Разработка и исследование радиационного метода контроля на основе полупроводникового преобразователя жесткого тормозного излучения

Радиационная интроскопия является в настоящее время наиболее оперативным методом контроля, позволяющим получать изображение дефекта непосредственно в момент просвечивания. Современное производство ставит перед интроскопией задачу обнаружения дефектов в изделиях большой толщины (до 40 см стали), которую можно решить, используя мощные источники жёсткого тормозного излучения, в частности бетатроны, микротроны или линейные ускорители. В то же время чувствительность существующих интроскопи-ческих систем оказывается в этом случае слишком низкой либо вследствие низкой эффективности регистрации жёсткого тормозного излучения ускорителя преобразователем, либо из-за больших потерь информации при преобразовании сигнала в канале интроскопа. Таким образом, возникает проблема создания интроскопической системы нового типа на основе преобразователя, обладающего достаточно высокой эффективностью регистрации жёсткого тормозного излучения, и со значительно меньшими потерями информации в канале.

Интроскопические системы на основе флюороскопических экранов обладают низкой чувствительностью из-за малой толщины экранов. В этом плане они не могут конкурировать с системами на основе сцинтилляционных кристаллов, но большое число ступеней преобразования в канале телевизионного интроскопа со сцинтилля-ционным кристаллом приводит к резком/ снижению чувствительности. К недостаткам таких систем следует отнести также низкую надёжность и сложность в эксплуатации вакуумных передающих телевизионных трубок (суперортикона или изокона) и влияние наведённой радиации, засвечивающей кристалл в промежутке между импульсами излучения ускорителя. В то же время использование явления внутреннего фотоэффекта для регистрации жесткого тормозного излучения позволяет производить практически прямое преобразование энергии, поглощенной в преобразователе, в электрический сигнал. Это явление лежит в основе работы рентген-видикона, но его мишень также имеет низкую эффективность регистрации жёсткого тормозного излучения и подвержена воздействию наведённой радиации. Построение интроскопической системы с мозаичным полупроводниковым преобразователем на основе детекторов типа структур металл-диэлектрик-полупроводник-диэлектрик-металл (ЩПДМ) с высокочастотным (ВЧ) смещением позволяет получить высокую эффективность регистрации жёсткого тормозного излучения, дополнительное усиление сигнала до введения его в цепи памяти и сканирования, а также избавиться от влияния наведённой радиации путём очувствления структур на короткое время. Кроме того, такая система является безвакуумной, что выгодно отличает её от имеющихся ин-троскопических систем и соответствует современным тенденциям развития техники визуализации изображений.

Исследованию радиационного метода контроля с использованием полупроводникового преобразователя жёсткого тормозного излучения и посвящена настоящая диссертация.

В первой главе дан обзор и анализ существующих методов и средств преобразования жёсткого тормозного излучения, производится выбор типа детектора и полупроводникового материала, сравниваются чувствительности различных интроскопи-ческих систем.

Во второй главе моделируется перенос быстрых заряженных частиц и гамма-квантов и рассчитываются сигналы и шумы при регистрации жесткого гамма-излучения с учетом переноса заряженных частиц. Подучены спектры жесткого тормозного излучения за стальными поглотителями и энергетические факторы накопления. Рассчитаны зависимости сигнала, отношения сигнал/шум и контраста цри контроле жестким тормозным изучением от толщин поглотителя и преобразователя. По подученным данным определяется дефектоскопическая чувствительность метода.

В третьей главе проводятся расчеты влияния передних и боковых усиливающих экранов из свинца на величины сигнала, отношения сигнал/щум и контраста. Рассчитаны апертур-ные характеристики и взаимное влияние детекторов.

В четвертой главе разработан метод анализа быстрых релаксационных процессов установления равновесия между внешним полем и полем объемного заряда в полупроводнике. В результате подучены эквивалентные схемы детекторов с постоянным и ВЧ смещением, а также импульсные и переходные характеристики ВД1-структуры с постоянным смещением. Подучено выражение для коэффициента усиления ЦЩЦМ-структуры с ВЧ смещением с учетом движения основных носителей, рекомбинации на границах и диффузионного расплывания сгустка избыточных носителей. В конце главы приводятся экспериментальные подтверждения полученных результатов и некоторые практические рекомендации.

В заключении суммируются основные результаты проделанной работы.

Список литературы

содержит 130 наименований отечественных и зарубежных источников*.

Приложения к диссертации содержат блок-схемы программ, таблицы спектров, результаты расчета поглощенной энергии и шумового фактора при взаимодействии гамма-излучения с кремниевым преобразователем, а также акт внедрения.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Метод интроскопического контроля на основе твёрдотельного преобразователя, выполненного с использованием ВД1ДМструктур с ВЧ смещением, при регистрации жесткого тормозного излучения с максимальной энергией 20−30 МэВ и мощностью дозы 3,0.10″ ^ Кл/кг.с (70 Р/мин) позволяет получать высокую надёжность и дефектоскопическую чувствительность, достигающую одного процента при контроле стальных поглотителей толщиной около 10 см.

2. Повышения чувствительности контроля можно достичь, применяя передние и боковые усиливающие экраны, эффективность которых растёт с увеличением толщины контролируемого поглотителя и максимальной энергии спектра жесткого тормозного излучения. Предложенная конструкция преобразователя сотового типа позволяет в несколько раз увеличить дефектоскопическую чувствительность при больших толщинах поглотителя и довести её до одного процента при контроле 30 см стали.

3. Выбор режима работы преобразователя следует производить с учётом того, что нижняя граница допустимых частот ВЧ смещения меняется пропорционально корню квадратному из амплитуды приложенного напряжения.

4. Учёт движения основных носителей заряда, рекомбинации на границах и расплывания сгустка избыточных носителей заряда приводит к уточнению оценки коэффициента усиления детектора на 30%.

По материалам диссертации опубликовано 15 работ в центральной печати, подучено 2 авторских свидетельства на изобретения и положительное решение по заявке на авторское свидетельство. Материалы диссертации докладывались на региональной научно-практической конференции «Молодые учёные и специалисты — народному хозяйству», г. Томск, 1977 г., на второй республиканской научно-технической конференции «Новые физические методы и средства контроля промышленных изделий», г. Минск, 1978 г., на девятой Всесоюзной научно-технической конференции «Неразрушагацие физические методы и средства контроля», г. Минск, 1981 г., на секции полупроводниковых первичных преобразователей седьмого Всесоюзного семинара по оптическим и электрооптическим методам и средствам передачи, преобразования, переработки и хранения информации, г. Москва, 1981 г., на третьем и четвертом Всесоюзных совещаниях по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве, г. Ленинград, 1979 и 1982 гг. и на втором Совещании «Подупроводниковые детекторы ядерного излучения на широкозонных материалах», г. Новосибирск, 1983 г.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Проведены расчёты средней поглощенной энергии и шумового фактора для различных толщин преобразователя из кремния при регистрации жесткого гамма-излучения различных энергий. Получены спектры и энергетические факторы накопления для жесткого тормозного излучения за стальными поглотителями различных толщин.

2. Рассчитаны зависимости сигнала, отношения сигнал/щум и контраста от толщины стального поглотителя для различных толщин преобразователя при контроле жестким тормозным излучением. При мощности экспозиционной дозы 4,3ЛО" 4 Кл/кг.с (100 Р/мин), времени накопления 0,04 с, площади детектора 0,1 см² и толщине преобразователя I см получены значения дефектоскопической чувствительности от 0,65% при контроле 10 см поглотителя до 3% при просвечивании 30 см стали.

3. Показано, что оптимальная толщина переднего усиливагацего экрана из свинца возрастает от 2,2 до 3 мм при увеличении максимальной энергии жесткого тормозного излучения от 20 до 30 МэВ и практически не зависит от толщин кремния и стального поглотителя.

4. Показано, что эффективность оптимального переднего усиливающего экрана растёт при увеличении максимальной энергии жёсткого тормозного излучения, уменьшении слоя кремния и увеличении толщины стали, изменяясь от 1,1 до 1,7 при возрастании слоя поглотителя от 2,5 до 30 см, максимальной энергии спектра 30 МэВ и I см кремния.

5. Показано, что для цилиндрического детектора диаметром.

3 мм с образующей, ориентированной параллельно переносу излучения и равной I см, оптимальная толщина боковых усиливающих экранов из свинца растёт от 0,3 до 0,4 мм при увеличении толщины стального поглотителя от 2,5 до 30 см и максимальной энергии спектра тормозного излучения 20−30 МэВ. Эффективность оптимального бокового усиливающего экрана возрастает от 1,2 до 1,65 при увеличении слоя стали от 2,5 до 30 см, максимальной энергии излучения 30 МэВ и тех же размерах детектора.

6. Рассчитано взаимное влияние детекторов и их апертурные характеристики. Предложена конструкция преобразователя, включающая передние и боковые усиливающие экраны и позволяющая повысить дефектоскопическую чувствительность в 2,7 раза при контроле стального поглотителя толщиной 30 см.

7. Проведён анализ быстрых релаксационных процессов установления равновесия между внешним полем и полем объёмного заряда в полупроводнике, в результате которого получены эквиватент-ная схема ЩПДМ-структуры с постоянным смещением, пределы применимости эквивалентной схемы, импульсные и переходные характеристики детектора излучения на основе ВДПДМ-структуры. Установлена зависимость инерционности такого детектора от степени обеднения полупроводника.

8. Показано, что движение основных носителей в полупроводнике под действием ВЧ напряжения подчиняется уравнению Риккати с одним параметром, характеризующим влияние поля объёмного заряда. Подучены решения этого уравнения для различных значений параметра, из которых следует увеличение инерционности ВДПДМструктуры при уменьшении амплитуды ВЧ напряжения и возможность работы на частотах более 2,5 МГц при амплитуде ВЧ напряжения 100 В для структур на основе кремния р-типа с удельным сопротивлением 10^ Ом. см и толщиной в направлении приложения поля 3 мм. Получено уточнённое выражение для коэффициента усиления детектора с учётом рекомбинации на границах, диффузионного расплывания сгустка избыточных носителей и движения основных носителей.

Исследованный метод может использоваться для контроля жестким тормозным излучением изделий большой толщины. Методика расчёта сигнала и шумов применима для расчёта любых цреобразователей излучения, в том числе с усиливающими экранами, и позволяет проводить оптимизацию с целью получения максимальной чувствительности.

Метод получения эквивалентной схемы ЩПДМ-структуры и рассмотрения динамики образования обеднённой зоны может быть использован в изучении быстрых релаксационных процессов в полупроводниках при различных импульсных воздействиях.

Дальнейшее усовершенствование метода контроля с использованием полупроводникового преобразователя лежит на пути разработки детекторов на основе новых полупроводниковых материалов с большим эффективным атомным номером и плотностью, увеличения разрешающей способности за счёт миниатюризации детекторов и систем сканирования (специализированные микросхемы), применения методов апертурной коррекции, а также сочетания полупроводникового преобразователя с ЭВМ, снабженной специальными алгоритмами обработки информации.

Автор благодарит кандидата технических наук, доцента В. С. Мелихова за полезные обсуждения, постоянную поддержку и внимание к работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе была поставлена задача: определить предельные возможности метода интроскопического контроля жестким тормозным излучением поглотителей больших толщин с применением полупроводникового преобразователя на основе ЦЦВДМ-1структур с ВЧ смещением, оценить преимущества данного метода, исследовать пути повышения чувствительности метода с помощью усиливающих экранов, провести анализ процессов, происходящих в детекторах под действием излучения и электрического поля, с целью определения режимов работы структур ЩПДМ.