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

ния чувствительности ксерорадиографических пластин целе­ сообразно на границе селенового слоя с подложкой создавать прослойку низкоомного кристаллического селена, толщина ко­ торой равна максимальной длине пробега фотоили комптоновских электронов.

Влияние включений кристаллической фазы в аморфном селеновом слое на спектральную чувствительность ксерора­ диографических пластин изучалось в работе [71]. Присутствие

			кристаллической		фазы в
S,1/p		80	аморфном	селене	регистри­
			ровалось	методом	рентгено-
	-
1			структурного -и металлогра­
			фического	анализа.

60

В

результате

проведен­

-

/

/

V

i

-

ных

исследований

толу-

чены

типичные

кривые

40

спектральной

чувствитель­

-

ности

ксерорадиографиче­

ских

пластин,

'В селеновом

слое которых имеются и от­

60

100

20

сутствуют

включения кри­

140

180(J,K6

сталлической

фазы

(рис.

Рис.

3.14.

Зависимость

чувствитель­

3.14).

Из

сравнения

обеих

ности ксерорадиографических пластин

кривых

видно, что чувстви­

от жесткости излучения при отсутст­

тельность

ксерорадиографи-

вии в селеновом слое кристаллической

чеоких

пластин,

у

которых в

фазы

(1)

и

при наличии

в нем гек­

селеновом

слое

есть

наряду

сагональной

фазы

(2) (шкала справа).

с аморфной

и

кристалличе­

ская

фаза,

превышает в

5—30 раз

(в зависимости

от жесткости

излучения)

чувстви­

тельность

пластин, в

селеновом

слое

которых

кристалличе-

ской фазы не обнаружено.

Наличие резко выраженных максимумов на кривых сшектральной чувствительности ксерорадиографических пластин имеет определенный .практический интерес, поскольку пока­ зывает принципиальную возможность проведения контроля изделий в условиях повышенного радиоактивного фона, так как максимальная чувствительность ксерорадиограф'ических пластин лежит щ области энергий меньших, чем энергетиче­ ский спектр фона.

В настоящее время в НИИЭлектрографии разработаны для целей ксерорадиографии селеновые электрорентгеногра­

фические пластины типа СЭРП.		Основные электрические и
фотоэлектрические	характеристики	пластин СЭРП-1 и СЭРП-2
приведены в та'бл.	3.1 [72]. По	фоточувствительности эти

пластины в широком диапазоне энергий рентгеновских лучей сравнимы с безэкранными рентгеновскими пленками типа РТ-3 и РТ-5.

70

							Т а б л и ц а		3.1
	Основные электрические				и фотоэлектрические
	характеристики пластин				СЭРП-1 и СЭРП-2
							Коэф ­
	Толщина	Фоточувст­		Темновой спад		Р а б о ­	фици­ Раз р еша ю ­
				потенциала		чий	ент	щая	спо­
Тип пластины	селенового	витель­	за первую минуту,			потен­	конт­	собность,
	слоя, мкм	ность, 1/р				циал, в	раст­	линий	(мм
							ности
СЭРП-1	100	10	Не	более 25		600	3,8	13-17
СЭРП-2	200	20	Не	более 25		700	3,2	13-17

На Каунасском экспериментальном заводе средств авто­ матизации налажено серийное изготовление электрорентгено­ графических пластин типа СЭРП-150 (размер 320X420 мм), СЭРП-100П (размер 320X120 и 420X120 мм), являющихся дальнейшим усовершенствованием пластин типа СЭРП-1 и СЭРП-2, а также осваивается выпуск электрорентгенографи­ ческих пластин СЭРП-100П2, в которых селеновый слой напы­ лен на свинцовую прослойку, нанесенную на подложку из алюминиевого сплава.

	Фоточувствительность пластин СЭРП-ЮОП при напряже­
нии генерирования			100 кв «е ниже		100 р~1; коэффициент ар-
тефактности		(отношение дефектной			площади ко всей	площа­
ди пластины)		не более 0,2; концентрация точек диаметром до
1	мм не более 7		см2, количество		точек диаметром	от 1 до
8 мм не более 2—3.
	Рабочие	температуры		для пластин типа СЭРП		находят­
ся	в интервале от		+ 5 до	+35° С. Эти пластины допускают

транспортировку при отрицательных температурах до —40° С. Для регистрации жесткого -у-излучения (1 3 7 Cs, 1 9 2 I r ) це­ лесообразно применять ксерорадиографические пластины с толщиной селенового слоя 500—600 мкм или селеновые слои толщиной 200 мкм с усиливающими свинцовыми экранами

толщиной 50 мкм.

	4	С П Е Ц И Ф И Ч Е С К И Е П Р О Б Л Е М Ы
Г Л А В А		К С Е Р О Р А Д И О Г Р А Ф И Ч Е С К О Г О
		МЕТОДА Д Е Ф Е К Т О С К О П И И

4.1. ПОДТРАВЛИВАНИЕ И КРАЕВОЙ ЭФФЕКТ

При ксерорадиографическом методе регистрации ионизи­ рующего излучения всегда в большей или меньшей степени имеют место краевой эффект и подтравливание ксерорадиографического изображения.

Краевой эффект заключается в увеличении плотности по­ чернения границ ксерорадиографического изображения кон­ тролируемой детали и мест скачкообразного изменения ее толщины и проявляется в виде своеобразной окантовки изо­ бражения.

Подтравливание выражается в уменьшении плотности по­ чернения обычно раздвоенной границы изображения контро­ лируемой детали, в результате, чего конфигурация последней на ксерорадиограмме искажается.

При определении качества сварных соединений краевой эффект, как правило, полезен, так как его удобно использо­ вать для регистрации трещин и непроваров, а эффект подтравливания вреден — он искажает истинные размеры дета­ ли и ее дефектов.

Возникновение краевого эффекта связано с тем, что в се­ редине сплошных участков электрическое поле ксерорадиографической пластины замыкается, в основном, внутри фотополупроводника. При этом наружу выходит лишь незначи­ тельная часть силовых линий, что приводит к малому отложению на поверхности фоточувствителы-юго слоя прояв­ ляющих частиц. Около краев заряженного участка силовые линии электрического поля замыкаются на поверхности фо­ тополупроводника, создавая там градиент потенциала. Это приводит к непропорционально большому отложению прояв­ ляющего порошка на границе изображения.

Краевой эффект уменьшают с помощью проявляющего электрода, который представляет собой металлический экран, расположенный на близком расстоянии параллельно поверх­ ности фотополупроводникового слоя. Проявляющий электрод изменяет конфигурацию электрического поля электростатиче-

72

ского изображения, увеличивая его напряженность над боль­ шими сплошными участками. Напряженность электрического поля в воздушном зазоре между проявляющим электродом и поверхностью фотополупроводникового слоя увеличивается с ростом потенциала ксерорадиографической пластины и умень­ шается при удалении проявляющего электрода от пластины.

Теоретически показано, что напряженность и контраст электрического поля в воздушном зазоре имеют оптимальную величину, когда толщина воздушного зазора равна толщинеслоя фотополупроводника. Для ксерорадиографических плас­ тин это расстояние составляет около 100—200 мкм. Практи­ чески на таком небольшом расстоянии установить проявляю­ щий электрод трудно, еще сложнее обеспечить свободный до­ ступ проявителя в образовавшийся зазор.

По современным представлениям [73] причиной подтравливаиия является нейтрализация границ электростатического

изображения

детали

ионами

воздуха,

образующимися под

действием рентгеновских лучей. При этом на

величину под-

•рравливания

влияют

доза

облучения

и

потенциал,

до

которого

заряжена

ксеро-

радиографическая

пласти­

на. При

исследовании под-

травливания

применялись

металлическая

кассета,

за­

земленная

во время

экспози­

ции,

и селеновая

ксерора-

диографическая

пластина

размером

130X180 мм. Се­

леновый

слой

заряжался

отрицательно

в

ксерорадио­

графической

установке

ПКР-1, в которой

также

осуществлялось

.проявление

электрографическим

порош­

ком

КСЧ-5,

заряженным

Рис. 4.1. Принципиальная

схема эк-

ПОЛОЖИТельно.

Перенос ИЗО-

сперимента

по изучению

подтравли-

бражения

на

бумагу

и за-

в а

н и я и

краевого эффекта:

„ .

„ ,

/ — рентгеновская

трубка;

2 — свинцовый-

Крапление

ПРОВОДИЛИСЬ

В

экран;

3 — ксерораднографическая

пласти-

С О О Т В е Т С Т В И И

С

общеПОИНЯ-

н а ; 4 - с е л е н о в ы й

слой; 5 - крышка кас~

„

„

_

1

сеты;

б — кассета.

той методикой.

Схема опыта

представлена

на рис. 4.1. В качестве источника

ионизирующе­

го излучения

был использован

рентгеновский аппарат

«Фед-

рекс»

с напряжением

на трубке (7=120 кв, анодным

током

/=2,4 ма, фокусным расстоянием F=800

мм. Доза рентгенов­

ского

излучения

на уровне

ксерорадиографической

пластины

была

2,2 р,

а мощность — 0,5 р/мин.

Потенциал ксерорадио­

графической

пластины изменялся от 400 до 1200 в.

73

При обработке экспериментальных данных были приняты следующие допущения:

1)концентрация ионов воздуха под свинцовым экраном за •счет ионизации воздуха рентгеновскими лучами равна нулю, что подтверждается контрольными измерениями;

2)возникновение разряженной зоны на границе изображе­ ния свинцового экрана вызывается только эффектом подтрав-

.ливания, так как при выбранной геометрии съемки влияние расходимости пучка рентгеновских лучей на величину раз­ ряженной зоны пренебрежимо мало;

3) граница электростатического изображения объекта ней­ трализуется ионами воздуха, возникшими в результате облу-

Свинцовый экран	X,
	V=0 Крышка кассеты

V=Vn

V=0 Поверхность п/юстины

О

Рис. 4.4. Расчетная схема для определения напряжен­ ности электрического поля у границы свинцового эк­ рана.

чения и перемещающимися к этой границе .под действием сил электрического поля пластины;

4) в процессе подтравливания участвуют ионы, находя­ щиеся между крышкой кассеты и селеновым слоем.

Из приведенной ксерорадиограммы видно, что влиянием краев пластины на величину подтравливания можно прене­ бречь. Поэтому для определения напряженности электриче­ ского, поля Е, под действием которого движутся в сторону свинцового экрана ионы, достаточно рассмотреть задачу, опи­

сываемую уравнением	Лапласа		в плоскости			хОу (рис. 4.4)
d2V/dx2		+ d2V/dy2		=	0,	(4.1)
с граничными условиями
1/(0,	y)=V		(I,	у) =	0;	(4.2)
V(x,		0) =	^	х ;		(4.3)
	lim	V{x,	у)-»0.			(4.4)
	у-*- w

75

За

начало

системы

координат

взята

середина

границы:

изображения свинцового

экрана. При этом ось х

направлена

вдоль

границы

экрана, а у— вдоль

поверхности

пластины.

При у<0 потенциал

пластины

равен

потенциалу VQ П О Д С В И Н ­

Ц О В Ы М

экраном,

а при х=0,

у>0 — нулю. Крышка

кассеты

заземлена, поэтому ее потенциал

также равен

нулю.

Расчеты

показывают, что распределение

потенциала

V(x, у)

незначи­

тельно

зависит

от характера

изменения величины

V{x, 0) на-,

границе изображения свинцового экрана, поэтому

V(x, 0)

взят в линейной форме

(4.3).

Решением

уравнения

(4.1)

с

граничными

условиями-

(4.2)—-(4.4) является выражение

V{xy)

=

S

ап

ехр ( - Ш-) sin ^

х >

( 4

ш 5 >

где

i

а п

=

~ а °

sin I""*

dx .

(4.6)

Напряженность

электрического

поля,

действующего

на

ион,

Ey

= ~dVjdy.

(4.7).

В первом приближении нон проходит расстояние у — 1 за время t = l/vcp, где vср —средняя скорость иона, которая рассчитывается по данным Еу для каждого участка длиной L

Результаты расчета Еv и / сведены в табл. 4.1.

Т а б л и ц а 4.L

Результаты расчета напряженности Еу электрического поля, действующего на ион, и времени i прохождения ионом участка длиной /

уЦ		/•"», сек	/1200,	сек
1	4,5 • Ю-2	3,0 • 10-'	1,0- ю-1
2	2,0- I0 - 3	6,0 • ю-э	2,0 • 10-*
3	8,0 • Ю-5	0,15	0,05
4	З'.О • Ю-6	4,5	1.5
5	1,2- Ю-7	120	40	, ;
6	8,0- 10-9	1500	500
П р и м е ч а н и е . М00		и /1200—времена прохождения	ионом участка	длиной t.
при потенциалах	пластины 400 и 1200 в соответственно.

76

В нейтрализации электрического поля ксерораднографн­ ческой пластины участвует с погрешностью до нескольких процентов приблизительно одинаковое количество ионов, так как за время экспозиции (~260 сек) независимо от началь­ ного потенциала границы экрана могут достигнуть ионы, об­ разовавшиеся на расстоянии у<61. Одинаков, следовательно, и общий заряд ионов, участвующих в нейтрализации электри­ ческого поля границы изображения свинцового экрана.

Приведенные выше теоретические выходы хорошо согла­ суются с экспериментально зарегистрированным характером линейной зависимости подтравливания от начального по­ тенциала.

При выяснении зависимости величины подтравливания от дозы облучения схема эксперимента оставалась прежней. Ксерорадиографическая пластина заряжалась до потенциала 800 в, напряжение на рентгеновской трубке равнялось 120 кв, мощность дозы составляла 0,5 р/мин. Необходимая величина дозы облучения задавалась изменением времени воздействия рентгеновского излучения. При этом различие в потенциалах пластины, обусловленное различным временем темнового спа­ да, было пренебрежимо малым.

Проведенные исследования показывают, что с увеличением дозы облучения величина подтравливания растет по линейно­ му закону. Поскольку увеличение дозы сопровождается уменьшением граничного потенциала, это влечет за собой ос­ лабление краевого эффекта. Специальным экспериментом установлено, что минимальный потенциал электростатическо­ го изображения, который можно зарегистрировать электро­ графическим порошком КСЧ-5, равен 180 в. Поэтому, если граничный потенциал меньше этой величины, краевой эффект ;не наблюдается.

Приведенные исследования позволяют сделать некоторые практические выводы в отношении подтравливания и краево­ го эффекта.

1. Эффект подтравливания в ксерорадиографйи — вредное •явление. Свести к минимуму его влияние можно уменьшением количества ионов, взаимодействующих с электрическим по­ лем ксерораднографнческой пластины. Для этого надо: ис­ пользовать кассеты с возможно меньшим расстоянием от крышки кассеты до чувствительного слоя; заряжать ксеро­ радиографические пластины до максимально возможного по­ тенциала; облучать контролируемую деталь возможно мень­ шей дозой; размещать экраны из свинца на границе детали, что уменьшит поле облучения; к крышке кассеты приклады­ вать потенциал того же знака, что и заряд пластины, в ре­ зультате чего число ионов, участвующих в разрядке электро­ статического изображения, уменьшится; создавать вакуум

между крышкой кассеты и чувствительным слоем.

77

2. Краевой эффект позволяет с высокой чувствительностьювыявлять наиболее опасные дефекты сварных соединений ти­ па трещин и непроваров. Отрицательным свойством краевого эффекта является различие плотностей почернения ксерорадиографического изображения на границе и на некотором рас­ стоянии от нее, что затрудняет расшифровку ксерорадиограмм. Поскольку краевой эффект возникает в местах, где имеется скачкообразное изменение потенциала электроста­ тического изображения, для ослабления его влияния можно применять все методы, которые уменьшают градиент потен­ циалов фоточувствительного слоя: заряжать ксерораднографическую пластину до невысокого потенциала; максимально увеличивать время экспозиции; использовать излучение опти­ мальной дозы и жесткости. По данным работы [74] отрица­ тельное влияние краевого эффекта значительно уменьшается,, если применять ксерорадиографические пластины с рифлены­ ми подложками. В этом случае электростатическое изобра­ жение состоит из множества мельчайших участков, на гра­ нице которых имеется градиент потенциалов, что способст­ вует более равномерному проявлению ксерорадиографиче­ ской пластины по всей площади.

4.2.УСТАЛОСТЬ КСЕРОРАДИОГРАФИЧЕСКИХ ПЛАСТИН

Вксерорадиографических пластинах, подвергаемых по­ вторным циклам электризации и экспонирования, наблюдает­ ся усталость фотополупроводниковых слоев, которая прояв­ ляется в уменьшении начального потенциала, увеличении ско­ рости темнового спада и большом остаточном заряде. Для селеновых ксерорадиографических пластин усталость возрас­ тает с увеличением толщины фотополупроводникового покры­ тия и дозы излучения. С ростом мощности дозы усталость сна­ чала увеличивается, а затем практически не зависит от се -ве­

личины (начиная с 10 р/мин)	[75].
В работе [76] определена зависимость показателя усталос­
ти (относительной величины	потерн чувствительности) от до­
зы у-излучения. Применялись	радиоактивные источники 1 3 7 Cs,
I 9 2 I r , 1 7 0 Tm. Установлено, что	с увеличением дозы излучения

показатель усталости сначала растет по линейному закону, затем достигает насыщения и в дальнейшем не изменяется. Показатель усталости сильно зависит от марки селена, тол­ щины его слоя и жесткости излучения. Предложено объясне­ ние возникновения усталости за счет захвата электронов и дырок на глубокие уровни и образования объемного заряда, который уменьшает напряженность электрического поля внут­ ри слоя, а также увеличивает поверхностный заряд, затруд­ няя его нейтрализацию.

78