Регистрация ионизирующих излучений

Ионизирующее излучение можно обнаружить по взаимодействию его со средой, приводящему к образованию ионов разных знаков. Фотонное излучение взаимодействует с веществом путем фотоэлектрического поглощения, комптоновского рассеяния и рождения пар. Каждый из этих процессов продуцирует электроны и ионы, которые могут быть собраны и измерены. Отношение числа ионов одного знака (dN), образованных ионизирующей частицей на элементарном пути (dl), к этому пути, называют линейной ионизацией и обозначают R = dN/dl. На линейную ионизацию влияет энергия заряженной частицы или фотона и характер ионизирующего вещества.

Детектором ионизирующего излучения называют чувствительный элемент средства измерений, предназначенный для преобразования энергии ионизирующего излучения в другой вид энергии, удобный для регистрации и (или) измерения одной или нескольких величин, характеризующих воздействующее на детектор излучение. Идеальный детектор должен детектировать каждую поступающую на него ионизирующую частицу, и давать точную информацию о ее положении, энергии и времени поступления. Он также должен обеспечивать обработку достаточно больших потоков фотонов. Реальные детекторы не удовлетворяют всем этим требованиям: не все падающие на детектор фотоны взаимодействуют с ним, необязательно все частицы взаимодействуют эффективно.

Величину Q – долю падающих на детектор ионизирующих частиц, образующих измеримое событие (например: почерневшее зерно, фотоэлектрон, импульс тока и т.д.), дающих вклад в выходной сигнал, называют квантовым выходом детектора (преобразователя).

Значение квантового выхода, равное единице, необязательно относится к идеальному детектору. Рассмотрим, например, два сцинтилляционных детектора: И (идеальный) и Р (реальный), выходные сигналы которых формируются путем интегрирования света, испускаемого веществом чувствительных объемов. Детектор И имеет значение квантового выхода, равное единице, и сконструирован так, что каждая сцинтилляция дает строго одинаковый световой выход. С помощью такого детектора можно точно определить, сколько было поглощено первичных фотонов. Детектор Р также обладает квантовым выходом, равным единице, и световым выходом каждой сцинтилляции в среднем таким же, как детектор И, но который флуктуирует около среднего значения. Интегрирование таких сцинтилляций не позволяет точно определить число зафиксированных первичных фотонов, хотя можно дать оценку их числа, общего параметра, оценивающего качество детекторов, обобщенного квантового выхода системы регистрации (детектора), который определяют отношением

QD =  [ОСШвых / ОСШвх ]2

где ОСШвых – отношение сигнала к шуму на выходе системы регистрации; ОСШвх – отношение сигнала к шуму на входе системы регистрации.

Классификация детекторов

При необходимости подчеркнуть вид регистрируемого ионизирующего излучения, наименование детекторов строят с добавлением термина-элемента, указывающего вид излучения. Например: детектор бета-частиц (краткая форма β-детектор), детектор рентгеновского излучения (х-детектор), детектор нейтронов (краткая форма n-детектор).

По конструкции детекторы можно разделить на точечные, линейные и матричные.

Таблица  1             Эффекты ионизации, используемые при детектировании и измерении полей ионизирующих излучений

Вещество чувствительного 
объема детектора

Тип системы регистрации

Эффекты 
ионизации

Газ

Ионизационная камера

Электрический

"

Пропорциональный счетчик

"

"

Счетчик Гейгера-Мюллера

"

Полупроводник

Полупроводниковые преобразователи

"

Сцинтиллятор

Сцинтилляционные преобразователи

Световой

Фотоэмульсии

Рентгеновская пленка

Химический

Аморфный кремний

Многоразовые пластины с фотостимулируемой памятью

Химический

 

По форме представления измерительной информации детекторы ионизирующего излучения можно разделить на аналоговые и дискретные, а по форме зависимости выходного сигнала детектора от значения измеряемой физической величины, характеризующей излучение на пропорциональные и непропорциональные.

По состоянию вещества чувствительного объема детекторы подразделяют на твердотельные, жидкостные и газовые.

По методам регистрации ионизирующих излучений разделяют:

-сцинтилляционные – радиолюминесцентные детекторы, в которых используют сцинтиллирующее вещество, испускающее кванты света под действием ионизирующего излучения. Оно оптически связано непосредственно или через световод с фоточувствительным устройством;

-ионизационные - детекторы, принцип действия которых основан на использовании ионизации в веществе чувствительного объема детектора;

-полупроводниковые - ионизационные детекторы, в которых используют электрическое поле для собирания неравновесных носителей зарядов, образованных ионизирующим излучением в полупроводниковом материале чувствительного объема детектора. Они в свою очередь делятся на охлаждаемые и не охлаждаемые.

Детекторы собираются в линейки и матрицы, одиночный детектор предоставляет информацию о величине, характеризующей излучение, пространственно-усредненную по его чувствительной площади.

Для получения информации о распределении указанной величины детекторы объединяются в линейки и матрицы. В этом случае они преобразуют радиационное изображение в изображение другого вида и называются радиационными преобразователями. Если радиационное изображение преобразуется в оптическое, то говорят о радиационно-оптическом преобразователе. Изображения также могут быть получены с помощью одиночных детекторов путем сканирования. Детектор перемещается в плоскости радиационного изображения и данные запоминаются последовательно во всех требуемых точках. Последовательное запоминание данных исключает возможность получения радиационных изображений динамических процессов.  

Полупроводниковые детекторы

Полупроводники под действием ионизирующего излучения меняют свои свойства и могут использоваться в качестве детекторов излучения. В настоящее время детекторы изготавливают с использованием GaAs, SiC, CdTe, Si(Li) и Ge. К применяемым в дозиметрии и радиационном НК полупроводниковым приборам относятся диффузионные детекторы с р-п-перехо­дом, поверхностно-барьерные и диффузионно-дрейфовые детекторы.

Диффузионный детектор с р-п-переходом, получил свое название от технологии изготовления. Пластину полупроводникового кристалла р-типа (бедного электронами), с осажденным на ее поверхности слоем примеси (например из фосфора) n-типа (богатой электронами), нагревают, так что непосредственно под поверхностью образуется р-п-переход. Поскольку материал n-типа имеет избыток электронов, а материал р-типа – избыток дырок (положительные заряды), при указанной комбинации материалов электроны

 

Рис. 1. Схематический разрез диффузионного детектора с р-п-переходом: 
1  объединенная область; 2 – электрические контакты; 3 – вход детектора; 4 – область 
n-типа; 5 – кремний р-типа; 6 – металлический электрод

будут стремиться разместиться на одной стороне перехода, а дырки – на другой, следовательно, на переходе возникает разность потенциалов.

При приложении к кристаллу внешнего напряжения такой полярности, чтобы она препятствовала естественному перемещению электронов и дырок (обратное смещение), потенциальный барьер на переходе возрастает и возникает обедненная носителями заряда зона (рис.1). Эта обедненная область является чувствительным объемом детектора и аналогична чувствительному объему газа в ионизационном детекторе. Заряженные частицы, попадая в обедненную носителями заряда область, генерируют электронно-дырочные пары, аналогичные ионным парам, генерируемым в газонаполненных ионизационных камерах. Поскольку в чувствительном объеме полупроводникового детектора существует электрическое поле, при взаимодействии ионизирующей частицей с ним возникает импульс тока, пропорциональный энергии, отданной частицей чувствительному объему детектора.

Принцип действия поверхностно-барьерных и диффузионно-дрейфовых детекторов тот же, что и у р-п-перехода: возникает обедненная зона, в которой существует электрическое поле. Способ создания обедненной зоны, равно как и ее размеры и местоположение в кристалле, варьируется от одного типа детектора к другому.

Функционирование поверхностно-барьерного детектора зависит от состояния поверхности кристаллов из кремния или германия. На поверхности пластины беспримесного кристалла существует электрическое поле, исключающее присутствие как дырок, так и электронов в тонком слое вблизи поверхности. В кристаллах n-типа это поле отталкивает свободные электроны. Если кристалл соединить с металлом, свободные электроны по-прежнему будут отталкиваться, но непосредственно под поверхностью

 

Рис. 2. Схематический разрез поверхностно-барьерного детектора: 
1  металлические электроды; 2 – вход детектора; 3 – тонкий металлический электрод; 
4 – обедненная область; 5 – кремний р-типа

 

будут концентрироваться дырки. Если к такому контакту приложить внешнее обратное напряжение, то создается обедненная зона (рис. 2).Поверхностно-барьерные детекторы по сравнению с детекторами с р-n-переходом дают лучшее разрешение по энергии, однако у последних более широкая обедненная область, что позволяет им детектировать частицы с более высокой энергией.

Рис. 3. Схематический разрез диффузионно-дрейфового детектора: 
1  вход детектора; 2 – тонкий металлический электрод; 3 – некомпенсированная область р-типа; 4 – слой кремния, компенсированный литием; 5 – диффузионный слой лития; 6 –предохранительное кольцо

Диффузионно-дрейфовые детекторы изготовляют из кремния (реже из германия) р-типа с низким удельным сопротивлением, в этом случае используется явление дрейфа в глубь кристалла, например, ионов лития в глубь кристалла при температуре до 400 °С при подаче обратного напряжения в несколько сотен вольт. Под действием электрического поля ионы лития проникают в глубь кремния и компенсируют акцепторы. Атомы акцептора, например, трехвалентные атомы индия или галлия, могут замещать в кристаллической решетке атомы полупроводника. Таким образом, образуется кристалл, имеющий только собственную проводимость (рис. 3).

Полупроводниковые линейные и матричные детекторы позволили развить новые, основанные на компьютерных технологиях, приложения. Эти технологические и алгоритмические разработки применяются в НК. Новые технологии калибровки, которые позволяют практически полностью избавиться от собственных шумов детекторов. Такие возможности отсутствуют у пленочных систем и систем с фотостимулируемой памятью. Они имеют самый низкий уровень шумов в обеспечивая чрезвычайно высокие чувствительность и контраст изображения в сочетании с возможностью контроля слабых изменений радиационной толщины. Чрезвычайно важным являются также экономические преимущества ЦДС перед классической пленочной техникой. Гораздо более быстрый процесс обработки и интерпретации при высоком качестве изображения приводит к существенному выигрышу во времени по сравнению с пленкой. Полупроводниковыми детекторами в сочетании с усилителями с низким уровнем шумов можно измерить плотности потока тяжелых частиц, электронов и фотонного излучения.

Ионизационные камеры

В ионизационной камере к объему газа между двумя электродами прикладывается разность потенциалов. В дозиметрических приборах камера часто имеет цилиндрическую форму: газ заключен в цилиндрическом катоде, через который проходит аксиально размещенный стержневой анод. В радиационном НК в основном используют полостные ионизационные камеры, скомпонованные в виде линейных или двумерных матриц.

 

Рис. 4 Схема цилиндрической ионизационной камеры: 1 – катод; 2 – анод, 3 - ионизирующее излучение, 4 – электроны и ионы газа. 

Ионизирующие частицы, проходя через чувствительный объем камеры, ионизируют заключенный в ней газ. При приложении к электродам камеры разности потенциалов ионы дрейфуют вдоль силовых линий электрического поля, создавая ионизационный ток. В нормальных условиях электроны дрейфуют со скоростью примерно 104 м/с. Скорость дрейфа ионов на много порядков меньше.

Если разность потенциалов, начиная с нуля, постепенно увеличивать, при постоянной интенсивности облучения чувствительного объема, то оказывается, что ток в цепях вначале увеличивается пропорционально приложенному напряжению. Затем рост замедляется, после чего его значение становится постоянным, несмотря на повышение разности потенциалов.

Большая же часть ионов с разными знаками рекомбинируют друг с другом, т.е. заряды их нейтрализуются прежде, чем они достигают электродов. В этом случае камера малоэффективна для регистрации излучения. В более сильном электрическом поле скорость движения ионов возрастает, а вероятность рекомбинации уменьшается до нуля, и все ионы, образующиеся в газе, попадают на электроды. При этом ионизационный ток достигает значения насыщения. Ионизационные камеры и работают в режиме насыщения. Сигнал токовой ионизационной камеры пропорционален энергии и поэтому они широко используются для измерения доз излучения.

 

Рис. 5 Схема полостной ионизационной камеры: 
1  ионизирующее излучение; 2 – входное окно; 3 – анод; 4 – электроны и ионы газа; 5 – предварительный усилитель; 6 – стенки камеры; 7 – источник питания; 8 – катод

 

 Рис. 6 Вольтамперная характеристика газового разряда: I  область закона Ома; II – область ионизационной камеры; III – область пропорциональности и ограниченной пропорциональности; IV – область Гейгера; V – область самостоятельного разряда

Ионизационный ток, возникающий в камере, измеряется при его прохождении через внешнюю цепь. Этот ток очень мал и требует усиления при его измерении. Описанные выше камеры измеряют мощности доз ионизирующих излучений, т.е. они показывают уровень излучения в момент облучения и после прекращения облучения их показания возвращаются к фоновому уровню. В некоторых камерах, используемых в дозиметрии, система из двух электродов, подключенная к конденсатору, заряжается внешним источником до начальной разности потенциалов U0. В поле ионизирующего излучения разность потенциалов уменьшается вследствие переноса заряда ионами, образованными в газовом объеме. Изменение разности потенциалов на электродах камеры служит мерой дозы излучения. Камера показывает общую дозу излучения, полученную данной зоной с момента окончания разрядки камеры. Эти камеры используются в индивидуальных дозиметрах.

Газовые счетчики

Газовый счетчик представляет собой датчик (по конструкции аналогичный ионизационной камере), предназначенный для регистрации отдельных ионизирующих частиц. В отличие от ионизационных камер в газовых счетчиках для усиления ионизационного тока используется газовый разряд.

В зависимости от характера используемого газового разряда счетчики можно разделить на два типа:

1) пропорциональные счетчики (с несамостоятельным разрядом);

2) счетчики Гейгера (с самостоятельным разрядом).

При правильном подборе газов и напряжений пропорциональный счетчик может обнаружить a-частицы в присутствии β-частиц или высокоэнергетичные фотоны в присутствии фотонов более низких энергий.

В области Гейгера (см. рис. выше) ток выходного импульса совершенно не зависит от значений начальной ионизации; все импульсы при заданном напряжении независимо от рода ионизационных частиц и их энергий имеют одинаковое значение тока. Счетчики Гейгера являются наиболее широко применяемыми универсальными приборами для дозиметрического контроля. Необходимо помнить, что счетчики Гейгера, в отличие от типовых ионизационных камер, считывают импульсы и регистрируют число импульсов за единицу времени. Некоторые приборы имеют шкалу, проградуированную по излучению цезия-137 или какого-либо другого источника. Поэтому прежде чем про водить измерения счетчиком Гейгера, необходимо уточнить зависимость отношения зарегистрированной мощности дозы P01к действительной мощности дозы Рв зависимости от энергии ионизирующих частиц.

 

Рис. 7 Зависимость отношения зарегистрированной мощности дозы Р01 к действительной мощности дозы Р0 от энергии частиц для счетчика Гейгера

Сцинтилляторные детекторы

Непосредственно в процессе открытия рентгеновского излучения было замечено, что некоторые вещества после взаимодействия с ионизирующим излучением испускают фотоны видимого света. Эти световые фотоны проявляются в виде вспышек и в этом случае говорят, что вещества сцинтиллируют. В качестве сцинтилляторов (люминофоров) в приборах для дозиметрического и неразрушающего контроля широко применяют твердые материалы. Будучи более плотными, чем газы, эти сцинтилляторы обладают большей квантовой эффективностью детектирования. Эффективность детектирования гамма-излучения у сцинтилляторов в 106 раз выше, чем у типовых газонаполненных ионизационных камер. Имеются различные сцинтилляторы, позволяющие детектировать альфа, бета-частицы, фотонное и нейтронное излучение (табл. 2), в скобках химических формул указана примесь, используемая в качестве активатора.

 Таблица. 2. Перечень широко применяемых сцинтилляторов

Название

Химическая формула

Тип детектируемых частиц

Иодид натрия

NI (T1)

Фотоны

Иодид цезия

CsI (T1)

Фотоны

Иодид лития

LiI (Eu)

Фотоны, нейтроны

Сульфид цинка

ZnS (Ag)

Альфа-частицы

Германат висмута

ViGe3O12

Фотоны

Вольфрамат кадмия

CdWO4

Фотоны

 Люминесценцию, как физическое явление, можно описать следующим образом. Электроны, генерируемые в результате взаимодействия излучения с веществом, передают веществу свою кинетическую энергию путем ионизации и возбуждения атомов вещества. Ионизация связана с удалением электрона из атома, а возбуждение – с повышением энергетического состояния электрона в атоме. Возврат возбужденных электронов в нормальное, низкоэнергетическое состояние называется релаксацией. Люминофоры, возбуждаемые ионизирующим излучением, достаточно быстро, с задержкой Δt > 10-15 с (Δ> λ/c), возвращаются в низкоэнергетическое состояние, испуская в процессе релаксации фотоны видимого света. Детектирование ионизирующего излучения можно осуществлять путем измерения светового выхода сцинтиллятора.

Сцинтилляторные материалы выпускают в газообразной, жидкой и твердой формах. В качестве сцинтилляторов широко применяют органические жидкости и твердые вещества, а также неорганические газы и твердые вещества. Твердые органические сцинтилляторы выпускают в виде кристаллов, пластинок и гелей.

Неорганические твердые сцинтилляторы обычно представляют собой кристаллы галогенидов щелочных металлов. Люминесцентный процесс в неорганических материалах требует присутствия в них небольших количеств примесей. Еще в конце прошлого века было установлено, что люминесценция многих твердых тел сильно зависит от наличия в них незначительных примесей, определяющих как цвет свечения, так и способность к люминесценции. Эти примеси называют активаторами, а содержащие их люминофоры стали рассматривать как твердые растворы активатора в основном веществе – основании люминофора. Акт излучения происходит в субмикроскопических образованиях, связанных с атомами активатора и получивших наименование центров свечения.

Для использования в приборах НК и дозиметрии сцинтилляторы должны обладать большинством из перечисленных ниже свойств:

·       высокое поглощение падающего пучка проникающего излучения;

·       высокая эффективность преобразования энергии ионизирующих частиц в световую энергию;

·       высокое пространственное разрешение;

·       согласованность спектральной характеристики люминофора со спектральной характеристикой работающего совместно с ним фотонного преобразователя;

·       воспроизводимая технология.

Наилучший компромисс между поглощением и пространственным разрешением может быть получен только с применением материалов, содержащих атомы с высоким атомным номером и имеющих высокую плотность.

В цепи передачи данных о характеристиках проникающих излучений и их полей сцинтилляторы обычно информационно связаны с фотонными преобразователями: фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), фотодиодами, фотокатодами, рентгеновской пленкой и т.п. 

 

 Рис. 8 Схема детектора "сцинтиллятор – ФЭУ": 1 – рентгеновское излучение; 
2 – сцинтиллятор; 3 – фотоны рентгенолюминесценции; 4 – фотокатод; 5 – фокусирующий электрод; 6 – диноды; 7 – анод; 8 – предварительный усилитель

 До появления ФЭУ сцинтилляторные вспышки подсчитывались визуально. В 40-х годах был создан ФЭУ, благодаря чему резко расширилась область использования сцинтилляторов. ФЭУ состоит из фоточувствительного слоя, называемого фотокатодом, и ряда электронных умножительных устройств, называемых динодами. Фотокатоды преобразуют фотоны в сцинтилляторных вспышках в фотоэлектроны.

 

Рис. 9 Схема детектора "сцинтиллятор – фотодиод": 1 – рентгеновское излучение; 2 – сцинтиллятор; 3 – усилитель; 4 – р-n-переход; 5 – SiO26 – металлический контакт 

ФЭУ сконструирован так, что фотоэлектроны, испускаемые фотокатодом, фокусируются по направлению к первому диноду, получая дополнительную энергию из электростатического поля, созданного в ФЭУ, и взаимодействуя с динодом, за счет вторичной электронной эмиссии стимулируют выход из него большего числа электронов, чем с ним взаимодействовало. Указанный процесс повторяется на каждом динодном каскаде. Фотокатод и диноды размещаются в стеклянной вакуумной оболочке. ФЭУ может давать электронное усиление до 1010 на каждый испускаемый фотоэлектрон, что приводит к уменьшению потерь информации при дальнейшей обработке сигналов с ФЭУ.

В современной радиационной интроскопии в качестве радиационных преобразователей широко используются линейные дискретно-детекторные системы, представляющие собой набор примыкающих друг к другу линейно размещенных одиночных детекторов.

В настоящее время в этих системах в основном используются детекторы трех типов: на основе газовой ионизационной камеры, работающей в токовом режиме; на основе сцинтилляционного кристалла, сочлененного с ФЭУ, работающего в счетном или в токовом режиме. Характеристики детекторов указанных типов приведены в табл. 3.

 Таблица 3. Характеристики матричных детекторов

Характеристики

Тип детектора

Сцинтиллятор ФЭУ

Сцинтиллятор-фотодиод

Ксеноновая 
ионизационная камера

Доля поверхности, чувствительной

к излучению, %

 

 

 

До 50

До 90

До 90

Квантовый выход при

энергии излучения, %:

до 150 кэВ

около 500 кэВ

до 16 МэВ

 

 

Более 99

Более 95

Около 60

 

 

Более 99

Более 90

Около 60

 

 

До 60

До 40

До 10

Предел разрешения, пар линий/мм

4

4

4

Динамический диапазон

В счетном режиме не ограничен

До

До

100000 : 1

100000 : 1

 

Рентгеновская пленка

Рис. 10 Структура рентгеновской пленки.1  слой твердой желатины;  слой эмульсии; 3 – субстракт для сцепления эмульсии с подложкой; 4 – подложка

Главная ее часть – эмульсионный слой, представляющий собой желатиновую матрицу с взвешенными в ней мельчайшими кристалликами галогенида серебра. Обычно прозрачная основа (подложка) пленки, выполненная, например, из ацетата целлюлозы, покрыта эмульсией с обеих сторон, что позволяет повысить квантовую эффективность пленки без увеличения времени на ее химико-фотографическую обработку. Когда пленка подвергается экспозиции, из галогенидов фотоэлектрически освобождаются электроны. Эти электроны захватываются центрами захвата в кристаллах. Здесь они нейтрализуются подвижными ионами серебра в зернах галогенидов, что приводит к осаждению в них мельчайших количеств металлического серебра. После обработки пленки те зерна, которые содержали больше некоторого количества серебра (обычно четырех атомов), полностью переводятся в металлическое серебро, а зерна, которые содержали меньше этого критического количества, не переводятся и удаляются в процессе фиксации. 

Экспонирование зерна пленки (например, кристаллика бромида серебра, AgBr) фактически осуществляется не самими рентгеновскими фотонами, а электронами (фотоэлектронами и комптоновскими электронами), возникающими при взаимодействии фотона с веществом пленки. Различие между экспонированием пленки с помощью фотонов видимого света и рентгеновскими фотонами обусловлено разностью в количествах энергии, передаваемой кристаллам бромида серебра при поглощении фотонов. При поглощении светового фотона кристаллу передается незначительное количество энергии, достаточное лишь для того, чтобы высвободить одиночный электрон из иона брома (Вг-). Для того, чтобы сделать один кристалл способным к проявлению, требуется несколько последовательно взаимодействующих световых фотонов. При прохождении через кристалл быстрого электрона он может передавать в сотни раз большее количество энергии, чем при поглощении фотона видимого света. Число кристаллов, очувствленных за один акт взаимодействия с рентгеновским фотоном, изменяется от одного (при энергии фотона 10 кэВ) до 50 и более (фотоны с энергией около 1 МэВ). Для высокоэнергетичных фотонов с энергией более 1 МэВ количество энергии, передаваемой за один акт взаимодействия, уменьшается, так как, во-первых, энергия сообщается нескольким электронам и, во-вторых, высокоэнергетичные электроны могут выходить из эмульсии без значительной потери энергии. Вследствие указанных причин в этом случае проявляется от 5 до 10 кристаллов. При небольших экспозициях при каждом акте взаимодействия рентгеновского фотона очувствляется в среднем одинаковое число кристаллов.

Здесь и далее под экспозицией понимается дозированное количество излучения, воздействующее на пленку. Экспозицию часто измеряют в единицах экспозиционной дозы. Можно также использовать фотонную экспозицию – перенос фотонов, который представляет собой просто число фотонов, падающих на единицу площади пленки, или определять экспозицию переносом энергии.

Оптическая плотность почернения радиографической пленки определяется как десятичный логарифм, обратный коэффициенту пропускания τ

S = log(1/τ),

где τ – отношение светового потока Ф, прошедшего через почернение пленки на прозрачной основе, к световому потоку Ф0, падающему на него.

Пленки, пропускающие 1/10, 1/100 или 1/1000 падающего света, обладают оптической плотностью почернения 1, 2 и 3 соответственно.

Перевод в латентную (очувствленную) форму в среднем одинакового числа зерен означает, что зависимость результирующей оптической плотности почернения от экспозиции представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Этот график оказывается нелинейным только тогда, когда экспозиция настолько велика, что значительная энергия рентгеновских фотонов расходуется на ранее экспонированные зерна. Например, для мелкозернистых радиографических пленок график указанной зависимости может быть линейным вплоть до оптических плотностей почернения, равных 2 и выше. Указанная линейная зависимость используется в методе индивидуальной фотодозиметрии фотонного излучения, основанного на том, что степень почернения дозиметрической фотопленки после облучения в некотором диапазоне почернения пропорциональна экспозиционной дозе. Сравнивая почернение пленки, которую носит человек, с контрольной, находят дозу излучения, воздействующую на человека. 

 

Рис. 11 Зависимость оптической плотности почернения рентгеновских пленок от экспозиции: 

1  высокочувствительная пленка; 2 – низкочувствительная пленка 

Фотостимулирующие пластины

Аналогично пленке работают многоразовые фотостимулируемые (фосфорные) пластины. В отличии от пленки считывание изображений не требует химической обработки. Для запоминания изображений в пластине использован слой с фотостимулируемой памятью – чаще всего используются соединения типа BaFBrxI1-x:Eu2+. Они совместим с любыми источниками излучения с энергией от 10 кэВ до 20 МэВ (рентгеновские аппараты постоянного потенциала, импульсные, бетатроны, радионуклидные источники). Одни и те же фосфорные пластины могут использоваться со всеми перечисленными источниками. Для обеспечения 1 класса чувствительности на требуется экспозиция в 10 раз меньше, чем для пленки класса С5 по EN 584-1 (Kodak AA-400, AGFA D7 со свинцовым экраном). Для обеспечения 2 и 3 класса чувствительности требуется экспозиция той же величины, что и на высокочувствительной пленке (KODAK HS800, AGFA F8, Р1, РТ-1) с усиливающими металофлуоресцентными и флуоресцентными экранами. Высокая скорость получения изображения объекта контроля на пластину размером 350х430 мм - от 40 до 80 секунд в зависимости от требуемого класса чувствительности. Готовность пластины к следующей экспозиции - до 5 мин. Визуальное разрешение соответствует ГОСТ 29025-91, и составляет значения не хуже 5,0 пар линий/мм.

Селеновые электрорентгенографические пластины

Способность полупроводников, изменять свое электрическое сопротивление при облучении фотонным излучением используется в радиационном НК для получения снимков ОК. Процесс получения снимка носит название электрорентгенографического процесса. При проведении электрорентгенографического контроля используют полупроводниковые селеновые пластины, состоящие из металлической алюминиевой подложки, на которую нанесен слой фотополупроводника – аморфного селена. Толщина селенового слоя составляет 100 ... 500 мкм.

Принципиально процесс получения электрорентгенограммы состоит из следующих этапов. Для придания пластине фоточувствительности на поверхность слоя равномерно наносится электрический заряд (~7 кВ). В зависимости от полярности электрического потенциала, подаваемого на электроды, пластина может быть заряжена либо отрицательно, либо положительно. После зарядки пластину закрывают светонепроницаемым кожухом и она готова к экспонированию.

Экспонирование заряженной пластины практически не отличается от пленочной радиографии, однако в фоточувствительном слое протекают совершенно иные процессы. Фотонное излучение проходит через ОК, модулируя свою интенсивность неоднородностями ОК, и попадает на пластину. Взаимодействуя с селеновым слоем, излучение уменьшает его электрическое сопротивление, что, как следствие, нейтрализует заряд, нанесенный на слое. Нейтрализация в первом приближении пропорциональна интенсивности излучения, взаимодействующего с пластиной. В результате этого на поверхности фотополупроводникового слоя образуется скрытое электростатическое изображение, которое проявляется при опылении поверхности селенового слоя мелкодисперсным заряженным порошком – электрографическим проявителем. Интенсивность оседания порошка на пластине также пропорциональна значению остаточного заряда. Видимое порошковое изображение можно рассматривать на пластине, но для более подробного и тщательного анализа и сохранения электрорентгенограммы в архиве нужно перенести изображение на бумагу.

Вопросы для самопроверки


Когда газ подвергается бомбардировке электромагнитным излучением он

a)

стабилизируется

b)

возбуждается

c)

ионизируется

d)

меняет состояние

Атомы, молекулы и прочие субатомные частицы, несущие положительный или отрицательный заряд, называются

a)

фотоэлектроны

b)

фотоны

c)

ионы

d)

смеси

Коллимация источника излучения иногда осуществляется, чтобы

a)

Усилить эффективное излучение

b)

Ограничить ширину луча и снизить рассеяние

c)

Уменьшить полутень и увеличить четкость рентгеновского снимка

d)

Обеспечить снижение радиационного фона для детектора

 

На величину сигнала детектора прямо пропорциональное воздействие оказывает изменение на рентгеновской трубке:

Фильтр в луче первичного излучения

a)

увеличивает сигнал детектора

b)

снижает сигнал детектора

c)

снижает время экспонирования

d)

увеличивает долю рассеянного излучения

Наиболее предпочтительным материалом, используемым в качестве детектора радиации в радиографических системах реального времени с цифровой обработкой, является:

a)

Вольфрамат кадмия

b)

твердосплавный вольфрам

c)

бромистое серебро

d)

йодистое серебро

В некоторых случаях в качестве материала для детектора радиации в радиографических системах реального времени используется ксеноновый газ под давлением, но его использование ограничено из-за:

a)

того, что при продолжительном использовании ксенон становится активным

b)

высокой стоимости

c)

того, что при высоких напряжениях газ плохо поглощает рентгеновские лучи

d)

все выше перечисленное

Заряженные селеновые пластины используются в:

a)

импульсной радиографии

b)

радиографии реального времени

c)

нейтронной радиографии

d)

ксерорадиографии

Цифровая радиография предполагает использование:

a)

методов повышения качества и отображения изображений средствами компьютерной обработки

b)

цифровых плотномеров

c)

цифровых показаний персональных дозиметров

d)

ни одно из выше перечисленного