Каневский. И. Н. Каневский Е. Н. Сальникова
 Скачать 3.53 Mb.
|
|
Радиоизотопные источники г- и в-излучения. Источник излучения представляет собой закрытую ампулу (заваренную или завальцованную) из коррозионно-стойкой стали или сплавов алюминия и для герметичности сверху покрытую эпоксидным клеем. Внутри ампулы помещаются искусственные радионуклиды, получаемые в ядерных реакторах при облучении веществ в нейтронных потоках или при обработке продуктов распада, образующихся в реакторах. К радиационно-физическим характеристикам радиоактив- ных источников излучения относятся период полураспада, спектр излучения, удельная активность, мощность экспозиционной дозы на расстоянии 1м от источника и геометрические размеры излучателя. Внутренние размеры ампулы определяют размеры активной части источника. Проекция активной части ампулы в направлении просвечивания образует фокусное пятно источника. Для гамма-дефектоскопии применяют изотопы с высокой удельной активностью, такие как кобальт 200 100 60 − = Co (Ки/г), цезий 25 137 − Cs (Ки/г), селен 75 Se, иридий 192 Ir, тулий 170 Tm, европий Eu Eu+ 154 152 и другие (наибольшая удельная активность составляет у марганца 2000 = Mn 54 Ки/г). Энергетические спектры излучения применяемых источни- ков состоят из отдельных групп г-квантов и тормозного спектра, возникающего при торможении в-частиц. В спектрах большинства радионуклидов, используемых при дефектоскопии, интенсивность тормозного излучения пренебрежимо мала. Интенсивность отдель- ных линий дискретного спектра и соотношение между ними опре- деляются числом выхода г-квантов различных энергий на акт распада (в процентах). В радиационной дефектоскопии применяют радионуклиды с периодом полураспада от нескольких дней до десятков лет. В табл. 7.1 приведены некоторые сведения о наиболее распростра- ненных радионуклидах. Гамма-дефектоскоп состоит из следующих основных блоков: радиационная головка с источником излучения; устройство для безопасной зарядки прибора ампулами, пульт управления дистан- ционным перемещением ампул, выпуском и перекрытием гамма- излучения; штатив для крепления радиационной головки относи- тельно объекта контроля. Радиационные головки имеют свинцовую или вольфра- мовую защиту, обеспечивающую снижение мощности дозы излуче- ния на расстоянии 1м от источника, находящегося в положении хранения, до предельно допустимой дозы 2,8 мР/час ( А/кг 10 2,01 10 ) и менее, а на расстоянии 0,1м – до 100 мР/час ( А/кг 10 7,17 9 ) и менее. Конструктивно головки выполняют с перемещаемым и неподвижным источником излучения. Конструктивно все дефектоскопы радиационного контроля делятся на универсальные шланговые дефектоскопы и дефекто- скопы затворного типа. Т а б л и ц а 7.1 Основные характеристики некоторых радионуклидов, применяемых в дефектоскопии Радионуклид Период полураспада Выход г -квантов на распад, % Энергия г –кванта, МэВ Энергия б -частиц Co 60 27 5,25 года 1,0 1,0 <10 -3 1,33 1,17 2,5 0,318 МэВ Cs 137 55 11000 дней 100 0,661 1,17 МэВ – 8% 0,52 МэВ – 92% 75 Se 75 34 120,4 дня 1,1 3,9 20 61 1,8 71 29 1,5 10 0,13 0,066 0,0967 0,121 0,136 0,199 0,264 0,279 0,304 0,400 0,572 • • 140 141 В универсальных шланговых дефектоскопах (рис. 7.10) источник излучения помещается в криволинейный канал – лабиринт и фиксируется в положении хранения специальным замком. После открытия замка источник может быть перемещён к выходному окну головки (фронтальное просвечивание конусным пучком излучения) или может подаваться в зону контроля из радиационной головки по гибкому ампулопроводу 6. В этом случае панорамный пучок излучения формируется с помощью сменных коллимирующих головок 7. Перемещение источника осуществ- ляется ручным или электроприводом с пульта управления 1. Расстояние между пультом и головкой у переносных приборов от 3,5 до 12 м; у передвижных – до 50 м. На рис. 7.11 представлена схема дефектоскопа затворного типа, предназначенного для работы в полевых, цеховых, монтаж- ных условиях. Существует несколько модификаций таких дефекто- скопов. Рис. 7.10. Схема гамма-дефектоскопа шлангового типа: 1 – привод управления; 2 – подающий трос; 3 – соединительный шланг; 4 – радиационная головка; 5 – держатель источника излучения; 6 – ампулопровод; 7 – коллимирующая головка Рис. 7.11. Схемы дефектоскопа затворного типа: а – гамма-дефектоскоп с открыванием затвора; б – гамма-дефектоскоп с перемещением источника; в – гамма-дефектоскоп с выемным стаканом В приложении К приведены технические характеристики некоторых современных рентгеновских установок. 7.2. Чувствительность радиационного контроля На рис. 7.12 приведена схема радиационного контроля изде- лия 1, внутри которого имеется дефект 2. Для определенности предположим, что 1 – металлическая деталь, а 2 – шлаковое вклю- чение или непроплав в ней. 142 143 Источник радиационного излучения 3 (рентгеновская трубка, радиоактивный изотоп, источник β -частиц и т.п.) расположен в защитном экране 4. Регистратором дефектов является рентгеновс- кая пленка 5, расположенная под контролируемым изделием 1. Радиационное излучение, пройдя через контролируемое изделие 1 с дефектом 2, вызовет различное потемнение фотопленки 5: более сильное 6, соответствующее изображению дефекта 2, и более сла- бое 7, соответствующее изображению части детали 1 без дефектов. Это обстоятельство объясняется тем, что дефекты в металлических деталях, как правило, имеют плотность во много раз меньше, чем плотность самой детали. Эти дефекты – раковины, шлак, газовые полости и т.п. Такие неметаллические включения во много раз слабее поглощают радиационное излучение, чем бездефектный металл. Далее предположим, что плотность почернения фотомате- риала пропорциональна интенсивности излучения J, падающего на фотопленку (область 7 на рис. 7.12). Если в области 6, изображаю- Рис. 7.12. К определению чувствительности методов РК щей дефект, интенсивность радиационного излучения равна J 1 , то контрастность К изображения дефекта на фотопленке будет равна: 1 J – J = К (7.1) Для вычисления величины контрастности предположим, что коэффициент поглощения радиационного излучения в материале изделия равен α 1 , а в материале дефекта – б 2 . Толщина изделия и дефекты равны соответственно x и y (рис. 7.12). Пусть интенсив- ность источника излучения равна J о . После прохождения безде- фектной части изделия интенсивность прошедшего излучения J будет равна ) x exp( J J 1 0 α − = . (7.2) Под местом расположения дефекта интенсивность излучения ) y ) y x ( exp( J J 2 1 0 α − − α − = (7.3) В этом выражении первое слагаемое в показателе степени экспоненты учитывает ослабление интенсивности излучения в материале изделия, а второе слагаемое – в материале дефекта. Подставив выражения (7.3) и (7.2) в формулу (7.1), получим контрастность изображения дефекта [ ] { } y ) ( exp 1 J K 2 1 α − α − = . (7.4) Размеры дефекта у всегда ничтожно малы по сравнению с размерами х контролируемого материала, а коэффициент поглоще- ния α 2 в материале дефекта во много раз меньше коэффициента поглощения α 1 в контролируемом материале. Разлагая экспонен- циальную функцию в степенной ряд, из выражения (7.4) получим )y б J(б = ...} – )у б – (б + 1 – J{1 = K 2 1 2 1 (7.5) Из выражения (7.5) следует, что контрастность изображения дефектов при РК, во-первых, пропорциональна толщине дефекта у и, во-вторых, пропорциональна разности коэффициентов погло- щения излучения в материалах изделия и дефекта α - α 1 144 145 Эти результаты естественно было ожидать исходя из пред- ставлений о физических процессах при радиационном контроле. Более интересный вывод из формулы (7.5) можно получить, если ее упростить, учитывая, что всегда α 2 << α 1 . Тогда . y J K 1 α = (7.6) Из выражения (7.6) следует, что контрастность изображения дефектов тем больше, чем больше коэффициент поглощения излу- чения в контролируемом материале. Этот вывод прямо противо- положен выводу, например, при контроле с помощью излучения ультразвуковых волн, когда четкость контроля понижается с ростом коэффициента поглощения волн. Выражение (7.6) позволяет сделать практически важный вывод: контроль с помощью радиационного излучения наиболее эффективен для материалов с большими коэффициентами погло- щения. Это в основном металлы. 7.3. Способы регистрации радиационных изображений Наибольшее распространение в радиационной дефекто- скопии получил радиографический контроль с использованием в качестве детектора излучения радиографической пленки. В ка- честве источников излучения при этом контроле используются все три типа источников излучения. Разновидностью радиографического контроля является флюорографический метод, при котором распределение интенсив- ности ионизирующего излучения преобразуется в видимый свет на сцинцилляторном экране и затем регистрируется с помощью оптической системы на флюорографической плёнке (рис. 7.13, а, б). Наибольшее распространение в качестве детектора при радиографическом методе контроля получили радиографические плёнки. Радиографические пленки подразделяют на две группы: безэкранные для использования без флуоресцентных экранов или с металлическими усиливающими экранами, и экранные пленки, применяемые совместно с флуоресцентными экранами. Основными характеристиками пленок являются спектральная чувствитель- Рис. 7.13. Схема радиографического контроля с использованием: а – радиографической пленки; б – флюорографической пленки; 1 – источник излучения; 2 – контролируемый объект; 3 – радиографическая пленка; 4 – монокристаллический экран; 5 – зеркало с поверхностным отражением; 6 – оптическая система; 7 – кассета с флюорографической пленкой 2 3 4 1 ность, контрастность и разрешающая способность. На рис. 7.14 представлена схема строения радиографической пленки. Основой пленки служит гибкая прозрачная подложка 4 из негорючей пласт- массы – ацетилцеллюлозы. На подложку с двух сторон наносят Рис. 7.14. Схема строения радиографической пленки 146 147 чувствительную к излучению эмульсию 2, представляющую собой слой желатины толщиной 10-30 мкм, в которой равномерно распределены микрокристаллы бромистого серебра. Размеры микрокристаллов не превышают 3 мкм. Для увеличения прочности соединения между эмульсией и подложкой лежит слой специаль- ного клея 3, называемый подслоем. Снаружи на эмульсию наносят защитный слой 1 из задубленной желатины толщиной до 1 мкм для предохранения эмульсии от механических повреждений. Под воздействием излучения бромистое и хромистое серебро разлагаются и выделяют серебро чёрного цвета. Двойной слой фотоэмульсии увеличивает чувствительность в два раза. Чувствительность плёнки определяется оптической плот- ностью почернения ) F / F lg( D 0 0 = , где F / F 0 – непрозрачность пленки, F 0 , F – интенсивность светового потока, падающего на пленку и проходящего через нее. Плотность почернения совершенно проз- рачного снимка ( F F 0 = ) равна нулю. Плотность почернения пропорциональна экспозиции H Э , которая равна произведению времени выдержки на интенсивность падающих лучей. На рис. 7.15 представлен примерный вид характеристической кривой пленки, являющийся зависимостью плотности почернения от логарифма экспозиции. Начальный участок характеристической кривой соответст- вует отсутствию излучения. Он характеризует плотность вуали 01 D – величину плотности обработанной плёнки, не подвергнутой облучению. Её величина лежит в пределах 3 , 0 D 1 , 0 01 ≤ ≤ Рис. 7.15. Характеристическая кривая радиографической пленки При длительном хранении 01 D увеличивается. Участок кри- вой АБ называют областью недодержек. В этой области почернение пленки с увеличением экспозиции незначительно. На участке БВ плотность почернения пропорциональна экспозиции. Эта область соответствует области рабочих экспозиций в радиографии. Тангенс угла наклона рабочего участка называют коэффициентом контраст- ности плёнки. Участок ВГ соответствует области передержек. Чувствительность пленки измеряют величинами, обратными величине дозы излучения, необходимой для получения плотности, превышающей на 0,85 плотность вуали. Случайно возникающие скопления и разряжения зерен серебра создают впечатление зернистости изображения и ухудшают выявляемость мелких дефектов при радиографическом контроле. Зернистость называют также гранулярностью G. С увеличе- нием энергии излучения гранулярность возрастает. Большую гранулярность имеют изображения, полученные с применением усиливающих флуоресцентных экранов. Гранулярность радио- графических снимков, а также рассеяние излучения в эмульсии радиографических пленок приводит к тому, что скачкообразное изменение интенсивности излучения на границах дефекта регистрируется как плавное изменение плотности почернения радиографической пленки. Количественную характеристику величины размытия называют собственной нерезкостью радио- графических детекторов излучения u п . Величина собственной нерезкости безэкранных радиографических пленок зависит от спектрального состава излучения и равна 0,4 мм при использова- нии в качестве источника излучения 60 Co, 0,28 мм при использова- нии 192 Ir и 0,1мм для 170 Tm. При использовании тормозного излучения с максимальной энергией в спектре от 150 до 250 КэВ величина собственной нерезкости изменяется от 0,1 до 0,17 мм. Радиографические плёнки можно использовать в комбина- ции с экранами (металлическими или флуоресцентными). Экранные радиографические пленки предназначены для регистрации излучения оптического диапазона, возникающего при воздействии ионизирующего излучения на флуоресцентные экраны. Они сенсибилизированы в оптическом диапазоне излучения, их 148 149 спектральная чувствительность согласована со спектром излуче- ния флуоресцентных экранов. По сравнению с безэкранными пленками экранные имеют большую чувствительность и меньший коэффициент контраст- ности. Собственная нерезкость экранных пленок при использова- нии тормозного излучения с максимальной энергией в спектре 150 – 250 кэВ составляет 0,6 мм. Усиливающие металлические экраны применяют для сокра- щения времени просвечивания. Усиливающее действие метал- лических экранов основано на выбивании из них вторичных электронов под действием ионизирующего излучения. Выбитые электроны действуют на эмульсию пленки и вызывают дополни- тельную фотохимическую реакцию, усиливающую действие пер- вичного излучения. Металлические экраны выполняют из тяжёлых элементов – свинца, меди, реже – из вольфрама и титана. Экраны устанавли- вают позади и впереди радиографической плёнки. Применение экранов приводит к сокращению экспозиции. Задний экран защи- щает плёнку от рассеянного излучения. Толщина экрана для раз- личных источников излучения приведена в табл. 7.2. Флуоресцентные экраны изготовляют на основе люмино- форов. Усиливающее действие флуоресцентных экранов связано с дополнительным воздействием на пленку свечения, возникаю- щего в люминофоре под действием ионизирующего излучения. В качестве люминофоров используют смесь мелких кристаллов сульфида цинка и сульфида кадмия, активированных серебром ) Ag ( CdS ); Ag ( ZnS , а такжее ) Tb ( S O Gd ; SO ) Pb , Ba ( ; CaWO 2 2 4 4 Люминофор со связующим наносят на бумагу или картон. Радиографическую плёнку располагают между двумя флуоре- сцентными экранами, в случае использования односторонних радиографических пленок – один экран, расположенный с той стороны пленки, на которую нанесена эмульсия. При высоких энергиях излучения перед передним экраном или вместо него устанавливают металлический экран. Основными характеристиками усиливающих флуоресцент- ных экранов являются коэффициент усиления и величина собст- Т а б л и ц а 7.2 Характеристики металлических экранов Толщина экрана, мм Источник излучения Материал экрана переднего заднего Рентген 100-200 кВ Pb 0,05 0,1 Рентген 200-300 кВ Pb 0,1 0,2 Co 60 Pb, Cu 0,4 0,5 Tm 170 Pb 0,2 0,4 Ускоритель 3-12 МэВ Pb, Cu 0,5 1-2 венной нерезкости. Коэффициент усиления – отношение времени экспозиции при использовании флуоресцирующих экранов, необходимого для получения снимка с заданной оптической плот- ностью, к времени экспозиции на той же пленке без усиливающих экранов. Величина коэффициента усиления зависит от энергии излучения. Собственная нерезкость флуоресцентных экранов связана с рассеянием света в экранах и зависит от плотности упаковки зерен флуоресцентного вещества в экране. Величина собственной нерез- кости флуоресцентных экранов значительно превышает величину собственной нерезкости радиографической пленки и составляет от 0,4 до 0,6 мм. Флуоресцентные экраны выпускают серийно. Некоторые сведения о флуоресцентных экранах приведены в табл. 7.3. Коэффициент контрастности флуоресцентных экранов k п =1. Коэффициент контрастности экранных радиографических пленок значительно ниже, чем коэффициент контрастности безэкранных пленок. Следовательно, при одинаковом радиационном контрасте общий контраст изображения на снимках, полученных с использо- ванием флуоресцентных экранов, значительно ниже, чем на сним- ках, полученных при использовании безэкранных пленок с метал- лическими экранами. 150 151 Радиационный контраст, создаваемый источниками излуче- ния, не зависит от детектора излучения, следовательно, примене- ние флуоресцентных экранов приводит к ухудшению выявляе- мости дефектов. Однако радиационный контраст может быть уве- личен при использовании флуоресцентных экранов на основе редкоземельных элементов с большим коэффициентом усиления, так как их применение позволяет снизить напряжение на рент- геновской трубке. Это, в свою очередь, увеличивает коэффициент ослабления излучения и позволяет получить контраст изображе- ния, превышающий контраст изображения, получаемый при использовании безэкранных пленок. Разновидностью радиографического контроля является ксерорадиография. Ксерорадиография – способ получения изоб- ражения на поверхности тонкого слоя полупроводящего материала, электропроводность которого зависит от интенсивности ионизи- рующего излучения. Ксерорадиографическая пластина – тонкий слой селена высокой чистоты (99,992%), напылённый в вакууме на полирован- ную проводящую подложку. В качестве материала подложки чаще всего используется алюминий, возможно использование латуни, стекла или бумаги с проводящими слоями. Толщина слоя селена составляет 100-400 мкм. Чувствительность пластин К определяют величиной, обратной дозе излучения, при которой достигается заданная плотность почернения. Перед проведением экспонирова- ния пластину сенсибилизируют, для чего её с заземлённой под- Т а б л и ц а 7.3 Характеристики флуоресцентных экранов Количество люминофор на экране, мг/см 2 Тип экрана Люминофор переднего заднего «Стандарт» 4 CaWO 60 60 «УС» |