Электронный плотномер Советский патент 1985 года по МПК G01N9/24 

i 7 Изобретение относится к области испытаний материалов и изделий радиа ционными методами, а более конкретно к устройствам для контроля параметров объекта по обратному рассеянию электронов. Известен датчик контроля толщины покрытий по обратному рассеянию электронов, содержащий коллиматор, изотопный источник электронов, диафрагму для фиксаций пространственного положения поверхности объекта, детектор обратнорассеянных электронов l . Выходной сигнал такого датчика определяется только эффективным атом ным номером объекта и поэтому контроль плотности объекта эффективной полубесконечной толщины таким датчиком может проводиться только, если плотность объекта однозначно связана с элементным составом материала объекта. Устройство не применимо для контроля плотности пористых объектов, например изделий порошковой металлур гии, плотность которых определяется не только элементным составом, но и пористостью. Известно устройство для измерения плотности ферритов.содержащий коллиматор, детектор обратнорассеянных электронов, изотопный источник электронов , диафрагму для фиксации прост ранственного положения поверхности объекта на расстоянии от выходного торца коллиматора, равном половине внешнего диаметра коллиматора, измеритель выходного сигнала детектора 2. Однако устройство имеет сравнител но небольшую точность контроля плотности, что обусловлено как малой чув ствительностью к изменениям только плотности объекта, так и чувствитель ностью устройства к отклонениям элементного состава объекта. Кроме того изменение расстояния между поверхностью объекта и торцевой поверхностью коллиматора приводит к большой погрешности контроля. И нако нец, устройство не обеспечивает высо кую производительность контроля и предназначено только для объектов од ного вида - ферритов. Цель изобретения - повьш1ение точности контроля плотности объектов. Цель достигается тем, что предлаг мое устройство содержит коллиматор, детектор обратнорассеянных электронов, источник электронов, причем коллиматор, формирующий пучок, электронов от ускорителя имеет с внешней стороны одинаковые и симметрично расположенные относительно оси коллиматора вырезы, боковые ограничивающие плоскости KOTOpbix лежат в плоскости оси коллиматора, а вершина ограничивающей конической поверхности - в точке пересечения оси коллиматора с плоскостью его выходного торца. Коллиматор сменный и принадлежит набору коллиматоров, различающихся радиусом дуги окружности, по которой выходная торцевая плоскость коллиматора, являющаяся одновременно и опорной для контролируемого объекта, пересекает внешнюю поверхность коллиматора. В боковых плоскостях вырезов лежат поглощающие экраны, между которыми установлены, детекторы, образующие две системы детекторов, симметричные относительно оси коллиматора. Выходы группы детекторов, расположенных против вырезов, и выходы группы детекторов, расположенных между вырезами, соединены соответственно с устройствами суммирования выходных сигналов детекторов каждой группы, а выходы устройств суммирования - с входами измерителя отношений выходных сигналов устройств суммирования. Вырезы коллиматора и экраны симметричны относительно оси коллиматора. В качестве источника применен моноэнергетический источник электронов высокой энергии - ускоритель электронов. .Анализ результатов экспериментов с моноэнергетическими ускоренными электронами, которые приводятся ниже, показьгоают, что выходной сигнал детектора, расположенного между вырезами, описьшается в виде следующей зависимостиUe-kemeQ(z.F(pl в то время, как выходной сигнал детектора, расположенного против выреза, следующей зависимостью ,Oj kjnijQs:Wj где j 2i + l и e 2 i i 0,1,2,3.,, - -иомера детекторов между вырезами и против вырезов со ответственно; Qj-l)- зависимость интег ральной рассеиваю щей способности от атомного номера или его эффективного значения, определяемого элементным сос тавом объекта; (р) монотонно убывающая функция плотности р ; kg ,1с; - коэффициенты преобразования потока, обратнорассеян ных электронов на детектор в выходной сигнал детектора;nig ,111 - поток обратнорассеянных электронов на и j тый детектор в единицах потока пучка на объект. Отношения состава объекта от эталонного приводит к одинаковому, воздействию через Qg- (%) на выходные сигналы всех детекторов, вследствие чего выходной сигнал измерителя отношенийPe4 eQs: (P P-kjmjQ(%) Z.P; k; m xF((p) не зависит от атомного номера, а определяется плотностью объекта. Pg и Pj - весовые коэффициенты суммирования. Эксперименты также показывают, что F(p) является наиболее сильно зависищей от о функцией во всем диапазоне плотностей при исполь зовании плоскости торца коллиматора в качестве опорной для объекта контроля, причем наилучшая чувствительность обеспечивается применением в каждом узком диапазоне плотностей объектов оптимального по К„ коллиматора из указагшого выгае набора. Радиус Rg оптимального коллиматора удовлетворяет соотношению где R - пробег электронов с энергией Eg ; Р - средняя плотность контролируемых объектов данного вида; Гд - радиус апертуры коллиматора. При неплотном прилегании поверхности объекта к опорной торцевой поверхности коллиматора имеют место малые смещения поверхности объекта вдоль оси коллиматора и одновременно малые отклонения ее ориентации от нормальной. При параллельном перемещении поверхности объекта относительно опорной торцевой поверхности коллиматора из-за изменения геометрических условий регистрации увеличи-. ваются как Pig, такт: вследствие изменяется в меньшей го 2:Р;К; мере, чем SLPgkeme . Если при неко тором зазоре между торцевой опорной поверхностью объекта ориентация поверхности объекта отклоняется от нормальной, то для детекторов, в сторону которых отклоняется нормаль к поверхности объекта, т и п. увеличиваются, а для остальных - уменьшаются. Вследствие симметрии коллиматора экранов, вырезов коллиматора, систем детекторов относительно оси коллиматора, (kj - kj+, ; ) при использовании устройства суммирования с одинаковыми весами. (Pj Н-,; Pg Pg ), при произвольном отклонении ориентации от нормальной происходит компенсация изменений как гпе так и mj , вследствие которой изменение Z mg или ST rn- меньше наибо.пьгаего из всех изменений или1ьт:|для детекторов ей. Экра.ны разделяют потоки обратнорассеянных электронов на соседние детекторы. На фиг.1 и 2 изображена схема предлагаемого плотномера; на фиг.35зависимостьТ(р) , совпадающая с за3HCHf;ocTbro выходного сигнала п.тготно мера от плотности объекта; на фиг.4 зависщтость чувствительности к изменениям плотности от параметра „ кол лиматора для различных дкапазояов плотностей объектовt Предлагаемъй дат- ик крепится на электропрозоде 1 бетатронного источ ника электронов на энергию ускорения Ел,2 - 6 МэВ и содержит коллиматор 2,- плоскость торца которого 3 является опорной плоскостью для контролируемого объекта 4, толщина которого превышает толщину насыщения обрат ного рассеяния , а размер объекта в поперечном относительно оси пучка направлении превьппает пробег электро нов с энергией Е, . Плоскость торца коллиматора пересекает внешнюю коническую поверхность 5 коллиматора по дугам окружности радиусом RO Коллиматор принадлежит набору кол лиматоров, различающихся по RQ. При контроле объектов, плотности которых лежат в пр ед ел ах ( р.,,,., ,, р.« лн1 Устанавливается колл№.атор Hs набора, для которого Н(, R ( о . Каждый коллиматор из набора -шеет одинаковые симт- етрично расположенные относительно оси коллиматора вырезы 6, боковые ограничивающие плоское ти 7 которых проходят через ось 8 коллиматора, а внутренняя поверхность ныреза представляет собой кони ческую поверхность 9, вершина кото,рой совпадает с точкой пересечения оси коллиматора с плоскостью торца Экраны 10 лежат в боковых плоскостях вырезов. Мелэду экранами против вырезов и между вырезами установлены датекторы 11-14 - пластмассовые сцинтилля.горы, образутащие симг етричную относительно оси коллиматора систему Устройствами суммирования выходных сигналов детекторов являются кольцевые световоды 15 и 16, к которым через стыкующие световоды присоединены сцянтилляторы. Каждый из.двух кольце вых световодов соединен соответствен но с Фотоумножителями 37 и 18, выходы которых соединеньз с входами измерителя 19 отношения а отлитуц импульсов, содержащего регистратор 20 самописец. 0 электронов от бататронного источнтага, сформированный коллиматоиром, падает на объект контроля, 06ратнорассеяйные электроны, вьшедшие кэ объекта за пределами области поверхнскггт- объекта радиусом Яд регистрируются детекторами 11 и 13. Однозраменно детекторы 12 и 14 регистрируют сл5ратноэассеянные электроны, вышедшие из объекта за пределами области радиуса Rg , так и в ее пределах. Экраны разделяют эти потоки. Световое излучение детекторов по стыкующим световодам поступает в кольцевые световоды, причем вследствие многократного рассеяния света на стенках световодов световой поток, падаЮ щкй на фотокатод ФЭУ, пропорционален сумме световых потоков из сцинтилляторов, соединенных с данным гсольцевым световодом. Импульс,ы с ФЭУ, амплитуды которых пропорциональны световым потокам на фотокатоды, поступают на входы измерителя отношений, -регистратор которого фиксирует отношение амплитуд импульсов, являющееся мерой плотности объекта. Отногаеяие сигнала детектора 13 или 1 к сигналу детектора 2 или 14 для хаждого элемента показьшает, что оно является монотонно убьшающей функцией плотности элементов F-{p) (фиг.З). В1)ходной сигнал -предлагаемого плотномера пропорционален отношению амплитуд сигналов и ход его зависимости совпадает с зависимостью (р) , т.е. определяется плотностью, Для каждого узкого диапазона плотностей существует оптимальное значекие R|35 при котором чувствительность контроля плотности наилучшая (фиг.4), Чувствительность предлагаемого плотномера к изменениям плотности в каждом узком диапазоне плотностей определялась на прессованных образцах разной плотности одинакового элементного состава и составляет 0,2% При постоянном временирегистрации 2 с. Чувствительность предлагаемого плотномера к изменениям элементного состава определялась на образцах олова и индия. Погрешность контроля плотности, вызываемая изменением атомного номера на единицу, эквивалентна изменению плотности меньшему, чем 0,2%-ное. Предлагаемый плотномер имеет меньшую чувствительность к изменениям

состава объекта и большую чувствительность к изменениям плотности, чем известные устройства измерения плотности по рбратному рассеянию электронов. Это дает возможность проводить контроль плотности с высокой точностью.

7238708

Использование плотномера обеспечивает наиболее высокочувствительный высокопроизводительный неразрушающий контроль плотности объектов при од5 постороннем доступе,универсальный по отношению к электрическим,магнитным, тепловым и другим свойствам объекта.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПЛОТНОМЕР, содержащий коллиматор, детектор обрат-^ норассеянных электронов и источник электронов, расположенные по одну ц| сторону от плоскости торца :'коллиматора, являющегося опорной пов^х- ностью для контролируемого объекта,о тлич ающийс я тем, что, с целью повышения точности контроля , плотности объектов, коллиматор вы- •полнен сменным с радиусом дуги окружности, по которой торцевая поверхность коллиматора пересекает внещ- нюю поверхность коллиматора, выбираемым в зав'йсимости от контролируемого объекта и энергии электронов, во внешней части коллиматора сделаны вырезы, ограниченные конической поверхностью с вершиной в точке пересечения оси коллиматора с плоскостью его выходного торца и плоскостями, в которых лежит ось коллиматора, в боковых поверхностях вырезов коллиматора расположены экраг^ы, детектор выполнен в' виде двух систем, расположенных между экранами, детекторы одной системы расположены против вырезов коллиматора, детекторы второй системы расположены между вырезами коллиматора, причем выходы детекторов каждой системы соединены с устройствами суммирования, выходы jfv* которых соединены со входами измерителя отношений суммарных сигналов, вырезы коллиматора, экраны и систе'^ мы детекторов симметричны относительно оси коллиматора, а в качестве источника излучения использован ускоритель электронов.(Л

w

fpuz.l

Фиг. г

Pff}

о,ю

0,03 0,06 0,0 0,02

гoJ

го фцг.З

.

J 4

Kf,. м

о/

Фие.4