Люминесцентная дефектоскопия

Повышение качества всех видов выпускаемой продукции, обеспечение, её эффективного функционирования в процессе эксплуатации являются одной из основных задач промышленного производства. Эта проблема не может быть удовлетворительно решена без широкого развития и внедрения средств и методов неразрушающего контроля качества веществ, материалов и изделий. Существенным достоинством этого контроля являются возможность без изменения показателей качества определять дефектность изделий оценивать её размер и полностью автоматизировать многие производственные процессы, существенно повышая производительность производства.

Эффективность внедрения средств неразрушающего контроля (СНК) в значительной степени зависит от достоверности получаемой от них информации, её воспроизводимости, для этого необходимо своевременное и качественное метрологическое обеспечение. Использование непригодных к эксплуатации СНК, их неправильное приводит к тому, что контроль продукции в разный момент времени, на различных предприятиях приводит к диаметрально противоположным результатам, к перебраковке или недобраковке изделий и материалов.

Люминесцентная дефектоскопия, метод капиллярной дефектоскопии, основанной на проникновении в поверхностные макродефекты специальных индикаторных веществ (пенентрантов), в состав которых входят люминофоры. Этот способ может быть применён для обнаруживания любых дефектов в стеклопластике.

Люминофоры (от латинского lumen – свет и греческого phoros – несущий), твёрдые и жидкие вещества, способные люминесцировать под действием различного рода возбуждений (см. Люминесценция). По типу возбуждения различают фотолюминофоры, рентгенолюминофоры, радиолюминофоры, катодолюминофоры, элетролюминофоры. Некоторые люминофоры могут выступать в качестве люминофоров смешанных типов (например, ZnS·Cu являются фото-, катодо- и электролюминофором). По химической природе различают органические люминофоры – органолюминофоры, и неорганические – фосфоры. Фосфоры, имеющие кристаллическую структуру, называются кристаллофосфорами.

Свечение люминофоров может быть обусловлено как свойствами основного вещества, так и наличием примесей–активаторов. Активатор образует в основном веществе (основании) центры свечения. Название активированных люминофоров складывается из названия основания и названия активаторов, например: ZnS·Cu,Co обозначает люминофор ZnS, активированный Cu и Co. Если основание смешанное, то перечисляют сначала названия оснований, а затем активаторов (например, ZnS, CdS·Cu,Co).

Люминофоры применяют для преобразования различных видов энергии в световую. В зависимости от условия применения предъявляются определённые требования к тем или иным параметрам люминофоров: типу возбуждения, спектру возбуждения (для фотолюминофоров), спектру излучения, выходу излучению (отношению излученной энергии к поглощённой), временным характеристикам (времени возбуждения свечения и длительности после свечения). Наибольшее разнообразие параметров можно получить у кристаллофосфоров, варьируя активаторы (в основном тяжелые металлы) и состав основания, причём в зависимости от концентрации активаторов свойства люминофоров в значительной степени меняются. Например, для ZnS·Cu при концентрации Cu 10^-5 г/г оптимальным является фотовозбуждение, а при концентрации Cu>10^-4 г/г – электровозбуждение.

Спектр возбуждения различных фотолюминофоров меняется от коротковолнового ультрафиолетого до ближнего инфракрасного спектра излучения и может лежать в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях. Ширина спектральных полос излучения отдельных люминофоров меняется от тысяч (для органолюминафоров) до единиц (для кристаллофоров, активированных редкоземельными элементами) и сильно зависит от концентрации люминофора активатора, а также от температуры.

Энергетический выход излучения люминофора зависит от вида возбуждения, его спектра (при фотолюминесценции) и механизма преобразования энергии в световую. Он резко падает при повышении концентрации люминофора и активатора (концентрационное тушение) и температуры (температурное тушение). Яркость люминесценции люминофора нарастает сначала возбуждение в течение промежутка времени от 10^-9 сек до несколько мин. Длительность послесвечения различных люминофоров колеблется от 10^-9 сек до ч и определяется характером преобразования энергии и временем жизни возбуждённого состояния. Наиболее короткое время после свечения имеют органолюминофоры, наиболее длительные – кристаллофосфоры. В зависимости от условий применения могут играть существенную роль и другие свойства люминофоров – стойкость к действию света, тепла, влаги и так далее.

Основными типами применяемых люминофоров являются кристаллофосфоры, органические люминофоры, люминестирующие стёкла. Наибольшее распространение получили кристаллофосфоры. Значительная часть их представляет собой полупроводниковые соединения с шириной запрещённой зоны 1–10 эВ, люминесценция которых обусловлена примесью (активатора) или дефектами решётки. Концентрация активатора варьируется в пределах 10^-3 – 10^-7 г/г. Некоторые посторонние примеси, например, Fe в концентрациях уже 10^-6 г/г могут уменьшать яркость люминесценции поэтому приготовление люминофоров требует особо контроля чистоты исходных материалов. Такие люминофороы изготовляют путём прокалки шихты. Для улучшения процесса кристаллизации в шихту добавляются плавни – соли типа KCI, LiF, CaCI и тому подобное. Люминестирующие монокристаллы выращиваются из раствора или газовой фазы.

В люминесцентных лампахприменяются смеси кристаллофосфоров [например, смесь MgWO и (ZnBe) SiO ·Mn] или однокомпонентные люминофоры, например, галофосфат кальция, активированный Sb и Mn. Люминофоры подбирается так, чтобы их свечение имело спектральное распределение, близкое к распределению дневного света. Катодолюминофоры применяют для экранов электронно–лучевых трубок, осциллографов, чёрно–белых и цветных кинескопов и тому подобное. Для цветных кинескопов разработаны люминофоры, дающие три основных цвета свечения: синий (ZnS·Ag), зелёный (ZnSe·Ag), красный [Zn (PO)·Mn]. Для рентгеноскопии применяются (Zn, Сd) S·Ag и СaWO, дающие свечение в области максимальной чувствительности глаза и позволяющие максимально использовать чувствительность рентгеновской плёнки и уменьшить дозу облучения. Электролюминофоры на основе ZnS·Cu используют для создания светящихся индикаторов, табло, панели.

Органические люминофоры могут люминесцировать в растворах (флуоресцеин, родамин) и твёрдом состоянии (пластические массы и антрацен, стильбен и другие органические кристаллы). Органические люминофоры могут обладать ярким свечением и очень высоким быстродействием. Цвет люминесценции органических люминофоров может быть подобран для любой части видимой области. Они применяются для люминесцентного анализа, изготовления люминесцирующих красок, указателей, оптического отбеливания тканей и т.д. Многие органические люминофоры (красители цианинового, полиметинового рядов и другие) используют в качестве активных элементов жидкостных лазеров. Кристаллические органические люминофоры применяют в качестве сцинтилляторов для регистрации g – лучей и быстрых частиц. Органические люминофоры выпускаются промышленностью под торговым наименованием люминоры.

Люминесцирующие стёкла изготовляют на основе стеклянных матриц различного состава. При варке стекла в шихту добавляют активаторы, чаще всего соли редкоземельных элементов или актиноидов. Выход, спектр и длительность свечения люминесцентных стекол определяются свойствами активатора. Они обладают хорошей оптической прозрачностью и многие из них могут быть использованы в качестве лазерных материалов, а также для визуализации изображений, полученных в ультрафиолетовом излучении.

Капиллярная дефектоскопия основана на проникновении некоторых веществ (так называемых “пенетрантов”) в полости сквозных и поверхностных несплошностей материала (трещины, поры, раковины, непровары, межкристаллическая коррозия). Регистрация индикаторных следов, образующихся на специальном проявляющем покрытии (проявителе) на объектах контроля, производится визуальным, фотографическим, контактным или другим способом, включая использование какого-либо преобразователя. В настоящее время на практике наиболее распространены люминесцентный и цветной методы капиллярной дефектоскопии. Данные методы используются для выявления несплошностей размером от десятых долей микрона до 0,5 мм. В зависимости от способности проникновения препаратов и ширины раскрытия минимально выявляемых трещин чувствительность контроля делится на три класса: 1 класс - ширина раскрытия менее 1микрона, 2 класс - от 1 до 10 микрон и 3 класс-10 и более микрон. Каждому классу соответствуют свои пенетранты и проявители. При дефектоскопии колоколов обычно используются препараты 2-го и 3-го классов чувствительности (например, пенетранты типа И-102,И-202,И-203, И-205, СИМ и др.). Контроль производится при температурах воздуха от -40°С до +40°С (в зависимости от типа растворителя) и при относительной влажности не более 90%. Перед нанесением пенетранта на подозрительные участки поверхность колокола очищают от грязи, окалины, патины и других неровностей (обычно это делается путем шлифования). Далее поверхность этих участков обезжиривается органическим растворителем (бензин, ацетон, спирт). Пенетрант наносят на подготовленную поверхность кистью, губкой или с помощью аэрозольного баллончика и выдерживают не менее 5 минут, не допуская его высыхания, после чего удаляют чистой сухой безворсовой тканью.

После этого наносится тонким слоем проявитель (обычно белого цвета), обеспечивающий выявляемость пенетранта, с помощью мягкой кисти, губки или аэрозольного баллончика. Сушка проявителя идет обычно за счет естественного испарения (15-20 минут). При низких температурах может использоваться горячий воздух от фена с температурой до 60°С или отражательные нагревательные приборы. После высыхания проявителя проводится регистрация и измерение индикаторного следа одним из выше перечисленных способов. Причем при сквозных трещинах делаются также сравнение следов на наружной и внутренней поверхностях, что очень важно для проведения последующих профилактических или ремонтных работ на колоколе. По окончании исследований проявитель удаляется водой или растворителем.

При исследовании колоколов Ростовской звонницы капиллярная (цветная) дефектоскопия осуществлялась с помощью специальной проникающей краски - индикаторного пенетранта красного цвета 2-го класса чувствительности марки СИМ ТУ 24.11.042-98. В качестве белого проявителя использовался состав на основе мела и спирта. Результаты этого исследования фотографировались, а концевые точки трещин были отмечены треугольным кернением.