Радиационная дефектоскопия

Физические основы радиационных методов

Радиационная дефектоскопия сварных соединений основана на применении ионизирующих излучений.

При прохождении излучения через контролируемый объект его интенсивность уменьшается, т. е. количество энергии, проходящей за единицу времени через единицу площади (Вт/м2), меняется в зависимости от плотности и толщины материала (рис. 1). По результатам измерения интенсивности излучения, прошедшего через объект, определяют наличие в нем несплошностей.

Рис. 1. Схема радиографического контроля: 1—источник излучения; 2—прямой пучок; 3—сварной шов; 4—кассета с детектором и экранами; 5—эпюра интенсивности излучения за объектом; F—фокусное расстояние; d толщина основного материала; D — толщина сварного шва.

Широкое распространение для исследования материала сварных соединений получили рентгеновское и g-излучение. Большие толщины контролируют тормозным излучением, получаемым на высокоэнергетических установках.

Реже используют g-моноэнергетическое, т. е. однородное ионизирующее излучение, и радиоизотопное g-излучение, а также излучение потоками нейтронов или протонов.

Рентгеновское излучение — это квантовое (фотонное) излучение с длинами в 10^-13—10^-9 м и энергией квантов от 1,6*10¹⁶ до 1,6*10¹³ Дж.

Рентгеновское излучение состоит из тормозного и характеристического. Тормозное — это фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее при изменении кинетической энергии заряженных частиц.

Кроме тормозного рентгеновского излучения с непрерывным спектром, при некоторой определенной для данного материала анода энергии электронов возникает характеристическое рентгеновское излучение с дискретным спектром.

Характеристическое излучение — фотонное излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атома. При выбивании электрона с внутренней оболочки атома освобождается место в оболочке, которое заполняется электроном с внешних слоев. При этом атом переходит в нормальное состояние и испускает квант характеристического излучения с энергией, равной разности энергии на соответствующих уровнях.

g-излучение — фотонное излучение (с энергией фотонов 10^-15— 10^-12 Дж), возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер, ядерных превращениях или при аннигиляции частиц.

В результате ядерных превращений радиоактивные ядра становятся ядрами стабильных изотопов. Число таких превращений в единицу времени называют активностью радиоизотопного источника.

излучение возникает при радиоактивном распаде естественных или искусственных изотопов.

Радиоактивные ядра, образующиеся при распадах, могут находиться в возбужденном состоянии. При переходе в основное состояние испускается один или несколько квантов. Например, при распаде ядер изотопа 60 Со испускается два фотона с энергией 0,19 и 0,21 Дж.

Интенсивность рентгеновского и излучения, проходящего через вещество, уменьшается вследствие потери энергии в веществе. При этом происходит фотоэлектрическое поглощение, когерентное и некогерентное (комптоновское) рассеяние, а также образование из g-кванта электрон-позитронной пары.

На практике качественный состав излучения определяют по ослаблению его интенсивности при прохождении определенной толщины материала.

Для обнаружения дефекта и регистрации излучения служат различные детекторы. В зависимости от того, какой детектор применяют при просвечивании сварного шва, различают следующие виды радиационной дефектоскопии: радиографию, радиоскопию и радиометрию.

Источники ионизирующего электромагнитного излучения

При радиационнодефектоскопическом контроле качества сварных соединений применяют источники излучения следующих трех основных типов: рентгеновские аппараты, гаммадефектоскопы, заряженные радиоизотопными источниками излучения, а также ускорители электронов (бетатроны, линейные ускорители и микротроны). Выпускаемые отечественной промышленностью источники фотонного излучения для неразрушающего контроля охватывают диапазон энергий примерно 10 кэВ — 35 МэВ.

Рентгеновские аппараты.

Рентгеновские аппараты — наиболее распространенные источники фотонов в диапазоне энергий от единиц до сотен килоэлектронвольт. Рентгеновское излучение в рентгеновском аппарате образуется в вакуумном приборе, называемом рентгеновской трубкой. В рентгеновской трубке помещается подогревной катод, нить накала которого служит источником термоэлектронов, и массивный анод. При приложении к катоду и аноду разности потенциалов электроны, эмиттируемые катодом, ускоряются и бомбардируют анод. При торможении электронов в материале анода образуется тормозное и характеристическое рентгеновское излучение, которым просвечивают контролируемые объекты. Участок поверхности мишени, на котором преимущественно тормозится пучок электронов, называется действительным фокусным пятном рентгеновской трубки. Проекция фокусного пятна в направлении оси рабочего пучка на плоскость, перпендикулярную этой оси, называется эффективным фокусным пятном рентгеновской трубки. Для питания рентгеновской трубки в рентгеновском аппарате служит высоковольтный генератор, обеспечивающий накал катода и высокое напряжение.

Управление током и напряжением на рентгеновской трубке и контроль за работой аппарата осуществляют с пульта управления. С целью защиты обслуживающего персонала от неиспользуемого рентгеновского излучения и высокого напряжения рентгеновские трубки помещают в специальные, как правило, освинцованные защитные кожухи.

Гаммадефектоскопы.

Значительный объем контроля сварных и паяных соединений осуществляется с помощью гаммадефектоскопов (С. В. Румянцев, А. Н. Майоров, В. Г. Фирстов и др.). Гаммадефектоскопы заряжают радиоизотопными источниками. Основные, важные для дефектоскопии характеристики радиоизотопных источников — энергетический спектр излучения, выход излучения, период полураспада и геометрические размеры источников.

Энергетический спектр гаммаизлучения имеет характер дискретных линий, как правило, в широком диапазоне энергий и с различной относительной интенсивностью. В зависимости от энергии g-фотонов радиоизотопные источники излучения делят на три группы: источники с жестким g-излучением (энергия фотонов около 1 МэВ и более), источники с g-излучением средней энергии (примерно 0,3—0,7 МэВ) и низкоэнергетические источники g-излучения (энергия менее 0,3 МэВ).В настоящее время для гаммадефектоскопического контроля используют радиоизотопные источники на основе следующих изотопов в порядке возрастания энергии: 170Tm, 192Ir, 137Cs, 60Co. Этими радиоизотопными источниками заряжают гаммадефектоскопы различного назначения.

Линейные ускорители и микротроны

В качестве источников высокоэнергетического фотонного излучения в радиационных методах неразрушающего контроля используют ускорители электронов, сообщающие им кинетическую энергию в диапазоне 1100 МэВ: линейные ускорители, микротроны и бетатроны.