Вопросы для самопроверки
1. Для каких материалов возможно использование методов
ТВК?
2. От чего зависит плотность вихревых токов? Как изменяется плотность вихревых токов с глубиной? Как изменяется фаза вихревых токов по угловой координате?
3. Как влияет на распределение вихревых токов наличие мелких дефектов? Крупных раковин?
4. Какие виды дефектов нельзя обнаружить методами ТВК?
5. Какие виды датчиков ТВК вам известны?
6. Что такое годограф? Какие разновидности годографов используются при ТВК? Какие факторы влияют на вид годографа и каким образом?
7. Поясните работу мостовой схемы прибора ТВК. Какую схему могли бы предложить вы для устранения остаточ- ного напряжения, наблюдаемого при помещении идентич- ных изделий в поле неидентичных датчиков?
8. Какие свойства материалов учитываются обобщенным параметром в? Как определить значение диаметра экви- валентного витка для проходного датчика? Для накладного?
126 127 7. РАДИАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ (РК)
Радиационный контроль – это вид НМК, основанный на взаимодействии проникающего ионизирующего излучения (ИИ)
с контролируемым объектом (КО). Система радиационного конт- роля (РК) состоит из четырех основных элементов (рис. 7.1): источ- ника излучения, объекта контроля, детектора излучения, средства расшифровки и оценки результатов контроля. Свойства элементов системы контроля, которые влияют на результаты, называют характеристиками системы контроля или её параметрами.
К характеристикам источника излучения относятся энергия и интенсивность излучения, размер активной части излучателя;
объект контроля характеризуется толщиной и плотностью мате- риала; характеристики детектора излучения – контрастность,
чувствительность, эффективность и т.п.
Рис. 7.1. Система радиационного контроля:
1 – источник излучения; 2 – объект контроля; 3 – детектор излучения;
4 – средства расшифровки и оценки результатов контроля
Средства расшифровки и оценки результатов контроля обусловлены квалификацией и опытом дефектоскописта и совер- шенством технической документации. К параметрам системы РК
относятся также величины, характеризующие взаимное располо- жение элементов системы контроля в пространстве и во времени,
например, расстояние от источника излучения до детектора, время экспозиции и т.п.
Система РК в целом также характеризуется величиной де- фектов, выявляемых с заданной вероятностью и производитель- ностью контроля. Требования к этим основным характеристикам зависят от требований к качеству контролируемых изделий.
Классификация радиационных НМК. По используемым видам ионизирующего излучения РК подразделяется: 1) на рент- геновский контроль; 2)
контроль моноэнергетическим в-излуче- нием; 3) контроль тормозным излучением ускорителей электронов;
4) контроль потоком тепловых нейтронов; 5) г-контроль; 6) конт- роль потоком протонов; 7) контроль немоноэнергетическим в-излучением радиоактивных изотопов; 8) контроль потоком позитронов.
В зависимости от задач, стоящих перед контролем, и вида изделия, наиболее эффективен тот или другой вид излучения. Так,
для контроля сварных и паяных соединений эффективно исполь- зование 1-7-го видов излучений, для контроля слитков и отливок и обнаружения в них трещин, пор, рыхлот, ликваций – 1,3,5-й виды;
неправильности формы внутренних закрытых полостей также уверенно обнаруживаются этими видами излучения. Микродетали,
элементы электронной техники – дефекты пайки, обрывы и оплавление проводов обнаруживаются при применении 1,2,4,6-го видов, а усталость материала (контроль деталей и узлов, бывших в эксплуатации) – 8-м видом.
Способы регистрации радиационных изображений подраз- деляются на три группы: радиографические (фотографический,
ксерорадиографический, строборадиографический и т.п.); радио- скопические (способы радиационной интроскопии: визуальные радиационные, т.е. видение радиационных изображений на экране преобразователя, радиотелевизионные, стереорадиоинтроскопи-
128 129
ческие); радиометрические (ионизационный; спектрометричес- кий; сцинцилляторный).
Наибольшее распространение получили рентгенография,
рентгеноскопия и г-контроль.
Для создания ИИ используются рентгеновские аппараты
(рентгеновские трубки); ускорители заряженных частиц; радио- активные изотопы.
Рентгеновские трубки служат источниками характеристичес- кого и тормозного излучений в широком диапазоне энергий (от
0,5 до 1000 кэВ). Их используют для просвечивания стальных листов, деталей до 120-160 мм.
Ускорители электронов являются источниками высоко- энергетического тормозного излучения (до 35 МэВ). Исполь- зуются для просвечивания стальных листов большой толщины
(>450 мм). Они служат также источниками в-излучения большой энергии и генераторами нейтронного потока.
Радиоактивные изотопы являются источником рентгеновс- кого б-, в- и г-излучений, потоков нейтронов и позитронов, и используются для просвечивания стальных изделий толщиной до
200 мм.
7.1. Источники и свойства ионизирующего излученияДля получения рентгеновского излучения используют рентгеновскую трубку, представляющую собой стеклянную колбу,
из которой откачан воздух до 10
-4
– 10
-6
Па (рис. 7.2). В сосуд впаяны два электрода – катод 4 в виде спирали из толстой вольфрамовой проволоки и анод 5 из медного полого цилиндра («антикатод») с приваренной к нему мишенью из вольфрама.
К спирали катода подается низковольтное напряжение
(2-12 В), а к электродам – высокое напряжение (более 10 кВ).
При накале спирали вследствие термоэлектронной эмиссии из неё вылетают электроны, которые специальным устройством фокусируются в узкий пучок и под действием электрического поля с большой скоростью движутся к аноду.
Рис. 7.2. Принципиальная схема (а) и блок-схема (б) рентгеновского аппарата-моноблока:
1 – трансформатор; 2 – рентгеновская трубка;
3 – стеклянная колба; 4 – катод; 5 – анод с мишенью;
6 – рентгеновское излучение; 7 – кожух
Проходящий через трубку ток измеряется миллиампермет- ром на пульте управления. Ток трубки регулируетcя изменением степени накала нити катода. Электроны, попадающие на мишень анода, тормозятся в ней и теряют скорость, а следовательно, и кине- тическую энергию. Частично кинетическая энергия электронов превращается в лучистую энергию, которая выделяется в виде фотонов тормозного излучения, используемого при дефектоскопии изделий, а часть переходит в тепловую.
Доля кинетической энергии R (%), превращенной в рент- геновское излучение, зависит от анодного напряжения U и поряд- кового номера материала мишени Z:
ZU
10 4
,
1
R
7
−
⋅
=
Для вольфрамовой мишени (Z = 74) при напряжении менее
100 кВ
01
,
0
R
≈
%, при U=100 кВ
1
R
=
%, а при U=2 МВ – более
20%. Большая часть энергии превращается в тепло, которое необходимо отводить от анода охлаждающей средой (масло, вода,
газ). В некоторых случаях для уменьшения разогрева анода его выполняют вращающимся.
Участок мишени анода, на котором фокусируется рент- геновское излучение, называется действительным фокусным пят-
130 131
ном трубки. Проекция его в направлении выхода лучей – эффектив- ным фокусным пятном.
Фокусные пятна могут быть линейными с соотношением сторон 1:1,25 или круглыми. Трубки с фокусным пятном от 100
мкм до 1 мм – острофокусные, с пятном менее 100 мкм – микро- фокусные.
Интенсивность излучения рентгеновской трубки можно регулировать анодным током и напряжением. При изменении тока
(т.е. нагрева катода)
меняется только интенсивность, а при измене- нии напряжения меняется и энергия излучения. Минимальная длина волны образующегося рентгеновского излучения соответст- вует максимальной энергии кванта. Энергия кванта тем больше,
чем выше скорость электронов, которая определяется напряжением на трубке:
),
/
c
(
h h
eU
0
λ
=
ν
=
где e – заряд электрона, равный
1,6·10
-19
, Кл, U – напряжение на трубке, В, с – скорость света; л
0
–
наименьшая длина волны излучения в спектре рентгеновского излучения трубки. Из формулы видно, что энергетический спектр тормозного излучения определяется величиной напряжения на трубке. Чем выше напряжение, тем больше скорость электронов,
тем больше энергия излучения, тем меньше длина волны и тем больше проникающая способность излучения.
Поскольку электроны, испускаемые катодом, имеют непре- рывное распределение скоростей, энергетический спектр тормоз- ного излучения имеет непрерывный характер, т.е. в нем присутст- вуют кванты со всевозможными значениями энергий – от нуля до некоторого максимального значения, отвечающего максимальной кинетической энергии тормозящихся электронов.
Если энергия электрона настолько велика, что он выбивает электроны с внутренних оболочек атомов вещества мишени, на фоне непрерывного спектра тормозного излучения возникает линейча- тый спектр характеристического излучения (рис. 7.3). Подбирая материалы мишени, можно получать различные спектры.
На рис. 7.4 представлена спектральная интенсивность излу- чения трубки при различных напряжениях. Установлено, что длина волны излучения максимальной интенсивности
0
max
2 3
λ
=
λ
Рис. 7.3. Сплошной (1)
и линейчатый (2) спектры рентгеновского излучения для мишени из молибдена при U=35кВ
Рис. 7.4. Спектры тормозного
рентгеновского излучения при различных напряженияхНиже
0
λ
излучения не существует. Как видно из формул, энергия излучения зависит только от напряжения, от величины анодного тока она не зависит.
Существуют различные модификации конструкции рент- геновской трубки. Двухэлектродные трубки (с напряжением
U
≤
200 – 300кВ) имеют электрическую фокусировку электронов,
при которой размер фокусного пятна не изменяется во всем диа- пазоне регулировки анодного тока и напряжения. Трубки с выне- сенным анодом, используемые для панорамного просвечивания,
имеют дополнительную магнитную фокусировку. При напряже- ниях от 300кВ до 2МВ применяют секционированные (каскадные)
трубки, которые имеют дополнительные промежуточные коль- цевые электроды, обеспечивающие выравнивание электрического поля по длине трубки. Магнитная фокусировка позволяет регули- ровать размер фокусного пятна. Современные рентгеновские трубки делают разборными; антикатоды съёмные.
132 133
На рис. 7.5 представлено принципиальное устройство двухэлектродной рентгеновской трубки.
Рентгеновский аппарат состоит из электронной рентгеновской трубки, помещенной в защитный кожух, катодного и анодного генера- торных устройств, штатива, масляного насоса, пульта управления.
Бак генераторного устройства, кожух с трубкой и бак насоса заполнены трансформаторным маслом, служащим изолятором.
Масло, прокачиваемое через защитный кожух, охлаждает анод трубки (это могут быть и вода или сжиженные газы). Защитный кожух выполняют из свинцового листа, объём заполняется маслом.
Масло от насоса
поступает сначала на полый анод трубки, а затем в защитный кожух. Для выхода излучения в кожухе имеется специальное окно, застеклённое материалом, слабо поглощающим излучение. В трубках, рассчитанных на мягкое излучение
0
λ > 2
o
А,
U < 30 кВ, окна застеклены бериллием, хорошо про- пускающим такое излучение.
Бетатроны. Бетатрон – индукционный ускоритель электро- нов (рис. 7.6, 7.7) – состоит из электромагнита, рентгеновской бета- тронной камеры, блока питания и пульта управления. От остальных применяемых в дефектоскопии ускорителей он отличается порта- тивностью [10].
Рис. 7.5. Принципиальное устройство двухэлектродной рентгеновской трубки:
1 – катод; 2 – фокусирующее устройство;
3 – анод; 4 – вольфрамовая мишень; 5 – чехол анода; 6 – патрубок для ввода охлаждающей жидкости
Рис. 7.6. Схема работы бетатрона:
1-катушка возбуждения;
2 – инжектор; 3 – мишень; Ф – магнитный поток
Рис. 7.7. Схема бетатрона:
1- магнитопровод; 2 – камера;
3 – блок питания; 4 – пульт управления; 5 – катушка электромагнита;
6 – блок питания инжектора; 7 – инжектор
134 135
В один из патрубков бетатронной камеры вставлен инжектор
(электронная пушка). Система инжекции смонтирована в отдель- ном блоке или под облицовочным кожухом электромагнита.
Электромагнит предназначен для индуцирования в вакуумной камере бетатрона электрического поля, необходимого для ускоре- ния и управления движением электронов.
Стеклянная кольцевая камера расположена между полюсами электромагнита и является источником тормозного излучения.
Блок питания подаёт на катушки переменный ток. Возникающий синусоидально-изменяющийся магнитный поток индуцирует в камере вихревое электрическое поле. Под действием этого поля электроны, введённые в камеру инжектором, движутся с ускоре- нием по окружности.
За каждый оборот электроны получают относительно не- большое приращение энергии, примерно 15-20 эВ, что объясняется небольшой напряжённостью электрического поля. Магнитное поле возрастает от нуля до
максимального значения за четверть периода;
направление вихревого электрического поля за этот промежуток времени не меняется. За этот промежуток времени электрон успе- вает сделать огромное (до нескольких миллионов) число оборотов.
При этом электроны ускоряются до энергии нескольких десятков мегаэлектрон-вольт. Ускоренные электроны смещаются с равно- весной орбиты и направляются на мишень из платины или воль- фрама. В результате торможения электронов в материале мишени возникает жесткое тормозное излучение (
0
λ
<
λ
, обычно 0,2-2
o
А
).
Выход излучения сильно зависит от энергии ускоренных электронов. Максимальная энергия тормозного излучения лишь ненамного меньше максимальной энергии ускоренных электронов,
рассчитанной по формуле
511 0
r
H
10 3
E
0 0
2
,−
⋅
=
, где Е-энергия электронов, МэВ; Н
0
– напряжённость магнитного поля, Гс; r
0
– радиус камеры, см.
В бетатронах с большим радиусом вакуумной камеры, в которых электроны приобретают большую энергию, получается более интенсивное тормозное излучение, чем в бетатронах с малым радиусом камеры. Эффективная энергия излучения составляет
(0,3 – 0,5) Е
max
Фокусировка пучка электронов происходит в процессе их ускорения, в результате чего фокусное пятно бетатрона имеет маленькие размеры (0,1-0,01мм). Из него выходит интенсивный и очень узкий пучок с углом раствора 5-6
о
, благодаря чему обеспе- чивается высокая резкость снимков, что дает высокую чувстви- тельность методам просвечивания.
Серийно выпускаются бетатроны для дефектоскопии изде- лий из стали (до 450 мм толщины), алюминия (до 1800 мм), титана
(до 880 мм). Бетатрон Б5М-25 применяется в медицинской прак- тике. Разработаны бетатроны как в стационарном исполнении, так и передвижные. Размеры электромагнита от 400, 520 мм до 1500,
1700 мм для больших камер (соответственно и вес от 100 кг до
5000 кг).
Линейные ускорители и микротроны. В линейных ускори- телях частицы однократно проходят электрическое поле с большой разницей потенциалов, т.е. ускоряются по прямому методу.
На рис. 7.8 представлена схема линейного ускорителя с бегу- щей волной.
Рис. 7.8. Схема линейного ускорителя:
1 – камера; 2 – электромагнит;
3 – генератор; 4 – волновод; 5 – электронная пушка; 6 – мишень;
7 – вакуумный насос
136 137
Электроны, генерируемые пушкой 5 импульсно с энергией
30-100 кэВ, ускоряются электрическим полем бегущей электро- магнитной волны, создаваемой высокочастотным генератором 3 в цилиндрическом волноводе 4 (на каждые 30 см пути в волноводе электронам сообщается энергия примерно 1 МэВ). Электрическое поле бегущей волны направлено по оси цилиндра. Ускоренные электроны попадают на мишень 6, в которой возникает тормозное излучение большой интенсивности. Так, линейные ускорители с энергией 10-25 МэВ создают тормозное излучение, мощность экспозиционной дозы которого на расстоянии 1м от мишени состав- ляет 2000-25000 Р/мин, что позволяет использовать их для конт- роля сварных швов толщиной 400-500 мм.
Линейный ускоритель с секционированной ускоряющей трубкой состоит из большого числа промежуточных электродов.
На каждый электрод подаётся увеличивающееся вдвое постоянное напряжение. Наибольшее напряжение достигает 1-2 МэВ и более при токе 0,2 мА. Диаметр фокусного пятна 1 мм. Используется для контроля деталей толщиной 125-250 мм.
Линейный ускоритель со
стоячей волной состоит из инжек- тора электронов, источника переменного напряжения и метал- лического резонатора, внутри которого расположены пролетные металлические трубки. Электроны из инжектора попадают в полость резонатора и проходят вдоль пролетных трубок. Под дейст- вием электрического поля в промежутках между трубками элект- роны ускоряются и в конце пути тормозятся на мишени, где и генерируется тормозное излучение.
Микротрон (рис. 7.9) – циклический резонансный ускори- тель электронов с постоянным по времени и однородным магнит- ным полем. Электроны, запущенные в вакуумную камеру 1, дви- жутся по окружностям разного радиуса, имеющим общую точку касания в месте расположения резонатора, сверхвысокочастотное поле которого ускоряет электроны. Резонанс ускорения создается в результате кратного увеличения периода высокочастотного напряжения при каждом пересечении электронами ускоряющего зазора резонатора. Резонатор возбуждается через волновод 3
посредством мощной импульсной электронной пушки 4. Ваку- умная камера находится под непрерывной откачкой с помощью насоса 7. Ускоренные электроны на последней орбите либо попа- дают на мишень 5, в которой возникает рентгеновское излучение,
либо с помощью специального устройства выводятся из камеры.
Электронный пучок микротрона в отличие других типов ускори- телей обладает высокой моноэнергетичностью. Микротрон позво- ляет ускорить электроны до энергии в несколько сотен МэВ.
Эффективное фокусное пятно микротрона невелико (порядка 2-3 мм).
Микротрон МД10 даёт излучение экспозиционной дозы на рас- стоянии 1м от мишени и позволяет просвечивать детали толщиной до 500 мм. Время просвечивания детали толщиной 200 мм состав- ляет около 10 c.
Рис. 7.9. Схема микротрона:
1 – камера; 2 – электромагнит;
3 – волновод; 4 – электронная пушка; 5 – мишень; 6 – резонатор;
7 – вакуумный насос
Скачать 3.53 Mb.