V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Защитные покрытия обеспечивают долговременную защиту деталей и механизмов от коррозии. Защитные свойства покрытия определяются его толщиной. В данной работе проведены результаты исследований по альбедо-контролю толщины покрытия, т.е. по измерению толщины покрытия при одностороннем доступе к изделию по интенсивности потока обратно рассеянного излучения. Реализация метода основана на облучении изделия первичным пучком гамма-квантов от изотопа Америций-241 с энергией 60 кэВ и регистрацией квантов, рассеянных в заднее полупространство от материала покрытия.

Для решения данной задачи был разработан прибор ТКП-01 (рисунок 1). Основой измерительного преобразователя данного прибора является радиоизотоп Америций-241 с энергией 60 кэВ и сцинтилляционный детектор для регистрации квантов рассеянного излучения.

Рисунок 1. Толщиномер покрытий ТКП-01

На рисунке 2 представлена геометрия контроля и конструкция измерительного преобразователя.

Первичный поток квантов с энергией 60 кэВ, выходящий из активной поверхности источника, диаметром 8мм, распределен в пределах телесного угла в 48^о. А угол регистрации гамма-квантов детектором, диаметром 16мм, равен 44^о. Зона перекрытия выходящего пучка излучения и зоны чувствительности детектора составляет рассеивающий объем ABCD.

Для целей толщинометрии при одностороннем доступе используют обратно рассеянные гамма-кванты. Углы рассеяния для данной конструкции лежат в интервале от 64^о до 156^о.

Рисунок 2. Конструкция измерительного преобразователя. Геометрия контроля.

Рассеивающий объем представляет собой фигуру ABCDA'B'C'D' изображенную на рисунке 3. Величина объема V рассчитывается как сумма объемов двух призм ABCA'B'C' и ACDA'C'D'.

V=VABCA'B'C'+VADCA'D'C'=S1h+S2h=4.5*3+2*3=19.5(мм2)

Рисунок 3. Форма рассеивающего объема.

Учитывая, что энергия квантов первичного излучения равна 60 кэВ и диапазон углов рассеяния составляет от 64^о до 156^о, можно вычислить энергию рассеянных квантов в этом диапазоне углов по формуле (1).

EsE0,Qs=E01+E0m0c2(1-cosQs), (1)

где m₀с² – энергия покоя электрона, равная 0,511 МэВ

Результаты вычислений представлены в таблице 1.

Таблица – 1 Результаты расчета энергий гамма-квантов после рассеяния.

Qs	64о	80о	90о	100о	110о	120о	130о	140о	156о
Es, МэВ	0,056	0,055	0,054	0,053	0,052	0,051	0,050	0,050	0,049

На рисунке 4 приведена графическая зависимость энергии рассеянных гамма-квантов Esот угла рассеяния Qs

Рисунок 4. Графическая зависимость энергии рассеянных гамма-квантов Esот угла рассеяния Qs_.

Видно, что с увеличением угла рассеяния энергия рассеянных гамма-квантов уменьшается.

Главной характеристикой материала, определяющей вероятность рассеяния на угол Qs, является сечение комптоновского рассеяния. Дифференциальное сечение комптоновского рассеяния для числа фотонов, рассеянных в единичный телесный угол под углом Qs в расчете на один электрон описывается формулой Клейна-Нишины-Тамма:

dσ(Qs)dΩ=r022[11+α0(1-cosQs)]2×[1+cos2Qs+α02(1-cosQs)21+α0(1-cosQs)] , (2)

где r0=e2m0c2- классический радиус электрона, r02=3.95×10-26 см²

^α0=E0m0c2

Результат расчетов дифференциального сечения комптоновского рассеяния по формуле (2) для гамма-квантов с энергией 60 кэВ представлен в таблице 2

Таблица – 2 Значения дифференциального сечения комптоновского рассеяния

Угол рассеяния Qs, град	Е0 = 60кэВ
64о	2,223×10-26
80о	1,889×10-26
90о	1,817×10-26
100о	1,857×10-26
110о	2,003×10-26
120о	2,22×10-26
130о	2,489×10-26
140о	2,791×10-26
156о	3,193×10-26

Для экспериментальной обработки геометрии и определения метрологических характеристик прибора в качестве основы использовалось орг.стекло, а в качестве покрытия – алюминиевая фольга.

Вычислим количество электронов в одном кубическом сантиметре алюминия и орг.стекла по формуле:

Nэ=Nа×Z , (3)

где Z – порядковый номер элемента, Nа – количество атомов в 1 см³ материала.

Расчет для алюминия Z=13:

Nа=6,02*1023*ρМAl , (4)

где 6.02*10²³ – число Авогадро;

МAl - массовое число атома ²⁷Al, равное 27 г/моль;

ρ - объемная плотность материала 2,7 г/см³

Nа=6,02*1023*2,727=0,602*1023 (5)

Соответственно количество электронов N_э в 1 см³ алюминия

N_э= 0,602*10²³*13 = 7,826*10²³ (6)

При аналогичных вычислениях для 1 см³ материала из орг.стекла получаем:

Nа=6,02*1023*1,19100=0,072*1023 (7)

N_э= 0,075*10²³*54 = 3,888*10²³ (8)

Анализ результатов расчетов сечений взаимодействия для материалов алюминия и орг.стекла показывает, что при энергии 60 кэВ и плотности соответственно ρ = 2,7г/см³ и ρ = 1,19г/см³ сечения рассеяния равны 15,68∙10^-3 см^-1 и 7,79∙10^-3 см^-1. Следовательно интенсивность потока рассеянных квантов от насыщенного слоя алюминия будет превышать интенсивность потока рассеянных квантов от насыщенного слоя орг.стекла. Тогда зависимость числа рассеянных квантов от толщины покрытия из алюминия представляет собой экспоненту, изменяющуюся с увеличением d_покр. от n_{нас.орг.ст.} до n_нас.Al.

Из рисунка 5 видно, что при увеличении толщины слоя алюминия на насыщенной подложке из орг.стекла число рассеянных квантов будет увеличиваться в пределах от n_{насыщ.орг.ст.} до n_нас.Al.

Рисунок 5. Графическая зависимость количества рассеянных квантов от алюминия и орг.стекла от толщины рассеивателя.

Полное количество квантов попавших на детектор определяется однократно и многократно рассеянными квантами. Количество однократно рассеянных квантов считается аналитически. А вклад многократного рассеяния может быть рассчитан только с помощью метода Монте-Карло. Данный метод основан на непосредственном вычислении большого числа траекторий квантов, при котором последовательные акты рассеяния рассматриваются как последовательность случайных процессов.

Код для цитирования: Скопировать