3.6.1 Пристрій і принцип роботи вимірювального мікроскопа

Контроль розмірів об'єктів може здійснюватися в напівавтоматичному й автоматичному режимах різними способами. При цьому похибки вимірювань в обох випадках залежать від обраного способу контролю й у кращому разі становлять кілька сотих часток відсотка. Напівавтоматичні способи відрізняються тим, що визначення вимірюваної величини виконує оператор за допомогою зображення на екрані відеоконтрольного пристрою. Автоматичні методи передбачають отримання вимірюваної величини безпосередньо автоматом у вигляді показання вихідного індикатора, цифрового коду або інших сигналів.

Контроль форми виробів і вимірювання геометричних розмірів за зображенням на екрані відеоконтрольного пристрою (напівавтоматичний контроль) виконують такими способами: із координатною сіткою або контрольною лінійкою, повним або частковим вимірюванням.

Для вирішення завдань неруйнівного контролю можуть застосовуватися інтерферометри - стандартні вимірювальні прилади, поширені в техніці точних геометричних вимірювань. Вони дозволяють вимірювати різні геометричні розміри, зокрема товщини прозорих покриттів, з похибкою до 0,1 мкм, шорсткості та нерівності на досліджуваній поверхні такого самого порядку. На рис. 3.5 а показана схема конструкції мікроінтерферометра для контролю якості поверхні шляхом порівняння з еталоном поверхні, а на рис. 3.5 б - вигляд зображення в полі зору інтерферометра за наявності дефектів на поверхні (тріщини та виступи).

Для проведення оперативного контролю необхідно здійснювати порівняння декількох предметів або змін, що відбуваються в одному й тому самому предметі. Для цього розроблені різні методики голографічного контролю. Частіше за інших контроль ведуть шляхом отримання інтерференційної картини на випробуваному об'єкті (метод «живих смуг») або методом подвійної експозиції (метод «заморожених смуг»).

Якщо в область, де знаходиться відновлене зображення, помістити сфотографований на голограму предмет або йому подібний, то голографічне зображення та предмет, зважаючи на точний збіг світлових хвиль, здаватимуться єдиним цілим, маючи підвищену яскравість і контрастність. При суміщенні голографічного зображення виробу, що має номінальні параметри (контрольний зразок), із випробуваним збіг амплітуд і фаз у деяких місцях будуть порушені через відхилення його параметрів від номінальних значень і на випробуваному виробі з'являться інтерференційні смуги, викликані різницею ходу когерентних світлових променів від голограми та випробуваного об'єкта. Отримана інтерференційна картина залежить від конкретних відмінностей голографічної копії контрольного зразка та реального виробу, що дозволяє легко та точно виявляти відхилення у випробуваному виробі від контрольного зразка.

Метод подвійної експозиції полягає в накладенні двох голограм фізичних зображень на одну плівку. Внаслідок відновлення такої складної подвійної голограми також виходить система інтерференційних смуг, що помітно виділяє ту область, де є відмінності в експонованих об'єктах.

Голографічні методи виявились ефективними для проведення неруйнівного контролю в таких випадках:

1. Контроль геометричних розмірів, оптичних властивостей і виявлення дефектів у високоякісних напівфабрикатів та виробів шляхом порівняння з еталоном або розрахунковою голограмою.

2. Аналіз мікропереміщень і змін ділянок або деталей об'єктів із часом. Такий аналіз проводиться шляхом порівняння зробленої раніше голограми об'єкта з його справжнім станом. При цьому вдається визначити не лише невеликі зміни в геометричних та оптичних параметрах об'єкта, а й виявити незворотні зміни у вигляді мікротріщин та утомних змін.

3. Контроль виробів у динамічних режимах, викликаних механічним навантаженням, нагріванням (охолодженням) або вібраційними навантаженнями. У всіх цих випадках відбувається зміна геометрії виробу та проводиться порівняння нового стану виробу з його колишнім топографічним зображенням. При навантаженні деформація в областях, ослаблених наявністю відхилень від норми або дефектів, виявляється дещо більшою, ніж за нормальними місцями, що призводить до викривлення інтерференційних ліній (рис. 3.6 б) і виявляє аномалії у виробі. Нагрівання або охолодження використовують при голографічному контролі виробів, що працюють при змінюваних температурах, наприклад елементи та блоки радіоелектронної апаратури (рис. 3.6 в, г).

Цей вид контролю має великі перспективи, оскільки деформації від збільшення температури надзвичайно малі. Найпростішим варіантом голографічного контролю вібрувального об'єкта при періодичному характері коливань є реєстрація голограми в процесі вібрації. Оскільки голограма формується протягом часу, набагато більшого за період коливань вібрувальної деталі, найбільший вплив на фотоплівку дають два її крайні положення, коли миттєві значення швидкості дорівнюють нулю. У результаті виходять ніби дві голограми, накладені на одну плівку.

а б в г

Рисунок 3.6 - Приклади голографічних інтерферограм за наявності дефектів: а - до механічного навантаження; б - після навантаження; в - потужного транзистора при нормальній температурі; г - після нагрівання

4. Контроль якості прозорих і напівпрозорих об'єктів, які важко відрізнити від фону, однак призводять до зміни електричної довжини ходу променів.

5. Вивчення мікроструктури поверхні виробів, що визначає їх якість. Низька якість поверхні випробуваного виробу порівняно з еталоном призводить до погіршення чіткості голограми і проявляється як вплив шуму.

Таким чином, голографічні методи дають можливість проводити контроль із високою роздільною здатністю, проте, зважаючи на підвищення вимог до точності виготовлення та якості поверхні порівнюваних виробів, складності контролю, застосовуються для перевірки дрібносерійної продукції.

Теми практичних (семінарських) занять і контрольні питання до розділу 3

Теми практичних (семінарських) занять

1. Будова та принцип роботи вимірювального мікроскопа (п. 3.6.1).

Контрольні питання

1. На які умовні три групи можна розділити методи оптичного контролю? Дайте їх коротку характеристику.

4.Радіаційний контроль

4.1 Загальні питання радіаційного контролю

У радіаційному контролі використовують випромінювання подвійної природи: електромагнітних хвиль та елементарних частинок, що мають значення частоти кванта  Гц і більше або відповідно довжину хвилі у вакуумі коротше 10 нм, або енергію кванта більше 124 еВ (близько  Дж).

Різні іонізуючі випромінювання при діагностиці матеріалів можуть бути отримані від джерел двох основних груп: електронні джерела та радіоізотопні джерела.

До джерел випромінювання, побудованих на основі електронних пристроїв, належать: рентгенівські апарати (мають найбільше застосування), бетатрони, лінійні прискорювачі, мікротрони та деякі інші пристрої.

Принцип дії електронних джерел ґрунтується на перетворенні енергії електронів, що рухаються, в енергію різних видів випромінювань. Джерела випромінювання на базі електронних пристроїв можуть створювати рентгенівське випромінювання, гамма-випромінювання, бета-випромінювання. Бетатрони, лінійні прискорювачі та мікротрони безпосередньо створюють потік електронів, а якщо спрямувати його на мішень із певного матеріалу, можна одержати електромагнітне (гальмівне або характеристичне) випромінювання із енергією квантів, що залежить від енергії електронів. Значною перевагою електронних джерел випромінювання є можливість регулювання інтенсивності випромінювання і його спектрального складу, а також повна безпека при вимиканні електроживлення. Недолік великі габарити й маса, а також необхідність зовнішнього джерела електроенергії великої потужності.

Радіоізотопні джерела побудовані на основі ізотопів речовини, що має природну або штучну радіоактивність. Ці джерела звичайно створюють корпускулярне випромінювання (електрони, протони, нейтрони та ін.) з різними енергіями частинок і гамма-випромінювання. Перевагою радіоізотопних джерел є їх портативність і можливість застосування без додаткових джерел енергії. До недоліків таких джерел можна віднести неможливість регулювання спектрального складу випромінювання.

Довжина хвилі іонізуючих випромінювань порівнянна з розмірами молекул та атомів або менша за них, що визначає складний характер взаємодії цих випромінювань із матеріалом контрольованого об'єкта та обумовлює ймовірнісний характер результатів взаємодії. Загальною тенденцією при взаємодії іонізуючих випромінювань із речовиною є збільшення його проникної здатності зі збільшенням енергії квантів.

Найчастіше в апаратурі радіаційного контролю використовують випромінювання, що пройшло через об'єкт. Рідше під час вирішення деяких завдань товщинометрії та контролю властивостей матеріалів використовують зворотно розсіяне випромінювання або перевипромінювання квантів вторинного випромінювання.

Радіаційні методи порівняно з іншими методами неруйнівного контролю мають найбільшу біологічну небезпеку, тому під час їх використання повинні дотримуватися певні організаційні, санітарні норми охорони праці та правила техніки безпеки, значення яких збільшується при підвищенні потужності джерела випромінювання.

Випромінювання, що застосовуються в радіаційному контролі, як електромагнітної природи у вигляді фотонів, так і корпускулярної природи у вигляді потоку частинок, можуть характеризуватися різними фізичними величинами. Однак серед них можна виділити й загальні показники випромінювання: потік енергії, потужність джерела, інтенсивність, експозиційна (поглинена) доза, енергія квантів і спектральна характеристика, що характеризуються такими співвідношеннями:

1. Потік енергії випромінювання (Дж/м2)

де - сумарна енергія частинок або квантів іонізуючого випромінювання;

- площа перерізу елементарного середовища, у яку проникає випромінювання.

2. Потужність джерела випромінювання

де - сумарна енергія частинок або квантів, що випромінюються за одиницю часу. 3. Інтенсивністю випромінювання (щільністю потоку енергії) (Вт/м2) називається відношення приросту енергії іонізуючого випромінювання , що проходить через сферу із площею за час , тобто

.

Інтенсивність випромінювання змінюється обернено пропорційно до квадрата відстані від джерела до точки вимірювання. Тому інтенсивність випромінювання вказують на певній відстані від джерела (звичайно 1 м).

Випромінювальна частина джерел, як правило, набагато менша за відстань до контрольованого об'єкта та перетворювача, тому можна вважати, що інтенсивність при збільшенні відстані зменшується обернено пропорційно до його квадрата:

,

де - інтенсивність випромінювання на відстані .

Кожен фотон може характеризуватися енергією , якій може бути поставлена у відповідність певна довжина хвилі , що обчислюється за відомою формулою

де - швидкість світла у вакуумі; - частота; h - стала Планка ( Джс).

Енергія кванта випромінювання визначає його проникну здатність й, отже, можливість виявлення дефектів у контрольованих об'єктах різної товщини та густини. Джерела іонізуючих випромінювань можуть створювати одночасно кванти широкого спектрального діапазону енергій, які по-різному взаємодіють із речовиною.

Незалежно від конкретного виду іонізуючого випромінювання під час організації радіаційного неруйнівного контролю можна відзначити дві узагальнені схеми. У першій схемі відбувається аналіз випромінення, що пройшло через контрольований об'єкт. У другій аналізується розсіяне (відбите) випромінення.

Радіаційний контроль за першою схемою має найбільше поширення. Цей метод особливо широко застосовується для цілей дефектоскопії та контролю внутрішньої структури різних об'єктів за можливості двостороннього доступу до них при значній товщині (до 0,5 м).

Контроль із розсіяного (відбитого) випромінювання полягає в реєстрації випромінювання в тій самій області, де розташоване джерело. Цей метод радіаційного контролю застосовується для цілей товщинометрії та визначення властивостей матеріалу. Він використовується для діагностики шарів невеликої товщини (до декількох міліметрів). Джерело випромінювання та первинний вимірювальний перетворювач, що реєструє вторинне (відбите) випромінювання, у цьому разі розміщені близько одне від одного, і для зниження дії прямого випромінювання на вимірювальний перетворювач використовують захисні екрани.

4.2 Техніка безпеки при радіаційному контролі

Іонізуючі випромінювання є потенційно найнебезпечнішими із застосовуваних у неконтактному контролі як безпосередньо для персоналу, що здійснює радіаційний контроль, так і для людей, які знаходяться поблизу від зони проведення контролю. Тому питанням безпечної роботи та охорони праці при радіаційному контролі повинна приділятися велика увага.

Якщо планується щоденне або регулярне проведення контролю іонізуючими випромінюваннями з великою енергією, то виділяються або будуються спеціальні приміщення.

До роботи із джерелами іонізуючих випромінювань та з апаратурою, що містить їх, допускаються спеціально підготовлені особи, які проходять кожні 6 місяців спеціальний інструктаж. Перевірка знань правил безпеки роботи та особистої гігієни, а також медичний контроль, повторюються щорічно. Під час використання іонізуючих випромінювань обов'язково проводиться контроль за рівнем можливого опромінення персоналу.

Під час організації роботи установок та апаратури із джерелами іонізуючих випромінювань необхідно вживати всі можливі заходи до зниження дози, що отримує персонал. Заходи, що дозволяють знизити дозу опромінення, подібні до тих, які використовуються під час захисту від НВЧ-випромінювання, однак з урахуванням інших властивостей іонізуючих випромінювань. Найбільш ефективними заходами захисту є: екранування джерела випромінювання та робочого місця, захист шляхом зменшення часу роботи із джерелом іонізуючого випромінювання, захист віддаленням шляхом віддалення працівника на безпечну відстань. Захист екрануванням повинен здійснюватись обов'язково з урахуванням спектра випромінювання джерела.

Залежно від класу робіт персонал забезпечують халатами та комбінезонами, шапочками, рукавичками, легким взуттям і за необхідності засобами захисту органів дихання. Під час роботи з особливо небезпечними джерелами випромінювань або в забрудненому приміщенні видаються ізолювальні або додаткові захисні засоби (пневмокостюми, пневмошоломи, фартухи, нарукавники й ін.), і весь персонал повинен бути забезпечений дозиметрами.

4.3 Основні ефекти при взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною

Довжина хвилі, що характеризує іонізуючі випромінювання, порівнянна з міжатомними відстанями, тому ці випромінювання взаємодіють із атомними ядрами та електронами оболонок атома, що відрізняє цей процес від розглянутих раніше в розділах 2 і 3 видів випромінювань і визначає більш складний його характер. Як вже відзначалося, взаємодія іонізуючих випромінювань із речовиною призводить до появи теплових, іонізаційних, електричних, люмінесцентних, фотохімічних і біологічних ефектів. Різні види іонізуючих випромінювань мають і спільні риси наслідків взаємодії. Падаючі на речовину кванти випромінювання можуть бути розсіяними або поглиненими, а також можуть викликати появу нових частинок, що вільно рухаються, або фотонів. Процеси взаємодії іонізуючих випромінювань із речовиною носять випадковий (імовірнісний) характер, що необхідно враховувати під час організації неруйнівного контролю. Дуже невелика частина квантів первинного випромінювання може взагалі не взаємодіяти з матеріалом об'єкта, що залежить від атомного номера речовини та енергії квантів.

Під час проходження фотонного випромінювання крізь речовину основні види взаємодії - фотоефект, комптон-ефект й ефект утворення позитрон-електронних пар [5, 8, 27]. Кожен із цих видів взаємодії домінує в певному діапазоні енергій первинних квантів. При однаковій енергії квантів внесок того або іншого виду взаємодії визначається атомним номером речовини.

Сутність фотоефекта полягає в тому, що енергія первинного кванта h1 витрачається на виривання електронів (так званих фотоелектронів) із атома речовини та передавання їм кінетичної енергії (наприклад, фотоелектрон е1 у лівій частині рис. 4.1). Процес описується рівнянням балансу енергії: Е1 = Ее+Е, де Е1 = h1 - енергія первинного кванта; Ее - енергія зв'язку електрона в атомі; Е = m0c21  (e/c)2-0,5 1 - кінетична енергія фотоелектрона; e - швидкість фотоелектрона; m0 - маса спокою електрона; c - швидкість світла; 1 - частота первинного кванта; h - стала Планка.

Рисунок 4.1 - Схема поглинання рентгенівських квантів атомом речовини з випущенням фотоелектронів і квантів характеристичного випромінювання (ліворуч) і з випущенням оже-електронів (праворуч)

Електронні шари, або оболонки атома, позначаються літерами K, L, M, N, O, P (рис. 4.1). Найближчий до ядра шар K характеризується лише одним рівнем енергії, шари L та P - трьома (L1 - L3 та P1 - P3), шари M та O - п'ятьма (M1 - M5 та O1 - O5), шар N - сімома (N1 - N7). Залежно від атомного номера Z кількість стаціонарних рівнів енергії змінюється від 1 до 24.

Зі збільшенням частоти квантів, поряд з іонізацією в зовнішньому шарі за рахунок переходу периферичних електронів (із зовнішніх оболонок) у незв'язаний стан, з'являються вільні електрони, що вирвані із внутрішніх оболонок атомів.

Під час виривання електрона місце, що звільнилося (вакансія), не залишається порожнім, на нього переходить електрон із оболонки, що знаходиться вище (рис. 4.1). Цей процес супроводжується випущенням кванта із частотою  = (Wi  Wj) / h, тобто випромінюванням рентгенівського характеристичного випромінювання. Переходи електронів на рівень K дають лінії характеристичного K-випромінювання, переходи на рівні L лінії L_випромінювання і т. д. Робота виривання електрона із шару L менша від роботи виривання із шару K, тому частота характеристичного K_випромінювання більша за частоту L-випромінювання і тим більше M- , N_випромінювань і т. д. Енергія квантів характеристичного випромінювання залежить лише від роду атомів, що його випустили, тобто від їх атомного номера Z. Тому, збудивши у невідомої речовини характеристичний спектр, можна за енергією його ліній визначити, які атоми входять до складу речовини.

Розглянута схема поглинання квантів, показана ліворуч на рис. 4.1, не є єдиною. Можливий також розвиток процесу поглинання за іншою схемою, зображеною праворуч на рис. 4.1. Енергія, що вивільняється під час переходу електрона з верхнього рівня на нижній, витрачається не на випущення кванта характеристичного випромінювання, а на виривання електрона e3 із вищої оболонки, (так званий оже-ефект). На місце, що звільнилося, переходить електрон із вищого шару, виривається новий оже-електрон e4 із вищої оболонки й т. д. Таким чином, процес поглинання первинного кванта h1 може супроводжуватися випущенням атомом фотоелектронів (e1, e2) і квантів характеристичного випромінювання, а також оже-електронів (e3, e4).

Фотоелектрони, що утворюються, оже-електрони, а також кванти характеристичного випромінювання, маючи велику енергію, можуть брати участь у вторинних актах взаємодії. При цьому вони самі вибивають електрони з атомів, створюючи вторинні електрони та кванти вторинного випромінювання. Такі процеси розміну енергії електронів і квантів будуть відбуватися доти, поки їх енергія не стане меншою енергії зв'язку електронів у атомі.

Співвідношення розглянутих ефектів залежить від атомного номера речовини Z. Імовірність процесів взаємодії з випущенням квантів характеристичного випромінювання збільшується зі збільшенням Z, а ймовірність оже-ефекту при цьому відповідно зменшується. Так, для легких елементів імовірність оже-переходів становить приблизно 95 %, а для елементів із Z > 70 не перевищує 10 %.

Таким чином, унаслідок фотоелектричного поглинання енергія первинних рентгенівських квантів перетвориться в енергію первинних і вторинних електронів, а також у енергію квантів характеристичного випромінювання.

Зі зростанням енергії падаючих квантів усе більше починає проявлятись ефект некогерентного розсіювання (комптон-ефект). Комптон-ефект проявляється при взаємодії квантів із вільними або слабо зв'язаними електронами атомів речовини.

Квант рентгенівського випромінювання з енергією h1 унаслідок взаємодії з електроном частину своєї енергії Ее передає електрону (так званий електрон віддачі, або комптонівський електрон), а залишок енергії зберігається у вигляді розсіяного кванта з меншою енергією h < h1. Із законів збереження енергії та імпульсу виходить, що енергія електрона віддачі Ее та енергія розсіяного кванта h дорівнюють

;

де - відношення енергії падаючого кванта до енергії маси спокою електрона; ц - кут між напрямками руху первинного та розсіяного квантів (кут розсіювання).

Як бачимо з виразів (4.6), розподіл енергії між електроном віддачі та розсіяним квантом залежить від кута розсіювання. При куті розсіювання ц = 0°, коли напрямки руху розсіяного та первинного квантів збігаються, розсіяний квант бере всю енергію первинного і його енергія буде максимальною (h = h1). У цьому граничному випадку розсіювання первинних квантів не відбувається й електрон віддачі не набуває енергії. При збільшенні кута розсіювання від 0 до 180° енергія розсіяного кванта зменшується, а енергія електрона віддачі зростає. При куті розсіювання  = 180° розсіяний квант має мінімальну енергію й рухається у напрямку, протилежному руху первинного кванта, а електрон віддачі набуває максимальної енергії.

Якщо енергія первинного кванта менша за енергію зв'язку електрона з атомним ядром (у разі сильного зв'язку електрона в атомі), то спостерігається когерентне розсіювання первинних квантів. При цьому поглинений атомом квант стимулює коливання орбітального електрона. Такий збуджений електрон не викидається з атома, а генерує вторинний квант, енергія якого дорівнює енергії первинного і який може рухатися під кутом до напрямку руху первинного кванта.

При комптонівському розсіюванні, як і при фотоефекті, відбуваються вторинні процеси взаємодії. Розсіяні кванти, маючи достатню енергію, здатні при взаємодії з електронами атомів зазнавати когерентного або комптонівського розсіювання. У свою чергу, електрони віддачі, також маючи достатню енергію, можуть вибивати електрони з атомів, створюючи вторинні електрони. Це відбуватиметься доти, поки енергії розсіяних квантів і електронів не стануть настільки малими, що вони не зможуть брати участь у процесах взаємодії.

Таким чином, при комптонівському розсіюванні, як і при фотоефекті, частина енергії первинних квантів перетворюється в енергію заряджених частинок (електронів віддачі), а частина залишається у вигляді енергії розсіяного рентгенівського випромінювання.

Обидва види розсіювання когерентне і некогерентне спостерігаються звичайно одночасно, однак один вид, як правило, переважає над іншим. Розсіювання високоенергетичного випромінювання в речовині з малим атомним номером є переважно некогерентним (комптонівським), а низькоенергетичного випромінювання в речовині з великим атомним номером когерентним.

У разі, коли енергія квантів перевищує подвійну енергію спокою електрона (1,02 МеВ), крім фотоефекта та комптон-ефекту, спостерігається новий вид взаємодії квантів з речовиною поблизу атомного ядра: поглинання кванта з утворенням пари позитрон-електрон. Сумарна кінетична енергія обох частинок, відповідно до закону збереження енергії, дорівнює h1, але вона по-різному може бути розподілена між ними. Найбільш імовірний випадок рівності енергії. Створені позитрон і електрон розлітаються в таких напрямках, щоб геометрична сума їх кількостей руху плюс кількість руху частинки, у полі якої утворилася пара, дорівнювала кількості руху первинного кванта.

Кожен із розглянутих ефектів взаємодії випромінювання з речовиною проявляється в різних областях на площині Z - E (атомний номер поглинального атома - енергія квантів). Цей висновок ілюструє діаграма Еванса (рис. 4.2). Для цієї речовини у випадку квантів малих енергій основний вид взаємодії - фотоефект. Зі збільшенням енергії падаючих квантів переважну роль починає відігравати спочатку комптон-ефект, а потім ефект утворення позитрон-електронних пар. Роздільні графіки на рис. 4.2 відповідають рівності внеску розглянутих ефектів у ослаблення випромінювання, що проходить через речовину.

У робочому діапазоні енергій рентгенівських апаратів (до 450 кеВ) основний внесок в ослаблення випромінювання роблять фотоефект і комптон-ефект, а діапазони енергій, у яких переважає перший або другий вид взаємодії, залежать від атомного номера речовини Z. Так, наприклад, для алюмінію (Z = 13) область домінування фотоефекта простирається до 50 кеВ, для заліза (Z = 26) до 100 кеВ, для міді (Z = 29) до 150 кеВ, а для свинцю (Z = 82) до 500 кеВ.

Потік електронів (-випромінювання) проникає в речовину на значно меншу відстань, ніж рентгенівське та -випромінювання, і швидко поглинається речовиною. Взаємодія -випромінювання з речовиною відбувається шляхом пружного та непружного розсіювань, гальмування

Рисунок 4.2 - Діаграма Еванса: А область переваги фотоефекта; В область переваги комптон-ефекту; С область переваги ефекту утворення позитрон-електронних пар

електронів у електричному полі атомів. Пружне розсіювання спостерігається, коли електрони взаємодіють із атомами або з електронами їх оболонок, і полягає в зміні напряму руху електрона без зміни загальної енергії зіштовхнутих частинок. Відхилення електронів від початкового напрямку руху можливе на будь-який кут, але з більшою ймовірністю електрони відхиляються на малі кути. Пружне розсіювання тим більше, чим більший атомний номер речовини. При непружному розсіюванні, що відбувається здебільшого при взаємодії -частинок із орбітальними електронами атома, частина енергії -часток передається орбітальному електрону, що збуджується та іноді залишає атом. Унаслідок непружного розсіювання відбувається іонізація речовини та випущення збудженими атомами характеристичного випромінювання.

Потік -частинок, проходячи через шар речовини, так само як потік -частинок, досить швидко загасає. У речовині -частинки зазнають пружніх і непружніх зіткнень, унаслідок чого змінюється напрямок руху, зменшується інтенсивність і випромінювання повністю загасає. Цей вид випромінювання в неруйнівному контролі застосовується рідко.

Нейтрони не мають електричного заряду, тому їх взаємодія відбувається з атомними ядрами. Ймовірність їх зустрічі залежить від хімічного складу та структури речовини, а також від енергії нейтрона набагато більше, ніж для інших видів випромінювань, Тому цей вид випромінювання не знайшов широкого застосування в мікродіагностиці матеріалів.

4.4 Джерела іонізуючого випромінювання

Радіоізотопні джерела випромінювання. Основою радіоізотопних джерел є штучні ізотопи, що отримують шляхом опромінення нерадіоактивних речовин у нейтронних потоках ядерних реакторів або на циклотронах, а також шляхом розділення продуктів ділення ядерного реактора. Радіоактивний ізотоп є випромінювальною (активною) частиною джерела, що визначає його активність і спектр випромінювання.

Радіоізотопні джерела мають дискретний спектр випромінювання, що складається звичайно з потоку часток і -квантів із різною енергією. Вони можуть створювати всі види іонізуючих випромінювань: -випромінювання, -випромінювання, -випромінювання, гальмівне та нейтронне випромінювання. Радіоізотопні джерела створюють неперервне випромінювання, інтенсивність якого з часом зменшується, тому такі джерела зберігаються в захисних контейнерах, а поза межами робочого часу поміщаються в спеціальні сховища. Під час використання важливо знати дату виготовлення джерела та враховувати зниження інтенсивності випромінювання. Цю особливість враховують під час організації неруйнівного контролю та створення апаратури шляхом введення необхідного запасу чутливості та додаткових регулювань. Побудова одного з таких джерел схематично наведена на рис. 4.3.

Рисунок 4.3 - Радіоізотопне джерело випромінювання: 1 - радіоактивна речовина; 2 - захисний корпус; 3 - кришка; 4 - внутрішня оболонка ампули; 5 - герметик

Прискорювачі заряджених частинок (як правило, електронів) безпосередньо створюють потік частинок, що рухаються з певною енергією, яка залежить від його режиму роботи. З їх допомогою при достатній швидкості руху електронів можна отримати різні види корпускулярних випромінювань та -випромінювання шляхом бомбардування спеціально підібраних мішеней. Так, використовуючи мішені з дейтерію, тритію, берилію, урану або вісмуту, під час бомбардування їх електронами можна отримати нейтронне випромінювання, а мішені з вольфраму або молібдену створюють гальмівне -випромінювання.

Гальмівне випромінювання, отримане за допомогою опромінення мішені від прискорювачів, має немоноенергетичний спектр, подібний до випромінювання рентгенівської трубки. Розмір фокусної плями вторинного гальмівного випромінювання прискорювачів становить частки квадратного міліметра.

Бетатрон є потужним джерелом електронів, побудованим на базі циклічного індукційного прискорювача (рис. 4.4 - поперечний розріз).

Основними частинами бетатрона є потужний електромагніт 1, що має осьову симетрію. Електрони в бетатроні рухаються в його магнітному полі, що наростає в часі, під дією індукованого вихрового прискорювального електричного поля, силові лінії якого - коаксіальні кола. Обмотки електромагніта 1 живляться від мережі змінного струму.

Рисунок 4.4 - Схема конструкції бетатрона: 1 - електромагніт; 2 - інжектор; 3 - вакуумна камера; 4 - вакуумний насос; 5 - мішень

На початку періоду інжектор 2, виконаний у вигляді високовольтної електронної гармати (катод, прискорювальний електрод і анод), створює в порожнині вакуумної камери 3 потік електронів, що рухається по дотичній до центрального кола камери. За чверть періоду живлячої напруги (близько 5 мс при частоті 50 Гц) електрони роблять кілька мільйонів обертів і набувають необхідної енергії. Наприкінці чверті періоду, коли відбувається прискорення, на обмотки електромагніта (не показані на рис. 4.4) подається імпульс струму, що змушує електрони зрушитися з орбіти, і вони потрапляють у потрібну область поза камерою на мішень 5, встановлену для одержання гальмівного випромінювання. Змінюючи момент подачі імпульсу струму в обмотках, можна регулювати енергію електронів, що потрапляють на мішень.

Лінійні прискорювачі відрізняються тим, що прискорені електрони рухаються по траєкторіях, близьких до прямих ліній. Порівняно з іншими джерелами гальмівного випромінювання вони дають більшу інтенсивність випромінювання.

Лінійні прискорювачі можуть використовувати різні принципи прискорення: електростатичний, каскадний, імпульсний, індукційний і резонансний. Найбільше застосування в промисловості отримали лінійні резонансні прискорювачі (рис. 4.5), побудовані на використанні електромагнітної біжучої хвилі, створеної магнетронним НВЧ-генератором у діафрагмованому хвилеводі.