2.6 Фильтры рентгеновского излучения

Сложный спектральный состав излучения рентгеновских трубок часто затрудняет выполнение исследований металлов и сплавов.

Для ослабления нежелательных отражений характеристического и части сплошного спектров часто используют фильтры. Фильтр избирательно поглощает одну составляющую спектра и пропускает с минимальным ослаблением другую. Здесь используют К - скачки поглощения, соответствующие данным рис.2.11. Причем вещество фильтра должно иметь К - скачок поглощения между линиями спектра (рис. 2.12).

Этому условию удовлетворяет химический элемент, порядковый номер которого на единицу меньше порядкового номера металла анода рентгеновской трубки. Например, для удаления - составляющей характеристического спектра рентгеновской трубки с железным анодом (Z=26) , выбираем в

Рисунок 2.12 – Положение К – скачка поглощения вещества фильтра () между К и К соответствующего спектра и спектральный состав излучения на выходе из фильтра ().

качестве фильтра химический элемент с номером 25, а это - марганец, непосредственный сосед железа по периодической системе. Аналогичным образом для медного анода трубки (Z=29) фильтром может быть никель (Z=28), а для молибдена (Z=42) – цирконий (Z=41). Фильтры излучения представляют собой тонкие фольги металлов или порошковые композиции окислов,

нанесенные на картон. Для фильтрации излучения существенна толщина слоя металла или порошка, так как ослабление интенсивности - составляющей может быть в пределах 50 -500 раз, а - составляющей - в 2 - 3 раза.

2.7 Методы регистрации рентгеновского излучения

Многие задачи рентгеновского исследования металлов и сплавов решаются посредством анализа интенсивности рассеянного излучения. Для измерения интенсивности используют фотографический, ионизационный, сцинтилляционный, электрофотографический и люминесцентный методы.

Для фотографического метода регистрации излучения используются специальные пленки. Обычно эти пленки покрывают фотослоем с двух сторон. Необходимость двух фотослоев определяется малой чувствительностью бромистого серебра к рентгеновским лучам. Слой эмульсии рентгеновской пленки поглощает 30% энергии рентгеновских лучей при длине волны в IÅ и только I% при длине 0,4Å.

При поглощении рентгеновских лучей в фотоэмульсии пленки образуются так называемые центры скрытого изображения, то есть центры диссоциации бромистого серебра. Визуально эти центры не обнаруживаются, но если на экспонированную пленку подействовать проявителем - химическим реактивом, то эффект диссоциации из готовых центров усиливается в тысячи раз и образующиеся частицы серебра создает черный цвет участку пленки, подвергнутому облучению.

После проявления пленки, её закрепляют, то есть растворяют зерна бромистого серебра, где нет центров диссоциации, и, тем самым, заканчивают её фотообработку. В результате на пленке остаются только зерна металлического серебра. Плотность распределения этих зерен зависит от экспозиции участков пленки (экспозиция равна произведению интенсивности излучения на время облучения). При сравнительно небольших экспозициях наблюдается прямая пропорциональность плотности почернения пленки и экспозиции.

Для оценки плотности почернения планки, а, следовательно, интенсивности излучения, применяется фотометрирование, при котором через фотообработанную пленку пропускается узкий пучок света интенсивностью I_O, который ослабляется за счет зерен серебра до величины I. Эта интенсивность прошедшего света регистрируется фотоэлементом, связанным с баллистическим гальванометром. Величина плотности почернения оценивается как lg(I_O/I).

Микрофотометры снабжены специальным механизмом для перемещения пленки при регистрации, что дает возможность записывать на пленке или бумажной ленте так называемую микрофотограмму.

Наибольшую трудность в использовании фотометода составляет выбор оптимальной экспозиции, чтобы сохранить прямую пропорциональность между интенсивностью излучения и плотностью почернения фотоматериала. Самый большой недостаток метода - это длительность и трудоемкость экспонирования и фотообработки.

Ионизационный метод регистрации излучения основан на эффекте ионизации газов в специальных счетчиках квантов. Схема счетчика приведена на рис. 2.13.

Квант рентгеновских лучей, попавший через торцевое окно в счетчик, при больших напряжениях (1000 - 1600В) между электродами создает ионизацию инертного газа (аргона). За короткий промежуток времени образуется громадное число заряженных частиц. Величина импульса тока между электродами (катод-анод) зависит от интенсивности входящих рентгеновских лучей, а положительные ионы, которые образуются при ударной

где 1 – бериллиевое окно;

2 – катод;

3 – анодная нить;

4 – колба счетчика.

Рисунок 2.13 – Устройство ионизационного счетчика Гейгера – Мюллера.

ионизации, ускоряются электростатическим полем и бомбардируют катод. При этом ионы выбивают электроны из катода, а те, в свою очередь, устремляются к аноду. В счетчике возникает тлеющий разряд, который будет состоять из движущихся к катоду последовательных импульсов положительных ионов. В этот момент счетчик перестает реагировать на новые порции квантов рентгеновского излучения, поэтому разряды необходимо гасить после прохождения каждой ионизирующей частицы. В счетчике Гейгера - Мюллера используют специальные гасящие добавки к газу, которые предотвращают пробой газового конденсатора за счет захвата электронов сложными молекулами органических веществ (метилаль).

Таким образом, чем больше интенсивность рентгеновского излучения, попадающего в счетчик, тем больше импульсов образуется в единицу времени и большим будет ток разряда газового конденсатора. Недостатком счетчика Гейгера - Мюллера является большое «мертвое время», то есть время, в течение которого счетчик не реагирует на излучение. Оно составляет величину 150 - 300мкс., что существенно снижает эффективность счетчика. Поэтому счетчик регистрирует от 60 до 80% излучения, попадающего в него. Вторым крупным недостатком счетчика является, ограниченный срок службы, когда, детектор прекращает свою работу после регистрации 10⁸ - 10⁹ квантов излучения.

Вышеназванных недостатков практически полностью лишен сцинтилляционный счетчик. Этот счетчик в настоящее время, являются одними из наиболее совершенных приборов для измерения интенсивности рентгеновского и - излучения. Он состоят из прозрачного люминесцирующего кристалла (сцинтиллятора) и фотоэлектрического умножителя (ФЭУ). В качестве сцинтилляторов применяются кристаллы йодистого натрия, активированного небольшой примесью таллия.

Схема сцинтилляционного счетчика приведена на рис. 2.14.

Рассмотрим принцип работы этого детектора излучения. Квант рентгеновского излучения, попадая в кристалл NaI, который двигаясь в кристалле, ионизирует на своем пути атомы. Возбужденные атомы переходят в стационарное состояние за счет испускания видимого и ультрафиолетового излучения. Вспышка такого излучения, состоящая из множества фотонов, попадает на катод фотоумножителя, выбивает из него фотоэлектроны, которые затем размножаются с помощью последовательно расположенных электродов – эмиттеров – (5 – 7 пар).

В результате этого размножения на аноде регистрируется импульс тока, который создает на нагрузочном сопротивлении

где 1 – кристалл;

2 – фотоумножитель;

3 – фотокатод;

4 – один из электродов (динодов).

Рисунок 2.14 - Схема устройства сцинтилляционного счетчика.

импульс напряжения, регистрируемый специальной счетной аппаратурой.

Принципиальной особенностью сцинтилляционных счетчиков является пропорциональная зависимость между ионизирующей способностью частиц или квантов и амплитудой импульса напряжения на выходе фотоумножителя. Наличие данной зависимости позволяет с помощью амплитудных анализаторов выделять импульсы, отвечающие квантам определенной энергии, то есть измерять интенсивность излучения, отвечающего известной длине волны.

Сцинтилляционные счетчики имеют малое «мертвое время» (1 – Змкс), высокую эффективность (85 – 95%) и длительный срок эксплуатации. Все эти положительные качества счетчиков очень широко используются в аппаратуре рентгеновских исследований.

Весьма ограниченно в рентгенографии используются так называемые полупроводниковые счетчики, которые наиболее часто применяют в рентгеноспектральном анализе разнообразных материалов.

Электрофизический метод (ксерорадиографический) регистрации приходит на смену фотографическому методу. Он основан на разрядке своеобразного конденсатора из аморфного селена под действием рентгеновского излучения. Наиболее часто этот метод используется в дефектоскопии деталей и заготовок.

Люминисцентный метод регистрации лучей основан на использовании светящихся экранов. Эти экраны покрыты специальными веществами, так называемыми люминофорами, которые светятся в видимой части спектра. При этом люминофоры разделяют на две группы: 1) с желто-зеленым свечением; 2) с сине-фиолетовым свечением. К первой группе относится смесь ZnS+CdS, а ко второй - соль кальция CaWO₄, Для количественной оценки интенсивности этот метод не используется, но, как и предыдущий, широко применяется в рентгеновской дефектоскопии.