Основы РК, источники и технология пленок. Основы радиографического метода контроля Введение
 Скачать 1.42 Mb.
|
|
Основы радиографического метода контроля Введение Совокупность методов контроля сварных швов называется дефектоскопией, а человек, владеющий методом контроля – дефектоскопистом. Все методы контроля разбивают на 2 группы: Неразрушающий контроль (физические методы контроля); Разрушающий контроль или контроль разрушения (механическое испытание). К основным неразрушающим методам контроля относятся радиационный, ультразвуковой, магнитный, контроль проникающими веществами, визуальный контроль. При радиационном контроле используется проникающее (ионизирующее) излучение, рентген (R) и гамма (γ) лучи и нейтронное излучение. Нейтронное излучение используется в основном для контроля водородосодержащих материалов, а при контроле сварных швов металла используют R и γ лучи. По происхождению или по природе R и γ лучи – это электромагнитные колебания высокой частоты. R лучи получают с помощью рентгеновского аппарата, а γ лучи с помощью радиоактивного вещества. R и γ лучи обладают следующими свойствами: 1. Высокая проникающая способность (не имеют массы, заряда, запаха, невидимы); 2. Вызывают ионизацию воздуха и газов, делая их электропроводными; 3. Вызывают фотохимическую реакцию, то есть засвечивают кино-фото- и рентген пленки; 4. Вызывают свечение люминофора; 5. Не отклоняются в электрических и магнитных полях; 6. Оказывают биологическое воздействие на живой мир. Для контроля сварного соединения с одной стороны объекта устанавливается источник излучения, а с другой стороны регистратор прошедшего излучения через зону контроля. При прохождении излучения за счет взаимодействия с атомами вещества происходит поглощение и ослабление прошедшего излучения. Степень ослабления зависит от плотности материала, энергии излучения и толщины или расстояния. Дефекты с меньшей плотностью, чем сварной шов (поры, шлаки, непровары, трещины, подрезы и др.) дают меньшее ослабление излучения, а прошедшее излучение – большей интенсивности. Радиационный контроль различают по способу обнаружения или по регистратору: Радиографический метод – регистратором является рентгеновская пленка; Радиоскопический метод - регистратором является экран монитора Радиометрический метод - регистратором является измеритель излучения (дозиметр). Примечание: R и γ лучи распространяются в любой среде со скоростью света с, где с=300000км/c; частота электромагнитных колебаний обозначается ν и измеряется в Герцах (Гц); Длина волны обозначается λ и измеряется в метрах (м), ν=c/λ Радиоактивность До свинца в периодической таблице Менделеева элементы с устойчивым ядром, а после - все элементы имеют неустойчивое ядро. Самопроизвольный распад неустойчивого ядра называется радиоактивностью. Радиоактивность открыта в 1896 г. Анри Беккерелем. При распаде ядра из него выбрасываются α,β-частицы, протоны, нейтроны и γ-лучи. Рассмотрим α и β распады. При распаде ядра радия образуется α-частица и элемент радон: Ra88226→Не24(α)+Rn86222 При распаде ядра висмута образуется β-частица и элемент полоний: Bi83209→Po84209+β При распаде нейтрона образуется протон и β-частица: n10→p11+β Резерфорд в 1919 году бомбардировал α-частицами ядро азота (N) и в результате получил изотоп кислорода и протон. N714+α24→O817+p11 Co2759+n01→Co2760+γ 1934 год – год рождения искусственной радиации, за это открытие получили Нобелевскую премию дочь Кюри и зять Кюри. В Росси используются следующие радиоактивные элементы - кобальт (Cо), иридий (Ir), цезий (Cs), тулий (Tm), селен (Se). Источником γ- излучения являются радиоактивные вещества: Tm69169+n01→Tm69170+γ Cs55133+n01→Cs55134+γ Ir77191+n01→Ir77192+γ Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, причем между протоном и нейтроном существуют ядерные силы притяжения, а между протонами - Кулоновские силы отталкивания. При распаде ядра из него может выброситься кусочек ядра в виде α-частицы, протона, нейтрона, β-частицы и энергии в виде электромагнитных колебаний высокой частоты, называемой γ- лучами. Различают естественную и искусственную радиоактивности. Естественная радиоактивность – это самопроизвольный распад неустойчивого ядра, существующий в природе. Искусственная радиоактивность – это самопроизвольный распад неустойчивого ядра, полученного искусственным путем. Например, кобальт, металл с устойчивым ядром. При бомбардировке ядра нейтронами получается изотоп кобальта с неустойчивым ядром, т.е. радиоактивный кобальт, при распаде ядра которого получаем γ- излучение. Примечание: После свинца все элементы после распада превращаются в свинец. Радиоактивные вещества могут быть в жидком, твердом и газообразном состояниях. Закон радиоактивного распада Распад радиоактивного вещества не зависит от внешних факторов, нельзя распад ускорить или задержать. Скорость распада зависит только от самого радиоактивного вещества. По мере распада количество радиоактивных ядер убывает и уменьшается. Зависимость количества радиоактивных ядер от времени распада называется законом радиоактивного распада. Nt=N0*e-0.693t/T1/2 Где N0 –первоначальное количество радиоактивных ядер; t- время распада; Nt - количество радиоактивных ядер ко времени t; Т1/2- период полураспада.  Интервал времени, за который количество радиоактивных ядер уменьшается в 2 раза называется периодом полураспада. Ниже приводится таблица для некоторых радиоактивных элементов, с указанием периода полураспада и энергии излучения:
Активность γ-источника. Закон изменения активности. Активность - это скорость радиоактивного распада или количество радиоактивных ядер, распадающихся за единицу времени. Единица измерения активности в системе СИ: Бк (Беккерель), внесистемная единица: Ku (Кюри). 1Ku=3,7*1010 Бк 1Бк=1распад/с В паспорте на источник указываются первоначальная активность и дата. Со временем активность источника убывает по экспоненциальному закону. От активности источника зависит время экспозиции. Закон изменения активности записывается следующим образом: At=A0*e-0.693t/T1/2 Где A0 –первоначальная активность источника; t- время распада; At - активность ко времени t; Т1/2- период полураспада.  Рентгеновская трубка непрерывного излучения В 1895 году рентгеновские лучи открыл немецкий физик Вильгельм Рентген. Для получения рентгеновских лучей используют рентгеновскую трубку. Рентгеновская трубка состоит из стеклянного вакуумного баллона с двумя металлическими электродами: анодом и катодом. Катод представляет собой вольфрамовую спираль и служит для получения свободных электронов (термокатод). Анод представляет собой вольфрамовую пластину и служит для торможения быстро летящих электронов и получения рентгеновского излучения. Вольфрамовая спираль катода в массивном теле - для формирования пучка электронов (цилиндрический, призматический, кольцевой). Анод в полой медной трубке, где циркулируют масло, воздух или вода для охлаждения анода.   Схема рентгеновской трубки слева и фото справа: 1 – металлический анодный стакан (обычно заземляется); 2 - окна из бериллия для выхода рентгеновского излучения; 3 - термоэмиссионный катод; 4 - стеклянная колба; 5 – выводы катода, к которым подводится напряжение накала, а также высокое (относительно анода) напряжение; 6 - электростатическая система фокусировки электронов;7 - анод; 8 - патрубки для охлаждающей системы. В рабочем режиме на трубку подаются два напряжения питания: напряжение накала на катод до 12 В и анодное напряжение относительно катода до 300-400 кВ. При подаче напряжения накала, катод нагревается до температуры t=2000-3200С и получаем свободные электроны. При подаче на анод положительного напряжения, например 100кв, электроны, притягиваясь к аноду, приобретают энергию движения прямо пропорциональную анодному напряжению. U=100кВ, то Е=100кэВ При торможении анодом электронов их энергия преобразовывается в тепло и электромагнитные колебания, называемые рентгеновскими лучами. КПД трубки 1-3% - это значит, что из 100 электронов, энергия 3-х электронов преобразуется в рентгеновские лучи, а у остальных в тепло. Площадь анода, которая бомбардируется электронами и дает рентгеновское излучение называется фокусным пятном. Размер фокусного пятна является размером источника рентгеновского излучения. Форма пучка излучения зависит от конструкции анода: если анод в виде наклонной пластины, то получаем направленный конусообразный или пирамидальный пучок излучения; если анод в виде конуса, то получаем кольцевой или панорамный пучок излучения. В рентгеновской трубке регулируется анодное напряжение в определенных пределах и регулируется напряжение накала. При изменении анодного напряжения изменяется энергия рентгеновского излучения, но также и интенсивность излучения. А при изменении напряжения накала изменяется количество электронов и в итоге плотность рентгеновского излучения, т.е. интенсивность рентгеновского излучения. Примечание: Энергия – способность излучения совершать работу. Обозначается Е и равна Е=hν, где h-постоянная Планка и численно равна h=6,67*10-34 Дж*с, ν- частота электромагнитных колебаний. Энергия в системе СИ измеряется в Дж, а на практике в электронвольтах (эВ). Интенсивность излучения – количество энергии излучения через единицу площади за единицу времени, направленную перпендикулярно излучению. Интенсивность излучения зависит от анодного напряжения, напряжения накала и тока накала. Маркировка рентгеновской трубки 07БПК2-160 07- потребляемая мощность 7 кВт; Б – блендовая защита, т.е. защита от неиспользуемого излучения корпуса аппарата; П – промышленная, бывают Д - диагностическая, Т - терапевтическая. К – охлаждение анода трубки воздушное, бывают М – масляное, В – водяное. 2 – номер разработки; 160 – максимальное анодное напряжение в кВ. Взаимодействие излучения с веществом Существуют 3 причины ослабления интенсивности: Фотоэлектрическое поглощение Комптоновское рассеяние Образование пары электрон-позитрон Перед рентгеновской пленкой имеется свинцовая пластина или свинцовый экран. При прохождении R и γ лучей через любой материал происходит ослабление интенсивности излучения или полное поглощение излучения. Фотоэлектрическое поглощение R, γ-квант, встречаясь с атомом среды, всю cвою энергию отдает электрону атома или поглощается в атоме. Поглощение излучения зависит от энергии излучения и плотности среды. Ослабление излучения на 1 см толщины оценивается коэффициентом τ и называется линейным коэффициентом фотоэлектрического поглощения.  Электрон атома, получив энергию кванта, часть затрачивает на освобождение из атома и вылетает с энергией, почти равной энергии кванта. Комптоновское рассеяние Квант излучения, встречаясь с атомом среды, часть энергии отдает электрону атома и меняет свое направление распространения, т.е. рассеивается. Угол рассеяния зависит от плотности среды, энергии излучения и может быть в пределах от 0 до 180. Чем плотнее материал и меньше энергия кванта, тем меньше угол рассеяния. За счет рассеяния происходит ослабление интенсивности в направлении распространения, которое оценивается коэффициентом σ.  Чем больше энергия, тем меньше угол рассеяния, а чем плотнее среда, тем больше угол рассеяния. Образование пары электрон-позитрон При энергии кванта свыше 2 МэВ, квант излучения, встречаясь с полем ядра атома, трансформируется, т.е. преобразовывается в заряженные частицы электрон и позитрон – излучение поглощается. Ослабление интенсивности за счет образования пар оценивается коэффициентом χ. В дефектоскопии используют R, γ-лучи с энергией меньше 1,5 МэВ, поэтому ослабление интенсивности излучения объясняется только 2-мя причинами: фотоэлектрическим поглощением и комптоновским рассеянием. Интенсивность излучения. Закон изменения интенсивности. Интенсивностью излучения называется количество энергии излучения, прошедшее через единицу площади за единицу времени, направленную перпендикулярно излучению. В любой среде по мере распространения излучения интенсивность ослабевает за счет поглощения и рассеяния. В воздухе интенсивность меняется обратно пропорционально квадрату расстояния. В любом материале интенсивность ослабевает по экспоненте в зависимости от плотности материала и энергии излучения: Id= I0*e-µd Где I0 – интенсивность падающего излучения или на поверхности изделия; d – толщина изделия или расстояние от поверхности в см; µ - общий линейный коэффициент ослабления интенсивности; µ=τ+σ+χ Для дефектоскопии χ=0, µ=τ+σ Id – интенсивность прошедшего излучения или на расстоянии d.  Примечание: При энергии излучения свыше 300 кэВ, ослабление излучения объясняется фотоэффектом и комптоновским рассеянием, но доля фотоэлектрического поглощения выше, а при энергии свыше 400 кэВ – наоборот. Основные параметры R и ϒ-излучений Энергия R и ϒ-излучений – это способность излучения совершать работу. Единица измерения в системе СИ: Дж, на практике: эВ. ЕR=hν=e*Ua Энергия рентгеновского излучения зависит от величины анодного напряжения Ua и регулируется этой величиной. Энергия гамма излучения не регулируется и зависит только от самого радиоактивного источника. От энергии зависят толщина и плотность контролируемого изделия, чувствительность контроля и время экспозиции (время просвечивания). |