Радиохимия, т.41, N6 (1999) 537-342

УДК 539.3: 621.039.8

НЕСТАЦИОНАРНАЯ ДИФФУЗИОННАЯ ТОМОГРАФИЯ НА РАДИОАКТИВНЫХ ГАЗОВЫХ ЗОНДАХ

И.Н.Бекман

Рассмотрены перспективы использования нестационарных режимов диффузионной томографии на радиоактивных газовых зондах для декорирования различных типов дефектов структуры гетерогенных материалов. Методом математического моделирования продемонстрированы особенности использования авторадиографического варианта метода проницаемости применительно к a- или b-излучающим зондам. Использование авторадиографического варианта метода проницаемости с последовательным снятием авторадиограмм с выходной поверхности пластины позволяет контролировать развитие диффузионного процесса по отдельным дефектам структуры. Показано, что нестационарная томография обеспечивает возможность не только декорировать неоднородности структуры, но и оценивать их диффузионное сопротивление по тестовому газу.

Микротомография на диффузионных радиоактивных газовых зондах (диффузионная томография, ДиТ) предназначена для выявления (декорирования) неоднородностей структуры материала, восстановления пространственного распределения компонентов гетерогенной структуры, а также для определения их сорбционных и диффузионных характеристик [1]. Основное преимущество ДиТ по сравнению с другими вариантами диффузионно-структурного анализа - возможность неразрушающей дефектоскопии неоднородных сред. В стационарных вариантах ДиТ (сорбция, проницаемость) для целей дефектоскопии используется спектр локальных констант растворимости газообразного радиоактивного зонда, измеренный методом авторадиографии или локальной ядерной спектроскопии. В этом случае ДиТ позволяет определить число компонентов структуры и отсортировать их по типу изотерм сорбции.

Более информативными представляются нестационарные варианты ДиТ, в которых используется дополнительная степень свободы - развертка во времени. В этой группе методик в процесс диагностики материала вовлекается не только спектр локальных констант растворимости, но и спектр локальных коэффициентов диффузии зонда. В случае, например, диагностики дефектных сред нестационарные режимы дают возможность помимо глубин и емкости потенциальных ям (определяемых в стационарных режимах) измерить и высоты разделяющих их барьеров.

В настоящей работе рассмотрены перспективы использования нестационарных вариантов микротомографии на радиактивных диффузионных газовых зондах, применяемых совместно с техникой авторадиографии, для диагностики различных типов гетерогенных материалов. Основное внимание уделено решению таких задач, как обнаружение и идентификация сквозных каналов, восстановление топологии диффузионных путей и адсорбционноактивных центров, определение характера транспортных связей между отдельными компонентами структуры, измерение диффузионных и сорбционных характеристик как транспортных путей, так и дефектов.

Сравнение стационарного и нестационарного вариантов ДиТ проиллюстрируем на примере газопроницаемости гетерогенной пластины. Пусть в нашем распоряжении имеется плоский образец, содержащий отдельные неоднородности структуры (Рис.1). Неоднородности структуры различаются по форме и размеру и находятся на различных расстояниях от поверхности образца. Некоторые неоднородности, связаны друг с другом и/или с поверхностью образца, другие - изолированы. Спектр локальных констант растворимости тестового газа представлен тремя дискретными линиями: в окружающей среде (низкая растворимость зонда), в диффузионных путях (средняя растворимость) и в отдельных неоднородностях структуры (высокая растворимость). Тип изотерм сорбции во всех элементах структуры одинаков. (Для простоты будем полагать, что во всех трех элементах структуры сорбция подчиняется закону Ленгмюра, но с различными значениями входящих в него параметров). Спектр локальных коэффициентов диффузии тестового газа так же представлен тремя дискретными линиями: во вмещающем материале (низкий коэффициент), в транспортных путях (высокий коэффициент) и во включениях (среднее значение коэффициента диффузии). Здесь мы полагаем, что транспортные каналы существенно облегчают массоперенос газа по образцу и умеренно его поглощают.

Рис. 1. Cхема гетерогенной структуры - объекта диагностики, осуществляемой методами стационарной и нестационарной томографии на радиоактивных зондах: отдельные микрополости (например, газовые пузырьки) и диффузионные пути, связывающие дефекты друг с другом и с поверхностями пластины.

В авторадиографическом варианте метода проницаемости [2, 3] на одну из сторон пластины подается радиоактивный газ, а вторая - вакуумируется. В ходе диффузионного отжига выходная поверхность образца периодически приводится в контакт с фотопластинками (покадровая съемка "диффузионного фильма"). После проявления авторадиограммы, информация о характере распределения интенсивности радиационного поля по поверхности образца и об ее изменениях во времени вводится в ЭВМ. После оканчания диффузионного зондирования вся совокупность массивов I(x,y; t) обрабатывается совместно. При этом методами аналитического продолжения дозовых полей сначала рассчитывается эволюция источников излучения в пространстве и времени (т.е. функция С(х, у, z; t), а затем - функция пространственного распределения дефектов N(x, y, z) аномально высоко сорбирующих тестовый газ.

Другой способ детектирования основан на использовании локализующей ядерной спектроскопии, функционирующей в режиме периодического накопления информации. Временной дрейф энергетических спектров a-частиц регистрируются на некоторых (по крайней мере - двух) участках поверхности образца, выбранных на стороне пластины, противоположной сорбции газа (т.е. на выходной поверхности образца). Участки для снятия энергетических спектров выбирают на основе данных предварительных диффузионных экспериментов, проведенных с использованием авторадиографического варианта метода проницаемости. Спектроскопию прекращают после установления стационарного распределения радиоактивного зонда по всем элементам структуры образца. Серия подобных экспериментов проводится при различных парциальных давлениях зонда на входе в пластину с целью измерения локальных изотерм сорбции и оценки типа концентрационной зависимости эффективного коэффициента диффузии.

В методе стационарной диффузионной томографии в результате обработки последнего (стационарного) "кадра" удается выделить различные типы неоднородностей структуры, найти число "ловушек" (например, адсорбционно-активных центров или других видов дефектов, способных к временному удержанию диффузанта), определить их форму и размеры (в сложных ситуациях- найти вид распределений скоплений по форме и размерам, количество диффузионных путей, ведущих к ним, оценить глубину залегания (при использовании для регистрации излучения методов ядерной спектроскопии), представить пространственную локализацию всех элементов структуры (т.е. выявить тип топологии гетерогенного материала), а так же измерить емкости всех трех компонентов структуры по тестовому газу. Однако оценить "пропускную способность" транспортных каналов по одному стационарному кадру невозможно.

В методе нестационарной томографии развертка во времени (т.е. вся совокупность кадров) позволяет получить детальную информацию о развитии диффузионного процесса в объеме твердого тела. Обработка совокупности АРГ позволяет разграничить типы диффузионных путей (например, рассчитать долю открытой, сквозной и замкнутой пористости, выделить связанные друг с другом полости), определить характер транспортных путей (например, найти число диффузионных путей, соединяющих один элемент структуры с другим) и, самое главное, рассчитать пропускную способность и диффузионное сопротивление каждого диффузионного пути. Одновременное использование спектра локальных констант растворимости и спектра локальных коэффициентов диффузии позволяет оценить степень дефектности всех компонентов структуры.

С помощью математического моделирования, осуществляемого методом Монте-Карлр проиллюстрируем принципы нестационарной микротомографии на конкретных примерах.

Рис. 2. Декорирование тонкого цилиндрического дефекта, перпендикулярного к поверхности, диффундирующим a-излучающим газовым зондом (например, радоном). Трековые авторадиограммы с выходной поверхности образца снимали через различные времена после начала диффузии: t= 10 (1); 100 (2); 200 (3); 400 (4) и 600 (5) сек. Время экспозиции образца на фотоматериале 10 сек.

На рис.2 представлены кадры развития процесса диффузии a-излучающего газообразного зонда (например, радона) по сквозному каналу (диаметр цилиндрической поры меньше разрешающей способности авторадиограммы), пронизывающему весь образец и расположенному перпендикулярно к поверхности пластины. Коэфициент диффузии зонда по дефекту (поре) существенно выше, чем по основному материалу. Растворимость радона в дефекте также выше, чем в материале. Из снятых в различные промежутки времени авторадиограмм видно, что по мере приближения диффузионного фронта к фотопластинке, число треков на единицу плоскости АРГ увеличивается и длина треков возрастает. При достижении зондом поверхности образца, треки на АРГ выходят из одной точки и образуют "звезду", характерную для тонкого цилиндрического источника a-излучения. Совокупность последовательно снятых авторадиограмм позволяет контролировать развитие процесса диффузии по сквозному дефекту (Например, обнаруживать наличие ловушек диффузанта и других эффектов, приводящих к временной зависимости эффективного коэффициента диффузии).

Рис. 3. Декорирование спиралевидного дефекта, пронизывающего всю толщину пластины (дефект составлен из отдельных центров адсорбции) b- и a-излучающим зондом в режиме стационарной газопроницаемости.

Рис.3 демонстрирует процессы декорирования с помощью a- и b-радиоактивных диффузионных зондов спиралевидного дефекта (за свой полный оборот спираль пронизывает всю толщину пластины и составлена из отдельных сорбционно-активных центров). По мере приближения b-излучающего зонда (например, трития) к детектору (Рис.3а), разброс проявленных зерен фотоэмульсии относительно дефекта уменьшается, плотность проявленных зерен вблизи дефекта увеличивается и становится заметным дискретный характер центров адсорбции. В случае a-излучающего зонда (Рис.3б), точка контакта спирали с входной поверхностью образца декорируется совокупностью отдельных проявленных зерен, а выход дефекта на выходную (по диффузионному зонду) поверхность пластины выявляется максимально возможными для данной энергии распада треками. Очевидно, что по мере развития диффузии, разрешающая способность метода уменьшается.

Рис. 4. Декорирование различных типов дефектов радиоактивным газовым зондом.
А. Проекция дефекта на поверхность пластины.
Б. Поперечный разрез дефекта:
а) полый цилиндр, не имеющий контактов с поверхностями образца;
б) полый цилиндр, имеющий контакты как с входной, так и выходной поверхностями пластины;
в) спиралевидный дефект, за полный оборот пронизывающий всю толщину пластины.
В. Трековые авторадиограммы выходной поверхности пластины, снятые в различные моменты времени газопроницаемости пластины: t= 10 (1); 100 (2); 200 (3); 400 (4) и 600 (5) сек.
I - диффузия по дефекту типа а);
II - диффузия по дефекту типа б);
III - диффузия по дефекту типа в).

Рис.4 демонстрирует процесс декорирования a-излучающим диффузионным газовым зондом трех типов дефектов: полого цилиндра, замурованного в объеме основного материала, полого цилиндра, имеющего выход на обе поверхности пластины, и спиралевидного дефекта. Все дефекты имеют одинаковую проекцию на плоскость АРГ и при использовании, например, просвечивающей g-дефектоскопии, регистрировались бы в виде кольца. Все дефекты составлены из отдельных адсорбционно-активных центров. Адсорбцией газа в основном материале образца пренебрегаем. Коэффициент диффузии зонда по дефекту выше, чем по основному материалу. Радиоактивный газ подается на входную поверхность и его диффузия контролируется снятием на выходной поверхности через определенные промежутки времени трековых авторадиограмм. Видно, что совокупность АРГ позволяет легко различить все три типа дефекта, тогда как осуществить это с помощью традиционной просвечивающей дефектоскопии практически невозможно.

Поскольку трековая авторадиография с использованием толстослойных эмульсий позволяет осуществлять пространственную локализацию мигрирующих по твердому телу атомов, то анализ всей совокупности кадров диффузионного фильма позволяет рассчитать такие важные параметры как длина диффузионной трубки тока, ее диффузионное сопротивление (локальный коэффцициент диффузии оценивается по времени похождения диффузанта по линии тока), пропускную способность транспортного пути по тестовому газу и сечение трубки тока. Получить подобную информацию другими известными способами практически невозможно.

Рис. 5. Последовательное снятие авторадиограмм с выходной поверхности мембраны при изучении диффузии по границам зерен радиоактивных a-(а) и b (б)-излучающих зондов I- основной материал образца; II - материал включения. Диффузионные пути и поверхность включения состоят из отдельных адсорбционно-активных центров.

На Рис.5а представлено развитие диффузионного процесса по границам зерен. На первом этапе диффузия зонда идет по узкому прямолинейному каналу, перпендикулярному к поверхности образца, затем зонд огибает препятствие (зерно в металле, сферолит в полимере) в виде прямоугольного бруска и выходит на поверхность тоже по узкому каналу. На всем пути диффундирующего зонда имеются точечные ловушки, активно поглощающие радиоактивный газ. В основном материале газ практически не растворяется. Трековые АРГ достаточно наглядно отражают все стадии диффузионного процесса. По мере приближения диффузионного фронта к АРГ число и длины треков увеличиваются. Определение длины трека и угла его наклона к плоскости АРГ позволяет осуществить пространственную локализацию каждого диффундирующего атома зонда без использования каких-либо априорных моделей о строении образца или механизме диффузии. В последнем случае метод весьма эффективен при анализе временных зависимостей локального коэффициента диффузии.

Рис.5б иллюстрирует процесс диффузии в гетерогенной среде того же типа b-излучающего газового зонда. Диагностика позволяет выявить основные особенности строения среды, но информативность данного варианта ДиТ значительно меньше по сравнению с использованием a-излучающего зонда.

В рассмотренных ситуациях мы пренебрегали растворением и миграцией зонда по основному материалу. При диффузионной диагностике реальных материалов часто сорбция и диффузия радиоактивного газа происходит во всех компонентах гетерогенной структуры, хотя и с различной интенсивностью. В этом случае разрешающая способность ДиТ падает. Для увеличения разрешающей способности метода в нестационарных вариантах ДиТ можно воспользоваться тем фактом, что коэффициент диффузии газа по дефектам выше, чем по основному материалу. Тогда на начальной стадии процесса диффузии сначала будут заполняться зондом ослабленные ("дефектные") участки материала. В результате контраст авторадиограммы (и, следовательно, разрешающая способность метода) снятой при малых временах будет существенно выше по сравнению со снятыми в конце процесса проницаемости.

Другой способ повышения контраста основан на использовании температурной зависимости коэффициентов диффузии и констант растворимости газа и на различии в значениях соответствующих параметров в уравнении Аррениуса, записанного для различных компонентов структуры композита. Известно, что в большинстве материалов при повышении температуры коэффициент диффузии инертного газа увеличивается, а константа растворимости падает. Поскольку энергия активации диффузии зонда в дефекте обычно ниже, чем в материале, то всегда можно подобрать температуру зондирования при которой процессы растворения и диффузии радиоактивного газа в основном материале будут подавлены на фоне диффузии по сети дефектов, что и обеспечит увеличение разрешающей способности метода. Естественно, что при выборе оптимальной температуры следует стремиться к компромиссу между разрешающей способностью и экспрессностью метода, поскольку понижение температуры существенно увеличивает время диффузионного отжига.

Приведенные выше примеры показывают, что нестационарные режимы ДиТ обеспечивают восстановление развития диффузионного процесса в гетерогенной среде как во времени, так и в пространстве. По сравнению с традиционными методами диффузии описываемый здесь способ обладает существенными преимуществами поскольку позволяет интерпретировать диффузионные аномалии. связанные с координатной, временной и концентрационной зависимостью эффективного коэффициента диффузии. Сравнение с традиционным методом просвечивающей (рентгеновской или гамма-дефектоскопии [4]) показывает. что если просвечивающая дефектоскопия выявляет более плотные включения по сравнению с окружающей средой и сквозные отверстия, то нестационарные варианты ДиТ направлены на идентификацию разупорядоченных, дефектных участков (в том числе - микропор, газовых пузырьков, центров повышенной абсорбции, границ зерен и т.п.) обладающих пониженной плотностью по сравнению с окружающим материалом и, как следствие, большим коэффициентом диффузии зонда. ДиТ позволяет декорировать дефектные образования в исследуемом образце сложной пространственной структуры. Одновременно измеряются сорбционные и диффузионные характеристики по тестовому газу (или газам), совершенно необходимые для предсказания эксплуатационных характеристик барьерных материалов, используемых в вакуумной технике, мембранной технологии, а так же при создании атомных и термоядерных уcтановок, емкостей и тары для токсичных веществ. По сравнению с известными методами радионуклидной газосорбционной дефектоскопией [4], ДиТ диагностирует не только поверхностные дефекты, но и неоднородности структуры, обладающие сложной пространственной конфигурацией.

Литература.

  1. Бекман И.Н. - Вестн. Моск. Ун-та, сер.2: Химия, 1994, т.35, с.547
  2. Бекман И.Н. - Радиохимия, 1991, т.23, с.750.
  3. Бекман И.Н., Швыряев А.А. - Радиохимия, 1982, т.24, с.126
  4. Румянцев С.В., Штань А.С., Гольцов В.А. Справочник по радиоизтопным методам неразрушающего контроля.-М.: Энергоиздат, 1982, с.143.
Hosted by uCoz