RADIOMETRYCZNY SKANER FOLII TYTANOWEJ RADIOMETRIO SCANNER FOR TITANIUM FOIL

Transkrypt

1 PL RDIOMETRYCZNY SKNER FOLII TYTNOWEJ RDIOMETRIO SCNNER FOR TITNIUM FOIL Piotr Urbański, Ewa Kowalska, Jan Strzałkowski, Edward Świstowski Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, Warszawa, ul. Dorodna 6 Summary Principle of operation, construction and basic performance of an automatic device designed for determination of the thickness distribution of the titanium foil is presented. Method of X-ray transmission has been used. Collimated beam of diameter.5 mm of X-rays of energy 22. kev from Cd-09 source was applied. Maximal dimensions of the foil to be measured are 400x50 mm and minimal dimensions are 40x40 mm. Minimal step of the foil traverse is mm and can be controlled in the range from to 0 mm. Preliminary tests allow to expect that accuracy of thickness measurement can be as low as 2 urn, and spatial resolution about 2 mm. Streszczenie Przedstawiono zasadę działania, konstrukcję i podstawowe parametry automatycznego urządzenia do wyznaczania rozkładu grubości folii tytanowej. Zastosowano metodę absorpcji promieniowania X o energii 22. kev ze źródła Cd-09 a średnica skolimowanej wiązki promieniowania wynosiła.5 mm Maksymalne wymiary mierzonej folii wynoszą 400x50 mm, a minimalne 40x40 mm Krok przesuwu folii jest regulowany w zakresie od do 0 mm Wstępne pomiary pozwalają szacować błąd pomiaru grubości na poziomie 2 im a rozdzielczość przestrzenną na 2 mm Wstęp W procesie eksploatacji akceleratorów elektronów folia tytanowa stosowana jako materiał okienka przez które przechodzi wiązka, ulega różnego rodzaju zmianom strukturalnym. Zaobserwowano również występujące przecienienia" na pewnych obszarach jej powierzchni. W celu zbadania, które obszary i w jakim stopniu ulegają przecienieniu, opracowano radiometryczny skaner pozwalający na automatyczne wyznaczanie rozkładu grubości na całej powierzchni mierzonej próbki. W niniejszej pracy zostanie przedstawiona zasada działania, konstrukcja urządzenia oraz pokazane zostaną wstępne wyniki pomiarów rozkładu grubości folii tytanowej. Opracowanie skanera radiometrycznego stanowi część szerszego zadania realizowanego w ramach międzynarodowego programu badawczego Copernicus". Zasada działania Górna granica grubość folii, która ma być mierzona za pomocą skanera wynosi 50 u.m. Ponieważ folia jest wykonana z czystego tytanu i praktycznie nie zawiera domieszek innych pierwiastków, zastosowano metodę absorpcji niskoenergetycznego promieniowania X. Wiązka promieniowania za źródła Cd-09 o aktywności 250 MBq jest kolimowana do średnicy ok..5 mm. Detektorem promieniowania jest argonowy licznik proporcjonalny. Dyskryminator amplitudy impulsów o precyzyjnie regulowanym progu pozwala na wyeliminowanie impulsów pochodzących od promieniowania o energii mniejszej niż 22. kev. Na Rys. pokazano zależność względnego natężenia promieniowania o energii 22, kev od grubości absorbenta tytanowego. Z przedstawionej charakterystyki można wyznaczyć jej nachylenie dla grubości 50 um, które wynosi 0.52 %/lum. Oznacza, to, że aby określić grubość z dokładnością \xm należy zmierzyć częstość zliczeń z błędem względnym mniejszym od 0.52%. Przyjmując, że błąd pomiaru częstości pochodzi tylko od statystyki 348

2 .05 I m 0.8 j ^ k N " grubość folii [urn] i Rys. I Zależność względnego natężenia promieniowania X o energji 22. kev od grubości absorbenta tytanowego: - krzywa teoretyczna, 2 - krzywa doświadczalna zliczeń i zakładając, że błąd ten jest równy podwójnej wartości odchylenia standardowego (2a), to dla spełnienia tego warunku konieczne jest dobranie takiego czasu pomiaru, aby zarejestrowana liczba zliczeń w każdym punkcie pomiarowym była nie mniejsza niż Konstrukcja skanera W konstrukcji skanera wykorzystano zasadę i niektóre elementy mechaniczne rejestratora X-Y. Mierzoną folię mocuje się na stoliku pomiarowym, który przesuwa folie w obu prostopadłych kierunkach w szczelinie pomiędzy kolimatorami źródła i detektora. Szerokość szczeliny wynosi ok. mm W konstrukcji elektronicznej skanera można wyróżnić blok analogowy oraz blok mikroprocesora i współpracujących z nim układów cyfrowych. Do bloku analogowego zaliczyć można zespoły zasilaczy niskiego i wysokiego napięcia, zespół przedwzmacniacza ładunkowego oraz dyskryminatora. Napięcie zasilające licznik proporcjonalny można regulować w zakresie od 0 do 999 V co V. Blok cyfrowy składa się z następujących zespołów: zespołu mikrokomputera zespołów liczników i układów sterujących silniki krokowe oraz pamięci RM zespołów klawiatury i wyświetlacza Zespół mikrokomputera zbudowany jest w oparciu o mikroprocesor Z84C00. W skład zespołu wchodzą: pamięci EPROM (6 kb) zawierające oprogramowanie, pamięci RM (48 kb) do przechowywania danych systemowych oraz pamięci RM (256 kb) gdzie gromadzone są wyniki pomiarów. Zespół ten zawiera także układy interfejsów: do komunikacji z komputerem zewnętrznym, do sterowania wyświetlaczem i klawiaturą, a ponadto układ sterowania przetwornikiem /C zasilacza wysokiego napięcia oraz zegar i układ podtrzymywania jego pamięci. Zespół mikrokomputera zapewnia sterowanie procesem pomiarowym, przetwarzanie wyników, komunikację poprzez port szeregowy, ustawianie wysokiego napięcie oraz umożliwia wprowadzanie parametrów pomiarów i odczyt wyników. 349

3 Zespół liczników ma pojemność 2 24 i służy do zliczania impulsów z dyskryminatora amplitudy. Układ sterowania silnikami krokowymi zapewnia dokładny przesuw stolika pomiarowego, do którego przymocowana jest folia. Pomiary można wykonywać na folii o największych wymiarach 400x50 mm z krokiem w przedziale od do 0 mm wybieranym za pomocą klawiatury. Najmniejsze wymiary folii którą można jeszcze umocować w stoliku wynoszą 40x40mm. Czas pomiaru w każdym punkcie może być wybierany w przedziale od 0 do 90 sekund co 0s. Zespół klawiatury umożliwia komunikowanie się operatora z miernikiem. Klawiatura jest wykonana techniką foliową i zawiera 9 klawiszy. Wyświetlacz ciekłokrystaliczny o małym poborze mocy umożliwia przedstawienie 20 znaków alfanumerycznych w 4 liniach. Dzięki możliwości podświetlania zapewnia zadawalającą czytelność nawet w złych warunkach oświetleniowych. Schemat blokowy skanera grubości folii przedstawiono na Rys. 2. Wyniki pomiarów Wyniki pomiarów zarejestrowane w pamięci mogą być przesyłane do komputera jako zbiór SCII zawierający takie dane, jak: data i czas rozpoczęcia i końca pomiaru, początek i koniec osi, krok, czas pomiaru, liczbę zliczeń w poszczególnych punktach. Wyniki te mogą być wykorzystane do sporządzania perspektywicznego obrazu mierzonej folii. Wykorzystano do tego celu część graficzną pakietu MTLB. by ocenić możliwości pomiarowe skanera przygotowano próbkę testową o wymiarach 60x80 mm składającą się z folii tytanowej o grubości nominalnej 50 (im, na której naklejono dwa kawałki innej folii o grubości ok. 25 (im i jeden o grubości ok. 50 xm. Na Rys. 3a przedstawiono przestrzenny rozkład grubości badanej próbki, natomiast na Rys. 3b obraz dwuwymiarowy, na którym wartości zmierzonej grubości odwzorowane są za pomocą poziomnic. Odległości pomiędzy poziomicami wynoszą 5 um. Pomiar był przeprowadzany przy skoku przesuwu równym 4 mm, a czas pomiaru w każdym punkcie wynosił 0 s. Jak wynika z przeprowadzonych wstępnych wyników pomiarów, skaner pokazuje prawidłowy obraz rozkładu grubości folii. Przeprowadzono zbyt mało pomiarów aby dokładnie określić parametry metrologiczne urządzenia. Na podstawie wstępnych pomiarów można oceniać, że możliwe jest osiągnięcie dokładności pomiaru nie gorszej niż 2 urn i rozdzielczości przestrzennej ok. 2 mm. Wnioski Opracowano i wykonano skaner folii tytanowej pozwalający na pomiar grubości oraz graficzne odwzorowanie rozkładu grubości na powierzchni folii. Pomiary są przeprowadzane w sposób automatyczny i przy grubości nominalnej 50 jim można się spodziewać osiągnięcia dokładności pomiaru grubości lepszej od 2 \xm i rozdzielczości przestrzennej nie gorszej niż 2 mm. Skaner może być wykorzystany również do wyznaczania rozkładu grubości innych materiałów foliowych o wymiarach nie przekraczających 400x50 mm. 350

4 IBM PC ; DISPLY ELTR-9 I LFNUMER. KLWITUR 4X20 ZNKÓW ±r INTEHFEJS RS232 CENTRONICS DISPLY' JT y ~T y < y WE/WY M'KROPROCESOR Z K ROM 48K RM ZEGR CZSU RZECZYW. BCKUP BTTERY WTCHDOG 2MC96 - & ZSILCZ SZNUR SIECIOWY ZSILCZ W. N. VVZMC. LICZNIK 2 24 PMIEC 256k DRIVER X DRIVER Y SIECIOWY 2S96 +5 V +2 V -2 V -220 V ZWN96 LICZNIK PROPOR. IMP. W.N. SILNIKI OSI 0 O Rys 2. Schemat blokowy skanera 35

5 50. V "* -'""" [um] g 00. *" *" u CO o 50. CO 0. - * " ** - /^5^v^vi r i / 7**^ ^^^ >?$/ jt^z///// ; // /'/ 7>>L szerokość folii [mm] 0 0 diugosc folii [mm] (a) diugosc foiii [mm] Rys. 3 Rozkłady grubości foiii testowej zmierzone skanerem: a - wykres przestrzenny b - wykres poziomicowy. (b) 352