Выравнивающий рентгеновский экран-преобразователь Российский патент 2019 года по МПК G21K4/00 H01J9/22 

Изобретение относится к области радиационной визуализации и может быть использовано при огневых стендовых испытаниях (ОСИ) ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ).

Одним из наиболее информативных способов исследования внутрикамерных процессов при ОСИ, таких как скорость перемещения фронта горения, перемещение элементов конструкции, появление заманжетных зазоров является радиационная визуализация. (Ефимов В.Г., Назаров А.А., Федоров М.А., Финажин А.А. Использование метода радиационной визуализации для исследования внутрикамерных процессов в энергетических установках. Ползуновский вестник, 2008. - №1-2. - С. 16-19).

Данный способ реализуют с помощью рентгенотелевизионных систем, в состав которых входит источник излучения, рентгеновский экран-преобразователь (ЭП) радиационного изображения в видимое и высокочувствительная телевизионная (ТВ) система (Жарков А.С., Потапов М.Г., Демидов Г.А., Леонов Г.В. Стендовые испытания энергетических установок на твердом топливе: Учебное пособие. Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2001, с. 182-213).

Экраны-преобразователи радиационного изображения в видимое являются одним из основных элементов систем радиационной визуализации. Специфика ОСИ предъявляет к ним особые требования по обеспечению работоспособности в условиях вибраций, нагрева, воздействия климатических факторов и т.д., поэтому в системах используются не стандартные медицинские или промышленные ЭП имеющие ограниченные размеры, как по площади, так и по толщине, а специально разработанные для конкретной системы и для решения конкретной задачи. Учитывая одноразовость, быстротечность и разномасштабность регистрируемой информации (перемещение фронта горения и элементов конструкции изделия, их деформации, раскрытие заманжетных зазоров), большое значение имеет полезная площадь ЭП, так как необходима визуализация всего изделия в целом или максимально возможной большей его части. Поэтому в системах визуализации крупногабаритных изделий используют порошковые ЭП размером до 1 м × 0,8 м, выполненные на основе люминофора (обычно CsI(Tl)) с добавкой связующего.

Одним из нетрадиционных требований к экрану является, например, следующее.

Известно, что яркость участков экрана, куда падает прямой пучок излучения, на 2-3 порядка превосходит яркость полезного изображения, что приводит к неоптимальной работе ТВ-системы вплоть до полного исчезновения изображения. В ряде случаев, из-за сложной внешней конфигурации объекта или по условиям ОСИ, применение компенсаторов (поглотителей) излучения исключено.

В этом случае используют выравнивающие экраны, имеющие переменный коэффициент радиационно-оптического преобразования (коэффициент выравнивания) по полю изображения.

Известен выравнивающий экран-преобразователь, принятый за прототип [Гурвич A.M. Рентгенолюминофоры и рентгеновские экраны. М., Атомиздат, 1976, с. 142], включающий подложку и нанесенный на нее люминесцентный слой, содержащий порошок люминофора и связующее.

Выравнивающее действие ЭП по прототипу достигается изменением нагрузки (толщины) люминесцентного слоя в пределах подложки и концентрации поглощающего излучение люминесценции красителя, введенного в смесь люминофора и связующего, что предопределяет сложность технологии изготовления ЭП, связанную с необходимостью использования нескольких различных составов смеси люминофора со связующим и красителем и нанесения люминесцентного слоя с изменяющейся нагрузкой (толщиной) в пределах подложки. Кроме того, известный ЭП пригоден для исследования только однотипных по размеру изделий и обеспечивает недостаточно высокий коэффициент выравнивания 2-4.

Задачей предлагаемого изобретения является создание ЭП, обеспечивающего получение повышенного коэффициента выравнивания, применимого для контроля разнотипных по размеру изделий при одновременном упрощении технологии его изготовления.

Поставленная задача решается предлагаемым выравнивающим рентгеновским экраном-преобразователем, включающим подложку в форме пластины и нанесенный на нее люминесцентный слой, содержащий порошок люминофора и связующее. Особенность заключается в том, что между подложкой и люминесцентным слоем размещена фотоподложка, при этом люминесцентный слой дополнительно содержит порошок фотохромного стекла, размер зерен которого равен размеру зерен порошка люминофора при следующем соотношении компонентов, мас. %:

порошок фотохромного стекла 5-20 связующее 8-20 порошок люминофора остальное

В уровне техники отсутствует выравнивающий рентгеновский экран-преобразователь, в котором бы имело место предложенное сочетание существенных признаков.

Заявляемые пределы соотношения компонентов люминесцентного слоя являются оптимальными.

Выход за заявляемые пределы содержания связующего приводит к осыпанию люменесцентного слоя с подложки или к невозможности его нанесения на подложку из-за высокой вязкости состава люминесцентного слоя.

Выход за заявляемые пределы содержания порошка фотохромного стекла и порошка люминофора не позволит достичь повышения коэффициента выравнивания, и, соответственно, обеспечить пригодность ЭП для контроля разнотипных по размеру изделий в соответствии с существующей потребностью.

Конструкция предлагаемого экрана-преобразователя иллюстрируется графическим изображением.

На чертеже представлена схема поперечного разреза ЭП.

Выравнивающий рентгеновский экран-преобразователь включает подложку 1, фотоподложку 2 и люминесцентный слой (одинаковой толщины в пределах подложки), содержащий связующее 3, порошок фотохромного стекла 4 и порошок люминофора 5. Буквой γ обозначен квант рентгеновского излучения, падающего на зерно люминофора 5.

Под действием излучения люминесценции зерна фотохромного стекла 4 изменяют свою оптическую плотность пропорционально яркости соседних с ними зерен люминофора 5. Тем самым достигается регулирование яркости свечения экрана в зависимости от интенсивности преобразуемого рентгеновского излучения.

При отсутствии рентгеновского излучения прозрачность зерен ФХС будет восстанавливаться в течение секунд, а при нарастании рентгеновского излучения она будет уменьшаться в течение долей секунды.

Выбор дисперсности порошка ФХС обусловлен тем, что при размерах зерен, меньшем зерна люминофора на зернах ФХС будет наблюдаться больше рассеяния, чем на зернах люминофора (согласно формулы константы рассеяния , где r₀ - коэффициент отражения от поверхности частиц, m - размер частиц [Иванов А.И. Оптика рассеивающих сред. - Минск, Наука и техника, 1969. - 140 с.]). При низкой интенсивности излучения зерна ФХС имеют примерно одинаковые с зерном люминофора рассеивающие характеристики и слабо влияют на выход люминесценции. При размерах зерен ФХС больших, чем зерна люминофора, уменьшается разрешающая способность ЭП.

В предположении равенства выхода люминесценции, распространяющейся из слоя люминофора без отражения (I_↑) и с отражением (I_↑↓) от фотоподложки 2 (чертеж), выражение для коэффициента выравнивания К имеет вид:

, где

k₁ и k₂ - линейные коэффициенты ослабления при различных интенсивностях тормозного излучения, падающего на экран, мм^-1;

- длина пути люминесценции в ФХС, мм.

При увеличении яркости свечения люминофора до 20 кд/м², что соответствует повышению мощности дозы рентгеновского излучения от ускорителя Линатрон-2000А до 200 р/мин для ЭП на основе, например, люминофора CsI(Tl) или Gd₂O₂S:Tb, линейный коэффициент ослабления люминесценции в порошке фотохромного стекла, например, типа ФХС-4 (выпускается Изюмским приборостроительным заводом, найдено в Internet по адресу ipz.com.ua) в течение десятых долей секунды увеличивается от 0 до 10 мм^-1. Подставив значения k₁=0, k₂=10 мм^-1, , получим коэффициент выравнивания К=8,5, что существенно выше, чем в прототипе.

В качестве связующего используют полимер, прозрачный для возбуждающего люминесценцию излучения, например, полиметилакрилат марки Дакрил-2 м по ТУ 2216-265-05757593-2000 или нитроцеллюлозу по ТУ 84-7505708-87-94

Следует отметить, что применение порошка ФХС путем нанесения его на поверхность слоя люминофора со связующим не дает повышения коэффициента выравнивания. Это вызвано изотропным рассеиванием света с поверхности экрана, рассеиванием света в слое ФХС и, как следствие, формирование на ФХС нерезкого изображения.

Заявляемый ЭП, именно при введении порошка ФХС в состав люминесцентного слоя, обеспечивает уменьшение динамического диапазона яркостей, защиту ТВ-системы от пересветки и улучшение выявления элементов изображения на фоне различных радиационных толщин изделия.

Технология изготовления предлагаемого ЭП отличается простотой. Вначале на подложку 1 (например, пластину из дюралюминия или из органического стекла по ГОСТ 10 667-90) наносят напылением материал фотоподложки 2 (например, алюминий). Затем на фотоподложку наносят люминесцентный слой в виде суспензии с последующим прессованием высохшей суспензии при использовании одного состава люминесцентного слоя одной и той же толщины (в отличие от прототипа).

Таким образом, предлагаемый экран-преобразователь практически реализуем и позволяет решить поставленную задачу.

Изобретение относится к области радиационной визуализации и может быть использовано при огневых стендовых испытаниях (ОСИ) ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ). Выравнивающий рентгеновский экран-преобразователь, включающий подложку в форме пластины и люминесцентный слой, содержащий порошок люминофора и связующее. Между подложкой и люминесцентным слоем размещена фотоподложка. Люминесцентный слой дополнительно содержит порошок фотохромного стекла, размер зерен которого равен размеру зерен порошка люминофора при следующем соотношении компонентов, мас. %: порошок фотохромного стекла 5-20, связующее 8-20, порошок люминофора остальное. Изобретение обеспечивает получение повышенного коэффициента выравнивания. 1 ил.

Выравнивающий рентгеновский экран-преобразователь, включающий подложку в форме пластины и люминесцентный слой, содержащий порошок люминофора и связующее, отличающийся тем, что между подложкой и люминесцентным слоем размещена фотоподложка, при этом люминесцентный слой дополнительно содержит порошок фотохромного стекла, размер зерен которого равен размеру зерен порошка люминофора при следующем соотношении компонентов, мас. %:

порошок фотохромного стекла 5-20 связующее 8-20 порошок люминофора остальное