Гамма - дефектоскоп
Радио 1956 №1
Свойство гамма-лучей проникать в толщу различных веществ используется при определении скрытых дефектов в металлах, строительных материалах, пластмассах и керамике. На этом основано несколько способов гамма-дефектоскопии.
Рис. 1. a - фотографический метод дефектоскопии; б - фотолюминесцентный метод дефектоскопии
Фотографический метод (рис. 1, а). С одной стороны контролируемой детали 1 располагается источник радиоактивного излучения 2, помещённый в защитный свинцовый кожух 3 с открывающимся отверстием 4, а с противоположной стороны детали помещается фотографическая пластинка 5 в кассете 6. Гамма-лучи, проходя сквозь толщу детали, частично поглощаются. Если гамма-лучи встречают на своем пути пустоту (раковину, трещину, отверстие) или инородное тело, степень поглощения изменяется. Все эти неравномерности фиксируются на фотопластинке и показывают очертание неоднородностей в «просвечиваемом» образце. Данный метод используется в случаях, когда необходимо видеть точную топографию дефекта. В этом случае требуется значительная концентрация излучения, которая влечёт за собой усложнение защитных приспособлений и увеличение размеров установки.
Ионизационный метод аналогичен первому, только вместо фотопластинки с противоположной стороны исследуемого образца помещаются ионизационная камера или счетчик частиц (счётчик Гайгера - Мюллера), электрически связанные с усилительным или пересчётным устройством и механическим счётчиком-нумератором или стрелочным прибором. Частицы, прошедшие через «просвечиваемую» деталь, улавливаются счётчиком (камерой) и после усилителя импульсов фиксируются нумератором. Увеличение или уменьшение числа импульсов будет сигнализировать о наличии неоднородности в детали.
В противоположность фотометоду в данном случае деталь может быть подвижной, но осуществить непрерывный контроль путем счёта импульсов трудно, так как требуется периодическая фиксация числа прошедших импульсов.
Фотолюминесцентный метод (рис. 1, б) аналогичен предыдущим в смысле методики просвечивания. Разница заключается лишь в том, что вместо фотопластинки или счётчика частиц помещается так называемый сцинтилляционный (сцинтилляция - искрение, сверкание кристаллов в виде вспышек под действием радиоактивного излучения) счётчик. Частица, прошедшая через толщу образца 4, попадает на кристалл и вызывает его свечение - вспышку, воспринимаемую расположенным за кристаллом фотоумножителем 5. Изменение фототока в зависимости от свечения кристалла усиливается усилителем 6 и фиксируется гальванометром 7. Свечение кристаллов (нафталина, шеелита, сернистого цинка, йодистого натрия и некоторых других) под действием гамма-излучения будет пропорционально интенсивности попадающего на них пучка гамма-фотонов. В силу того, что кристалл светится чрезвычайно слабо, для регистрации свечения применяют фотоумножитель - в данной конструкции ФЭУ-19, с последующим усилением по постоянному току.
Описываемый дефектоскоп состоит из двух частей - собственно прибора и блока фотоумножителя. Принципиальная схема прибора показана на рис. 2. Основной частью его является выпрямитель с электронной стабилизацией, которая весьма необходима для фотоумножителя - стабильность работы последнего зависит от постоянства питающего его напряжения. За основу выпрямителя взяты схема и данные выпрямителя типа ВСЭ-2500.
Рис. 2. Принципиальная схема гамма-дефектоскопии
Выпрямитель питания, собранный по однополупериодной схеме на лампе 5Ц4С (Л9, даёт выпрямленное напряжение порядка 600 В.
Фильтр состоит из двух электролитических конденсаторов по 10 мкф, включённых последовательно. Для поддержания одинакового напряжения на каждом из конденсаторов параллельно им включены сопротивления R6 и R7. Стабилизирующая ячейка состоит из трёх ламп - регулирующей 6П3С (Л5), управляющей 6Ж7 (Л1) и газового стабилизатора СГ-4С (Л6) - для поддержания постоянного напряжения.
Релаксационный генератор-мультивибратор на лампе 6Н7С (Л2) даёт импульсы с частотой в пределах 600-1000 Гц (частота регулируется потенциометром R12 в цепи катода лампы). Усилитель импульсов мультивибратора работает на лампе 6П3С (Л3). В качестве анодной нагрузки лампы включён повышающий трансформатор Тр1. Регулировка напряжения, снимаемого с импульсного усилителя, производится с помощью потенциометра которым и регулируют напряжение, снимаемое с выпрямителя. В цепь вторичной (повышающей) обмотки Tp1 включён диод 2X2 (Л4), выпрямляющий напряжение импульсного генератора после усилителя. Высокое напряжение контролируется киловольтметром (KV), шкала которого отградуирована до 2500 В (прибор М-49, 300 мА) с добавочным сопротивлением R21R22.
Своеобразность включения фотоумножителя и применение усиления по постоянному току обусловливают заземление плюса высоковольтного выпрямителя.
Для питания фотоумножителя необходимо напряжение порядка 1100-1800 В с равномерным распределением на каждый из эмиттеров, для этой цели в корпусе умножителя собран делитель, состоящий из 15 сопротивлении типа ВС-0,25 ± 2% по 270 кОм.
Напряжение, снимаемое с фотоумножителя, поступает на сетку левой половины лампы 6Н7С (Л7), выполняющей роль усилителя постоянного тока и лампового вольтметра, собранного по схеме моста. Сетка правого триода заземлена и при некотором положении потенциометра «Уст. 0» находится под одинаковым потенциалом с сеткой левого триода, при подаче же напряжения с фотоумножителя на левую половину лампы баланс нарушается и между анодами начинает течь ток, который регистрируется милливольтметром (mV) (прибор М-49, 50 мА). Параллельно прибору включено переменное сопротивление R32 («Уст. чувств.»), при помощи которого изменяется чувствительность прибора, что особенно важно при работе с различными дозами активности. Шкала прибора линейна, имеет сто делений, каждое ценой в 1 мВ. При помощи переключателя П1 возможно включение внешнего прибора (самопишущий гальванометр с двумя пределами чувствительности), внутренний прибор при этом отключается.
Роль делителя, изменяющего чувствительность прибора, выполняют сопротивления R26 - R30, включаемые с помощью переключателя П\ в цепь сетка - катод левой половины лампы Л7. Переключатель П2 служит для измерения постоянной времени путем переключения конденсаторов С9 и С11.
КОНСТРУКЦИЯ И МОНТАЖ
Вид на шасси прибора сверху показан на рис. 3. Прибор смонтирован на угловом шасси из оцинкованного железа толщиной 1,5 мм, передняя панель которого является лицевой и покрыта окрашенным нитролаком листовым алюминием толщиной 0,5 мм. На передней панели расположены слева направо милливольтметр, ручка потенциометра установки чувствительности, индикаторная сигнальная лампочка, под ней - ручка потенциометра установки нуля и прибор контроля и установки высокого напряжения. Внизу слева расположен переключатель делителя и приборов, в центре внизу - выключатель сети и выше - переключатель постоянной времени, справа внизу - ручка потенциометра регулировки высокого напряжения. Для того чтобы прибор было удобно вынимать из футляра, по бокам расположены две никелированные ручки.
Рис. 3. Шасси прибора (вид сверху)
Рис. 4. Монтаж прибора
Горизонтальное шасси имеет только заднюю стенку, на которой расположены слева направо (рис. 4): переключатель напряжений сети П3, предохранитель Пр, колодка для подключения сетевого провода, клемма для заземления, клеммы-гнёзда для внешнего прибора и колодка для подключения блока с фотоумножителем. На горизонтальной панели расположены трансформаторы Тр1, Тр2, лампы, конденсаторы фильтра, а также выведены оси потенциометров регулировки уровня стабилизации и регулировки частоты. Лампа вольтметра расположена под горизонтальной панелью. Монтаж и расположение деталей видны на рис. 3 и 4.
Внешний вид блока фотоумножителя изображен на рис. 5.
Рис. 5. Внешний вид блока фотоумножителя
Устройство блока фотоумножителя изображено схематично на рис. 6. За свинцовой диафрагмой 1 со щелью 2 устанавливается кристалл 3, обладающий способностью светиться под действием радиоактивного излучения. Между кристаллом и фотоумножителем 5 располагается светопроницаемый экран 4; вся установка помещена в корпусе 6.
Рис. 6. Конструкция блока фотоумножителя
С прибором блок соединяется гибким бронированным кабелем 7 длиной около 3 м, на конце которого имеется колодка, изготовленная из органического стекла.
Трансформатор Tp1 собран на сердечнике Ш-32 сечением 16 см2, его обмотка I имеет 600 витков ПЭЛ-1 0,31, обмотка II - 2550 витков ПЭЛ-1 0,1. Трансформатор Тр2 собран на сердечнике из пластин Ш-32, площадь сечения сердечника 16 см2. Его обмотка I содержит 304 + 46 + 46 + 304 витков провода ПЭЛ-1 0,41, обмотки II - 1650 витков провода ПЭЛ-1 0,2, III - 15 витков провода ПЭЛ-1 1,0, IV и V - по 13 витков провода ПЭЛ-1 1,0 и VI - 8 витков провода ПЭЛ-1 1,0.
Потенциометры - установки нуля R31 и чувствительности Р32, мощностью рассеяния 6 Вт. Ламповые панели - пластмассовые и керамические. Сопротивления - типа ВС.
При испытании прибора в качестве детектора излучения использовались кристаллы стильбена и нафталина. Источником радиоактивного излучения является изотоп кобальта Со60 с активностью 5 мС (милликюри). На фотоумножитель подавалось напряжение порядка 1000-1600 В.
Рис. 7. График зависимости показаний прибора от толщины просвечиваемых деталей
Прибор испытывался с образцами стали, меди, алюминия и кирпича. Диафрагма имела щель 19х3 мм. Расстояние от источника до образца 3...30 мм, от образца до диафрагмы 3...30 мм. Напряжение на фотоумножителе 1500 В. На основании испытания составлен график (рис. 7). Таким же методом был обнаружен металлический 5-мм стержень в деревянном бруске 100х100 мм. При соответствующей градуировке прибор можно использовать как дозиметр, когда мы имеем дело при работе с радиоактивными веществами, и как рентгенометр для измерения интенсивности рентгеновских лучей.
Прибор был испытан как дозиметр. На графике (рис. 8) показано изменение показания прибора в зависимости от дозы излучения (в микрорентген/сек.).
Рис. 8. График зависимости показаний прибора от интенсивности внешнего радиоактивного излучения
Быстрота обнаружения дефектов без каких бы то ни было вспомогательных средств (таблиц, пересчёта и т. п.), возможность регулирования чувствительности являются достоинствами прибора. При подключении внешнего самопишущего гальванометра можно производить непрерывный контроль и запись результатов просвечивания образца.
Кроме дефектоскопии и дозиметрии, прибор благодаря очень высокой световой чувствительности может быть использован как фотоэлектрический регистратор интенсивности световых потоков в фотоэлектрических и фотоколориметрических установках, для определения чистоты поверхности, белизны в текстильной и бумажной промышленности. Прибор может быть также использован как дозиметрическое устройство при работах с различными спектрами световых излучений, как фотоэлектрический пирометр для измерения температур и как фотоэлектрический микрометр.
Прибором можно будет пользоваться в астрономии при наблюдениях за небесными светилами или за солнечными затмениями. Для этого потребуется лишь специальная эталонировка прибора и замена фотоумножителя ФЭУ-19 умножителем типа ФЭУ-17 с узким световым пучком.
Я. Меркурьев
От редакции. Следует обратить внимание на то обстоятельство, что дефектоскопом, разработанным Меркурьевым, затруднительно определять дефекты в крупных деталях в силу того, что узким пучком гамма-лучей, исходящим из свинцового контейнера, невозможно быстро контролировать большие площади. Это обстоятельство значительно ограничивает производственное применение подобных дефектоскопов.
Использовать в данной конструкции высоковольтный выпрямитель типа ВСЭ-2500 нежелательно, так как этот выпрямитель не обеспечивает достаточно высокой стабильности выпрямленного напряжения, что необходимо для устойчивой работы фотоумножителя, а, следовательно, и для правильности результатов дефектоскопии.
Для большей чувствительности прибора в блоке фотоумножителя нужно применять не нафталин или стильбен, а кристаллы йодистого натрия, активизированного таллием, обладающего более высокой эффективностью регистрации гамма-излучения и дающего более яркое свечение.
Приспособление предлагаемого дефектоскопа для целей регистрации световых потоков, измерения температур, как фотоэлектрического микрометра, пирометра и в астрономии требует доработки всей конструкции в целом.