Электронный плотномер Советский патент 1985 года по МПК G01N9/24 

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 системЬ детекторов, расположенные по одну сторону от плоскости опорного для контролируемого объекта торца коллиматора, выполненного сменным с радиусом дуги окружнос ти, по которой торцевая поверхнорть коллиматора пересекает внешнюю поверхность коллиматора, выбира мым в з ависимости от контролируемого объекта и энергии электронов и-. имеющим во внешней части вырезы, в боковых поверхностях которых расположены экраны, детекторы каждой .систе14ы расположены между экранами, детекторы одной системы расположены напрртив вырезов коллиматора, детекторы другой системы расположены меяаду вырезами коллиматора, выходы детекторов каждой- системы соединены с устройствами суммирования, выходы которых соединены с входами измерителя отношений суммарных сигн лов, причем вырезы коллиматора, экраны и системы детекторов симметрич ны относительно оси коллиматора. В указанном электронном плотномере только детекторы, расположенные между вырезами коллиматора, 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, что на контролируемый материал I -- направляют пучок элeктpoнoв регист рируют обратнорассеянные электроны, вышедшие из области поверхности контролируемого материала, на которую непосредственно падает пучок электронов, регистрируют обратнорас сеянные электроны, вышедшие из част поверхности контролируемого материа ла, не содержащей область, на которую непосредственно падает пучок электр нов, а о плотности объекта контроля судят по отношению интенсивностей o6paTHopacceHHHbtk электронов, вьшедших из 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 указанного 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 ограничениую точность и производительность контроля вследствие статистических флуктуации выходного сигнала из-за регистрации детекторами лишь небольшой части обратнорассеян.ных электронов, выходящих из 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 электроиов, детекторы обратнорассеянных электронов, коллиматор, имеющий каиал для проводки электронов от источника, и внутренний канал регистрации обратнорассеянных электронов, пересекающий внешнююповерхность коллиматора, являющуюся опорной поверхностью для контролируемого объекта, по окружности с радиусом, выбираемым в зависимости от контролируемого объекта и энергии 3 электронов от источника, а также измеритель отношения, входы которого соединены с детекторами обратнорассеянных электронов, соответст вую1цими разным областям детектиро.вани;а; один из детекторов, выполнен ных в виде колец, расположен на вне ней поверхности коллиматора соосно с ним, а другой, имеющий внутрен ний радиус входной поверхности и внешний радиус входной поверхности расположен на расстоянии Н 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 Г канал для проводки электронов от источника на расстоянии L от плоскости торца коллиматора, а внутренняя - на расстоянии L,, причем отношение удовлетворяет неравенстtf(q)4444Mif4v Uf4-f4 -t )

г

(-F с , К где F 1 - - рпри(| К cf 1 - -|- ( 1 -Ю и F о f Ч -Ъ при(, .:, причем К 0,5-0,9; ( Е- энергия электронов от источник а; , верхняя граница рабочего диапазона плотностей плотномера Отношение расстояния Н между плоскостью торца коллиматора и поверхностью детектора к расстоянию L между плоскостью торца коллиматора и плоскостью окружности, по которой внутренняя коническая поверхность, ограничивающая внутренний канал регистрации, пересекается с Поверхностью, ограничивающей канал для проводки электронов от источника, выбирается.по соотношению о Н t - F О -.- -т-с 3 отношение U2 |- 1 внутреннего радиуса кольцевого детектора во внутреннем канале R, к

- S44 cpnS- f-(()

D

8- радиусу канала для проводки пучка Гд , ,5 --- выбирается из условия S -iy(S-lf S -if ( S -lU а также условия tc , так как внешНИИ радиус R,2 детектора больше внутреннего радиуса (, (,) . Отношение расстояния h между плоскостью торца коллиматора и поверхностью кольцевого детектора к расстоянию L между плоскостью торца коллиматора и плоскостью окружности, по которой внешняя ограничивающая внутренний канал регистрации коллиматора коническая поверхность пересекает поверхность, ограничивающую канал Для проводки электронов от источника. Y -- выбирается из соотношения ч i cf%Bf+(-4)(i;4(f 2DV-4 -ii к ГГТГг При условии вьтолнения указанных соотношений геометрия коллиматора обеспечивает попадание на кольцевой детектор во внутреннем канале коллиматора без взаимодействия со стенка,ми канала только обратнорассеянных электронов, вышедших из кольцеобразной области поверхности контролируемого объекта с внутренним радиусом К 2 5) и внешним радиусом 1 fod - -|-(l-lf)) , а при if - К из круговой области с радиусом г, Го 1- --,-(1 -Jc)), в пределах KOTOpbix, 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 относи5 8

тельными изменениями потоков обратно.рассеянных электронов, выходящих из других участков области поверхности с радиусом г, . Количество обратнорассеянных электронов, достигающих поверхности детектора путем рассеяния на стенках внутреннего канала и вышедших из участков поверхности вне указанных областей, мало по сравнению- с количеством обратнорассеянных электронов, достигающих детектор без взаимодействия со стенками канала...

Большее относительное изменение регистрируемого потока обратнорассеян ных электронов при изменении плотности определяет более высокую чувствительность к изменениям плотности .Кроме того, выполнение указанных соотношений параметров коллиматора обеспечивает регистрацию больших потоков обратнорассеянных электронов, причем из больших по площади областей поверхности контролируемых образцов, чем при использовании известных устройств, что уменьшает статистическую погрешность контроля в течение единичного интервала времени, а при заданном уровне статистической погрешности результата регистрации дает возможность уменьшить время контроля и соответственно повысить его производительность.

Регистрация обратнорассеянных . электронов, вьш1едших из больших по площади областей поверхности контролируемых образцов, уменьшает влияние поверхностных дефектов образцов на результаты контроля вследствие усреднения по большей площади поверх ности образцов, что особенно важно при контроле материалов высокой плотности, линейные размеры зоны контроля для которых малы.

На фиг.1 изображена схема электронного плотномера; на фиг. 2 - распределение потока обратнорассеянных электроирв по области поверхности образца, на которую непосредственно падает пучок электронов от источншса; на фиг, 3 - зависимость потоков обратнорассеянных электронов на кольцевой детектор во внутреннем канале от плотности образца для данного устройства и известного плотномера.

,, Электронный плотномер содержит источник электронов, например бета56

трон с системойтранспортировки 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 Rp, а поверхность 6, ограничивающую канал 7 коллиматора для проводки электронов от источника, по окружности радиуса Г . .

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 тррца коллиматора на расг стояниях L, и Ьз.

Во внутреннем канале о регистрации коллиматора на расстоянии Н от плоскости торца коллиматора располог жен кольцевой детектор 13, .входная поверхность 14 которого имеет внутренний радиус RI, а внешний Детектором 13 является кольцевой пластмассовый сцинтиллятор, которьй 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, охватывающего коллиматор и соединенного с фотоумножителем 19,

Выходы обоих фотоумножителей соединены с входами йзмервд-еля 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 контролируемьй образец 4. Часть обратнорассеянных электронов, вышедших из поверхности объекта за пределами области поверхности, ограниченной окружностью диаметром 2Рд, проходит на сцинтиллятор, который излучает свет в световод 18, часть которого регистрирует фотоумножитель 19. Одновременно часть обратнорассеян ных электронов, вьшедших в пределах области поверхности образца, ограниченной окружностями с радиусами г, и Tj РГо(, Г о) по внутреннему каналу 8 коллиматора проходит на сцинтиллятор, световое излучение которого поступает в кольцевой световод 15, часть которого ре гистрирует фотоумножитель 16. Импуль сы с выходов фотоумножителей одновре менно поступают на измеритель 20 отношения амплитуд импульсов, выходной сигнал которого является мерой гаютности объекта. Детекторы и коллиматор симметричны относительно оси канала проводки Е 4,8 МэВ, г k 0,8, И 1-2 0,568 см, R, R, 0,938 см При контроле образца с плотностью 10,05 г/см предлагаемым.плот номером зона контроля ограничена окружностью с радиусом RMOICC 1,08 см, причем детектор во впутреннем канале обеспечивает контроль плотности в пределах зоны, ограниченной окружностями с радиусами 0,94 см RMV,H 0.6 см с чувствительностью, как показывают зависимости на фиг.З, в 3 раза большей, чем для известного плотномера. При.этом глубина контроля сос тавляет с Л 0,12 см. Экспериментальное моделирование внутреннего канала показьтает увеличение чувствительности к изменениям плотности более чем в 4 раза п 0 1 5 электронов от источника. Диаметр канала для проводки электронов от источника выбирают в зависимости от заданного разрешения контроля и его производительности. Диаметр 2Ro окружности, по которой торцевая поверхность коллиматора пересекает внешнюю поверхность, выбирают в зависимости от энергии электронов от источника Е и средней плоТности контролируемых образцов J по -- 0,2--., соотношению R, - г, Ниже приведены параметры электронного плотномера, предназначенного для контроля распределения плотности по пластине кермета с теоретической плотностью 10,2 г/см , соответствующей нулевой пористое, и средней плотностью 9,8 г/см Mnirr 10,2 г/см м 6,72 см и, 6,309 см м. 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 контроль при заданном разрешении и производительности с большей чувствительностью, чем известным устройством. ЗаСчет повышения в 3-4 раза i чувствительности к изменениям плотности, уменьшения статистической погрешности при-, заданном разрешении и производительности предлагаемый плотномер обеспечивает высокую точность контроля плотности.

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 г7чвв- даячг,-:. -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