Источники ионизирующих излучений

Рис. 7.13. Классификация источников ионизирующих излучений.

 

Согласно классификационной схеме (рис.7.13) тормозное излучение получают на R-аппаратах, в ускорителях электронов и от β-источников с мишенью.

Рентгеновские аппараты. Рентгеновская установка состоит из рентгеновского излучателя, источника высокого напряжения и пульта управления (рис. 7.14). Высоковольтный генератор преобразует напряжение сети в высоковольтное напряжение для питания постоянного тока рентгеновской трубки. Высоковольтный генератор включает: преобразователи переменного тока в постоянный (диоды кенотронов), конденсаторы для фильтрации и удваивания напряжения, трансформаторы накала рентгеновской трубки, трансформаторы накала кенотронов, выключатели и защитные устройства.

Рис.7.14 Структурная схема рентгеновской установки.

 

Пульт управления представляет собой группу приборов, которые служат для измерения и регулирования времени, тока, напряжения и частоты.

Особый класс составляют импульсные рентгеновские трубки (рис.7.15).

 

Рис.7.15. Схема импульсной рентгеновской трубки: 1 – баллон, 2 – анод, 3 – игольчатые катоды, 4 – катодный держатель.

 

Свободные электроны в них получают в результате автоэлектронной эмиссии при создании у катода трубки электрического поля напряженностью выше 108 В/м. Импульсные трубки называют трубками с «холодным катодом» (в отличие от трубок с «горячим катодом», в которых для получения свободных электронов используют термоэлектронную эмиссию.

Радиоактивные источники.

Рис. 7.16. Конструкция радиоактивных дефектоскопических источников на резьбе и сварного:

1 – наружная ампула, 2,5 – крышки, 3 – активная часть, 4 – внутренняя ампула, 6 – баллон.

 

Радиоактивные источники γ-излучения представляют собой ампулы, заполненные γ-активным нуклидом. Ампулы могут быть заваренными, завальцованными на резьбе. В промышленности наиболее широко применяют гамма-аппараты в источники ⁷⁵Se, ¹⁹²Jr, ¹³⁷Cs, ⁶⁰Со.

 

ЛЕКЦИЯ №8. РАДИАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ.ТЕХНОЛОГИЯ РАДИОГРАФИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Основные параметры

Относительная чувствительность (%) определяется отношением размера минимально выявляемого дефекта или элемента эталона чувствительности к толщине контролируемого изделия δ. Зависимость относительной чувствительности радиографии от основных параметров просвечивания определяется уровнем

(57)

где -минимальная разность плотностей почернения различаемая глазом; В - дозовый фактор накопления; - контрастность радиографической пленки; μ – линейный коэффициент ослабления.

На практике значение ≈ 0,006÷0,01.

Помимо указанных факторов чувствительность радиографического контроля зависит также от формы и места расположения дефекта, величины фокусного расстояния, фокусного пятна трубки, типа рентгеновской пленки.

Ввиду сложности процессов ослабления энергии рентгеновского и γ-излучений при прохождении их через контролируемый металл и многообразия перечисленных факторов учесть одновременное воздействие их на чувствительность метода не представляется возможным. Целесообразно рассмотреть эти факторы в отдельности, оценивая влияние каждого из них на чувствительность метода к выявлению дефектов.

Энергия излучения. Из формулы для расчета абсолютной чувствительности видно, что чем больше коэффициент линейного ослабления (), тем меньше размер дефекта, который удается обнаружить. В свою очередь, коэффициент зависит от энергии излучения источника. Влияние энергии рентгеновского и гамма-излучения на чувствительность контроля показана на рис. 2.17. Как видно из графиков, чувствительность контроля стали одинаковой толщины тем выше, чем меньше энергия излучения.

Рис. 8.1. Зависимость чувствительности радиографического контроля

от энергии излучения:

а – рентгеновского аппарата РУП-150-10, б – изотопов.

 

Рассеянное излучение в зависимости от энергии первичного излучения изменяет качество снимка, снижает контрастность и четкость изображения, а следовательно, и чувствительность самого метода, при отсутствии рассеяния дефект на пленке будет изображаться с четкими границами (рис.8.1).

 

 

Рис.8.2. Влияние рассеянного излучения

на контрастность изображения при просвечивании:

а – при параллельном нерассеянном пучке излучения, б – ухудшение контрастности от рассеянного излучения при просвечивании изделийбольшой толщины, в – улучшение контрастности при просвечивании изделий малой толщины тем же пучком излучения.

Рассеяние излучения всегда сильнее в толстостенных материалах (рис.8.2б), чем в тонкостенных, поэтому чувствительность метода значительно ухудшается с увеличением толщины просвечиваемого материала. Совершенно избавиться от рассеивания излучения нельзя. Уменьшить его можно применением специальных фильтров, представляющих собой тонкий слой оловянной (0,025 мм) или свинцовой (0,075-0,15 мм) фольги, расположенной либо между источником и контролируемым объектом, либо между пленкой и объектом.

Толщина материала. Чувствительность более сложным образом зависит от толщины контролируемого материала (рис.8.3). Вначале чувствительность возрастает вследствие того, что с увеличением толщины материала убывает эффективный коэффициент ослабления. Мягкие составляющие излучения ослабляются сильнее, чем жесткие, и в последующие слои попадает излучение, уже частично отфильтрованное в предыдущих слоях. По мере прохождения через вещество излучения становится все более жестким и при этом одновременно замедляется убывание коэффициента эффективного ослабления – он приближается к постоянному значению. Для сравнительно больших толщин подъем кривой (ухудшение чувствительности) объясняется эффектом рассеяния. В конечном итоге ухудшение чувствительности из-за наличия рассеянного излучения определяет предел применяемости всего метода просвечивания материалов до определенной толщины (100-150 мм).

Рис. 8.3. Зависимость чувствительности радиографического контроля

от толщины контролируемого соединения.

 

Форма дефектов и их ориентация в шве. Дефекты (непровары), имеющие прямолинейные грани, ориентированы параллельно направлению распространения излучения, выявляются значительно лучше из-за большой резкости изображения их границ (рис.8.4,а), чем дефекты цилиндрической (шлаковые включения) или шаровой (поры) или другой формы (рис.8.4,б,в).

Рис. 8.4. Влияние формы дефекта на контрастность его изображения:

а – прямоугольный, б –шаровой, в – трапецеидальный.

 

Наилучшая выявляемость наблюдается при прохождении излучения вдоль дефектов, т.е. когда угол α (рис.8.5) равен 0. При ориентации дефекта под некоторым углом к направлению излучения выявляемость ухудшается; в этом случае пучок излучения будет проходить не всю высоту (ΔS), а только определенную часть ее. Чувствительность просвечивания при этом будет определяться шириной раскрытия дефекта (Δ). В практике очень часто встречаются дефекты, у которых ширина раскрытия (Δ) незначительна при достаточно большой высоте (ΔS).

Рис. 8.5. Выявляемость трещины в зависимостиот ориентации ее к направлению излучения

Фокусное расстояние. Увеличение величины фокусного расстояния (рис.8.6) аналогично энергии ослабления излучения делает его боле мягким, вследствие чего улучшается чувствительность контроля. Следует заметить, что фокусное расстояние (F) связано с временем просвечивания (t) следующим соотношением: t / t0 = (F/F0)2, где t – время просвечивания при выбранном фокусном расстоянии, см; t0 – время просвечивания при фокусном расстоянии F0, см, взятом по номограмме. Из соотношения видно, что при увеличении фокусного расстояния резко возрастает время просвечивания.

Чем меньше размер фокуса, тем более четкий рельеф изображения дефекта на снимке, тем меньше область полутени, тем выше чувствительность контроля (рис. 8.7).

 

Рис. 8.6. Влияние размера фокуса (d) на чувствительность контроля.

 

Рис. 8.7. Чувствительность при просвечивании стали g-излучением

на различных фокусных расстояниях.

 

Усиливающие экраны. Из рис. 8.8 видно, что применение металлических экранов обеспечивает некоторое повышение чувствительности, обусловленное уменьшением воздействия вторичного излучения, источником которого является сам контролируемый материал. Рассеянное вторичное излучение уменьшает резкость и контрастность изображения объекта. Рассеянное излучение от тяжелых элементов, подобно свинцу, сравнительно невелико, они выполняют роль своеобразного фильтра, особенно для первичного излучения низких энергий.

Рис. 8.8. Влияние усиливающих экранов на чувствительность радиографического метода при просвечивании стали g-излучением 154Eu:

1 – флуороскопические экраны, 2 – без экранов,

3 – металлические экраны (свинец 0,1 мм).

 

Металлические экраны рекомендуется использовать с безэкранными радиографическими пленками РТ-1, РТ-3, РТ-4М, РТ-5. При их применении практически не ухудшается разрешающая способность изображения на пленках.

Для каждого источника ионизирующего излучения материал экрана следует выбирать в зависимости от энергии излучения, в частности для рентгеновского излучения целесообразно использовать медь, титан, олово, свинец, вольфрам, для γ -излучения - вольфрам, свинец, медь. Практика показывает, что наибольшую эффективность обеспечивают металлические экраны из медной и титановой фольги. В этом случае получается гораздо лучшая контрастность снимков. Толщина фольги должна быть равна максимальной длине пробе га вторичных электронов в экране. На практике толщина экрана (фольги) 0,05...0,5 мм. Фольга наносится на гибкую пластмассовую подложку.

Усиливающее действие флуоресцентных экранов определяется действием фотонов видимой, сине-фиолетовой, ультрафиолетовой и инфракрасной областей спектра, высвечиваемых из люминофоров при прохождении через них ионизирующего излучения. В качестве люминофоров используют ZnS, CdS, BaS04, PbSO4, CaWO4 и др.

Флуоресцентные экраны изготовляют в виде пластмассовых или картонных подложек, на которые наносят слой люминофора. Эти экраны рекомендуется использовать с экранными радиографическими пленками, поскольку спектральная чувствительность эмульсии пленки и спектр свечения экранов хорошо согласуются. При применении флуоресцентных экранов разрешающая способность изображения на пленках существенно ухудшается из-за крупнозернистости экранов.

С помощью флуоресцентных экранов получают меньшие экспозиции (рис. 8.9), а при использовании металлических экранов (рис. 8.10) - лучшую чувствительность.

Рис. 8.9. Зависимость экспозиции от толщины стали для различных экранов и источников излучения.

Рис. 8.10. Зависимость относительной чувствительности рентгенографии от толщины стали для различных экранов.

 

При радиографии применяют флуорометаллические усиливающие экраны в виде свинцовой подложки с нанесенным на нее слоем люминофора. Они имеют больший коэффициент усиления, чем металлические, и обеспечивают лучшую чувствительность, чем флуоресцентные экраны.

Усиливающие экраны используют в виде заднего и переднего экранов, между которыми размещены радиографические пленки. При этом увеличивается коэффициент усиления и уменьшается влияние рассеянного излучения на пленку. Толщину металлических экранов, а также материал люминофора и его количество в составе флуоресцентных экранов выбирают в зависимости от типа источника излучения.

Флуоресцентные экраны с малым количеством люминофоров на поверхности при меняют с низкоэнергетическими источниками излучения, а экраны с большим количеством люминофора - с высокоэнергетическими источниками. Ввиду крупнозернистости последних экранов существенно уменьшается разрешающая способность изображения (до 1,5 - 3 раз). Экраны выполняются в виде свинцовой фольги, которая наклеивается на гибкую пластиковую подложку, обеспечивающую их сохранность и хорошее состояние поверхности.

Тип пленки. В зависимости от типа пленки, обусловленного размером зерна и реакцией к излучению, чувствительность радиографического контроля при прочих равных условиях (энергия излучения, рода и толщины материала) может изменяться от 0,5 % (РТ-5) до 3 % (РТ). Пленки, обеспечивающие лучшую чувствительность, имеют мелкозернистую структуру и слабую реакцию к излучению, но требуют большего времени для просвечивания.

Радиографическая пленка реагирует на прошедшее через объект излучение. В процессе экспонирования изменяются параметры чувствительного слоя, обеспечивая регистрацию изменения интенсивности излучения. Пленки обладают интегрирующей способностью регистрировать чрезвычайно низкие потоки излучения за длительное время просвечивания в широком диапазоне энергий. Фотографическая эмульсия содержит чувствительную к излучению галоидную соль серебра (обычно бромистое серебро с небольшой примесью йодистого), равномерно в виде зерен распределенную в тонком слое желатина. Эмульсию наносят на подложку (целлюлозу, стекло, бумагу и т.д.) с обеих сторон. При облучении пленки проникающим излучением в кристаллах бромистого серебра происходят изменения, благодаря которым кристалл становится способным к проявлению, Т.е. восстановлению, металлического серебра под действием проявителя.

Радиографическая пленка подразделется на два класса (см. табл. 1):

· безэкранные, предназначенные для использования без флуоресцентных экранов, или с металлическими усиливающими экранами;

· экранные радиографические пленки, рассчитанные на применение с флуоресцентными усиливающими экранами в связи с их высокой чувствительностью к видимой и ультрафиолетовой частями спектра.

Пленка, имеющая плотность почернения D и рассматриваемая в падающем на нее свете с интенсивностью I, ослабляет этот свет. Вследствие этого интенсивность прошедшего света Iп становится <1. Фотографическая плотность почернения пленки определяется соотношением D = Ig I / Iп, Кривую зависимости плотности почернения D пленки от логарифма относительной экспозиции Δlg Х называют характеристической кривой (рис. 8.11). Ее можно разделить на несколько участков: АВ область недодержек; ВС и CD - области нормальных экспозиций; DE - область передержек. Область нормальной экспозиции в первом приближении представляет собой прямолинейный участок, для которого справедливо уравнение

ΔD= D - Do = γ(lg X - Ig Хо) (58)

где γ - средний градиент пленки (тангенс угла наклона прямолинейного участка характеристической кривой); Х и Хo - экспозиционные дозы, вызывающие почернение пленки D и Do соответственно.

Строго говоря, любая радиографическая пленка подобного прямолинейного участка не имеет. Вследствие этого контрастность пленки (тангенс угла наклона касательной к характеристической кривой) определяется соотношением γ _D =dD / D(lgX)

Рис. 8.11 Характеристическая кривая радиографической пленки.

 

Контрастность пленки является функцией плотности почернения и экспозиции, и для пленок различного типа эта зависимость непостоянна (рис. 8.12). Контрастность безэкранных пленок увеличивается с ростом плотности почернения. Именно поэтому наивыгоднейшая плотность почернения пленок этого типа та, при которой можно просмотреть ее на расшифровочном оборудовании. Максимальная контрастность пленок экранного типа соответствует плотности почернения D = 1,8... 2,2, т.е. лучшую радиографическую чувствительность можно получить именно при этих значениях D. В данном диапазоне плотностей почернения контрастность пленки γD можно принимать равной среднему градиенту γ (см. табл. 1). Одной из важнейших характеристик радиографических пленок является разрешающая способность, которая характеризуется числом различных штриховых линий одинаковой толщины на длине 1 мм. Мелкозернистые пленки типа РТ-5, РТАМ имеют более высокую разрешающую способность в отличие от крупнозернистых пленок типов РТ-3, РТ-1 и РТ-2 (см. табл. 1).

 

 

Рис. 8.12 Зависимость контрастности радиографической пленки от плотности почернения.

 

Таблица 1.

Класс	Группа	Тип пленки	Средний градиент γ для Dmax = 1.5... 2,5	Разрешающая способность R, линий/мм
РТ (Россия)	Kodak	AGFA (Германия)
Безэкранные пленки	Высококонтрастные	РТ-5, РТ-5D	Микротекс	D2	4...4,5	140... 180
РТ-4М, РНТМ-1В	Кристаллекс	D4	3,5...4	110... 140
Высокочувстви-тельные	РТ-3	Индастрекс	D7	3... 3,5	80... 110
РТ-1, РТ-1D		D10	2,5... 3	68... 73
Экранные пленки	С флуоресцентными экранами	РТ-2	Индастрекс	S	3... 3,1

Эталон чувствительности. Для определения относительной чувствительности радиографического контроля используют специальные эталоны. Эталон представляет собой пластину с идеальными дефектами, контуры которых резко очерчены. На границе дефектов эталона резко изменяется суммарная толщина просвечиваемогo материала, в то время как в реальном металле - постепенное изменение его толщины на границе дефект - бездефектная зона. Кроме того, реальные дефекты часто рассредоточены и имеют неправильные очертания.

Вследствие этого поры или шлаковые включения, диаметры которых равны соответственно высоте прорези или диаметру проволоки эталона, могут быть не выявлены несмотря на то, что изображения искусственных дефектов четко видны.

В практике радиационной дефектоскопии применяют несколько типов эталонов чувствительности (табл. 2). Чаще других используют канавочные и проволочные эталоны четырех типоразмеров каждый. На канавочном эталоне имеется шесть канавок, глубина рядом расположенных канавок различается в 1,39 раза. Проволочный эталон представляет собой пластиковый чехол с семью проволоками различного диаметра, соседние проволоки различаются размерами в 1,25 раза. Материал эталона должен быть аналогичен материалу контролируемого изделия. Эталоны маркируют свинцовыми буквами и цифрами. Буквы обозначают материал эталона, цифры - его номер, например Сu2, Fe1, А13, Ti4. Оба вида эталона равнозначны по чувствительности, выбор их определяется условиями работы и удобством использования.

Таблица 2.

Тип эталона	Эскиз	Чувствительность, в % для δ =10... 50мм	Стандарты
Проволочный1			Европейских стран, Великобритании, Японии
Канавочный с канавками постоянной ширины и переменной глубины[1]		0.5	Европейских стран
Канавочный с канавками переменных ширины и глубины			РФ
Пластинчатый эталон чувствительности с отверстиями		1,5... 2,0	США, ASME Code, РФ
Ступенчатый эталон чувствительности с отверстиями		2,0... 2,5	Международного института сварки (МИС)