автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Трансмиссионные гамма-методы реадиоизотопного контроля с резонансным детектированием

белорусский государственный университет

На правах рукописи

сели де ля торре хуан карлос

:рлнсмиссионные гамма-методы радиоизотопного контроля с резонансным детектированием.

05.11.10.- "Приборы для измерения ионизирующим излучений и рентгеновские приборы".

автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Минск—1992 г.

Работа выполнена на кафедре ядерной физики Белорусского государственного университета им. В.И. Ленина.

Научный руководитель! кандидат технических наук,

доцент Чудаков В.А.

Официальные оппоненты« доктор технических наук,

профессор Гольцев В.П. ( Секретариат Верховного Совета Республики Беларусь) кандидат физико-математических наук - Дежурко М.Д. ( НИИ ЯП >.

Ведущая организация! Институт физики АН РБ.

Защита состоится "29" июня 1992 г. на заседании специализированного Совета К 056.03.15 Белгосуниверситета им. В.И. Ленине, по адресу!

220080, г. Минск, пр. ф. Скорины, 4, БГУ им. Ленина.

»

Автореферат разослан " " июня 1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, доцеит

В.А. Чудаков.

I

5

I

| ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

[ Актуальность темы. Возрастание сложности и интенсивности

производственных процессов и прикладных исследований требует увеличения информативности измерений, что предполагает совершенствование существующим и разработку новых методов и средств получения данных. В этом плане важную роль отводят повышению избирательности и чувствительности радиоизотопных измерительных преобразователей путем оптимизации гёометрии измерения и применения многолучевых методов детектирования.

Выбирая состав и энергию зондирующих пучков ядерных частиц, можно обеспечить преобладание' того вида взаимодействия, который способствует максимальному получен;ю информации о контролируемом объекте.

Такие отличительные черты как бесконтактность, помехоустойчивость, достаточно высокая производительность, универсальность и точность, сравнительная простота автоматизации обусловили широкую сферу внедрения трансмиссионных методов радиационного контрЬля, основанных на регистрации прошедших либо рассеянных вперед исследуемым образцом квантов. При этом наиболее полная информация о свойствах исследуемой среды заключена в пространственно-энергетическом распределении поля вторичного излучения, а для ее выделения необходимо провести детектирующее преобразование радиационного сигнала в электрический с последующими обработкой и выводом в необходимом виде.

Очень важны исследования динамических процессов в науке и производстве с учетом изменения элементного состава и внутренних свойств зондируемых веществ и материалов. Это относится к таким

областям как медицина. физика твеодого тела, а также гюоизводствп норы" материалов, в том числе и композиционны::.

ион контроле легких соел с малой толщиной зондиоуелмога слоя, для повышения чувствительности измерении целесообразно применять низкоэнергетические источники ионизирующего излучения с ¿¡<10& кэь. Однако в этом случае необходимо учесть вариации элементного состава исследуемых сред.

Анализ тиэико-кимических характеристик веществ и материалов с учетом изменения эффективного атомного номера можно проводить, измеряя соотношение интенсивностеи когерентно и некогерентно рассеянный гамма-квантов, для этого наиболее перспективны резонансные сцинтилляцнонные детекторы, позволяющие регистрировать относительные изменения энергии падающим Гамма-квантов, при доплеровскои модуляции энергии ионизирующего излучения . применение таких детекторов позволяет использовать уникальное разрешение мессбауэ-

ровской спектроскопии, определяемой ширинои линии Нессезауэра -В -9

<~10 - )И эВ/ для исследования структуры и свойств веществ.не содержащих мессбауэровские ядра. Энергетическое разрешение данного метода позволяет изучить такие процессы, как динамику решетки 11 фазовые переходы в конденсированных средах.

Широкое внедрение композиционных материалов в промышленность

»

предполагает развитие методов исследования и контроля и:: шизико-хи-мических свойств на всех этапах создания и производства,л также при изготовлении и.эксплуатации готовых изделий. Е: частности значительный интерес проявляется к разработке.методов и аппаратуры, предназначенных для исследования и неразрушающего контроля теплошизи-чески'х свойств композиционных материалов в условиях воздействия высоких температур и скоростей нагрева.

Существующие методы измерения плотности и эффективного атомного номера композиционных материалов, играющих значительную роль в их поведении в процессе высокотемпературного воздействия, позволяют определять эти величины как средние по объему исследуемого образца, причем,как правило,в статическом режиме после нагрева. Поэтому создание новых динамических методов бесконтактного нераэрушающего контроля платности и Эффективного атомного номера локальных участков образцов композиционных материалов 1КМ) позволит существенно уточнить Физические и математические модели деградации композитов при выс.-кпинтенсизнык тепловых воздействиях. 2>то даст возможность улучшить технические характеристики узлов и деталей машин!.изготавлиза-емых из КМ и работающих я условиях высокотемпературного нагрева (до 3000 , а также оптимизировать вь.йир материала с точки зрения его теплофизических характеристик на стадии проектирования изделий.

Работы по исследованию и реализации трансмиссионных гамма-методов с применением резонансных и нерезонансныи способов детектирования низкоэнергетического гамма-излучения являлись составной частью плановой госбюджетной НИР "Разработать радиоспектрометрические и радиационные методы автоматизированного контроля материалов и имделий" ¡Ы гос. регистрации 01860049161), хоздоговорных НИР "Разработка и исследование методов радиационного контроля свойств композиционных материалов" и "разработка системы регистрации изменения плотности по глубине образцов композиционных материалов", выполнявшихся на кафедре ядерной физики Белгосуниверситета им. В.И. Ленина в 1985-1991 г.г.

Цель работы; Исследовать возможности трансмиссионных гамма-методов для определения физико-химических характеристик веществ и материалов с применением резонансных сцинтилляциомных детекторов!

создать методику и аппаратуру для исследования вазовых переходов в конденсированных средах и процессов, сопровождающих высокотемпературные воздействия на образцы композиционных материалов.

Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи!

1. На основании анализа существующих методов регистрации когерентно и некогерентно рассеянных низкоэнергетических гамма-квантов обосновать выбор метода резонансного детектирования малоуглового рэлеевс-кого рассеяния мессбауэровского излучения (РРМИ) для определения Физико-х'имических характеристик веществматериалов и изделий.

2. Изготовить экспериментальную установку для регистрации РРМИ и исследовать ее технические характеристики.

3. Разработать принципы построения комбинированного резонансного блока детектирования с разделением сигналов от разных сцинтиллято-ров на выходе детектора. '

4. Провести комплексные исследования образцов композиционных материалов' и выработать алгоритм определения границы распространения профиля разложения композитов при локальном высокотемпературном воздействии.

3. Исследовать зависимости полей вторичного излучения от хода температуры после взаимодействия мессбауэровскик гамма-квантов с различными образцами конденсированных сред для определения воэмчжности исследования динамических процессов и фазовых переходов при регистрации РРМИ.

Научная новизна. 1.Предложен двухлучевой гамма-метод контроля веществ и . материалов с резонансным детектированием малоуглового рэлеевского рассеяния мессбауэровского излучения,позволяющий, учесть изменения элементного состава исследуемого образца по соотношению когерентного и некогерентного рассеяний.

гааравотан и экспериментально исследован новый тип елока детектирования на основе комбинированного резонансного сцинтилляционного детектора с' одновременной регистрацией малоуглового рэлеевского и гамма излучении.

3. Предложен и экспериментально апробирован метод исследования профиля распространения границы разложения внутри композиционным материалов при сканировании по длине образца, подверженного высоко температурному воздействию.

4. Проведен анализ возможности применения резонансного метода исследования фазовых переколов и динамических процессов в конденсированных гредах, не содержащих мессбауэровские ядра.

Практическая значимость работы. Полученные я диссертационной работе результаты применяются при разработке.радиоизотопных приборов неразрушающего контроля плотности и состава КМ, . в том числе и в условиях'интенсивным высокотемпературным воздействий.

Разработан и совместна с Радиевым Институтом им. Хлопина внедрен в cepnñHQH^ производство комбинированный резонансный сцин-тилляционный детектор, состоящий из неорганического сцитиллятора типа Nal(Tl) и резонансного органического, обогащенного до S0X относительно изотопа Sn-119.

На защиту выносятся следующие положения«

1. Разработанный и исследованный трансмиссионный многопараметрический гамма-метод,включающий регистрацию резонансным детектором малоуглового рэлеевского рассеяния зондирующего мессбауэровского излучения. Метод позволяет по соотношению когерентного и некогерентного рассеяний исследовать характеристики легких материалов с учетом вариации плотности и эффективного атомного номера образцов.

2. разработанные принцип построения и алгоритм функционирования

комбинированной сиинтилляционной системы регистрации, сочетавшей простоту реализации трансмиссионны:: нерезонансных гамма—методов и энергетическое разрешение ЯГР-спектроскопии. Один из' сцинтилляторов неорганический типа Nal<Ti> или CsivТiвторой резонансный на основе органического сцинтиллятора для регистрации малоуглового рэ-fs леевского рассеяния.

5. Предложенная методика исследования композиционным материалов с применением двухлучевой системы регистрации на основе блока резонансного детектирования и разработанный алгоритм измерения позволяют определять профиль границы разложения внутри образца, подверженного высокотемпературному воздействию.

4. Ппименрние метода пезонансноги детектиоования малоуглового рэле-евекого рассеяния повышает точнбсть гамма-резонансных исследовании Фазовых переходов и других динамических процессов в конденсированных средах, нр содержащих мессбауэпопские ядра.

Апробация работа и публикации. Материалы работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедрь!| ядерной физики ч электроники Белорусского государственного • университета и на двух Всесоюзных конференциям • Основные результаты диссертации опубликованы в научных статьях и в отчетах о научно-исследовательской работе

»

'НИЛ радиационных методов неразрушающего контроля.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 175 страницах машинописного текста; содержит рисунка, S0 таблиц,

состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии v ¿20 наименовании) и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, Сформулирована цель работы, изложены ее краткое содержание и основные положения, выносимые на защиту.

! •' •

В первой главе рассмотрены особенности взаимодействия низкоэнергетического У-излучения с веществом, с акцентом на регистрации рэлеевского рассеяния. Описываются одно и двухяучевые способы контроля и геометрия измерения. Представлены основные трансмиссионные гамма-методы нераэрушающего контроля (нерезонансные и резонансные ) и выражения для расчета сечений взаимодействия низкоэнергетического гамма-излучения с веществом. Б последнем параграфе проводится обзор применения различных трансмиссионных гамма-методов контроля в науке и производстве! рассматриваются такие области как денситометрия, влагометрия, дефектоскопия, определение элементного . состава | имеется достаточно подробный анализ применения данный методов в медицине и оценка стоимости применяемой аппаратуры. ~ -

Во второй главе представлены основные принципы построения аппаратуры для реализации радиационного нераарушающего контроля на основе трансмиссионных резонансных и нерезонансныи У -методов. Приводится описание разработанного автоматизированного спектрометрического комплекса, позволяющего! определять и оптимизировать характеристики радиоизотопных измерительных преобраооватв-

С

лей; исследовать процессы взаимодействия У-излучения с веществом в различных геометриях зондирования) повысить эффективность экспериментальных работ. Излагаются принципы построения стабилизированных сцинтилляционных блоков детектирования и алгоритм функциониро-

вания применяемых систем стабилизации энергетической шкалы сцинтил-ляционных детекторов. Описаны устройство и структурная схема применяемого радиоизотопного плотномера РПА-К1 для контроля композиционных матриалов. Приводятся его технические характеристики и анализ погрешностей измерения плотности.

Особое внимание уделяется • методу резонансного детектирования когерентного рэлеевского рассеяния мессбауэровского излучения; рассматриваются Функциональные узлы экспериментальной установки с блоком резонансного детектирования» и приводятся ее технические характеристики. Описан принцип резонансного детектирования РРМИ, детектор и схема регистрации когерентных и некогерентных гамма-квантов по двум независимым каналам .

Излагается принцип реализации многопараметрических гамма-методов с применением комбинированных сцинтилляционных детекторов. Рассматривается разработанный нами комбинированный резонансный сцинтилляционный детектор и способы разделения его выходных импульсов, соответствующих разным сцинтилляторам блока детектирования.

Б третьей главе представлены основные результаты экспериментальных исследований трансмиссионными гамма-методами физико-химических характеристик веществ и материалов. Проверена методика разделения когерентно и некогерентно рассеянных гамма-квантов с применением полупроводниковых спектрометров при регистрации рассеянного На большие углы <90-135° ) ^-излучения. Приведены полученные данным методом типичные амплитудные спектры рассеяния и выражение для расчета Эффективного атомного номера при регистрации соотношения рэлеевского и комптоновского рассеяний.

На основе анализа научно-технической литературы описаны воз-

можности современный композиционных материалов, а также физические методы их исследования и испытания. Приведены результаты экспериментальных измерений массовых коэффициентйв ослабления *МКО) материалов с различными атомными номерами (1-28) как для однолуче-

I

вого абсорбционного | гамма-метода, так и для гамма-резонансного метода.

Третий параграф посвящен исследованию процессов термического разложения композиционных материалов при локальном воздействии высоких температур. Приведены графики зависимое.ей интенсивности зарегистрированного в геометрии узкого пучка двумя вышеуказанными методами ослабленного потока гамма-квантов, при сканировании отожженных образцов композиционных материалов по их длине. Были исследованы три типа композитов, по пять образцов с различными временами обжига ( 1-3 минут ) для каждой группы.

Последний параграф посвящен изучению динамических процессов вблизи фазовых переходов в конденсированных средах. На основе анализа теоретического описания фононной модели процесса рассеяния когерентных У-квантов в монокристаллах показана возможность определения параметров молекулярной решетки по результатам регистрации интенсивностей когерентно и некогерентно рассеянных гамма-квантов. Приведены основные результаты данных исследований фазовых переходов первого рода и структурная схема применяемой установки.

Основные результаты диссертационной работы! 1. Измерение соотношения интенсивностей когерентно и некогерентно рассеянного гамма-излучения позволяет проводить анализ физико-химических свойств веществ и материалов с учетом вариации эффектив-

наго атомного номера при оондировании образцов пучками низкоэнерге-тичес(Л1>: гамма-квантов.

2. Применение резонансных детекторов позволяет использовать уникальное энергетическое разрешение мессбауэровскои спектроскопии для регистрации малоуглового рэлеевского рассеяния на образцах, не содержащих мессбауэроаские ядра.

3. Созданный автоматизированный спектрометрический комплекс позволяет оперативно и Эффективно обрабатывать радиометрическую информацию при исследовании основных характеристик измерительных преобразователей радиоизотопных приборов и проводить физическое моделирование гамма-методов контроля веществ, материалов и изделий.

4. Изготовлена установка для исследования взаимодействия мессоауэ-ровского излучения с веществом, позволяющая проводить регистрацию малоуглового рэлеевского рассеяния резонансным методам, разработана схема разделения выходных импульсов детектора, соответствующих когерентному и некогерентному рассеяниям по двум независимым каналам регистрации. Исследованы технические характеристики данной установки.

5. Разработана комбинированная сцинтилляционная система регистрации на основе фосвич-детектора при последующем разделении .его выходных импульсов по их амплитуде, либо по времени высвечивания.

6. Изготовлен и внедрен в призводство совместна с Радиевым институтом им. Хлопина (г. Санкт-Петербург) комбинированный резонансный сцинтилляционный детектор, состоящий из неорганического сцинтилля-тора (Nal(Tl) или CsI(Tl)) и органического резонансного, обогащенного до 807. относительно мессбауэровского источника Sn-119.

7. Определены массовые коэффициенты ослабления различными веществами и материалами с малыми Z низкоэнергетического■гамма-излучения

радионуклидов Fu-23» и 5п-119 по двум методам регистрации. Q. Разработан и исследозан двухлучевой гамма-метод на основе регистрации малоуглового рэлеевского и некогерентного рассеяний с использованием зондирующего мессбауэровского излучения и резонансного метода детектирования. Пплучен алгоритм для расчета эффективного атомного номера исследуемых образцов.

9. Исследованы различные образцы композиционных материалов с применением , однолучевого гамма-метода и метода резонансного детектирования. Сканирование композиционных материалов по: золяет определять профиль границы разложения внутри образца, подверженного высокотемпературному воздействию.

10. С применением созданной экспериментальной установки проведены исследования оависимостией зарегистрированных резонансным детектором когерентных У -квантов от иода температуры образцов вблизи фазовых переходов. Полученные результаты полностью совпадают с теоретическим представлением рассеяния излучения на языке фононов и подтверждают пригодность метода для изучения динамических процессов в кристаллической решетке.

Основные результаты диссертации отражены в опубликованных работах g

1.- Аншаков О.М.,Чудаков В.А., Сели Куан Карлос. Применение рэлеевского рассеяния мессбауэровского излучения для исследования композиционных материалов // Тез." докл. научно-те^н. конф. 11-13.07.В.- Киев Об-во "Знание", УССР.- РДЭНТП, 1989.- с.46.

2.— Аншаков О.М., Гуринович В.И., Чудаков В.А., Сели Хуан Карлос Комбинированный гамма-метод контроля Плотности композиционных материалов // Тез. докл. У1 Всесоюзного совет. "Спектроскопии

координационных Соединений".- Краснодар, 1990.

'S.- Остановка дли исследования взаимодействия мессбауэровского излучения с веществом / нншакоо D.M., Чудаков S.A., Нгуен Бак Ха, Сели Хуан Карлос, Ред. ж. Бестн. БГУ, Сер. 1: физ.,мат., мех.- Минск, 1990. Деп.в БИНИГИ 22.10.90, 5431.Б90.

4.- Радиоизотопный абсорбционный плотномер композиционны!: материа-лоз / О.М.Аншаков, В.И.Гуринович, Б.А.Чудаков, Нгуен Бак Ха, Сели Хуан Карлос А/ Ред. ж.Вестн. БГУ. Сер.1 - Минск, 199И. 10 с. - Деп. в . ВИНИТИ Е2.10.90, 5430-В90.

5.- Разработать радиоспектрометрические и радиационные методы автоматизированного контроля материалов и изделий.- Отчет о НИР БГУ им. В.И.Ленина/ Руководитель В.А.Чудаков.- »номер гос. регистрации 01Ё60049161>, - Минск, 1991.

6.- Разработка системы регистрации изменения плотности по глубине образца композиционных материалов.- Отчет о хоздоговорной НИР БГУ им. В.И.Ленина/ Руководитель В.А.Чудаков.- (номер гос. регистрации 01900033155), - Минск, 1990.