроходит на сцинтиллятор, световое ти контролируемых образцов 3 Е по излучение которого поступает в коль- соотношению 11 — г = 0 2 0 О = Ф цевой световод 15, часть которого ped гистрирует фотоумножитель 16, Импульсы с выходов фотоумножителей одновре- 15 Ниже приведены параметры электменно поступают на измеритель 20 от- ронного плотномера, предназначенношения амплитуд импульсов, выход- ного для контроля распределения ной сигнал которого является мерой плотности по пластине кермета с 3 плотности объекта. теоретической плотностью 10,2 г/см Детекторы и коллиматор симметрич- 2р соответствующей нулевой пористос3 ны относительно оси канала проводки ти, и средней плотностью 9,8 г/см E = 4,8 МэВ, r„ = 0,84 см, d = 0 8, Н = 12 см, 1 = 6 72 см " = 0,568 см, В(= 5,46 см, "> = Ь,309 см R = 0,938 см При контроле образца с плотностью 10,05 г/см предлагаемым плотномером зона контроля ограничена ( окружностью с радиусом R„ 1,08 см, причем детектор во впутреннем канале обеспечивает контроль плотности в пределах зоны, ограниченной окружностями с радиусами ( ((R(((,(, Оу94 см и R = 0,6 см М«Н с чувствительностью, как показывают зависимости на фиг.3, в 3 раза большей, чем для известного плотномера. При,этом глубина контроля сос/\ тавляет (, 0,12 см. Экспериментальное моделирование внутреннего канала показывает увеличение чувствительности к изменениям плотности более чем в 4 раза по сравнению с чувствительностью известных устройств. Таким образом, указанный выбор диаметра канала для проводки электронов от источника и соответственно зависящих от него размеров внутреннего канала регистрации коллиматора дает возможность проводить конт35 роль при заданном разрешении и производительности с большей чувстви- . тельностью, чем известным устройством. За счет повышения в 3-4 раза чувствительности к изменениям плотности, уменьшения статистической погрешности при.заданном разрешении и производительности предлагаемый плотномер обеспечивает высокую точность контроля плотности. 880105 08 o,ó Составитель С.Жупанова Техред А.Бабинец Корректор В.Гирняк Редактор Л.Письман Заказ 4468/1 Тираж 897 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5 Подписное Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4
