автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Трансмиссионные методы радиационного контроля композиционных материалов с использованием низкоэнергетического фотонного излучения

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукопкш

АФАНАССИАДИС КОНСГАНТЙНСС НИКОЛАОС

ТРАНСМИССИОННЫЕ МЕТОДЫ РАДИАЦИОННОГО ЖОШТОШ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ФОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

' 05.11.10. - приборы ддя измерения ионизирующих излучений н рентгеновские приборы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Минск - 15?4 г.

Работа выполнена ш кафедре ядерной физики Белорусского госу-

дарственного университета.

Научный руководитель: Проректор по научной работе международного Саларовского колледжа по радиоэкологии (МСКР), К.Т.Н. ЧУДАКОВ В А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Защита состоится "22" июня 1994г. в 10м час. на заседании специализированного Совета К 056.03.15 Белгосуниверситета по адресу: 220980, г. Минск, пр. Ф. Скорины, 4, Белгосуниверситет.

С диссертацией можно*ознакомиться в библиотеке

профессор ГОЛЬЦЕВ В.П.; Кандидат технических наук, доцент СИЛЮК В.Ф.

Ведущая организация: Институт физики АН РБ

Бглгосунивсрситста

Автореферат разослан "6" июня 1994г.

Ученый секретарь специализированного Сс проректор МСКР

Чудаков ВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Композиционные материалы (КМ) широко внедряются. в промышленность, н это влечет за собой развитие методов исследования и контроля их физико-химических свойств как на этапах создания и производства самих материалов, так и при изготовлении и эксплуатации готовых изделий. Здесь особый интерес представляет разработка методов и аппаратуры, предназначенных для исследования и неразрушающего контроля теплофизических свойств КМ в условиях воздействия высоких температур и скоростей нагрева.

Существующие в настоящее время приборы для измерения и контроля физи!Со-хим1гческих свойств КМ, а тахже параметров технологических процессов не удовлетворяют в полкой мере потребностям исследовательских организаций и промышленных предприятий. В частности, до сих пор на многих промышленных предприятиях определение плотности различных материалов осуществляется с помощью малопроизводительных методов, являющихся по своей сути разрушающими. Эта проблема особенно ощутима при разработке и производстве композиционных материалов, для которых плотность является одной из важнейших характеристик, прямо либо косвенно определяющей качество композитов и изделий из них.

Современные методы измерения плотности р и эффекгавного атомного номера КМ, шрающих значительную роль в их

поведении я процессе высокотемпературного воздействия, определяют эта величины как средние по объему иоследуемого образца, прягееи, vir. щкапшо, в стятичгском режиме после нагрев.'*. Поэтсггу сояюаке с"':с тс:-.^ чигге двдштчешоп:, мгтодоз бгжеггоеокого кемго-зл;* р и лсет.текнх угрета» сорд^ипв

КМ разрешает уточнить физические и математические модели деградации композитов при высокоинтенсивных тепловых воздействиях. Это позволит улучшить технические характеристики узлов н деталей, изготавливаемых из КМ и работающих в условиях высокотемпературного нагрева (до 3000' К), а также сделать оптимальный выбор самого материала по его теплофизическим характеристикам на стадии проектирования изделий.

Эффективными средствами неразрушающего контроля многих параметров материалов являются радиоизотопные измерительные устройства и приборы, так как с их помощью решаются многообразные задачи. Возрастающие требования к качеству контроля обусловливают в радиоизотопном приборостроении постоянную тенденцию к развитию и совершенствованию методов измерения и реализующей их аппаратуры. И в первую очередь разработка новых типов первичных измерительных преобразователей радиационного сигнала, основанных на использовании селективных методов у-радиометрии. Выбирая состав и энергию зондирующих пучков ящерных частиц, можно обеспечить преобладайте того вида взаимодействия, который способствует максимально^ получению информации о контролируемом объекте.

В результате параметрического воздействия на характеристики поля рабочего ^-источника происходит первичное преобразование измеряемой физической величины в радиационный сипит, энергетическим носителем которого является поток у-квантов, выходящих из облучаемого объекта. В пространственно-энерх'етическом распределении пата вторичного излучения заключена наиболее полная инфор-

мания о свойствах исследуемой среды. Для выделения необходимо прозеста детектирующее преобразование радиационного сигнала в электрический с последующей обработкой и выбором в необходимом виде. Электрические сигналы, полученные на выходе первичного преобразователя, информируют о таких параметрах, как плотность и элементный состав контролируемых образцов, а также о их внутрен- о ней структуре.

Низкоэнергетические источнихк ионизирующего излучения с энергией Е, < 100 КэВ целесообразно применять для повышешш чувствительности измерений, при контроле легких сред с малой тол-единой зондируемого слоя, хотя в этом случае нужно учитывать вариации элементного состава исследуемых сред.

Наряду с нерезонанигыми методами контроля КМ, в последнее время развиваются и резонансные. С помощью методов, основанных на эффекте Мессбауэра, к настоящему времени значительно продвинуто решение широкого круга проблем в различных областях таугл и техники: ядерной физике, физике твердого тела, материаловедении, химии, биологии, геохимии и космохимии и т.д. Однако метод ядерного гамма-резонанса (ЯГР) в своем классическом виде ограничен применением только для сред, содержащих резонансны« ядра. Применение метода регистрации рэлеезского рассеяния мессбауэрозекого излучения (РРМИ) позволяет снять это ограничение и получкгь возможность исследовать среды свободных от резонансных ядер с точностью, достигаемой методами резонансной у-спекгрометрил (-Х0"3 --10-9 эЗ).

Методы, основанные на регистрации РРМЙ, хержтршугатся

относительно низкой интенсивностью потока эторнчного киформг.-ционного излучения, что требует лргшененж источников аакувдаик повышенной активности или увеличения времени измерение. Это ограничения могут быть сняты путем разработки новых типов высокочувствительных детекторов, среди которых выделяются комбинированные сщштилляциошше детекторы, соединяющие в себе достоинства различных типов сцингилляторов и позволяющие преодолеть недостатки многодетекторных систем, связанные с проблемой их взаимной стабилизации.

Возрастающие требования к современным технологиям КМ и контролю их параметров требуют решений, повышающих информативность и гибкость функционирования средств неразрушающего контроля. В связи с этим актуальным является создание как методик анализа физико-химических характеристик веществ и материалов с учетом изменения эффективного атомного номера и плотности, так и развитие ^-методов плсянометрии с созданием плотномеров для динамического контроля КМ в условиях высокоинтенснвных тсило-физических воздействий и регистрации плотности по глубине образца.

Важной проблемой в* измерительной технике является проблема обработки и представления полученной информации в форме, удобной для пользователя. Комлектование радиометрических приборов китеншметрамн либо пересчетнъош устройствами с шраниченныш: функциональными гозможностями, где градуировка производится в с длинна," скорости счета, не соответствует возросшим сегодня требованиям. В у-ялотномирии кг полностью решены также вопросы

б

автоматизации процессов градуировки, поверки, настройки плотномеров, накопления, хранения и обработки полученной информации

Все вышеизложенное предопределило цель данной диссертационной работы.

Цель работы: исследовать возможности резонансных и нере-зоншсных у-методов для определения физико-химических характеристик композиционных материалов и изделий из них, создать методику определения эффективного атомного номера по отношению кнтексивксстей когерентно и некогерентно рассеянных у-квантов, разработать систему динамического контроля плотности по глубине образца КМ, подвергающегося высокотемпературному воздействию.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

1. Собрать, экспериментальную установку на основе Се(У) ППД, исследовать ее характеристики и с ее помощью разработать методику определения эффективного атомного номера вещества (2эфф) по отношению когерентно и некогергитно рассеянных у-жвантоз; определить погрешности измерения.

2. Создать малоугловой спектрометр рэлгевского рассеяния мсссбауэровского иэяучеюш на основе комбинкроаишого резонансного детектора для проведения совдекных кгксрскнй из. основе одаолучешго у-нетода и рэлеевского рассеяния кгссбауэровсшя» излучения (РРМИ) для определения ¡хшгноста р, г^фсхшршго «¿то.х-што номера и связанных с шшк фихюко-хянжао-жх скойгясв *«-щестг» к материалов.

3. Исследовать динамические процессы в конденсированных средах с помощью гамма-резонансной спектроскопии. С этой целью создан мессбаузроЕсккй спектрометр с резонансным детектором и исследованы мессбауэровские спектры малоуглового рэлеевского рассеяния для случая фазового перехода первого рода (система лед - вода).

4. Получить аналитическое выражение учитывающее динамическую погрешность для у-абсорбционного способа определения плотности композиционных материалов в условиях динамического контроля при интенсивных высокотемпературных воздействиях.

5. Создать автоматизированную систему регистрации изменения плотности по глубине образца. Провести комплексные исследования динамических процессов б композиционных материалах.

6. Разработать абсорбционный гамма-метод контроля изменения плотности и компонентного состава композиционных материалов в условиях термического воздействия.

Научная новизна: Получено аналитическое выражение учитывающее динамическую погрешность для у-абсорбционного способа определения плотности композиционных материалов в условиях динамического контроля при интенсивных высокотемпературных воздействиях.

Теоретически обоснована и экспериментально апробирована методика определсши эффективного атомного номера по

отношению когерентно (рэлгевски) и некогерентно (комптоновски) рассеянных гамма-квантов.

Предложен для проведения совместных измерений на основе однолучепого у-метода и рэлеевского рассеяния мессбауэроиского

излучения (РРМИ) спектрометр мадоуглового. рэлесвского рассеяния для определения плотности р, эффективного атомного номера и связанных с ними физико-химических свойств веществ и материалов.

Создан автоматизированный мессбауэрсвский спекгрометрический комплекс со сцинтилляционным резонансным детектором. Предложенный спектрометр позволяет использовать уникальное энергетическое разрешение эффекта Мессбауэра (Ю-8 - Ю-9 эВ) при изучегеи,' физических процессов в конденсированных средах, не содержащих резонансных ядер.

Создана автоматизированная система регистрации изменения плотности по глубине образца. Проведены комплексные исследования динамических процессов в композиционных материалах.

Практическая значимость работы: Полученные в диссертационной работе результаты применены при разработке радиоизотопных приборов неразрушающего контроля плотности и состава композиционных материалов. Разработанная система регистрации изменения плотности по глубине образца внедрена в НИИ специального машиностроения и используется для идентификации поверхностной плотности композиционных материалов в условиях высокотемпературного воздействия.

1. Разработанная методика определения по отношению шпген-сивностсй когерентно и некогеренгао рассгяияш. у-квгигов эффективного атомного номера кемпозяцконкых магериялсв с пртп.генением полупдоБоднихсзод детекторов (П.ПД).

2. Результаты исследования динамических физических процессов в конденсированных средах, не содержащих резонансных ядер, полученные с применением метода рэлеевского рассеяния мессбауэров-ского излучения.

3. Разработанный абсорбционный гамма-метод контроля изменения плотности и компонентного состава композиционных материалов з условиях термического воздействия.

4. Разработанная и экспериментально проверенная система регистрации изменении плотности по глубине образца для динамического контроля поверхностной и объемной плотности композиционных мгггериалов при высокотемпературном воздействии.

Апробация работы и публикации: Материалы работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры ядерной физики Белорусского государственного университета и на двух конференциях. Основные результаты диссертации опубликованы в научных статьях.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 183 страницах машинописного текста; содержит 64 рисунка, 20 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии (118 наименований).

сформулирована цель работы, указаны научная новизна и практическая значимость, коротко рассмотрены иерадиациошше методы конгро-ля КМ, изложены краткое содержание работы и основные положения, выносимые на защиту.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

обоснована актуальность темы исследования,

Первая гл«1па яглггхя а основном обзорной. В первом параграфе рассмотрены ссс5е:жостп ззхшодёйсгшз Шйжсзиергстпчесхого излучения с веществом и сра^нкяаетал роль различных эффектов для энергии у-квантов Е, < 100 ХэВ. Получена зависимость эффективного атомного номера Ъ^ от 'интегрального есчения рассеяния для ксге-ренто и некогерентно рассеянны: у - :аазнтоБ я рассчитаны с помощью полученного аналитического вырзздавия интегральные сечения рзлеевски и комптоновски ргссеягашх у-квгнтоз для г*сно-

знергетического мессбауэровского источнике 11 ^Бп з геометрии узкого пучка. В втором параграфе приведены рспгстрздки

нкзкоэнергетического у-иэлучения в радиационные мстодал контреля, рассматривается вопрос разделения когерентно и нехогеренгао рес-сеянных у-квантов. Для разделения рэлеевски и комптсноисхи рассеянных фотонов целесообразно использовать детекторы с высохкн энергетическим разрешением (ППД) или с избирательной эффективностью к когерентно рассеянным у - квантам, какими являются резонансные детекторы. На основе анализа научно-технической литературы описаны радиационные методы контроля характеристик КМ, делается акцент на их применении для исследования характеристик.

Во второй главе подробно рассматриваются иерезонансние методы контроля материалов и изделий. В персом параграф? описы-

?

вастся одиолучевой гамма-метод (ОГМ) и различные геокетргот измерении. Делается вьшЦ'1 о том, что, обладая хорошей глубшшоегшэ и сравнительной простотой реакизашш, ОГМ позволяет контролировать изменение поверхностной плотности в направления прогрела

легких КМ, подвергающихся температурным воздействиям. Второй параграф посаидей ююголучепыи методам контроля и возможностью проведения анализа содержания компонентов и плотности КМ, с их помощью. В третьей параграфе рассматривается динамический гамма -метод плотаоспюго контроля КМ. Для у-абсорбционного способа определения плотности композиционных материалов получено аналитическое выражедас, учитывающее динамическую погрешность.. Под динамической погрешностью радиационного прибора понимают разность между его погрешностью в динамическом режиме и статической погрешностью, соответсвующей значению параметра в данный момент времени.

В четвергом параграфе описывается разработанная нами методика определения эффективного атомного номера по отношению интенсивностей когерентно и некогерентно рассеянных гамма-квантов. С применением данной методики определены различных

материалов.

Третья глава посвящена резонансным методам исследования композиционных материалов и изделий из них. В первом параграфе рассмотрены ядерный гамма-резонансный метод и применение методов регистрации рзлеевского рассеяния мессбауэровского излучения (РРМИ). Во втором параграфе описан методика разделения когерентно и кекогеренгао рассеянных у-киангов и применение резонансных детекторов, регистрирующих относительные изменения энергии гамма-квантоз, при доплеровской модуляции энергии ионизирующего излучений. Применение резонансных детекторов позволяет исследовать веществ, не содержащих мессбауэровские ядра.

Третий нарагрлф носзкщен рпзработгагко^у г.г.ш: спектрометру малоуглопого рассеяния с одновременной регистрацией хсгеретнсго (рэлеенского) и комптонопского взаимодействий, основанный на применении комбинированного резонансного сцкнгилляциошюго дстекторл. Спектрометр предлагается для проведен:" совместных измерений :м основе однолучсвого у-метода и РРМИ и определения плотности р, эффективного атомного номера и связшашх с ними физико-химических свойств.

В последнем пврлгрпфе описывается созданный нами автоматн-знро.чшпшй мессбауэропсхий спектрометр с резонансным детееторан для исследования конденсированных сред. Приведены результаты исследования фазового перехода первого рода в сисге?« лед-вода полученные с помощью дашгого спектрометра.

В четре;ггрй гла;*е приводшхгя описание разработанной автоматизированной установи! регистрации изменения плотности по глубине образца. В параграфе 4.1. описаны принцип действия, устройство . и структурная схема автоматизированной системы регистращш изменения плотности по глубине образца. Для образцов с известными значениями ц и Ь плотность (объемная) и поверхностная плотность контролируемого материала определяется по формуле:

■¿V

В §4.2 описан блок обработки радиометрической информации системы регистрации изменения плотности по глубине образца. Наличие в ней системы сгабнлизэшт непрерывного действия поггеляет

осуществлять мтюматаческую «лабшаюсцк» коэффициента пгрсдачи по реперу с одновременной коррекцией: средней энергии состошдя вспышек по излучению ргдаогхпшюго источника.

Автоматизированная систеш регистрации изменения плотности по глубине оорезф. внедрен® в НИИ специального машиностроения и используется для идентификации поверхностной плотности композиционных материалов в условиях высокотемпературного воздействия.

В последнем параграфе четвертой главы приведены результаты исследования характеристик композиционных материалов из стеклопластика, подвергавшихся высокотемпературному воздействию, как в сто-тичесхом режиме, так и в динамическом. Приведены графики измеренных значений ¡лрк для отожженных образцов КМ из стеклопластика.

С помощью применяемого нами даухлучевого гамма-метода определены массовые коэффициенты ослабления МКО материалов, подвергавшихся воздействию высокой температуры.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Ядерно-физические методы неразрушающего контроля, основанные на использовании эффектов взаимодействия низхознерге-тического у-излучения с веществом, позволяют расширить возможности исследования. свойств композиционных материалов на всех этапах их создания и производства.

2. Дяг разделения когерентно и нехогерешно рассеянных у-квантов в области малых углов и при низких энергиях ( Б < 100 КэВ ) падающих фотонов необходимо применение детекторов с энергетический разрешением не хуже К.= 5%. Разработана методика определения по отношению шленсивностей рзлеевски н кохпго-

тссзж: рг-лссяхшот у-квшгол, ряжпрпрэ^гк с помете» И1ТД (П--2.7 ХэЗ для Е-=?9.45 2«Агп) сто

нс5жгсркх хоялозяцксшагс катгрнаггсл г: гя>д-хга кз шсь

3. Применение метвдол ретсдеяде» рол.г?вс:;ого рхаеетазл ы» сбаузровехого паяучення (РРМИ) п чдарнсго гоеаг-

ляет определить структуру, юменегага г-.^^глшиого святого номгаа 24 сЕойсгаа ?.кТчр::алс«. Д".т рггкеграцнп РРМИ I гукни детиав^ае, Г'.кеяпцке энергетическое разрешение, не ~ 1С"5 зВ.

■I. Получено анзлиптчссксз вкрагаж-з, увктгахлдо ¿задеодта-«у» погрешность для у-г.5сс^дасйпото саосоСа Еапо-

сга компешпщошшх штергвгясз з успссяях давзыззеаздо кокгс-ег/-.: при шггеиспзных гксокотегшератякг« ваэдейсгзаах

5. На ослом одновременного испояьзэззшха одшюучгзеп»

тода (ОГМ) и метода регкетрацни рзсеевского рзажяяяа ммсбй«э-ровского излучения (РРМЙ) рззргботап спектрохстр гляауггзззлго рзлеегехого рассеяния для огтределеши плотпоста А зффяятсякно атомного номера и связанных а нимп фдаяко-хяшгезекпя сгвйси сеществ и материалов.

6. Создан автоматизированный кессбауэрозсзвсй спязродпряга* ский комплекс со ецшпялпящтшшым реэаюпеяош Положенный спектрометр позволяет зтепольмвэга указчике. а&дош» ческое разрешение эффекта Мсссбэуэрз (Ю-3 - 10-9 зВ) при иущцява физ^гсгскнх процессов в ксгдапскрошпшл средах, не содеренида резонансных ядер. Получена мессСпузровсхие спектрн мглоуглссогэ рэлсспского рассеяния для случая фазового перевдда гтервего рс^а (систем.» лсд-сода).

7. Разработана аэтшзшзщювдншиг ^сп^шгсшглмаз установка, иоезояязаздаа оперативно к эффективно обрабатывать радиометрическую ннфзрмащшэ при исследовании КМ в динамическом ргшмг.

6. № основе двух истодов рсгясгрещш с ислаяьгодаяием шз-коэгкргсжчсского у-нзлучкния от радаонуклидккх ксточюжоа ^'Аш и ззвРи, определены кассовые коэффициента ослабления два КМ с Z < 15. подвергавшихся высохотемпсразурксму Бездействию.

9. Создана экспериментальная установке с использованием ОГМ в проведены иссяедозання fiph различных образцов агожшешшх КМ как в статической режиме, так и в динамическое.

Основные положения диссертации достато-шо полно отрешены в опубликованных работах:

--Аншаков О.М., Чудаков ВА, Афанасскадис К.И., Гуриновнч В.Й., Змуипсо ЮЛ, Сели Х.К.,-Комбинированная реэонанезт система детектирования./ Ред. ж. Веста. БГУ, сер.1: Фнз.,мат., мех., - Минск, 1593, N3.

--Аншаков О.М., Афанасскедис К.Н., Фкхь ГА, Чудажоа ВА Сцштшшцнонный спсетроштр шлоуглового рздссвского рассеяния мсссбаузровсжого излучения. / Тез. докл. межд. научко - техн. конф. "Сцшшшшк^>ы-93", сенткбр, 1993, Харьков, Украйна.

—Аншаков О.М., Афанассиадис К.Н., Фшгь ГА, Чудаков В А Спектрометр малоуглового рэлссвского рассеяния. / Тез. доюишучио-

Подписало к печати "6 " июня Юмг. Форм:» «Оч VI/¡о . Объем 1 п.л. Тира» 100 экз. !*....:;л-Угк...

Отпечатано на ротапринте ЕГУ: Млнск. уд. ВоО;^-/шк::-:;^ ?.