УСТРОЙСТВО РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНОГО КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, конкретно к толщинометрии, и непосредственно предназначенного для рентгенофлуоресцентного контроля толщины покрытия со стороны покрытия.
Уровень техники.
Известны устройства рентгенофлуоресцентного контроля толщины покрытия, содержащие источник и детектор излучения, подключенный к выходу этого детектора измеритель потока фотонов рентгенофлуоресцентного излучения покрытия и регистратор [1]. В таких устройствах регистратор подключен непосредственно к выходу измерителя потока фотонов рентгенофлуоресцентного излучения покрытия, и зарегистрированное значение этого потока является мерой толщины покрытия. Недостаток устройств - аналогов состоит в низкой надежности результатов контроля при случайных изменениях параметров основы, на которое нанесено контролируемое покрытие. Это обусловлено эффектом возбуждения фотонами рассеянного излучения рентгенофлуоресцентного излучения покрытия.
Известно устройство рентгенофлуоресцентного контроля толщины покрытия, содержащее источник и детектор излучения, подключенные к выходу этого детектора измеритель потока фотонов рентгенофлуоресцентного излучения покрытия и измеритель потока фотонов рассеянного излучения, регистратор и блок вычитания, один из входов которого подключен к выходу измерителя потока фотонов рентгенофлуоресцентного излучения покрытия непосредственно, второй его
выч
s
p
p
x
xs
x
xs
s
x
xs
вход - к выходу измерителя потока фотонов рассеянного излучения через делитель, устанавливающий значение вычитаемой части сигнала K, соответствующего значению потока фотонов рассеянного излучения, а выход - ко входу регистратора [2]. По количеству общих признаков и достигаемому результату это техническое решение наиболее близко к заявляемому и выбрано в качестве его прототипа. За чет того, что при работе устройства из регистрируемого сигнала вычитается часть сигнала, соответствующая величине потока рассеянного излучения, надежность результатов контроля существенно повышается. Однако, при переходе на контроль толщины покрытия, регламентированное значение которой имеет другое значение, надежность получаемых результатов при случайных изменениях параметров основы уменьшается. Обусловлено это следующим. При работе устройства определяющими являются потоки фотонов вторичного излучения, распространяющегося в направлении источника и детектора излучения - это поток N фотонов рассеянного излучения и поток N фотонов рентгенофлюоресцентного излучения покрытия, представляющий собой сумму двух компонентов N=N+N. N - компонент потока фотонов рентгенофлюоресцентного излучения покрытия, обусловленный возбуждением атомов его материала фотонами первичного излучения. N - компонент потока фотонов рентгенофлюоресцентного излучения покрытия, обусловленный возбуждением атомов его материала фотонами рассеянного излучения. Значения N, N и N определяются следующими выражениями
0
oc
1oc
Здесь N - поток первичного излучения, σ - коэффициент, определяющий вероятность рассеяния в направлении детектора фотонов первичного излучения, ρ - плотность материала основы, μ -
soc
oc
1n
sn
n
n
xn
s
sn
коэффициент ослабления первичного излучения для материала основы, μ коэффициент ослабления рассеянного излучения для материала основы, h - толщина основы, μ коэффициент ослабления первичного излучения для материала покрытия, μ коэффициент ослабления рассеянного излучения для материала покрытия, h - регламентированное значение толщины покрытия, подлежащей контролю, τ - коэффициент преобразования фотонов первичного излучения в фотоны рентгенофлуоресцентного излучения покрытия, ρ - регламентированное значение плотности материала покрытия, μ - коэффициент ослабления рентгенофлуоресцентного излучения покрытия для материала покрытия, τ - коэффициент, определяющий вероятность преобразования фотонов рассеянного излучения в фотоны рентгенофлуоресцентного излучения покрытия, μ - коэффициент ослабления рассеянного излучения для материала покрытия.
s
s
xs
Для уменьшения громоздкости формул для описания N, N и N угол между направлением первичного и направлением подлежащих регистрации рассеянного и рентгенофлуоресцентного излучений взят равным 180°.
xs
oc
n
Как видно из (1), (2) и (3), компенсация в соответствии с [2] значения N, являющегося источником погрешности при случайных изменениях h, может быть осуществлена для одного, наперед заданного значения h.
Сущность полезной модели.
Задачей разработки полезной модели является создание такого устройства рентгенофлуоресцентного контроля толщины покрытия, которое было бы свободно от недостатка прототипа. Эта задача решается тем, что устройство рентгенофлуоресцентного контроля толщины покрытия,
выч
s
n
sn
xn
n
выч
содержащее источник и детектор излучения, подключенные к выходу этого детектора измеритель потока фотонов рентгенофлуоресцентного излучения покрытия и измеритель потока фотонов рассеянного излучения, регистратор и блок вычитания, один из входов которого подключен к выходу измерителя потока фотонов рентгенофлуоресцентного излучения покрытия непосредственно, второй его вход - к выходу измерителя потока фотонов рассеянного излучения через делитель, устанавливающий значение вычитаемой части сигнала К, соответствующего значению потока фотонов рассеянного излучения, а выход - ко входу регистратора, дополнительно содержит задатчик значения коэффициента τ, преобразования фотонов рассеянного излучения в фотоны рентгенофлуоресцентного излучения покрытия, задатчик регламентированного значения плотности ρ материала покрытия, задатчик значения коэффициента μ ослабления рассеянного излучения для материала покрытия, задатчик значения коэффициента μ ослабления рентгенофлуоресцентного излучения покрытия для материала этого покрытия, задатчик регламентированного значения толщины h покрытия, а делитель выполнен в виде имеющего пять управляющих входов вычислителя, причем каждый из этих входов подключен к соответствующему задатчику, а вычислитель настроен на вычисление значения K по соотношению:
0
x
s
Чертеж иллюстрирует сущность полезной модели, где позицией 1 обозначен источник излучения; позицией 2 - покрытие; позицией 3 - основа; позицией 4 - поток N фотонов первичного излучения; позицией 5 -компонент N потока фотонов рентгенофлуоресцентного излучения покрытия 2, обусловленный возбуждением атомов его материала первичным излучением; позицией 6 - поток N фотонов рассеянного излучения;
xs
s
sn
n
n
позицией 7 - компонент N потока фотонов рентгенофлуоресцентного излучения покрытия 2, обусловленный возбуждением атомов его материала рассеянным излучением; позицией 8 - детектор излучения; позицией 9 - измеритель потока фотонов рентгенофлуоресцентного излучения покрытия 2; позицией 10 - измеритель потока фотонов рассеянного излучения; позицией 11 - блок вычитания; позицией 12 - регистратор; позицией 13 - вычислитель; позицией 14 - задатчик значения τ коэффициента преобразования фотонов рассеянного излучения в фотоны рентгенофлуоресцентного излучения покрытия 2; позицией 15 - задатчик значения коэффициента μ ослабления рассеянного излучения для материала покрытия 2; позицией 16 - задатчик значения коэффициента ослабления рентгенофлуоресцентного излучения покрытия 2 для материала этого покрытия; позицией 17 - задатчик значения регламентированной толщины h покрытия 2; позицией 18 - задатчик значения регламентированной плотности ρ материала покрытия 2.
Пример
57
В качестве источника 1 взят радионуклид Со с энергией излучаемых фотонов 122 кэВ, а в качестве детектора 8 - спектрометрический сцинтилляционный счетчик. К выходу этого счетчика подключены измеритель 9 и измеритель 10. В качестве измерителя 9 взят дифференциальный амплитудный дискриминатор импульсов с интегратором на своем выходе, а в качестве измерителя 10 - интегральный амплитудный дискриминатор импульсов, так же с интегратором на своем выходе. Выход измерителя 9 подключен к первому входу блока 11 непосредственно, а выход измерителя 10 подключен ко второму входу блока 11 через вычислитель 13, который выполняет функцию делителя. К первому управляющему входу вычислителя 13 подключен задатчик 14, к его второму управляющему входу - задатчик 15, к его третьему управляющему входу - задатчик 16, к его четвертому управляющему входу - задатчик 17 и к его пятому
управляющему входу - задатчик 18. Вычислитель настроен на определение уменьшающего сигнал измерителя 10 коэффициента
n
n
n
xn
s
В данном конкретном примере контролируется толщина золотого покрытия с регламентированной толщиной h=100 мкм на алюминиевой основе, толщина которой может изменяться от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Задатчики 14, 15, 16, 17, 18 настраиваются на соответствующие параметры, при этом регламентированное значение ρ плотности золотого покрытия берется равным  уплотненное золото. Если это, например, пористое золотое покрытие, значение ρ находится из предварительного эксперимента. Значение μ для золота устанавливается в соответствии с табулированными данными [3] для характеризующей этот элемент энергии рентгенофлуоресцентного излучения, определенной исходя из табулированных данных [4]. Значения τ для золота также устанавливаются в соответствии с [3], но с учетом известной формулы Комптона для сброса энергии при рассеянии фотонов
s
0
0
xn
s
sn
где Е - энергия рассеянного фотона, Е - энергия фотонов первичного излучения (в нашем случае Е=122 кэВ), θ - угол рассеяния. Значения μ, τ и μ могут быть также получены из эксперимента.
x
s
Работает устройство следующим образом. После позиционирования изделия так, чтобы в заданной точке покрытие 2 было обращено к источнику 1 и детектору 8, выходное окно источника 1 открывают. В данном примере энергия фотонов потока N составляет ≈68 кэВ, а энергия фотонов потока N составляет ≈89 кэВ, если угол θ установлен равным 150°. Вследствие
p
x
xs
s
x
xc
выч
s
xc
выч
s
x
n
того, что энергия фотонов потока Ny превышает энергию k - края поглощения для золота, равную 80,713 кэВ, в покрытии возбуждается рентгенофлуоресцентное излучение также с энергией фотонов ≈68 кэВ. Поскольку энергии фотонов рентгенофлуоресцентного рассеянного излучений существенно различны, на выходе измерителя 9 формируется сигнал, пропорциональный N=N+N, а на выходе измерителя 10 - пропорциональный N. На выходе блока 11 и соответственно на входе регистратора 12 действует сигнал, пропорциональный величине N+N-K-N. Но при выполнении условия (4) разность N-КN=0. Поэтому этот сигнал пропорционален лишь величине N, и влияние параметров основы на надежность контроля толщины h, существенно повышается. Это подтверждено экспериментально и доказывается теоретически следующим образом.
xc
выч
s
Запишем значение разности N-КN:
Эта разность может быть равна нулю лишь при условии, когда
выч
Отсюда и вытекает условие оптимальности значения К по критерию исключения влияния параметров основы на надежность контроля толщины покрытия.
По истечении времени Δt, необходимого для достижения допускаемого уровня статистической погрешности измерения, полученный результат регистрируют и переходят к контролю толщины покрытия в следующей точке.
Шкала устройства может быть проградуирована в единицах линейной толщины, в единицах массовой толщины (масса покрытия, приходящаяся на единицу площади), либо в единицах радиационной толщины, характеризующей степень ослабления покрытием выходящего из него излучения.
Промышленная реализация
При реализации заявляемого технического решения используются обычные технологии технические средства. Помимо приведенного примера возможны и другие формы реализации заявляемого технического решения в пределах совокупности ограничительной и отличительной частей формулы полезной модели.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ ПРИ СОСТАВЛЕНИИ ЗАЯВКИ:
1. Мамиконян С.В. Аппаратура и методы флуоресцентного рентгенорадиометрического анализа. - М.: Атомиздат, 1976, 280 С., С.24-36
2. Техническое описание "Радиоизотонный прибор МТ-01", НИИ ИН при ТПУ, г.Томск, сертификат RU.E.38.007. А. №14441, №24536-03 в Государственном реестре средств измерений.
3. Сечения взаимодействия гамма - излучения (для энергий 0,001-100 Мэв и элементов с 1-100): Справочник. Пер. с англ. / Э.Сторм, X.Исраэль - М.: Атомиздат, 1973, 256 С.
4. Стародубцев С.В. Том 1. Ядерная физика. Книга 1. Превращения ядер и атомных оболочек. Изд. ФАН Узб. ССР, 1969, 472 С, С 440.