автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка физических принципов и создание рентгеновских толщиномеров листового проката

"Г Б О А 1 ? ® 1337

Научно-исследовательский институт интроскопии

На правах рукописи

МАСЛОВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ

РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ И СОЗДАНИЕ РЕНТГЕНОВСКИХ ТОЛЩИНОМЕРОВ ЛИСТОВОГО ПРОКАТА

Специальность: 05.11.13 Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва -1997

Работа вьшолнена в Научно-исследовательском институте интроскопии. Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, Коннов Владимир

профессор Васильевич

Доктор технических наук Владимиров Лев

Владимирович

Доктор технических наук - Парнасов Вячеслав

Серафимович

Ведущая организация: АООТ "ЧЕРМЕТ-АВТОМАТИКА"

г. Москва

Защита сс/стоится " " 1997г. в /О часов на заседании

диссертационного совета Д109.01.01 при Научно-исследовательском институте интроскопии по адресу: 119048, Москва, ул. Усачева, 35 (НИИИН).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИИН. Автореферат разослан" // " ?°<тё/з<у<м1997г.

Ученый секретарь ¡У Л

диссертационного совета !/ В.Н.Филинов

д. т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы: Задача повышения качества выпускаемой продукции в настоящее время приобретает особое значение в общей, проблеме ускорения научно-технического прогресса. Решению этой задачи в немалой степени способствуют неразрушающие физические методы и средства контроля качества.

В производстве холоднокатанных лент и полос, наряду с возрастающей потребностью увеличения объемов производства, постоянно растут требования к расширению сортимента и повышению точности проката, непрерывно происходит совершенствование и создание новых реверсивных станов и станов непрерывной прокатки.

Важным звеном, обеспечивающим получение высокого качества, точности проката и экономии металла в процессе производства, являются измерители толщины, работающие совместно с прокатными станами. Толщиномеры предназначены для непрерывного автоматического измерения толщины лент и полос из различных металлов и сплавов в процессе холодной прокатки и отделки, а также непрерывной выдачи сигналов о величине толщины или ее отклонения от заданных размеров в

автоматизированную систему управления технологическими процессами прокатных станов.

Для контроля толщины листового проката в процессе производства в мировой практике используются следующие методы контроля: контактный, оптический, радиоволновый, электромагнитный, ультразвуковой, радиационный. Каждый из них обладает определенными преимуществами и недостатками и предназначен для контроля толщины в определенных интервалах и условиях измерений.

Анализ различных методов контроля толщины холоднокатанного листа показал, что наиболее универсальным и перспективным является рентгеновский.

Особенностью рентгеновского метода измерения является измерение эффективного коэффициента ослабления при постоянном ускоряющем напряжении в зависимости от толщины, что связано с немоноэнергетическим спектром излучения. Поэтому предъявляются высокие требования к стабильности ускоряющего напряжения и тока рентгеновской трубки, определяющих стабильность первоначального потока излучения, а также к стабильности параметров детектора.

Наибольшее распространение получили две схемы построения рентгеновских толщиномеров:

1) измерение толщины по остаточной интенсивности потока излучения после прохождения его через контролируемый объект (прямой метод); 2) сравнение интенсивности двух потоков излучения и получение сигнала отклонения толщины, пропорционального по разности или отношению потоков одного, прошедшего через контролируемый объект, другого -прошедшего через эталон толщины.

В качестве детекторов излучения в толщиномерах, построенных по прямому методу, применяются ионизационные камеры. Преобразование энергии фотонов происходит не бесконечно быстро, поэтому сигналы на зыходе камеры имеют конечную длительность, что приводит к «обходимости введения поправок, которые зависят от временных сарактерисгик детектора, а также учитыванию длительности образования шектрического сигнала и временной характеристики аппаратуры, >егистрирующий этот сигнал.

В качестве детекторов рентгеновского излучения в толщиномерах, юстроенных по схеме сравнения, применяют сцинтилляпионные счетчики. I таких детекторах одной из наиболее сложных задач является обеспечение юстоянства коэффициентов преобразования. Это объясняется гестабильностью ФЭУ, основными причинами которой являются:

изменение распределения напряжения на динодах; изменение температуры окружающей среды; динамическое утомление, старение.

В настоящее время остро встает вопрос о повышении быстродействия толщиномеров. Его чаще всего связывают с повышением ускоряющего напряжения. Действительно, с увеличением интенсивности потока излучения увеличивается число квантов прошедшего излучения, что в свою очередь приводит к увеличению быстродействия. Уменьшение статистической ошибки также происходит с возрастанием ускоряющего напряжения.

Однако, все отечественные рентгеновские толщиномеры построены по методу сравнения двух потоков излучения и используют в качестве детектора сцинтилляционный счетчик, возможности которою в настоящее время исчерпаны.

Целью работы является разработка на основании комплексных исследований по выбору ряда рентгеновских толщиномеров и физических принципов их построения, расширением номенклатуры материалов и изделий, расширением диапазона энергий рентгеновского излучения для целей контроля в сторону низких энергий, менее 50 кэВ, органическим сочетанием условий выбора применения рентгеновских толщиномеров с физико-техническими параметрами контролируемых изделий, разработка

{етодов их метрологической поверки для широкого использования в 1ромышленности.

Задачи исследований:

научно-методически обосновать выбор ряда рентгеновских олщиномеров для специфических условий металлургического 1роизводства;

- провести теоретический анализ систематических погрешностей с гспользованием аналогового способа линеаризации передаточной функции гервичного сцинтилляционного блока детектирования;

- исследовать влияние систематических погрешностей в толщиномерах с грименением автоматических рентгеновских детекторов, учитывающие:

- инерционность системы рентгеновский моноблок-детектор;

- темновые токи детектора и токи утечек первичного преобразователя >ентгеновского излучения.

- исследовать методы спектрального согласования чувствительности гентгеновского детектора с соответствующими характеристиками »трестируемого материала;

- разработать принципы построения рентгеновских толщиномеров, юпользующих в качестве детектора рентгеновского излучения юнизационные камеры;

- разработать методику метрологической поверки вновь создаваемы) рентгеновских толщиномеров;

- осуществить внедрение рентгеновских методов и средств для решенш важных народно- хозяйственных задач контроля толщины I листопрокатном производстве.

Научная новизна работы заключается в том, что развито новое научно« направление в рентгеновской толщинометрии, позволяющее существенно повысить быстродействие толщиномеров, уменьшить влияние систематической погрешности измерения, значительно упростить конструкции толщиномеров за счет использования прямого метода измерения, сущность которого заключается в использовании в качестве детектора рентгеновского излучения ионизационной камеры.

При разработке указанного направления впервые получены следующие научные результаты:

1. На основе предложенных автором аналитических выражений для описания способа линеаризации передаточной функции сцинтилляционного блока детектирования, сущность которого заключается в том, чтобы скомпенсировать нелинейность ослабления рентгеновского излучения за счет нелинейной зависимости тока ФЭУ от напряжения его питания, получены формулы расчета для определения толщины полосы. Показано,

что каждому значению толщины контролируемого проката соответствует определенное значение напряжения ФЭУ.

2. Теоретические и экспериментальные исследования представленной модели формирования рентгеновского излучения в условиях широкого пучка излучения позволило:

- получить обобщенные выражения для определения формирования отклика первичного сцинтилляционного преобразователя;

- предложить методы расчета оптимальных значений для низко- и высокочастотных изменениях толщины, а также спектральной плотности разнотогацинности;

- разработать методики расчета оптимальных значений структурных погрешностей за счет учета и компенсирования погрешностей от ускоряющего напряжения.

3. Теоретический и экспериментальный анализ выбора схем построения рентгеновских толщиномеров показал, что для правильного выбора необходимо иметь априорную информацию о параметрах контролируемого объекта и параметрах рентгеновского толщиномера, что позволило:

- провести анализ различных методов спектрального согласования чувствительности, осуществляемые за счет выбора или проектирования детекторов;

- разработать методику проектирования гетерогенных ионизационных камер.

4. Экспериментальные исследования влияния материала, толщины стенки и межэлектродного расстояния на суммарный ток камеры, обусловленный ионизацией ее воздушного промежутка фотоэлектронами и электронами Оже, что позволило:

- получить расчеты зависимости относительной чувствительности;

- показать, что эффективность собирания заряда в ионизационной камере определяется только подвижностью положительных ионов благородных газов;

- разработать ионизационную камеру с заполнением измерительного объема ксеноном и висмутовыми электродами.

5. Разработаны принципы построения рентгеновских толщиномеров, использующие в качестве детектора рентгеновского излучения ионизационные камеры.

6. Разработаны принципы и методики метрологической поверки рентгеновских толщиномеров.

Новизна подтверждается 15 авторскими свидетельствами.

Апробация работы. Использование способа линеаризации передаточной функции сцинтилляционного блока детектирования в рентгеновском толщиномере позволило проводить обработку сигнала в значительном диапазоне контролируемых толщин, сократить количество операций перенастройки (нормализации), что особенно важно, т.к. позволяет проводить ее прямо в процессе прокатки, не останавливая всего технологического цикла, существенно снизить суммарную погрешность измерения за счет отказа в схеме толщиномера электромеханических следящих систем. Разработан рентгеновский толщиномер, использующий в качестве детектора рентгеновского излучения ионизационную камеру, что позволило существенно повысить точность измеренного проката, повысить эыстродействие и значительно упростить конструкцию рентгеновского толщиномера.

На основе предложенных методов разработано 3 типа рентгеновских толщиномеров: РИТМ-1, РИТ-4 и РИТ-7, которые внедрены на ММК, £ЗОЦМ.

Основные результаты работы отражены в 35 публикациях, в том числе >дной монографии, двух брошюрах, 8 статьях и 14 описаниях изобретений.

Отдельные результаты докладывались на Всесоюзных, Российских и праслевых конференциях.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении дано обоснование темы диссертации, сформулирована цель исследований, определена научная новизна и практическая ценность работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящается анализу современного уровня развития технологии и оборудования листопрокатного производства, рассмотрены и проанализированы требования как к точности холодного проката, так и к средствам контроля толщины полосы. Рассмотрены и дана классификация основных методов контроля, к которым относятся:

1. контактный;

2. оптический;

3. радиоволновый;

4. электромагнитный;

5. ультразвуковой;

6. радиационный.

Совместное рассмотрение технологий прокатного производства, требуемых точностей, возможностей различных методов толщинометрии и дестабилизирующих факторов прокатного производства показало, что наиболее универсальным и эффективным методом является рентгеновский.

Особое внимание уделяется особенностям рентгеновского метода контроля толщины и анализу работ рентгеновских толщиномеров в листопрокатном производстве. Показано, что существующие методы и средства Контроля не обеспечивают требуемой точности, имеют малое быстродействие, сложную и громоздкую конструкцию.

Проведенный анализ работ, в которых исследуются методы оценки качества рентгеновской толщинометрии и рассматриваются различные критерии оптимизации физико-технических условий, показал, что в настоящее время не существует теоретической и экспериментальной базы для создания рентгеновских толщиномеров на основе ионизационной камеры. Разработка и создание такого толщиномера позволила бы существенно повысить точность измеряемого проката, повысить быстродействие и значительно упростить конструкцию рентгеновского толщиномера.

На основе анализа современного состояния вопроса сформулированы задачи исследований, проведенных в настоящей диссертации.

Вторая глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям по выбору оптимальных значений параметров в рентгеновской толщинометрии. Так как строгое теоретическое решение этой задачи на данном этапе развития науки не представляется возможным, в работе использованы упрощенные методы расчета основных параметров в рентгеновской толщинометрии.

1. В любом толщиномере по измеренным величинам / и /о и известным ц вычисляется толщина х. Величина Ц либо измеряется заранее, либо одновременно с I и /о. Поскольку Ц является функцией толщины, напряжения на рентгеновской трубке Е и химического состава измеряемого материала 2% то для измерения х во всех системах рентгеновских толщиномеров применяются эталоны.

/о

или

1пт* = ^э -Хэ+Мэ-Д* + 4и-хэ + Д//.Дг

(1)

(2)

Преобразуя это выражение получим

Дхг

ЛпЩ^

I V Цэ)

-1

(3)

1

х

Учитывая, что = — 1п—, где /э - интенсивность излучения, ХЭ Iэ

прошедшего через эталон, разлагается в рад последний член и после • соответствующих подстановок путем введения характеристик детектора, получим выражение

Ах х*

к0-Ц ка-и,

Рэ

-1

(4)

где:

и0 = к0.1о,иэ = кэ-1э-,и = к-1;

где: I]о - показание детектора при интенсивности источника излучения в отсутствии контролируемой полосы;

иэ - показание детектора при изменении эталона; II - показания детектора при изменении полосы; ко, кэ, к - коэффициенты передачи электрического тракта.

Таким образом может быть измерено относительное отклонение

измеряемой толщины от эталонной.

Проанализируем это соотношение применительно к различным схемам построения толщиномеров.

а) прямое измерение (прямой метод)

Величины 1,1 о,1 э не могут быть измерены одновременно. Поэтому требуется либо жесткая стабилизация источника излучения, либо непрерывный контроль тока рентгеновской трубки и напряжения на ней и внесения соответствующих поправок в измерения.

б) косвенное измерение (метод сравнения)

В таком толщиномере снимается влияние нестабильности тока рентгеновской трубки и частично напряжения на ней.

Наиболее полную картину имеем в настоящее время для двухлучевых схем (метод сравнения). Исследование схем прямого измерения (однолучевых) в нашей стране проводились в меньшем объеме в силу того, что такие толщиномеры базируются на применении в качестве детекторов излучения ионизационной камеры. В нашей стране такие камеры не выпускаются.

2. Основными характеристиками рентгеновских толщиномеров листового проката являются быстродействие и погрешность измерения.

Быстродействие характеризует реакцию толщиномеров на изменение параметра во времени. Оно определяется значением времени, в течении которого выходная величина достигает 63% нового установившегося значения после ступенчатого изменения толщины измеряемого листа. Эта величина обычно принимается эквивалентной постоянной времени толщиномера, т.к. толщиномер эквивалентен интегральному звену выше 1-го порядка. На рис. 1. приведены зависимости величины минимальной погрешности от толщины контролируемой полосы.

3. Проведенные исследования показали, какой вклад вносят в нелинейность выходного сигнала сцинтилляционного преобразователя фактор накопления В и протяженность спектра тормозного рентгеновского

излучения. В рентгеновской толщинометрии, как правило имеют дело с широким пучком излучения. Закон ослабления моноэнергетического излучения записывается в виде

1 = -в

(5)

А

3

1 / / /

Г" ->

60 70 ао 90 100 Цусс,кВ

Рис. 1. Характер изменения суммарной погрешности ст в зависимости от ускоряющего напряжения UycK.

1 - толщина полосы 0,5 мм;

2 - толщина полосы 1,0 мм;

3 - толщина полосы 3,0 мм.

Не существует строгого аналитического универсального выражения для фактора накопления. Вместе с тем, получены полуэмпирические выражения, которые с разной степенью точности работают в соответствующих диапазонах энергий и толщин поглотителя. Наиболее удобной, которая дает меньшую погрешность аппроксимации экспериментальных данных, является формула Бергера. Исходя из теоретических выкладок, приведенных в главе, следует, что фактор накопления для различных толщин:

- имеет неодинаковый вклад;

- возрастает с увеличением толщины поглотителя;

- убывает с увеличением атомного номера поглотителя.

Вторым фактором, определяющим сложный вид функции в отличии от экспоненциальной, является протяженность спектра тормозного рентгеновского излучения, который может быть рассчитан. Однако на практике всегда имеют место различные поглотители на пути пучка рентгеновского излучения, и даже в самой мишени анода имеется определенное влияние, которое расчетным путем получить невозможно. Поэтому энергетический спектр тормозного рентгеновского излучения, как правило, или неизвестен, или определяется экспериментальным путем. Ясно только, что преимущество в любых условиях тормозного рентгеновского излучения - это применение фильтрованного рентгеновского излучения, которое имеет более узкое спеюграчьное распределение. Реальные спектры, в которых работают рентгеновские толщиномеры, показаны на рис. 2, Из рассмотренных реальных спектров в наших условиях видно, что спектр такой узкий, что можно для прикладных целей воспользоваться эффективной энергией (рис. 3.).

Рис. 2. Реальные спектры тормозного рентгеновского излучения в толщиномерах.

Рис. 3. Эффективная энергия тормозного рентгеновского излучения на различной толщине сплавов на основе алюминия в геометрии "широкого" пучка:

1-50; 2-100; 3-150 кВ; - - расчет;

»° ° - экспериментальные данные.

4. Критерий выбора построения схем рентгеновских толщиномеров сводится к обеспечению минимальной величины случайной составляющей погрешности, возникающей от всех дестабилизирующих факторов при контроле конкретной толщины.

Суммарная случайная составляющая погрешности в структурной схеме толщиномера, построенного по схеме "два источника излучения - один детектор", определяется как:

где: су - погрешность от нестабильности ускоряющегося напряжения;

От - погрешность от нестабильности тока рентгеновской трубки;

О/, - погрешность от нестабильности параметров генератора. Зная присущие каждому отдельному блоку классической схемы случайные погрешности, можно определить для каждой двухлучевой схемы распределение суммарной погрешности в функции толщины предложен следующий критерий выбора схемы:

Если о > оа, где (Та - аппаратурная погрешность, то целесообразно применить схему с одним источником излучения и двумя детекторами, а если а <<га, то - с двумя источниками излучения и одним детектором.

(6)

Глава 3 посвяИена исследованиям и разработке детекторов излучения (ионизационным камерам) рентгеновских толщиномеров.

1. Ионизационные камеры, предназначенные для использования в качестве детекторов рентгеновских толщиномеров, отличаются от камер, используемых в рентгенодиагностических устройствах (дозиметрии, рентгеноскопии и т.д.). Основное их отличие в том, что характеристики спектральных чувствительностей этих камер должны соответствовать аналогичным характеристикам экспонируемых материалов, и они должны удовлетворять условиям Брегга-Грея:

а) интенсивность регистрируемого излучения должна быть одинакова по всему объему ионизационной камеры;

б) линейные размеры газовой полости должны быть много меньше длины пробега электронов, движущихся от стенки камеры;

в) толщины стенок камеры не должны быть меньше максимального пробега, электронов, образованных как в самой камере, так и в окружающей среде.

При разработке ионизационных камер для рентгеновской толщинометрии выполнить данные условия практически невозможно, т.к.:

- интенсивность регистрируемого излучения существенно изменяется по объему камеры, потому что она располагается за объектом, контроля, плотность, толщина и эффективный атомный номер которого могут существенно изменяться;

- обеспечить второе условие для энергий, применяемых в толщинометрии, практически невозможно из-за технологических трудностей в изготовлении камер с газовым промежутком, не влияющим на спектральное распределение электронов при энергиях (10...200 кэВ);

- последнее условие, требующее обеспечение равновесной стенки, также не является обязательным. Толщина и материал стенок этих камер должны выбираться не из условий определенной поглощенной энергии, а из требования 4 обеспечения заданного спектрального распределения чувствительности.

Для камер, удовлетворяющих условию Брегга-Грея, характер изменения спектральной чувствительности в значительной мере определяется поглощением излучения

= а-

Укг 1"1-ехр(-^-Дг)

ехр[-//2(А-Лг)]

(7)

РкЬ Иг

где:

1 - ехр(-^ Л2)

- поглощение в эффективной стенке камеры,

которая определяет толщину равновесной стенки, равной длине пробега электрона Ягш,

перед ее эффективным слоем.

Оба указанных члена в значительной степени влияют на энергетическую чувствительность ионизационных камер, особенно в диапазоне энергий ниже 300 хэВ, т.е. рассматриваемой нами области энергий.

2. При создании гетерогенных камер для рентгеновской толщинометрии преследовались две цели:

- существенно повысить чувствительность ионизационных камер при сохранении их габаритных размеров;

- обеспечить внутреннее, за счет параметров камеры, спектральное согласование чувствительности, не изменяя ее алюминиевого эквивалента ослабления.

Данное требование выполняется при изготовлении электродов камеры из свинца, висмута, золота и ряда других высокоатомных металлов. Толщина слоя напыления указанных металлов и требования к межэлектродному зазору выбирались исходя из требуемой спектральной чувствительности с

- поглощение в толщине стенки, расположенной

учетом длины экстраполированного пробега электронов в материале электродов и в воздухе, заполняющем измерительный объем камеры. "Ход с жесткостью" рассчитывался по выражению:

[-) (8)

где: С - постоянный коэффициент; Р - плотность воздуха, г/см3;

V - воздушный объем камеры;

- массовый'Коэффициснт передачи энергии материалу стенки

камеры;

- массовый коэффициент передачи энергии воздуху;

Езф. - эффективная энергия рентгеновского излучения; Еш - энергия возбуждения уровня о) вещества стенки; йс ПфЛ - равновесная толщина стенки для фотоэлектронов с энергией (Е'ф-Е^) в г/см'2;

^с а» " равновесная толщина стенки для электронов Оже, в г/см'2; - геометрический фактор дня фотоэлектронов, движущихся

из стенки в воздушный промежуток;

-26» *

Р ,Р - коэффициенты обратного расшатывания энергии фотоэлектронов и электронов Оже от противоположной стенки камеры.

Данные расчета и эксперимента приведены на рис. 4., а на рис. 5. -приведена характеристика чувствительности камеры с электродами из висмута.

ПЛОТНОСТЬ ОГИ.СД. 1,2

1,0

0,8 0,6 0,4

0.2

0 20 30 40 50 60 70 80 В'кэВ

Рис. 4. Расчетные кривые "хода с жесткостью" ионизационной камеры со свинцовой стенкой и воздушным зазором 10 мм:

1 - для Оже электронов;

2 - для фотоэлемронов;

3 - суммарный "ход с жесткостью". Пунктирная кривая - экспериментальная зависимость.

з

/ / / г / — —. / ' А 2

// // // ]> /' /' /

/1 / /* /

Рис 5. Экспериментальные характеристики спектральной чувствительности в зависимости от напряжения между электродами камеры при Р=0,б Р/мин.

3. Учитывая, что гетерогенные камеры с воздушным заполнением измерительного объема практически не нашли применения в рентгеновской толщинометрии из-за недостаточной чувствительности и больших габаритов, были предприняты попытки дальнейшего уменьшения влияния камер на величину отношения сигнал-шум.

Для выполнения условий спектрального согласования чувствительности (8) в качестве материалов стенок камеры использовался сплав олово-свинец, а в качестве газа, заполняющий объем камеры, использовалась смесь ксенона и аргона в следующих весовых отношениях: 90/10; 95/5; 85/15.

При этом отклонения в отношениях коэффициентов электронного преобразователя энергии газовых смесей не превышало 15% в диапазоне энергий от 20 до 80 кэВ.

При проектировании и испытаниях ионизационных камер с использованием смеси аргона и ксенона, а также камер заполненных только ксеноном, мы встретились с рядом затруднений. Первое из них заключалось в том, что рассчитанные с использованием выражения Боуга напряжения собирания ионов в камере не обеспечивали заданной эффективности собирания, что приводило к недоразумениям при снятии характеристик "хода с жесткостью" камер, т.е. выходило, что спектральная чувствительность является функцией напряжения на электродах камеры.

Связь между напряжением, прикладываемым к электродам камеры и числом собранных и рекомбинированных ионизированных частиц представляется в виде:

Из полученного выражения ясно, что полное собирание ионизированных гастиц в камере невозможно, т.к. при Дл = 0, что соответствует 10% эффективности собирания, и = оо, что приводит к пробою камеры.

Учитывая, что для практических расчетов напряжений, требуемых для получения заданной эффективности регистрации в ионизационных камерах, яет необходимости отдельно определять коэффициенты С1 и С], выражение ;9) запишется в виде:

/- ионизационный ток камеры в А при 100% эффективности собирания юнизированных частиц в ее измерительном объеме; с - заряд электрона;

5- площадь собирающего электрода (см2); й- расстояние между электродами.

На рис.6 и рис.7 представлены соответственно расчетные и жспериментальные значения В АХ и значения ионизированного тока в явисимости от напряжения.

(Ю)

мо'а

\ л

1!

- —

Ш)

/у // //

ш

1 1

011) 400 ! _2_

/ ГУ /

ли // II j

я» 1000 ш цв

Рис. 6. Экспериментальные и расчетные вольт-амперные характеристики ионизационной камеры с ксеноновым наполнением.

..............экспериментальные

-расчетные

К»>

/ \ !

/ / V \ I

/ \ 1

1 \ * 1

1 1 \ и 1 1 >

/ 1 V у-

1 1 / 1 • 1 ■ 1

1 /

1/ |/ 1

II

Г* / л \ \ \

1 1

к

№ V

1 /V1

.

( * I • II • •

Рис. 7. Изменение формы кривой ионизационного тока в зависимости от напряжения на ионизационной камере.

Глава 4 посвящена исследованию и разработке аналогового способа тинеаризации передаточной функции блока детектирования и созданию рентгеновского толщиномера на его основе.

1. Предлагаемый способ заключается в том, чтобы скомпенсировать «линейность ослабления рентгеновского излучения за счет нелинейной зависимости тока ФЭУ от напряжения его питания.

Принцип действия этого способа удобно проиллюстрировать на примере 'зкого пучка монохроматического излучения. Рассмотрим систему сцинтилляционный кристалл - ФЭУ" (выделена пунктиром на рис. 8).

Рис. 8. Структурная схема блока детектирования рентгеновского толщиномера.

1 - рабочий источник рентгеновского излучения;

2 - компенсирующий источник;

3 - сцинтилляционный кристалл;

4 - ФЭУ;

5 - резистивный делитель напряжения питания динодов; ■

6 - усилитель;

7 - блок питания ФЭУ;

8 - мгновенный регулятор тока делителя ФЭУ;

9 - делитель напряжения.

Коэффициент усиления ФЭУ с хорошим приближением записывается:

Н = — = в-еаи° (11)

'о

где: ¡о - ток анода ФЭУ;

/о - ток фотокатода ФЭУ; в - безразмерный коэффициент, характеризующийэффективность собирания электронов динодами при равномерном распределении напряжения на делителе

а = (12)

и

где: сг и (/- значение коэффициента вторичной эмиссии и разности

потенциалов между динодами соответственно,

ио - напряжение, приложенное к п-каскадам ФЭУ.

Ток фотокатода /0 при воздействии излучения есть:

''о^о-^-Л (13)

где: |/0 • | - интенсивность рентгеновского излучения, попадающего на детектор в присутствии контролируемого объекта;

1о

интенсивность рентгеновского излучения, попадающего

на детектор в отсутствии контролируемого объекта;

А - коэффициент преобразования интенсивности

рентгеновс- кого излучения в ток фотокатода.

Т.е. ВАХ (вольт-амперная характеристика) ФЭУ точно соответствует

закону ослабления для моноэнергетического излучения и иными словами

говоря, суть нашего представления заключается в том, чтобы подобрать

коэффициент А, который был бы равен В и показатели экспонент равнялись

между собой. Теоретически получить такую- зависимость практически

невозможно, а экспериментальным путем это реально получается. Заменяя 10 получаем выражение II0, как функция от х:

Это выражение показывает линейную зависимость между напряжением ФЭУ ио и толщиной х при условии постоянства члена

В этом выражении в и /о являются величинами постоянными по определению, величину А можно также принять постоянной, а величина

а,и0 = 1п--— + и-х

0 в-10-А

(14)

(15)

в принципе, изменяется с изменением на Ах. Таким образом, условие постоянства всего выражения сводится к необходимости выполнения условия /,= const.

Последнее условие можно реализовать путем специального включения ФЭУ в режиме глубокой отрицательной обратной связи по току.

На рис. 9, 10 приведены результаты соответствующих экспериментов, а на рис.11, зависимость относительной среднеквадратичной погрешности рентгеновского толщиномера.

Рис. 9. Зависимость толщины х от Uo.

1а,мкА

д отпел

/

Рис. 11. Зависимость относительной среднеквадратичной погрешности измерения о от толщины контролируемой полосы х и напряжения и.

Глава 5 посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям разработанных ионизационных камер в составе рентгеновского толщиномера.

Ионизационная камера, как детектор излучения уже используется щительное время. Однако, в качестве детекторов рентгеновского излучения з толщиномерах, ионизационная камера применяется только в толщиномерах фирмы "Toshiba" (Япония) из-за "Ноу-хау" фирмы производителя и применения самой современной вычислительной техники хля обработки выходного сигнала.

1. Показано, что относительная потеря насыщения за счет рекомбинации может быть выражена:

где: 8 - коэффициент рекомбинации; £

IV* = (х + — - скорость дрейфа положительных ионов; £

Ж = /л — — - скорость дрейфа отрицательных ионов;

ц - подвижность ионов; Р - давление газа в камере;

(16)

¿1 - расстояние между электродами;

Но - количество пар ионов, образующихся в единице объема камеры в единицу времени.

Отсюда следует, что для уменьшения влияния рекомбинации следует увеличить Е и тем больше, чем больше интенсивность регистрирующего потока излучения.

2. Было показано, что в процессе ионизации могут участвовать фотоны, поглощенные в тонком слое. Можно сказать, что для стенок из алюминия в слое толщиной 20 мкм поглощается всего 0,15%' падающего потока. В то же время в ксеноне при столбе газа 10 см и давлении 1 атм. поглощается 35,8%. Таким образом, основная ионизация газа происходит за счет поглощения фотонов в самом газе. Вывод уравнения для случая скачкообразного включения ионизирующего потока излучения:

(17)

• t-

\

г

(18)

где: /+ - ток положительных ионов; - ток отрицательных ионов; W - скорости дрейфа положительных и отрицательных ионов;

d- расстояние между электродами; е - заряд электрона;

N- количество пар ионов, образующихся в объеме камеры в единицу времени t.

На рис. 12, 13, 14 приведены соответствующие экспериментальные результаты.

И^М[ГП Uibok-IIIBNOIB)

----т ->

О 0111 аз 0LU «О 0.75 АО

Рис. 12. Кривая ослабления при 40 кВ лавсановой ИК.

Рис. 13. Кривая ослабления при 40 кВ стеклянной ИК.

Рис. 14 Зависимость ивыс. от толщины образцов х лавсановой (кривая 1) и стеклянной (кривая 2) камер при исигн.=со1Ш.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Проведенный анализ развития методов и средств контроля толщины листового проката показал, что за последнее десятилетие в этой области достигнуты значительные успехи:

- разработаны и внедрены в металлургическую промышленность новые типы рентгеновских толщиномеров серий ИТГ, ИХХ с суммарной погрешностью измерения 0,5% от диапазона контролируемых толщин;

- разработаны новые типы рентгеновских моноблоков на 100 кэВ;

- разработаны и внедрены аналоговый способ линеаризации передаточной функции сцинтилляционного блока детектирования, позволяющий значительно упростить схему блока обработки сигналов и исключить время перенастройки рентгеновского толщиномера;

- впервые в России и СНГ разработан и внедрен принципиально новый рентгеновский толщиномер серии РИТ с суммарной погрешностью измерения 0,2% от верхнего поддиапазона измеряемых толщин и исключающий из своей конструкции электромеханические следящие системы.

Проведенный анализ работ, в которых исследуются методы оценки качества рентгеновской толщинометрии и рассматриваются различные

критсрии оптимизации физико-технических условий показал, что в настоящее время не существует теоретической и экспериментальной базы для создания рентгеновских толщиномеров на основе ионизационной камеры. Разработка и создание такого толщиномера позволила бы существенно улучшить точность измеряемого проката, повысить быстродействие и значительно упростить конструкцию рентгеновского толщиномера.

1. В результате теоретического и экспериментального рассмотрения представленной модели формирования рентгеновского излучения в условиях широкого пучка получены обобщенные выражения определяющие формирование отклика первичного сцинтилляционного преобразователя, введенные параметры, определяющие фактор накопления по числу квантов, а также интегральных коэффициентов ослабления тормозного рентгеновского излучения.

2. Рассмотрены требования к факторам, влияющим на быстродействие рентгеновских толщиномеров, работающих в системах автоматического управления. Полученные выражения могут использоваться как в условиях прокатного производства, так и для расчета при проектировании новых моделей рентгеновских толщиномеров.

3. Разработана методика расчета оптимальных значений для низко- и зысокочастотных изменениях толщины, а также спектральной плотности тродольной разнотолщинности и методика расчета оптимальных значений гтруктурных погрешностей рентгеновских толщиномеров для двух- и эднолучевых схем.

4. Проведен анализ различных методов спектрального согласования тувствительности, осуществляемых за счет выборе или проектирования хетекторов.

5. Разработана методика проектирования гетерогенных ионизационных еамер. Рассмотрено влияние материала, толщины стенки и иежэлектродного расстояния на суммарный ток камеры, обусловленный тойизацией ее воздушного промежутка фотоэлектронами и электронами Эже. Полученные расчеты и экспериментальные зависимости этносительной чувствительности гетерогенных камер позволили разработать камеру с висмутовыми электродами.

6. Проведены теоретические и экспериментальные исследования гомогенных плоско-параллельных камер с заполнением измерительного объема ксеноном. Показано, что эффективность собирания заряда в юнизационной камере определяется только подвижностью положительных тонов благородных газов.

7. Разработана технология изготовления кееноновых ионизационных камер и предложена ее конструкция.

8. Разработан рентгеновский измеритель толщины проката на основе ионизационной камеры с повышенным быстродействием и улучшенными метрологическими характеристиками.

9. Разработана методика метрологической поверки разработанного рентгеновского толщиномера.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. A.c. 1421999 (СССР) Рентгеновский измеритель толщины проката/ Е.А.Гусев, И.В.Егоров, АИ.Маслов и др. Опубл. в Б.И. 1988, N6.

2. A.c. 1458704 (СССР) Рентгеновский измеритель толщины/ Е.А.Гусев, И.В.Егоров, А.И.Маслов, ВАСоколов. Опубл. в Б.И. 1989, N6.

3. A.c. 1469350 (СССР) Рентгеновский измеритель толщины проката/ Е.А.Гусев, И.В.Егоров, А.И.Маслов, ВАСоколов. Опубл. в Б.И. 1989, N6.

4. A.c. 1516780 (СССР) Рентгеновский измеритель толщины проката/ ЕАГусев, И.В.Егоров, А.И.Маслов, ВАСоколов. Опубл. в Б.И. 1989, N39.

5. A.c. 1520331 (СССР) Принципиальный клин задания для рентгеновского толщиномера/ ЕАГусев, И.В.Егоров, АИ.Маслов, ВАСоколов. Опубл. в Б.И. 1989, N41 ■

6. A.c. 1534307 (СССР) Рентгеновский измеритель толщины проката/ ЕАГусев, И.В.Егоров, АИ.Маслов, В.АСоколов. Опубл. в Б.И. 1990, N1.

7. A.c. 1536201 (СССР) Рентгеновский измеритель толщины проката/ ЕАГусев, И.В.Егоров, А.И.Маслов, ВАСоколов. Опубл. в Б.И. 1990, N2.

8. A.c. 1589756 (СССР) Электрорадиографический дефектоскоп/ АИ.Маслов. Опубл. в Б.И. 1990, N31.

9. A.c. 1605141 (СССР) Рентгеновский измеритель толщины проката/ Е.А.Гусев, И.В.Егоров, А.И.Маслов, В.А.Соколов. Опубл. в Б.И. 1990, N41.

10. A.c. 1606451 (СССР) Рентгеновский измеритель толщины проката/ ЕАГусев, И.В.Егоров, А.И.Маслов, В.А.Соколов, В.Г.Фирстов. Опубл. е Б.И. 1990, N42.

11. A.c. 1610264 (СССР) Рентгеновский измеритель толщины проката/ Е.А.Гусев, И.В.Егоров, А.И.Маслов, В.А.Соколов, И.Ф.Григорьев. Опубл. в Б.И. 1990, N44.

12. A.c. 1613854 (СССР) Рентгеновский измеритель толщины проката/ Е.А.Гусев, И.В.Егоров, А.И.Маслов, В.А.Соколов, И.Ф.Григорьев. Опубл. i Б.И. 1990, N46.

13. A.c. 1645814 (СССР) Рентгеновский измеритель толщины проката/ Е.А.Гусев, И.В.Егоров, А.И.Маслов, В.А.Соколов, И.Ф.Григорьев. Опубл. i Б.И. 1991, N16.

14. Патент 1728656 (Россия) Рентгеновский измеритель толщинь проката/ Е.А.Гусев, И.В.Егоров, А.И.Маслов, В.А.Соколов. Опубл. в Б.И 1992, N15.

15. Гусев Е.А., Егоров И.В., Маслов А.И. и др. Рентгеновски толщиномеры холодного и горячего проката непрерывных станов. - М ЦНИИТЭИ приборостроения ТС-7, 1986, - 42 с.

16. Гусев Е.А., Егоров И.В., Маслов А.И. и др. Достижения и ерспективы развития рентгеновской толшинометрии. - М. ЦНИИТЭИ риборостроения ТС-7, 1989, - 44 с.

17. Гусев Е.А., Егоров И.В., Маслов А.И. и др. Унифицированный табилизатор переменного тока для питания рентгено-раяиометрических стройств. - ПТЭ, 1989, N5, - с. 104.

18. Гусев Е.А., Егоров И.В., Маслов А.И., Соколов В.А. Рентгеновская олщинометрия. - Приборы и системы управления, 1989, N5. - 35 с.

19. Гусев Е.А., Маслов А.И. Рентгеновская толщинометрия. 'ентгенотехника, 2 изд. М.: Машиностроение, 1992, с. 313-327.

20. Маслов А.И., Портнов Л.А., Сельченков В.Г., Фирстов В.Г. Рентгеновский измеритель толщины. - Технические средства диагностики, .987, N2, с. 47-49.

21. Петушков A.A., Гусев Е.А., М'аслов А.И. и др. Аналоговый способ шнеаризации передаточной функции в рентгеновском измерителе толщины проката. - Дефектоскопия, 1989, N9, с.44-51.

22. Фирстов В.Г., Маслов А.И., Егоров И.В., Соколов В.А. Состояние и перспективы развития рентгеновской толшинометрии листового проката.

- Дефектоскопия, 1987, N12, с. 45-51.