Радиография и радиографические ячейки

Ермолаев В.А., Похолков Ю.П., Шустов М.А., Исмаилова О.Л., Азикова Г.И., Руднев С.В. Радиография и радиографические ячейки. — Томск: 
Изд-во РИО «Пресс-Интеграл» ЦПК ЖК, 1997. — 224 с. Тираж 500 экз.

УДК 620.183:539.2

Радиография и радиографические ячейки являются чувствительным 

методом выявления несовершенств и дефектов структуры и текстуры 
различных материалов. Изложены результаты дистантного действия 
различных источников электромагнитной энергии технического и природного происхождения на радиографические ячейки — носители информации о структуре поля.

Книга предназначена для специалистов в области физики и химии 

твердого тела и может быть полезна аспирантам и студентам.

Шустов М.А. (Глава 1 и 2)

ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1. Методы регистрации излучений и полей различного 

происхождения. Регистрирующие среды

1.1. Краткий обзор основных способов регистрации излучений и 

полей различного происхождения

1.2. Материалы и среды для регистрации природных и техногенных 

излучений и полей

Глава 2. Физико-химические методы исследования поверхности 

твердых тел и процессов, происходящих на поверхности

2.1. Химические (кристаллизационные) методы исследования по
верхности твердых тел и поверхностных явлений

2.2. Физические методы исследования поверхности с использовани
ем электроразрядных процессов

2.3. Комбинированные методы. Кристаллотекстурная радиографиче
ская регистрация локальных неоднородностей физических полей

CONTENTS
Chapter 1. The registration method of emission and fields of different 

origin. Registration media

1.1. A short review of the main registration methods of emission and 

fields of different origin

1.2. Materials and media for the registration of the natural and 

technogenetic emissions and fields

Chapter 2. The physico-chemical methods of the solid surface 

investigation and the processes taking place on the surface

2.1. The chemical (crystalized) methods of the solid surface investigation 

and the surface phenomena

2.2. The physical methods of the surface investigation
by the 

electrocharged processes

2.3. The mixed methods. The crystal texture radiographical registration of 

local inhomogeneity of the physical fields

Глава 1.
МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЙ И ПОЛЕЙ РАЗЛИЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ. РЕГИСТРИРУЮЩИЕ СРЕДЫ

Разработка методов регистрации излучений и полей различной при
роды, а также непосредственно самих регистрирующих сред имеет немалважное практическое значение: это дозиметрия источников излучения, определение их характеристик; это изучение свойств материалов
при исследовании их на просвет или на отражение с учетом возможных 
изменений, вносимых действием тестирующего фактора и многое другое.

Процесс регистрации излучений различной природы можно предста
вить в виде следующей цепочки:

Рассмотрим основные требования, предъявляемые к способам реги
страции, регистрирующим средам, а также их основные характеристики.

1. Источники излучения

Источники излучения характеризуются:


интенсивностью (мощностью);


спектральным (энергетическим) составом излучения;


характером распространения излучения в пространстве;


стабильностью параметров во времени, наличием модуляции и т. д.
В зависимости от интенсивности падающего на воспринимающую 

поверхность излучения можно выделить три граничных случая:

1. Интенсивность излучения такова, что вызывает необратимые де
структивные изменения в облучаемом объекте.

2. Излучение частично или полностью поглощается объектом, его

энергия трансформируется в другие формы энергии, однако необрати

мых изменений в облучаемом объекте или среде не возникает. После 
прекращения облучения никаких следов воздействия не остается.

3. Интенсивность излучения исчезающе мала, само излучение за
труднительно обнаружить даже при помощи высокочувствительной 
аппаратуры.

Характер воздействия на объект можно свести к информационному. 

Практически же можно выделить и переходные области, при работе в
которых, например, среда релаксирует к исходному состоянию в течение определенного времени, и соответственно, отсрочено реагирует на 
начало воздействия на нее.

Спектральный (энергетический) состав излучения можно по виду 

подразделить на: моночастотный, полосовой, поличастотный, комбинированный. Следует отметить, что совместное действие излучения поликомпонентного спектрального состава приводит чаще всего не к аддитивному отклику регистрирующей среды, что обусловлено не столько 
интерференционными и т. п. эффектами (например, многократными 
отражениями излучения в регистрирующей среде, синфазному и противофазному сложению амплитуд, биению частот и пр.), сколько физикохимическим откликом среды на многокомпонентное возмущающее действие.

Пространственное распределение интенсивности излучения опре
деляет однородность падающего на приемный слой излучения, характер 
его затухания в зависимости от расстояния.

Крайние случаи:


приближение точечного источника, когда излучение преимущественно однородно по площади, распространяется параллельным пучком, а его интенсивность спадает обратно пропорционально квадрату удаления от источника;


зона близкого действия, когда геометрические размеры источника
сопоставимы с расстоянием до объекта облучения.
Стабильность параметров источника излучения во времени, нали
чие собственных или навязанных извне флуктуаций интенсивности в
ряде случаев имеет немаловажную значимость для процесса регистрации: известно, что формально равные экспозиции регистрирующего
материала излучением стабильного и модулируемого по интенсивности 
источника приводят к довольно значимым различиям в отклике регистрирующей среды.

В этой связи следует отметить такие параметры модулирующего

воздействия, как глубина, амплитуда и частота модуляции, ее вид (при
искусственном варьировании характером излучения).

В соответствии с общепринятыми обозначениями и единицами из
мерения можно привести следующую таблицу, характеризующую источники излучения:

Таблица 1.

Характеристики источников излучения

Наименование физической величины
Обозначение
Ед. измерения

Поток излучения (мощность излучения)
P
Вт

Энергия излучения
Q
Дж (Вт·с)

Энергетическая освещенность
E=P/S
Вт/м.кв.

Энергетическая экспозиция
H=E·t
Дж/м.кв.

S — облучаемая поверхность, м.кв.;
t — время облучения (экспонирования), с.

2. Промежуточная среда

Промежуточную среду по отношению к распространяющемуся в нем 

излучению можно подразделить на активную (поглощающую, рассеивающую, тем или иным образом преобразующую исходное излучение) 
или пассивную. В качестве таковой могут выступать фильтры, избирательно или неселективно изменяющие интенсивность проходящего через них излучения или его спектральные характеристики. По отношению к приемному слою указанная среда может быть физически или химически индифферентной, либо, напротив, активной.

При извне навязанном изменении физических характеристик проме
жуточной среды могут быть реализованы процессы модуляции и преобразования излучения.

3. Регистрирующая (индицирующая) среда

Более подробно свойства и характеристики регистрирующих сред 

будут рассмотрены в специальном разделе. Ниже приведем лишь основные характеристики способов регистрации излучений и полей различного происхождения, а также непосредственно регистрирующих 
материалов.

Способы регистрации

Требования:

1. Адекватность отображения распределения регистрируемых тем 

или иным методом (визуальным непосредственным или опосредованным инструментальным) изменений, привнесенных в исходно однородную среду реально наблюдаемой картине (характеру) излучающего объекта. Иными словами — однозначная линейность преобразования интенсивности излучения или времени его действия в наблюдаемый отклик регистрирующей среды.

2. Пространственная точность отображения.
3. Стабильность свойств регистрирующей среды в процессе эксплуа
тации (считывания, хранения и т. п. процессов).

4. Простота и доступность реализации способа.

Характеристики:

1. Условия экспонирования.
2. Продолжительность экспонирования.
3. Условия обработки материала.
4. Условия хранения и эксплуатации экспонированного материала.

Процесс регистрации

В связи с тем, что основным назначением сред регистрации инфор
мации является именно ее регистрация, в цепочке использования регистрирующих сред можно выделить: хранение неэкспонированного материала, предобработка (предактивация) материала, период хранения 
предобработанного материала, непосредственно экспонирование (нанесение, привнесение в исходно квазиоднородный слой информации), 
хранение проэкспонированного материала, постобработка (ослабление, 
усиление, релаксация и т. д.), информационная оценка изображения, 
вычленение сигнала из шума; архивное хранение. Соответственно, в 
каждой из указанных стадий к регистрирующему материалу или способу регистрации будут предъявляться вполне конкретные требования,
например, стабильность материала во времени.

Материалы

Требования:

Доступность, недефицитность, нетоксичность исходных материалов,

стабильность параметров во времени и при варьировании условий хранения, простота обработки, невысокая стоимость исходных ингредиентов и выходной продукции.

Характеристики:

1. Чувствительность
2. Избирательность.
3. Спектральная область чувствительности.
4. Разрешающая способность.
5. Сохранность материала до и после экспонирования.
6. Технико-экономические показатели: габаритно-стоимостные пока
затели и пр.

4. Промежуточная среда (см. выше. пп. 2).

К основным характеристикам среды, отмеченным выше, следует до
бавить специфические особенности, характерные для процесса считывания (пред/постобработки изображения).

5. Регистратор изменения индицирующей среды

Считывание оптической информации — может быть непосредствен
ным, визуальным, или опосредованным, инструментальным.

Визуальный метод считывания наиболее оперативен, не требует 

применения дополнительного оборудования, однако достаточно субъективен, не позволяет выделить малые флуктуации оптических плотностей или мелкие детали изображения.

Инструментальный метод считывания может быть использован для 

исследования координатного распределения оптических плотностей 
изображения и позволяет перевести значения коэффициента пропускания, отражения, преломления и т. д. в пропорциональную им, например, 
электрически измеряемую величину.

1.1. КРАТКИЙ ОБЗОР ОСНОВНЫХ СПОСОБОВ РЕГИСТРАЦИИ
ИЗЛУЧЕНИЙ И ПОЛЕЙ РАЗЛИЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Допуская многовариантность формулировок законов взаимодейст
вия излучения с веществом [1], можно показать, что:

1. Интенсивность взаимодействия излучения с веществом определя
ется произведением вероятности взаимодействия (сечением взаимодействия) на интенсивность возбуждения.

2. Сумма вероятностей инициирования всех каналов диссипации по
глощенной системой энергии (КДПСЭ) равна единице.

Вероятность инициирования i-ого канала диссипации поглощенной

системой энергии определяется значением коэффициента преобразования системы по i-ому каналу (квантовый выход отклика системы, КПД
преобразования).

3. Интенсивность стимулированного внешним воздействием пре
вращения по i-ому КДПСЭ (отклик системы) пропорциональна произведению вероятности взаимодействия (сечения взаимодействия) на значение коэффициента преобразования системы и интенсивность возбуждения.

4. Количество измененного в результате воздействия на систему ве
щества (суммарный отклик системы на внешнее воздействие по i-ому
каналу) пропорционально произведению энергетической экспозиции 
(произведению интенсивности на время воздействия) на вероятность 
инициирования i-ого КДПСЭ.

5. Для получения равного отклика системы на внешнее воздействие 

по i-ому каналу произведение энергетической экспозиции на вероятность инициирования i-ого КДПСЭ должно быть неизменным.

В случае, если вероятность инициирования i-ого КДПСЭ не зависит

от интенсивности или времени воздействия, для получения равного отклика системы на внешнее воздействие по i-ому каналу значение энергетической экспозиции (или произведение интенсивности воздействующего фактора на время его действия) должно быть неизменным.

Вероятно, что аналогичные формулировки могут быть получены и 

при иных видах воздействий: информационных, полевых, материальных.

По виду воздействия актиничного фактора на регистрирующую сре
ду можно выделить:

информационное воздействие;


полевое;


излучательное, энергетическое;


материальное, вещественное;


комбинированное.
По величине (интенсивности, амплитуде, силе) воздействия следует

выделить варианты:

Uстим. = 0 — стимулирующее воздействие (источник возмущения)
отсутствует; информацию о характеристике объекта получают непосредственно от объекта исследования;


Uстим. << Uобъекта — величина вносимого возмущения (амплитуда
зондирующего сигнала) много меньше собственных излучений объекта исследования, вносимое возмущение ничтожно, деструктивных, необратимых для изучаемого объекта, в том числе в отдаленном будущем, последствий нет, а амплитуда тестирующего (зондирующего) сигнала достаточна, чтобы вызвать ответную регистрируемую реакцию последнего;


Uстим. >> Uобъекта — деструктивное воздействие возмущающего фактора на исследуемый объект, вызывающее необратимое или частично обратимое изменение в последнем.
В реальных условиях процесса регистрации информации возможна

работа в переходных областях, а также сочетание различных по виду и
амплитуде воздействий.

Таким образом, по характеру воздействия излучений на приемный

слой можно выделить:

информационное воздействие.


тестирующее воздействие;


деструктивное воздействие.
В зависимости от привносимой в слой энергии и регистрируемому

отклику среды на внешнее воздействие, определяемое уровнем чувствительности приемного слоя, скорости диссипации, преобразования привнесенной энергии, можно рассмотреть переходные процессы в регистрирующих слоях. В зависимости от того, насколько соизмеримо по 
уровню энергии привносимое в регистрирующий слой изменение с 
уровнем энергии, падающей на приемный слой, могут быть реализованы и наблюдаться экспериментально колебательно—затухающий отклик системы на ударное возбуждение; переходные процессы, продолжительность которых определяется состоянием и свойствами поверхности облучаемого вещества.

При воздействии на приемный слой импульсных излучений большой

мощности, могут наблюдаться неаддитивные отклонения отклика регистрирующей среды. Подобные отклонения могут наблюдаться при на

личии, например, интерференционных явлений в пленочных преобразователях и приемниках излучения, в толстых слоях фоторегистрирующих 
материалов, где происходит преобразование спектрального состава и 
интенсивности излучения по мере его проникновения в глубинные слои. 
Роль масштабных факторов усугубляет также выраженная зависимость 
диффузионных осложнений отвода (газообразных) продуктов распада 
исходного соединения из глубинных слоев. И, наконец, картину химических преобразований вещества в процессе его облучения существенно 
усложняет наличие, появление и участие в промежуточных реакциях 
аддуктов фотохимического (или иного) распада.

Для моделирования и описания кинетики топохимических превра
щений может быть использовано уравнение [1—4]:

0

( )
1
ln 1
exp
( )
,

t

t
A
B
p t dt






 














(1)

где α(t) — степень превращения, A и B — взаимосвязанные нормировочные коэффициенты, определяемые начальными условиями процесса, 
характеризующие равномерность протекания реакции в объеме реагента; p(t) — вероятность протекания реакции.

При равномерном протекании реакции в объеме и ряде приближений

ур. (1) преобразуется к виду:

0

( )
1 exp
( )
,

t

t
p t dt



 







(2),

и, в частном случае, при p(t)~ts, переходит в уравнение типа:



( )
1 exp
,
m
t
kt

 

(3).

Для тонких слоев реагента вид кинетических кривых практически

тождественен виду кинетических кривых, полученных по ур. (2, 3).

Более сложные виды кинетических кривых, часто наблюдаемые на

практике в ходе топохимических превращений, могут быть описаны 
выражением:

1

( )
1
ln 1
exp
,
i

n

m

i
i

i

t
A
B
k a t








 











(4)

где 

1

1;

n

i

i

a





ai — весовое содержание (доля) i-ого ингредиента; n —

количество ингредиентов.

При анализе кинетических кривых можно показать, что для опреде
ленного
сочетания
условий
даже
малое
весовое
содержание
(до

0,01...0,3 %) одного из компонентов (ур. (4)) определяющим образом 
сказывается на кинетической кривой разложения основного компонента, что особенно ярко выражено на начальных и конечных стадиях протекания реакции.

Для регистрации информации используют:
1. Материалы для обратимой (реверсивной) записи информации.

2. Материалы для необратимой записи информации, в том числе ре
гистрирующие среды:

прямого почернения (прямого действия);


с процессами усиливающей постобработки.

Материалы для обратимой записи информации

Для обратимой (реверсивной) записи информации могут быть ис
пользованы следующие обратимые процессы:

1. Физические (в кристаллических веществах):


создание центров окраски;


обесцвечивание центров окраски;


ориентация центров окраски;


изменение показателя преломления.
2. Химические:


дегидратация;


дегазация;


диспропорционирование;


регалоидирование.
3. Физико-химические на основе фазовых переходов:


кристаллизация аморфного вещества;


аморфизация кристаллического вещества;


изменение типа кристаллической структуры;


фазовые переходы полупроводник-металл;


пересыщенные (лавинные) фотохромные системы.
4. Химические с использованием физических факторов:


электрофотохромные;


магнитофотохромные.
5. Прочие, не вошедшие в вышеперечисленные.


с динамическим градиентом концентрации окрашенного вещества;

Материалы для необратимой записи информации

Регистрирующие среды для необратимой записи информации можно 

условно подразделить на:

среды прямого почернения (прямого действия);


среды с дополнительной обработкой (например, усиливающей постобработкой).
К регистрирующим средам прямого действия следует отнести сре
ды, необратимое изменение свойств которых возникает непосредственно в результате или в процессе воздействия на приемный слой актиничного фактора.

К регистрирующим средам, использующим процессы усиливающей 

пред-, или постобработки, можно отнести среды, позволяющие за счет 
дополнительной обработки выделить, усилить слаборазличимое изображение.

В обобщенном виде структуру регистрирующих сред можно пред
ставить в виде:

а) прозрачная или непрозрачная подложка или объем, на которой 

или в которой находятся непосредственно чувствительный к внешнему
воздействию материал.

б) чувствительная к действию внешнего активного фактора (факто
ров) среда, непосредственно сам регистрирующий материал.

в) окружающая среда.

Регистрирующие среды прямого действия (прямого почернения)

Стимулированные внешним актиничным фактором превращения в 

регистрирующем слое могут происходить:

а) с изменением оптических свойств приемного слоя, в том числе:


за счет разложения, выгорания, испарения исходного слоя и снижения, таким образом, оптической плотности;


вследствие образования окрашенных продуктов взаимодействия
излучения с веществом (повышение оптической плотности);


в результате появления продуктов распада, рассеивающих падающее на приемный слой излучение (повышение оптической плотности);


в силу перераспределения оптических плотностей в различных
участках спектра поглощения в облученном слое относительно необлученных его участков;


изменения коэффициента отражения поверхности регистрирующего
материала в определенных спектральных областях;


преобразования окраски за счет изменения характера интерференционной картины в тонкопленочном приемнике-преобразователе
излучения.
б) с изменением других физических свойств, в том числе:


с убылью массы (возгонка, сублимация, разложение и т. д.);


без изменения массы (например, переход фотоактивной формы в
другую, не фотоактивную);


с приращением массы (например, при окислении продуктов распада 
кислородом воздуха).
в) прочих преобразований чувствительного слоя, включая комбина
ции вышеперечисленных.

Рассмотрим ниже ряд типичных представителей класса регистри
рующих материалов прямого почернения (прямого действия).

1. Газообразные регистрирующие среды

Инициированные внешним актиничным воздействием процессы в 

газообразных средах можно подразделить на следующие основные:

синтез;


диссоциация, разложение;


сорбция/десорбция на поверхности подложки;


процессы с фазовыми переходами типа жидкость-пар; твердое телопар и др.;


стимулированные процессы, связанные с локальным изменением 
концентрации (и/или температуры) вещества, перераспределении 
его изотопного состава, изменения структуры и пр.
В качестве примера фотоиндуцированных превращений в газовой

фазе можно привести реакцию фотодиссоциации молекул иода (с последующей рекомбинацией его атомов) [5]. Обзорный материал по 
влиянию света на фазовые равновесия и фазовые переходы типа паржидкость и пар (жидкость)-кристалл приведен в работе [6]: эффект фотоконденсации паров амилнитрита и других веществ в пучке синего 
света (опыты Тиндаля, 1860—1870 гг.); образование центров конденсации воды при освещении объема коротковолновым ультрафиолетовым 
светом; туманообразование в камерах Вильсона; сенсибилизированные 
процессы фотоконденсации в парах воды; фотоиндуцированное туманообразование в парах бензола, его производных, четыреххлористого 
углерода, амилнитрита и т. д. В обзоре [6] приведены также примеры 
переходов пар (раствор)-кристалл (явление фотокристаллизации из паровой фазы).

Из числа других фотостимулированных процессов в газовой фазе 

стоит упомянуть влияние интенсивных световых потоков на диффузионные процессы [7]; явление самопросветления сред при действии лазерного луча и др.

2. Регистрирующие жидкофазные среды

Для жидкофазных сред, чувствительных к воздействию актиничных

факторов, характерны, как правило, приведенные выше процессы. Помимо перечисленных, следует упомянуть процессы, свойственные только жидкофазным системам регистрации: растворение, селективное 
травление; кристаллизация из пересыщенных растворов, в том числе 
ориентированная (эпитаксия) [6], фотолюминесценция [8], диспропорционирование и др.

Испарение воды при облучении её интенсивными световыми пото
ками и явления, происходящие при этом, описаны в работах [9,10]. В
целом же метод получения изображений за счет локальных изменений 
толщины пленки при её частичном испарении под действием неоднородного нагревания ИК-излучением получил наименование эвапорография [11—15].

Не перечисляя многочисленные стимулированные внешним воздей
ствием процессы в жидких средах и регистрирующие системы на их 
основе, упомянем лишь приемные среды с использованием жидких кристаллов [16, 17].

3. Регистрирующие твердотельные среды