книги из ГПНТБ / Горбачев В.И. Ксерорадиографический метод дефектоскопии

очистку, третья окончательно очищает селеновый слой от ос­ татков проявляющего порошка.

В работе [12] предлагается очищать ксерорадиографические пластины байковым или фланелевым тампоном, а через 10—20 экспозиций протирать селеновый слон ватой, смочен­ ной в бензине, ацетоне или четыреххлорпстом углероде. После 50—100 экспозиций рекомендуется слегка полировать фотополупроводнпковую поверхность ксерорадиографической пласти­ ны на вращающемся круге из байки, смоченной водной сус­ пензией окиси хрома или алюминия.

		К С Е Р О Р А Д И О Г Р А Ф И Ч Е С К И Е
Г Л А В А	3	ПЛАСТИНЫ

3.1. РЕНТГЕНОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОФОТОГРАФИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Фотополупроводниковые слои ксерорадиографнческих пластин должны удовлетворять следующим основным требо­ ваниям:

1) иметь высокое удельное электрическое сопротивление. В электрофотографии применяют фотополупроводники с тем­ повым удельным сопротивлением порядка 101 3 —Ю1 5 ом • см. При экспонировании удельное сопротивление должно умень­ шаться до 1010—1012 ом • см [30—32];

2) электризоваться и сохранять заряд в течение дли­ тельного времени, при этом фотополупроводниковый слой

должен	удерживать поверхностный заряд плотностью 0,5—
1,5 • Ю - 7	фм2;

3)иметь высокую фотоэлектрическую чувствительность во всем диапазоне энергий регистрируемого излучения;

4)исключать необратимые процессы под действием иони­ зирующего излучения;

5)иметь низкий остаточный потенциал, т. е. обладать свойством полностью разряжаться при облучении видимым светом и проникающим излучением;

6)иметь высокие механические свойства: гладкую одно­ родную поверхность, одинаковую толщину, хорошее сцепле­ ние с поверхностью подложки, способность противостоять ис­ тиранию.

Существует большое количество фотополупроводниковых материалов, в той или иной степени удовлетворяющих этим требованиям. Однако практическое применение в электрофо­ тографии нашло ограниченное их число. Оптимальным соче­ танием электрофизических и механических свойств примени­ тельно к целям ксерорадиографии обладают селен и окись цинка.

Селен. В ксерорадиографии обычно применяют селен чис­ тотой 99,992% ГОСТ 6738—71. Основными его примесями являются сера и теллур, которые трудно отделить от селена из-за близости их химических свойств [33—35]. Применение

41

селена более высокой чистоты	экономически не оправдано,
так как заметного улучшения	свойств фотополупроводиико-

вых слоев, полученных из ультрачистого селена, не обнару­ жено.

В твердом состоянии селен имеет несколько аллотропиче­ ских модификаций: аморфную, моноклинную, кубическую и гексагональную [36—39].

Для ксерорадиографии практический интерес представляет в основном селен двух модификаций: аморфный (стекловид­ ный) и гексагональный. Это связано с тем, что в общем слу­ чае фотополупроводниковый слой ксерораднографнческой пластины представляет собой аморфную модификацию селена с включениями гексагональной фазы.

Стекловидный селен имеет свойства, характерные для стеклообразных соединений. Он обладает стеклянным блес­ ком, хрупок, имеет ражювистый излом.

Стекловидный селен может быть получен путем конденса­ ции парообразного селена на холодную подложку или нагре­ ванием любой модификации селена до температуры, превы­ шающей температуру плавления, с последующим быстрым охлаждением. Стекловидная модификация селена представля­ ет собой переохлажденную жидкость, структура которой со­ стоит из хаотически переплетенных цепей с несколькими кольцевыми молекулами [40, 41].

В работе [42] показано, что при изменении температуры от + 50 до —35° С и напряженности электрического поля от 136500 до 227 в/см удельное электрическое сопротивление аморфного селена изменяется от 3,6- 104 до 4,2- 1016 ом-см. С увеличением напряженности электрического поля удельное сопротивление аморфного селена р уменьшается по закону

Р=Ро ехр( — а\ГЕ), где ро — удельное сопротивление в отсутствие поля, Е — на­

пряженность ' поля, а — постоянная, зависящая от темпера­ туры.

Электрическая прочность аморфного селена имеет значе­ ние в пределах 120—300 кв/см и зависит от напряженности электрического поля и температуры [43]. Действие сильных полей на электрические свойства селена по предположению автора объясняется облегчением срыва электронов, переводом дьх из связанного состояния в свободное и в результате уве­ личением числа носителей тока.

Удельное сопротивление стекловидной модификации аморфного селена резко уменьшается под действием рентге­ новского облучения. Аморфный селен является метастабильной фазой и со временем в нем идет процесс кристаллизации. Скорость кристаллизации аморфного селена зависит от внеш-

\них условий: температуры, напряженности электрического по-

42

л я, давления, наличия примесей, действия видимого светя и проникающего излучения.

Аморфный селен, применяемый в качестве фоточувствнтельного покрытия ксерорадиографических пластин, как пока­ зывает рентгеноструктурный анализ, всегда содержит вклю­ чения гексагональной фазы, количество которой может изменяться в широких пределах. Поэтому в зависимости от технологии изготовления и внешних условий, в которых на­ ходятся слои аморфного селена, в них может наблюдаться различный тип проводимости. Гексагональный селен имеет значительно большую чувствительность к рентгеновскому из­ лучению, чем аморфный селен, поэтому микровключения гек­ сагональной фазы заметно улучшают электрофотографиче­ ские характеристики селеновых слоев.

Воздействие на аморфный селен у-излучемия способствует его переходу в более равновесное кристаллическое состояние и снимает различного рода искажения, упорядочивая его структуру [44].

При механической деформации аморфного селена наблю­ дается его ускоренная кристаллизация, которая приводит к образованию мелкозернистой структуры, имеющей определен­ ную направленность границ. В работе [45] показано, что на­ пряжения, создаваемые в аморфном селене в результате деформации, способствуют образованию областей для зарож­ дения и роста равновесных зерен. В недеформированных об­ разцах аморфного селена образуются столбчатые кристаллы, растущие от подложки к поверхности, а также сферолитные зерна.

На электрические свойства селена существенное влияние оказывают легирующие элементы. Примеси в основном уве­ личивают удельное сопротивление гексагонального селена, причем их влияние тем существенней, чем больше атомный вес легирующего элемента в пределах одной подгруппы пе­ риодической системы элементов Д. И. Менделеева. При этом характер влияния примесей может изменяться на противопо­ ложный в зависимости от их концентрации.

После вакуумной дистилляции и очистки от газовых при­ месей электропроводность селена уменьшается на 5—6 по­ рядков [46, 47]. Эффект уменьшения электропроводности объ­ ясняется удалением атомов кислорода, которые являются в селене акцепторными примесями.

Удаление кислорода или компенсация его примесями, способными к комплексообразованию с кислородом, приводит к электронной проводимости селена. К числу комплексообразующих примесей относится сера, введение которой приводит к увеличению длины цепочек селена. При этом коэффициент самодиффузии селена уменьшается [48].

43

свойства окиси цинка в значительной степени зависят от ко­ личества газов, адсорбированных на ее поверхности.

Фотополупроводниковые слои на основе окиси цинка при­ обретают отрицательный заряд и хорошо удерживают его на воздухе в процессе коронного разряда. Некоторые авторы {49—51] считают, что это связано с возрастанием темнового сопротивления окиси цинка в результате увеличения концен­ трации адсорбированных ионов кислорода на ее поверхности.

Широкое практическое применение нашла электрофото­ графическая бумага с фоточувствительным слоем на основе •окиси цинка, имеющая за границей фирменное название «Электрофакс». В СССР на Каунасской бумажной фабрике им. Ю. Яноииса с 1959 г. изготавливают фотополупроводниковую бумагу со светочувствительным слоем, состоящим из окиси цинка, диспергированной в поливинилбутирале. Эта бу­ мага предназначена для размножения фотокопий, чертежей,

.документов и для экспрессного получения рентгенограмм [52, 53]. Бумага выпускается в виде рулонов шириной 18 см. Тол­ щина .покрывного слоя составляет 20 мкм, -масса 1 м2 бумаги около 100 г, влажность 4%, разрешающая способность 20 линий/мм, потенциал зарядки 250 в, время темнового полу­ спада потенциала 2 мин, интегральная фоточувегаительность равна 0,045 единиц ГОСТа для негативных материалов,

В настоящее время серийно производятся три типа элек­ трофотографических бумаг со светочувствительным слоем на •основе окиси цинка ЭФМ-1, ЭФО-1, ЭФО-2. В светочувстви­ тельном слое бумаги ЭФМ-1 полупроводником является чис­ тая окись цинка. Светочувствительные слои бумаг ЭФО-1 и ЭФО-2 сенсибилизированы в результате добавления в их со­ став эозина и сернистого кадмия.

Фоточувствительность электрофотографических слоев из окиси цинка к рентгеновскому излучению в 10—20 раз мень­ ше, чем фоточувствительность электрофотографических слоев из аморфного селена и значительно уступает фоточувстви- телы-юсти промышленной рентгеновской пленки.

На фотополупроводниковых слоях из окиси цинка достиг­ нута дефектоскопическая чувствительность до 7% при иссле­ довании пластмассовых эталонов толщиной 25 мм и алюми­ ниевых образцов толщиной 7 и 30 мм, что значительно усту­ пает результатам, получаемым на рентгеновской пленке и электрофотографическнх слоях из аморфного селена [54].

С уменьшением длины волны рентгеновского излучения радиографическая чувствительность электрофотографическнх слоев на основе окиси цинка значительно ухудшается. При этом уменьшается как разрешающая способность снимка, так и его контрастная чувствительность. В связи с этим окись цинка нашла ограниченное применение в промышленной ксерорадиографии.

45

Фотополупроводниковую бумагу на основе окиси цинка используют для экспрессного определения конфигурации пучков заряженных частиц при юстировке электрофизических установок и в дефектоскопии для регистрации взаимного рас­ положения узлов деталей.

3.2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ КСЕРОРАДИОГРАФИЧЕСКИХ ПЛАСТИН

К фоточувствительиым покрытиям ксерорадиографических пластин предъявляются строгие требования в отношении од­ нородности механических свойств, электрофизических харак­ теристик, качества поверхности и т. п.

Практически применяют следующие методы нанесения се­ леновых слоев на подложки: вакуумное напыление, горячее н холодное распыление, диспергирование в связующем, прессо­ вание [55—62.]

Наибольшее распространение получил метод вакуумного' напыления селеновых слоев. Электрофотографические пара­ метры ксерорадиографических пластин, полученных методом вакуумного напыления зависят от чистоты исходных материа­ лов, температуры подложки, степени вакуума, скорости напыления селена, толщины селенового покрытия, материала подложки и метода ее обработки.

Напыление селеновых ксерорадиографических пластин производится на разборных вакуумных установках. Такие ус­ тановки состоят из вакуумной системы с насосами предвари­ тельного и окончательного вакуума, камеры напыления, элек­ тронагревателя, системы охлаждения подложек и блока ре­ гистрации температуры.

Принципиальная схема вакуумной установки для нанесе­ ния селеновых слоев представлена на рис. 3.2. Установка состоит из вакуумной камеры и вакуумной системы, в кото­ рую входит механический насос 16 и диффузионный насос 13. Вакуумная камера изготовляется из нержавеющей стали. Внутренний диаметр вакуумной камеры равен 330 мм, длина 600 мм. В камере имеются две крышки: задняя (неподвиж­ ная) и передняя (съемная). Герметичность вакуумной камеры обеспечивается резиновыми прокладками, которые охлаж­ даются проточной водой. В задней крышке вакуумной камеры имеются электрические вводы, которые представляют собой медные водоохлаждаемые шины, изолированные от корпуса резиновыми пробками. Для получения предварительного ва­ куума используется форвакуумный насос ВН-2. Высокий ва­ куум обеспечивается вакуумным агрегатом ВА-05-1М. Глуби­ на вакуума в камере измеряется ионизационной манометри­ ческой лампой ЛМ-2 и термопарной манометрической лампой типа ЛТ-2 с помощью вакуумметра ВИТ-1А.

46

Подложка ксерорадиографической пластины 7 плотно при­ жимается к теплообменнику 6, который контактирует с кор­ пусом 5 и охлаждается проточной водой. Теплообменник вы­ полнен из алюминиевого сплава и имеет радиус кривизны, равный внутреннему диаметру вакуумной камеры. Подложка зажимается в алюминиевой кассете, которая ограничивает покрываемую селеном поверхность. Постоянство температу­ ры подложки поддерживается при помощи изменения темпе­ ратуры корпуса путем изменения давления ib водяной ру­ башке.

Перед напылением селен измельчают (диаметр частиц 3— 5 мм), промывают чз ацетоне и высушивают. Особое внимание следует обращать на равномерное распределение селена по поверхности тигля, площадь которого должна быть равна площади напыляемой подложки. В этом случае испарение происходит из многих центров, что в свою очередь, обеспечи­ вает необходимую равномерность селенового покрытия по толщине. Расстояние между подложкой .и тиглем около 200 мм. Скорость испарения селена регулируется изменением силы то­ ка, пропускаемого через нагреватель.

В процессе напыления подложка нагревается в результа­ те передачи ей тепла при осаждении молекул селена и за счет

лучеиспускания тигля. Для	уменьшения	нагрева подложки
над тиглем устанавливают	тепловой экран, представляющий
собой алюминиевый лист толщиной 2 мм		с отверстиями диа­
метром 5 мм.

Внутренние стенки вакуумной камеры во избежание осаж­ дения на них селена экранированы. Для предотвращения по­ падания паров масла из диффузионного насоса в вакуумную камеру, а паров селена в вакуумный агрегат применены водоохлаждаемые ловушки и отражатели, расположенные в патрубке, соединяющем камеру проявления и диффузионный насос.

Температура подложки, тигля и корпуса контролируется термопарами хромель — алюмель, подключенными к потен­ циометру постоянного тока типа ГШ.

Недостатком рассмотренной вакуумной установки являет­ ся ее низкая производительность. За рабочую смену на ней можно изготовить только одну ксерорадиографическую плас­ тину.

В настоящее время разработаны установки, позволяющие одновременно напылять несколько ксерорадиографнческих пластин. Для этого изготовляют барабан в форме шестиили восьмигранной призмы, на боковых сторонах которого кре­ пятся подложки. В процессе напыления барабан, ось которо­ го располагают параллельно тиглю с селеном, медленно вра­ щают. При этом подложки одновременно покрываются равномерным слоем селена. Применение барабана позволяет

48

повысить производительность изготовления ксерорадиографических пластин в несколько раз. Недостаток рассмотренной системы состоит в том, что при вращении барабана трудно осуществлять нагрев или охлаждение напыляемых подложек, которые предусматриваются технологией изготовления ксерорадиографическпх пластин.

Для массового производства ксерорадиографических плас­ тин целесообразно применять шлюзовую вакуумную установ­ ку [63]. В ней имеются последовательно расположенные и сое­ диненные между собой вакуумные камеры, каждая из кото­ рых снабжена вакуумным затвором. В шлюзовой вакуумной установке имеются конвейер, нагреватель, теплообменник и другие необходимые приспособления. Напыление слоев про­ изводится в центральной вакуумной камере, соединенной со вспомогательной камерой, из которой подается испаряемый

материал. Вакуум в	процессе напыления составляет обычно
5 • Ю-5 —5 • Ю-6 мм	рт. ст.

Электрические характеристики ксерорадиографических пластин в значительной степени зависят от свойств контакта полупроводник — подложка. Для получения ксерорадиогра­ фических пластин с однородными по площади свойствами и заданными электрофизическими характеристиками необходи­ мо обращать особое внимание на качество поверхности под­ ложки, так как поверхность селенового слоя, полученного вакуумным напылением, с высокой точностью повторяет структуру поверхности подложки. Дефекты подложки в виде микропор, царапин, окисных включений и т. п. не обеспечива­ ют качественного сцепления селена с подложкой и искажают как электрические, так и механические характеристики соот­ ветствующего участка ксерорадиографической пластины.

В качестве материала подложки обычно применяют лис­ товой алюминий толщиной 2 мм, поверхность которого долж­ на быть отполирована до чистоты 7—0 класса. Подложки, ка­ чество обработки поверхности Которых ниже указанных клас­ сов, для вакуумного напыления не допускаются.

Наиболее простой способ очистки подложек, применяемый в лабораторных условиях, состоит в том, что подложку сна­ чала промывают дистиллированной водой, обезжиривают в бензине, затем обезвоживают этиловым спиртом и насухо протирают ватой или бязью. Существенно, что промывать под­ ложки можно только дистиллированной водой, так как хлор, содержащийся в водопроводной воде, приводит к резкому уве­ личению скорости сферолитной кристаллизации аморфного се­ лена в процессе вакуумного напыления.

Важной характеристикой технологического режима изго­ товления ксерорадиографических пластин является темпера­ тура, при которой производится испарение селена.

На этот счет имеются различные мнения.

4 Заказ 2542

49