Повышение чувствительности р адиографических фотоматериалов применением экранов, содержащих соединения элементов с высоким атомным номером в полимерном связующем

Н. И. Ли, А. С. Хабибуллин

ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ Р АДИОГРАФИЧЕСКИХ ФОТОМАТЕРИАЛОВ ПРИМЕНЕНИЕМ ЭКРАНОВ, СОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ С ВЫСОКИМ АТОМНЫМ НОМЕРОМ В ПОЛИМЕРНОМ СВЯЗУЮЩЕМ

Ключевые слова: радиографические фотоматериалы, микрокристаллы галогенида

серебра, качество изображения, усиливающий экран, оптическая плотность.

Установлено, что соединения элементов с высоким атомным номером, введенные в виде дисперсии в полимер-желатиновый слой, позволяют повысить чувствительность радиографического фотоматериала, то есть выполняют функцию усиливающего экрана. Введение в эмульсионный слой или смежный с ним грунт-слой BaS04 и Pb304 также повышают радиационную чувствительность фотоматериала.

Keywords: x-ray films, microcrystal silver halides, quality of image, intensifying screen, optical

density.

It is shown that compounds of elements with high atomic number in polimer -gelatine layers increase speed of X-ray films. In this case layer carry out the function of intensifying screen. BaSo4 and Pb304 in emulsion laye or coat-layer increase speed of x-ray films also.

Ранее было установлено [1], что электроны, эмиттируемые из усиливающих экранов, при поглощении ионизирующего излучения имеют длину пробега, сравнимую с толщиной радиографического фотоматериала. Исходя их этого, а также учитывая высокую квантовую неоднородность ионизирующего излучения, была рассмотрена гипотеза о возможности замены сплошного (монолитного) металлического усиливающего экрана на экран, который представляет собой дисперсию химических соединений элементов с высоким атомным номером в полимерном связующем.

Предварительные эксперименты подтвердили правильность выбранного направления. Принципиально возможно использование любых соединений с высоким атомным номером, образующих дисперсии в водной полимер-желатиновой среде, или растворимых в этой среде и кристаллизующихся на стадии студенения и сушки слоя.

В данной работе проведены исследования по применению следующих соединений: иодид свинца, сульфид свинца, ацетат хрома, оксид свинца (II), оксид свинца (II, IY), сульфат бария, вольфрамат натрия. Исследуемые соединения вводили в 10 %-ный полимер-желатиновый раствор в таких количествах, чтобы политый на подложку усиливающий (активный) слой имел при толщине 50 мкм нанос исследуемого соединения 50-400 г/м2.

Фотографическое действие соединений на радиационную чувствительность радиографических фотоматериалов оценивали сенситометрическим методом. Критерием действия являлось отношение оптической плотности изображения, полученной при

экспонировании с экраном (й э), к плотности изображения при экспонировании без усиливающего экрана (йбэ). Экспонирование осуществляли гамма-излучением радиоактивного изотопа иридий-192. В экспериментах использовали эмульсионные слои, содержащие микрокристаллы галогенида серебра со средним размером а = 1,76 мкм.

Для определения поглощения ионизирующего излучения была разработана методика, сущность которой изложена ниже. Лист «стандартного» радиографического фотоматериала разрезали на несколько частей. В качестве «стандартного» использовали образец радиографического фотоматериала со средним размером микрокристаллов галогенида серебра а = 1,49 мкм. Одну из частей листа экспонировали за ступенчатым металлическим клином с определенной дозой на 15-ом поле сенситограммы (табл. 1), обрабатывали в проявителе «Рентген-2» и фиксаже БКФ. По результатам измерения оптических плотностей строили кривую зависимости оптической плотности (й) от дозы (Н)или от логарифма дозы (1§ Н) облучения (рис. 1).

Таблица 1 - Технические характеристики алюминиевого клина, используемого при экспонировании радиографических фотоматериалов

Номер ступени Толщина, мм Кратность ослабления,К Доза облучения, мР Логарифм дозы

1 41 27,84 0,32 1,50

2 35 20,17 0,44  ,64

3 30 14,61 0,62  ,79

4 25 10,33 0,87  ,94

5 21 7,68 1,17 0,06

6 17 5,68 1,58 0,20

7 13 4,02 2,24 0,35

8 11 3,34 2,69 0,43

9 9 2,72 3,31 0,52

10 7 2,21 4,07 0,61

11 5 1,79 5,01 0,70

12 4 1,60 5,62 0,75

13 3 1,43 6,27 0,80

14 2 1,27 7,08 0,85

15 1 1,13 7,96 0,90

16 - - 9,00 0,96

Радиографический фотоматериал, степень поглощения ионизирующего излучения которого необходимо измерить, помещали между ступенчатым клином и стандартным образцом радиографической пленки. Если степень поглощения ионизирующего излучения у исследуемого образца мала, то можно уложить вместе П-слоев. После экспонирования,

химико-фотографической обработки и измерения оптических плотностей в тех же координатах строили аналогичную кривую. Обе кривые подобны между собой, но вторая кривая сдвинута влево относительно первой за счет поглощения дозы излучения исследуемым образцом.

Рис. 1 - Схематическое изображение радиографического фотоматериала,

содержащего соединения элементов с высоким атомным номером в эмульсионном слое и грунтовом слое (А - в эмульсионном слое; Б - в грунтовом слое): 1 -защитный слой; 2 - эмульсионный слой, содержащий соединения элементов с высоким атомным номером; 3 - основа триацетатцеллюлозная; 4 - контрслой; 5 - грунт-слой; 6 - эмульсионный слой

Поглощенную дозу вычисляли по формуле

н = Н0 - Нп ; п ’

где Н - поглощенная доза ионизирующего излучения; Но - доза излучения, падающая на стандартный фотоматериал без исследуемого материала; Нп - доза излучения, падающая на стандартный фотоматериал за исследуемым материалом; п - количество слоев исследуемого материала.

Так как поглощенная доза излучения, так же как и радиационная чувствительность радиографического фотоматериала, однозначно связана со значением оптической плотности и определяется из характеристической кривой, то погрешность измерения равна ранее рассчитанной погрешности для стандартного образца пленки и соответствует 10 %.

Эксперименты показали, что все выбранные соединения повышают оптическую плотность радиографического фотоматериала. Однако наибольшее увеличение плотности показали иодид свинца и оксид свинца (II, 1У). Слои, содержащие эти соединения, как показали эксперименты, проведенные по методике, описанной выше, показали наибольшее поглощение ионизирующего излучения. В испытываемом интервале наноса соединений наблюдалось повышение фотографического действия с увеличением наноса.

Электроны, образующиеся при поглощении ионизирующего излучения, как показано в [1], проходят расстояние более 200 мкм, поэтому на фотографическое действие усиливающего экрана, изготовленного из дисперсии соединений с высоким атомным номером, может оказывать влияние соотношение желатин - активное соединение (рэкр). Это же соотношение может оказывать влияние на качество изображения. Для проверки этого предположения изготавливали образцы усиливающих экранов из оксида свинца (II, 1У), в которых рэкр изменяли от 0,4 до 7,2. Фотографическое действие оценивали величиной отношения оптической плотности, полученной при экспонировании с экраном (э), к плотности при экспонировании без экрана (йбэ), а качество изображения оценивали по с помощью проволочных эталонов чувствительности, рекомендованных ГОСТ 7512-90. Эти эталоны представляют собой серию проволочек, установленных параллельно друг другу в порядке нарастания диаметра, изменяющегося в геометрической прогрессии с показателем 1,25 [2]. Эталоны помещали на металлический клин. Образцы исследуемых радиографических материалов помещали за этим клином и экспонировали. Результаты экспериментов представлены в табл. 2.

Эксперименты показали, что увеличение соотношения желатин - оксид свинца (II, IV) выше 1,2 приводит к уменьшению фотографического действия в 2,0 - 2,5 раза при незначительном снижении качества изображения. Поглощение ионизирующего излучения не изменилось, и в целом доза излучения, падающего на эмульсионный слой, оставалась постоянной. Снижение фотографического действия, вероятно, объясняется тем, что увеличение количества желатина приводит к тому, что электроны, образующиеся в усиливающем экране, имеют длину пробега недостаточную, чтобы выйти за пределы экрана, и достигнуть эмульсионного слоя. В этом случае экран играет роль обычного фильтра, поглощающего излучение (в том числе и рассеянное), падающего на эмульсионный слой, и за счет этого снижающего фотографическое действие.

Согласно результатам, полученным ранее [1], электроны, образующиеся при поглощении ионизирующего излучения, проходят значительное расстояние, прежде чем достигнут микрокристаллы галогенида серебра и передадут им свою энергию. Часть этой энергии теряется в экране, в воздушном зазоре, который всегда имеется между фотоматериалом и экраном, в защитном слое, в желатине эмульсионного слоя.

Для устранения потерь энергии электронов целесообразно привести в максимальный контакт соединения элементов с высоким атомным номером, эффективно поглощающие рентгеновское и гамма-излучения, и микрокристаллы галогенида серебра, находящиеся в эмульсионном слое. Малое расстояние между элементом, эффективно поглощающим ионизирующее излучение, и микрокристаллом галогенида серебра позволит использовать энергию вторичных электронов с минимальными потерями. Добиться указанного эффекта можно двумя путями.

Первый состоит в том, что соединения, содержащие элементы с высоким атомным номером ввести в состав эмульсионного слоя. Второй путь состоит в том, что эти соединения нанести в виде грунтового слоя, находящегося в непосредственном контакте с эмульсионным слоем.

Таблица 2 - Влияние различного соотношения желатин - оксид свинца (II, ГУ) в усиливающем экране на оптическую плотность и качество изображения радиографического фотоматериала

Соотношение желатин-оксид свинца (II, ГУ), Рэкр йэ / Обэ Диаметр выявляемой проволочки, мм Поглощенная доза облучения,Р

7,2 0,82 0,16 0,0095

6,4 0,80 0,12 0,0095

5,2 0,85 0,10 0,0097

4,0 0,87 0,10 0,0095

3,1 0,92 0,08 0,0096

2,1 1,10 0,05 0,0093

1,2 2,20 0,05 0,0095

0,6 2,40 0,05 0,0097

0,4 2,40 0,05 0,0095

Схематические изображения радиографических фотоматериалов, содержащих соединения элементов с высоким атомным номером, представлены на рис. 2.

Рис. 2 - Определение поглощения ионизирующего излучения: 1 - характеристическая кривая стандартной радиографической пленки (1); 2 - характеристические кривые стандартной радиографической пленки, помещенной за исследуемым фотоматериалом (2,3,4). П=1 - один слой исследуемого фотоматериала; П=3 - три слоя исследуемого фотоматериала

При введении в эмульсионный слой этих соединений они должны удовлетворять следующим основным требованиям:

• иметь высокий атомный номер, чтобы согласно результатов, полученных ранее, значительно увеличить поглощение ионизирующего излучения;

• не вызывать вуалирования или десенсибилизации микрокристаллов галогенида серебра;

• совмещаться с желатином и полимером и не высаживаться в процессе формирования эмульсионного слоя;

• не высаживать микрокристаллы галогенида серебра.

В наибольшей степени эти требованиям удовлетворяют сульфат бария и оксид свинца (II, IX).

Эти соединения диспергировали в полимер-желатиновой среде и вводили в состав эмульсии на стадии подготовки к поливу. Эмульсии, содержащие исследуемые соединения, наносили на триацетатцеллюлозную основу. В другом случае полимер-желатиновый раствор, содержащий сульфат бария и оксид свинца (II, ГУ), наносили на основу в виде грунтового слоя, а поверх этого слоя наносили эмульсионный слой.

Рентгеносенситометрические показатели и поглощение ионизирующего излучения определяли по методике, описанной выше. Результаты представлены в табл. 3.

Эксперименты показали, что введение в эмульсионный слой или смежный с ним грунт-слой сульфата бария или оксида свинца (II, IV) или смеси этих соединений позволяет повысить чувствительность радиографического фотоматериала в 1,2 - 3,0 раза. Вероятно, это является следствием повышения степени поглощения ионизирующего излучения, так как поглощение радиографического материала, содержащего исследуемые соединения, увеличивалось в 1,5-83,7 раза по сравнению с контрольным образцом. Совмещение соединений, эффективно поглощающих излучение, с микрокристаллами галогенида серебра, устраняет потери энергии электронов в экране, воздушной прослойке и в защитном слое фотоматериала.

Кроме того, как показали эксперименты [1], введение сульфата бария или оксида свинца (II, IV) в эмульсионный слой или смежный с ним грунтовый слой в сочетании с химико-фотографической обработкой в физических проявителях (медном боргидридном или никельгидразинборановом) позволяет одновременно с повышением чувствительности снизить нанос серебра на радиографическом фотоматериале.

На основе анализа результатов экспериментов можно сделать следующие выводы:

1. установлено, что соединения элементов с высоким атомным номером (оксид свинца (II, IV), иодид свинца, вольфрамат натрия), введенные в виде дисперсии в полимер-желатиновый слой, позволяют повысить чувствительность радиографического фотоматериала в 1,5 - 2,5 раза, то есть такой слой выполняет функцию усиливающего экрана.

2. показано, что введение в эмульсионный слой или смежный с ним грунт-слой сульфата бария и оксида свинца (II, IV) позволяет повысить радиационную чувствительность радиографического фотоматериала в 1,5 - 3,0 раза. Установлено, что это является следствием увеличения поглощения ионизирующего излучения и более эффективного использования энергии вторичных электронов, образующихся при поглощении.

Таблица 3 - Гаммасенситометрические показатели экспериментальных образцов радиографического фотоматериала, содержащего химические элементы с высоким атомным номером

Иссле- дуемое Наименование слоя радиографического материала с исследуемым соединением Исследуемое соеди- Гаммасенситометрические показатели Нанос серебра. Погло- щенная доза, Р

соеди- нение нение, моль/моль AgHal Чувст- витель- ность, So,85 Средний градиент, G Плотность вуали, Do г/м

PbsO4 эмульсионный слой 0,3 13,6 2,4 0,08 15,8 0,00014

PbsO4 эмульсионный слой 12,5 15,5 2,3 0,10 16,3 0,00061

PbsO4 эмульсионный слой 25,0 25,5 2,4 0,14 15,8 0,00123

BaSo4 эмульсионный слой 12,5 11,5 2,3 0,12 15,9 0,00069

BaSo4 эмульсионный слой 25,0 13,6 2,3 0,10 16,2 0,00015

BaSO4 эмульсионный слой 80,0 14,5 2,4 0,12 17,0 0,00048

РЬз04+ BaSo4 (1:1) эмульсионный слой 59,0 18,5 2,4 0,08 16,3 0,00174

Pb3O4 грунт-слой 25,0 14,8 2,4 0,10 16,1 0,00127

Pb3O4 грунт-слой 50,0 19,0 2,5 0,14 17,0 0,00221

Pb3O4 грунт-слой 100,0 26,5 2,5 0,13 16,8 0,00467

Pb3O4 грунт-слой 160,0 29,0 2,5 0,14 16,9 0,00753

BaSO4 грунт-слой 50,0 13,5 2,4 0,18 16,5 0,00031

BaSO4 грунт-слой 100,0 15,0 2,4 0,08 15,9 0,00063

Контр. - - 10,0 2,4 0,05 16,1 0,00009

Литература

1. Ли, Н.И. Особенности формирования радиографических изображений в полимер-желатиновой матрице галогенидосеребряных фотоматериалов / Н.И. Ли, А.С. Хабибуллин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №10 - С. 39-46

2. Румянцев, С.В. Радиационная дефектоскопия / С.В. Румянцев. - М.: Атомиздат, 1974. - 513 с.

© Н. И. Ли - канд. техн. наук, доц. каф. технология полиграфических процессов и кинофотоматериалов КГТУ, e-mail: ninel@kstu.ru; А. С. Хабибуллин - канд. техн. наук, доц. зав. каф. технология полиграфических процессов и кинофотоматериалов КГТУ.