ИМПУЛЬСНЫЙ РАДИАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГАЗОРАЗРЯДНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК H01J47/08 G01T1/18 G01N23/04 

Изобретение относится к технике рентгеновской интроскопии, а именно к неразрушающему контролю и технической диагностике материалов и изделий, и может применяться в машиностроении, авиационной промышленности, энергетике, а также технике, используемой при досмотре багажа и ручной кладки пассажиров.

Известен газоразрядный преобразователь рентгеновского излучения, который представляет собой две заключенные и диэлектрическую рамку стеклянные плоскопараллельные пластины, разделенные газоразрядным промежутком, с расположенными на них электродами, один из которых является прозрачным для видимого излучения [1].

Работа газоразрядного преобразователя основана на образовании скрытого электронно-ионного изображения в результате ионизации рабочего газа рентгеновским излучением и преобразовании электронно-ионного изображения в видимое с помощью газового разряда.

Недостатком известного устройства является низкий коэффициент радиационно-оптического преобразования и вследствие этого недостаточная для практического применения преобразователя яркость получаемого светового изображения (0,02 кд/м² при наполнении ксеноном).

Наиболее близким техническим решением является импульсный радиационно-оптический газоразрядно-люминесцентный преобразователь, включающий две закрепленные в диэлектрическую рамку стеклянные плоскопараллельные пластины, разделенные заполненным ксеноном промежутком, с расположенными на них электродами, одна пластина является прозрачной с прозрачным электродом, на внутренней поверхности другой входной пластины с непрозрачным положительным электродом нанесен люминофор, который является конвертором ультрафиолетового излучения газового разряда [2].

Здесь преобразователь с люминофорным слоем на внутренней поверхности пластины с непрозрачным положительным электродом, являющимся конвертором ультрафиалетового излучения газового разряда. Энергия ультрафиолетового излучения превышает на два порядка энергию оптического излучения газового разряда, а спектр ультрафиолетового излучения в преобразователе, заполненном ксеноном, находится в области длин волн 160 - 200 мм и приходится на максимум возбуждения люминофора на основе виллемита (Zn₂SiO₄ • Mn). Таким образом, в устройстве газоразрядного преобразователя рентгеновского излучения с люминофорным слоем достигается высокая средняя яркость изображения (до 10 кд/м²).

Однако недостатками, ограничивающими возможности широкого применения газоразрядно-люминесцентного преобразователя в системах интроскопии, являются небольшие размеры рабочего поля (до 380 х 280 мм), неравномерность яркости изображения по полю преобразователя, затрудняющая анализ светового изображения и неудовлетворительные эксплуатационные характеристики прибора.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение качества получаемого оптического изображения преобразователя при увеличении размеров его рабочего поля для использования газоразрядно-люминесцентных преобразователей в интроскопах, предназначенных для контроля промышленных изделий и малодозового досмотра багажа и ручной клади пассажиров с целью обнаружения и идентификации недозволенных предметов.

Он достигается тем, что импульсный радиационно-оптический газоразрядно-люминесцентный преобразователь, включающий две закрепленные на диэлектрической рамке стеклянные плоскопараллельные пластины, разделенные заполненным ксеноном промежутком, с расположенными на них электродами, одна пластина является прозрачной с прозрачным электродом, на внутреннюю поверхность другой входной пластины с непрозрачным положительным электродом нанесен люминофор, который является конвертором ультрафиолетового излучения газового разряда, а по краям непрозрачного электрода входной пластины располагается резистивный слой в виде полосок из аквадага, нанесенных на ее стекло, при этом ширина которого уменьшена на ширину выравнивающего электрода из слоя алюминия, расположенного на краю входной стеклянной пластины, при этом непрозрачный электрод защищен компаундом, потенциал резистивного слоя формируется потенциалами непрозрачного и выравнивающего электродов, облучаемый исследуемый объект рентгеновский поток излучения синхронизирован с высоковольтным импульсом источника питания преобразователя, в линию которого подключены индуктивности, в пластину с прозрачным электродом с внешней стороны нанесена выравнивающая рамка, подключенная через резистор к прозрачному электроду.

Для контроля исследуемый объект облучается импульсным рентгеновским потоком, а теневое изображение объекта детектируется газоразрядно-люминесцентным преобразователем, запускаемым импульсом источника питания, синхронизированным с преобразователя, его дозовая чувствительность и характеристики получаемого светового изображения должны удовлетворять условиям задачи контроля.

Сущность изобретения поясняют фиг. 1 - 2, на которых показано устройство импульсного радиационного-оптического газоразрядно-люминесцентного преобразователя, реализующего данное изображение преобразователя от дозы рентгеновского излучения при различных значениях амплитуды импульсов напряжения питания (фиг. 1).

Устройство содержит стеклянные плоско-параллельные пластины - входную стеклянную пластину 2 с непрозрачным положительным электродом 1 и стеклянную пластину 8 с прозрачным электродом, закрепленные на диэлектрической рамке 5 с помощью герметизирующего слоя. На входную пластину 2 нанесены по периметру резистивный слой 3, выравнивающий электрод 4, расположенный по краю входной стеклянной пластины 2, и контактная площадка с выводом, а также установлен штенгель для откачки и наполнения рабочего объема преобразователя инертным газом 6. Наружная поверхность входной пластины 2 для защиты механических повреждений для размещения защиты непрозрачного электрода 1 покрыта слоем компаунда. На внутреннюю поверхность входной пластины 2 со стороны рабочего объема нанесен слой люминофора 7. На пластину с прозрачным электродом с внешней стороны нанесена выравнивающая рамка, а с внутренней - прозрачный пленочный электрод 9.

Устройство, реализованное по данному изобретению, функционирует следующим образом.

Рабочая поверхность преобразователя через стеклянную пластину 2 с непрозрачным пленочным электродом 1 облучается импульсным рентгеновским потоком от рентгеновского аппарата, в результате чего в газовом объеме преобразователя происходит образование скрытого электронно-ионного изображения объекта контроля. После подачи высоковольтного импульса питания на электроды камеры (импульсы должны быть синхронизированы с импульсами рентгеновского излучения) происходит развитие газового разряда, сопровождаемого ультрафиолетовым излучением, которое в конверторе (люминофоре) преобразуется в видимое изображение. За счет такой синхронизации уменьшается неравномерность яркости изображения, достигается высокая средняя яркость изображения, появляется возможность увеличения рабочего поля преобразователя, ограниченного резистивным слоем, нанесенным по периметру входной пластины.

Рабочее давление газа в устройстве преобразователя близко к нормальному, что дает возможность разработки газоразрядно-люминесцентных преобразователей с большой площадью. Плоскопараллельная конструкция устройства обеспечивает однородность параметров изображения по рабочему полю.

Коэффициент газового усиления в разряде преобразователя достигается 10⁵ - 10⁶, поэтому устройство характеризуется высокой дозовой чувствительностью, что особенно важно для разработки на его основе малодозовых радиационных интроскопов.

Импульсный режим работы газоразрядно-люминесцентного преобразователя дает возможность его использовать для радиационного контроля динамических объектов и регистрации быстропротекающих процессов в непрозрачных средах.

Стеклянные плоскопараллельные пластины и диэлектрическая рамка устройства преобразователя изготовлены из термически полированного стекла, которое создает надежный слой с герметиком, имеет полированную поверхность, малые кривизну по длине и разброс по толщине. Поглощение рентгеновского излучения стеклом незначительно, так как в его состав входят в основном окись кремния и окислы щелочных металлов, то есть легкие элементы с малым сечением поглощения рентгеновского излучения. Толщина стекла для изготовления преобразователя составляет ~ 5 мм, при меньшей толщине ухудшается механическая и климатическая устойчивость устройства.

Пленочные электроды и выравнивающий электрод в виде рамки наносятся из материалов, удовлетворяющих требованиям технологичности нанесения пленки, хорошей адгезии к стеклу и высокой проводимости. В качестве прозрачного электрода используется проводящий слой олова (SnO₂), нанесенный на стекло методом пиролиза. Выравнивающие и непрозрачный электроды формируются путем вакуумного напыления алюминия.

С целью предотвращения пробоев по поверхности разделительной рамки используется снижение электрического поля к рамке до значения, меньшего пробивного значения напряженности, за счет введения резистивного слоя. Резистивный слой из аквадага нанесен на непрозрачную пластину, которая в рабочем состоянии преобразователя обращена к рентгеновскому излучателю, между выравнивающей рамкой и электродом. Аквадаг обеспечивает необходимое электрическое сопротивление резисторного слоя и наиболее технологичен.

Выравнивающая рамка через резистор подключена к прозрачному электроду. Этот резистор и резистивный слой образуют делитель напряжения. Их сопротивления подбирают так, чтобы напряжение на выравнивающей рамке было меньше напряжения возникновения пробоев по поверхности диэлектрической рамки. За счет того, что потенциал резистивного слоя формируется потенциалами непрозрачного электрода 4, обеспечивается плавное напряжение поля в газовом объеме.

При заполнении газоразрядно-люминесцентного преобразователя ксеноном лучшее качество изображения достигается при временах задержки импульса генератора питания преобразователя относительно импульса рентгеновского излучения (для обеспечения оптимального времени набора информации), равных 0,4 - 0,6 мкс. При этом длительность импульса питания преобразователя должна быть 50 - 100 нс, а длительность фронта импульса 20 - 40 нс.

Люминофор нанесен на внутреннюю поверхность входной пластины с непрозрачным электродом методом центрифигурования, который дает хорошую адгезию к стеклу и равномерность слоя.

Применение ксенона в качестве рабочего газа в преобразователе обеспечивает высокую эффективность регистрации рентгеновского излучения и максимальный выход ультрафиолетового излучения. Величина газоразрядного промежутка составляет около 4 мм.

Газоразрядно-люминесцентный преобразователь имеет габаритные размеры 600 х 500 мм, размеры рабочего поля 560 х 460 мм и массу 7,5 кг. Устройство работает в режиме одноразового импульса или в частотном режиме импульсов 5 - 50 Гц.

В газоразрядно-люминесцентных преобразователях, предназначенных для работы в частотном режиме, люминофор должен иметь время высвечивания короче периода между импульсами. В противном случае возможно снижение коэффициента передачи контраста. Время высвечивания люминофора типа ФГИ-520-1 на основе виллемита (цвет свечения - зеленый с длиной волны 520 нм), используемого в устройстве, около 20 мс.

Коэффициент неравномерности яркости свечения по полю преобразователя в зависимости от амплитуды импульса напряжения питания имеет значение 0,5 - 0,7.

Такая неравномерность яркости обусловлена процессом распространения электромагнитной волны импульса питания вдоль полосковой линии, какой является система плоских электродов. Уменьшение неравномерности яркости достигается при подключении к газоразрядно-люминесцентного преобразователя последовательно с генератором питания индуктивности. При величине индуктивности 1,0 - 3,5 мкГ коэффициент неравномерности яркости снижается до значений 0,3 - 0,4.

Относительная контрастная чувствительность устройства преобразователя по алюминию толщиной 15 мм при вероятности выявления пластинчатых эталонов (ГОСТ 7512-80), равной 0,8, составляет 8%.

Динамический диапазон радиационно-оптических преобразователей определяет линейный участок зависимости яркости свечения от дозы излучения. Для газоразрядно-люминесцентного преобразователя линейность характеристической зависимости яркости изображения от экспозиционной дозы начинается при дозах рентгеновского излучения выше 2 мкР (фиг. 2). Динамический диапазон устройства газоразрядно-люминесцентного преобразователя в области экспозиционных доз до 80 мкР составляет более 30.

Газоразрядно-люминесцентный преобразователь значительно превосходит традиционные преобразователи (люминесцентные экраны с электронно-оптическими усилителями, радиационные электронно-оптические преобразователи, рентгеновидиконы) по простоте конструкции и размерам рабочего поля, а также по дозовой чувствительности без существенной потери информативности получаемого изображения. Дозовая чувствительность устройства газоразрядно-люминесцентного преобразователя в 5 - 10 раз выше, чем для радиационных электронно-оптических преобразователей, и в ~ 50 раз выше, чем у люминесцентных рентгеноскопических экранов.

Устройство может применяться для интроскопии изделий в нестационарных условиях при работе с портативными импульсами рентгеновскими аппаратами серий МИРА, ДИНА, АРИНА, САРМА и ШМЕЛЬ.

Источники информации:
1. Выстропов В.И., Кононов М.Ю., Кононова Н.И., Кулешов В.К., Ланшаков В. Н. Импульсная искровая камера для преобразования рентгеновского излучения в видимое А.с. N 804710 (СССР). Бюллетень N 7. МКИ H 01J 47/2.

2. Ланшаков В.Н., Выстропов В.И., Дель В.Д., Кулешов В.К. Газоразрядный преобразователь радиационных излучений с визуализацией изображения. А.с. N 869502 (СССР). МКИ H 01 J 47/08, 30.06.80.

Использование: в технике рентгеновской интроскопии, при неразрушающем контроле технической диагностике материалов и изделий в машиностроении, авиационной промышленности, энергетике, а также при досмотре багажа и ручной клади пассажиров. Технический результат заключается в повышении качества получаемого оптического изображения при увеличении размеров его рабочего поля, рабочая поверхность преобразователя через стеклянную пластину с непрозрачным пленочным электродом облучается импульсным рентгеновским потоком от рентгеновского аппарата, в результате чего в газовом объеме преобразователя происходит образование скрытого электронно-ионного изображения объекта контроля. После подачи высоковольтного импульса питания на электроды камеры, синхронизированного импульсами рентгеновского излучения, происходит развитие газового разряда, сопровождаемого ультрафиолетовым излучением, которое в люминофоре преобразуется в видимое изображение. 2 ил.

Импульсный радиационно-оптический газоразрядно-люминесцентный преобразователь, включающий две заключенные в диэлектрическую рамку стеклянные плоскопараллельные пластины, разделенные заполненным ксеноном промежутком, с расположенными на них электродами, одна пластина является прозрачной с прозрачным электродом, на внутренней поверхности другой - входной пластины с непрозрачным положительным электродом - нанесен люминофор, который является конвертором ультрафиолетового излучения газового разряда, отличающийся тем, что по краям непрозрачного электрода входной пластины расположен резистивный слой в виде полосок из аквадага, нанесенных на ее стекло, ширина которого уменьшена на ширину выравнивающего электрода из слоя алюминия, расположенного на краю входной стеклянной пластины, при этом непрозрачный электрод защищен слоем компаунда, а потенциал резистивного слоя формируется потенциалами непрозрачного и выравнивающего электродов, облучающий исследуемый объект импульсный рентгеновский поток синхронизирован с высоковольтным импульсом источника питания преобразователя, в линию которого подключены индуктивности, на пластину с прозрачным электродом с внешней стороны нанесена выравнивающая рамка, подключенная через резистор к прозрачному электроду.