Современные методы радиационной дефектоскопии.

Радиоскопия. Этот метод контроля основан на просвечивании контролируемых объектов рентгеновским излучением с последующим преобразованием радиационного изображения объекта в светотеневое или электронное и передачей этого изображения на расстояние с помощью оптики или телевизионной техники для визуального анализа на выходных экранах.

Целесообразность этого метода определяется с учетом того, что по сравнению с радиографией чувствительность радиоскопического метода к дефектам ≈ в 2 раза ниже, а производительность в 3-5 раз выше. Этот метод позволяет просматривать внутреннюю структуру контролируемого изделия в процессе его перемещения относительно входного экрана со скоростью от 0,3 до 1,5 м/мин в зависимости от типа преобразователя и толщины изделия. В качестве преобразователей теневого радиационного изображения в светотеневое или электронное применяют флуороскопические экраны, сцинтилляционный кристалл, электронно-оптическое устройство и реже электролюминесцентный экран. Особое положение занимает рентген-видикон, преобразующий рентгеновское изображение объекта непосредственно в видиосигнал без потери информации.

Флуороскопические экраны изготавливают нанесением на картонную основу флуоресцентного вещества (люминофора), которое представляет собой смесь кристаллов сульфида цинка (ZnS) и сульфида кадмия (CdS), активизированного серебром. В результате процессов взаимодействия рентгеновского и γ-излучения с веществом люминофора возникает люминесценция со свечением в зеленой и желто- зеленой части видимого спектра.

Чувствительность контроля оказывается в 3-6 раз ниже, чем при радиографии. Эти экраны служат для регистрации электронов, протонов, α-частиц, а также могут быть использованы входными элементами рентгеновских электронно-оптических преобразователей (РЭОП) и в флюорографии.

Сцинтилляционные кристаллы представляют собой монокристаллы неорганического (щелочно-галоидные NaI, KI, CsI активTI) и органического (антрацен) происхождения с различными активаторами. Принцип действия сцинтилляционных кристаллов основан на способности люминофоров светиться кратковременными вспышками (порядка 100 мкс-1 нс).

Сцинтилляционные кристаллы по ряду параметров превосходят флуороскопические экраны, в частности разрешающая способность кристаллов CsI составляет 10-12 лин/мм, тогда как при использовании флуороскопических экранов разрешающая способность контроля не превышает 3 лин/мм.

Электролюминесцентные экраны основаны на свечении некоторых люминофоров под действием переменного электрического поля. К экрану в местах проводящих покрытий подведено высокое напряжение (600-800В), которое падает на фотопроводник из-за его высокого электрического сопротивления, в то время как на слой люминофора приходится незначительная часть падающего напряжения. При облучении сопротивление фотопроводника резко падает, а на люминофоре возрастает, что вызывает его свечение. Эти экраны, используемые в качестве преобразователей, увеличивают яркость свечения в 100 раз.

При непосредственном наблюдении флуороскопический экран и сцинтилляционный монокристалл не могут обеспечить оптимальную для расшифровки яркость изображения.

Для создания таких изображений применяют специальные усилители рентгеновского изображения - рентгеновские электронно-оптические преобразователи (рис.1.14).

Рис.1.14. Схема электронно-оптического преобразователя:

1 – источник излучения; 2 – свинцовая диафрагма; 3 – просвечиваемый объект;

4 – стеклянная вакуумная трубка; 5 – алюминиевая подложка; 6 – флуороскопический экран; 7 – фотокатод; 8, 9 – выходные экраны; 10 – оптика;11 – передающая телекамера; 12 – анод; 13 – металлизированное покрытие; 14 – экран телевизора

В РЭОП совмещены флуороскопический экран 6 и фотокатод 7.

Полупрозрачный сурьмено-цезиевый фотокатод под действием свечения люминофора, которое вызывается рентгеновским излучением, испускает электроны в количестве, пропорциональном интенсивности света. Электроны, ускоренные в 10⁴ раз фокусируются на выходных экранах 8 и 9, где посредством люминофора электронное изображение преобразуется в оптическое.

Изображение на выходном экране рассматривается с помощью оптики 10 или передается с помощью телекамеры 11 на видиоконтрольное устройство - экран 14. Основными параметрами РЭОП являются относительный квантовый выход, чувствительность, предел разрешения, динамический диапазон, степень чистоты рабочего поля, временное разрешение.

Рентген-видиконы сочетают в себе световую передающую телевизионную камеру (видикон) с чувствительным к рентгеновскому излучениюфотопроводящим слоем на основе оксида цинка, оксида свинца, аморфного селена, сернистой сурьмы и других соединений, на несенного на алюминиевый диск. Под действием ионизирующего излучения с фотопроводящего слоя испускаются фотоэлектроны, которые ускоряются электрическим полем и регистрируются катодом трубки. Далее полученный сигнал передается через телевизионный блок связи на приемную трубку, где происходит преобразование электронного изображения в световое.

Увеличение рентген-видикона составляет 2-50^x, разрешающая способность 30- 50лин/мм. Недостатки рентген-видикона: значительная инерционность и низкий динамический диапазон, малая площадь рабочего поля, невозможность применения для регистрации фотонов в диапазоне высоких энергий из-за малой толщины входного экрана.

Если радиоскопический метод контроля удовлетворяет требованиям технических условий по выявляемости дефектов, он может быть введен вместо радиографического метода, если нет, то может быть использован в сочетании с радиогрфическим и применяется для предварительного контроля.

Радиометрический метод. Он основан на просвечивании изделий ионизирующим излучением с преобразованием плотности потока или спектрального состава прошедшего излучения в пропорциональный электрический сигнал. Любая система радиометрического контроля содержит источник излучения, детектор, схему обработки и регистрации информации.

В качестве источников излучения применяют в основном гамма-изотопы, ускорители и реже рентгеновские аппараты. Детекторами излучения являются в основном сцинтилляционные кристаллы с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), реже ионизационные камеры и газоразрядные счетчики. Узкий (коллимированный) пучок ионизирующего излучения перемещается по контролируемому объекту, последовательно просвечивая его участки. Излучение, прошедшее через объект, регистрируется счетчиком, на выходе которого образуется электрический сигнал с величиной, пропорциональной интенсивности поступающего излучения. Электрический сигнал, прошедший усилитель, регистрируется устройством, которым может быть самописец, осциллограф, миллиамперметр. При наличии дефекта регистрирующее устройство отмечает изменение интенсивности. Радиометрические методы позволяют определить две координаты дефекта: протяженность и его лучевой размер. Объемные дефекты определяются с точностью 3-5%.

Преимущества радиометрии: высокая чувствительность (0,3-3,0%), возможность бесконтактного контроля, сравнительно(с радиографией) высокая производительность.

Недостатки: необходимость одновременного перемещения на одинаковом расстоянии по разные стороны от объекта источника и детектора; невозможность определения формы и глубины дефекта; влияние рассеянного излучения.

Томография. Сущность метода заключается в получении резкого изображения только тех частей объекта, которые находятся в тонком (не более 2мм) слое на определенной глубине или в нескольких тонких слоях, разделенных интервалами заданной толщины (шагом томографии).

Рис.1.15. Схема образования томографического изображения:

I – рентгеновская трубка; II – объект контроля; III – кассета с пленкой

Этого добиваются, например, синхронным перемещением (рис.1.15) рентгеновской трубки (А1→А3) и кассеты с экранами и пленкой (01→03) относительно пространственного центра качания 0. В результате получают изображение выделенного слоя MN, расположенного в плоскости, проходящей через центр качания. Это изображение представляет собой геометрическое место точек выделенного слоя, тени которых неподвижны по отношению к пленке.

Таким образом, в томографии используют эффект динамической нерезкости изображения. При этом методе синхронное движение источника и пленки относительно объекта позволяет размыть изображения неанализируемых дефектов или слоя, изображения которых в обычно принятом методе радиографии накладываются друг на друга, и более резко выделить изображение требуемого для обнаружения дефекта или слоя. Минимальная толщина выделяемого слоя составляет примерно удвоенную ширину (диаметр в плоскости изображения) дефекта и равна 1,5мм. Стандартным регистратором служит экранная пленка РН-1 в сочетании с усиливающим люминесцентным экраном.

В настоящее время широко используют вычислительную томографию. Она реализует возможность решения обратной задачи интроскопии - по объемной информации об интенсивности прошедшего в различных направлениях излучения найти распределение линейного коэффициента ослабления, связанного с плотностью материала внутри контролируемого объекта.

Пока нет качественных и надежных трехмерных индикаторов, поэтому применяют послойные изображения при поперечном сканировании объекта коллимированным пучком (томограммы). Томограммы с обычным рентгеновским изображением имеют гораздо большую информативность, поскольку детально показывают внутреннюю геометрическую структуру, распределение плотности и элементного состава материалов, что невозможно при обычной радиографии.

Повышенный объем информации в рентгеновской вычислительной томографии получается благодаря применению большого числа (250-500) первичных преобразователей, непрерывного вращения системы преобразователь-детектор вокруг объекта на 360⁰.

Блок-схема вычислительного томографа представлена на рис.1.16.

Рис.1.16. Функциональная схема рентгеновского вычислительного томографа

При вычислительной томографии предъявляются весьма жесткие требования к генераторному блоку. Выходящий рентгеновский пучок должен иметь как можно меньший фокус, быть по возможности монохроматичным и иметь постоянную интенсивность излучения. С этой целью в генераторный блок после рентгеновского излучателя РИ устанавливают формирователь пучка ФП, коллиматор, компенсаторы и фильтры. Для стабилизации напряжения сети применяют высоковольтный блок питания ВСБП, а охлаждение генераторного блока производят системой охлаждения СО. В процессе контроля механизм перемещения обеспечивает непрерывное движение с постоянной скоростью контролируемого объекта КО и комплекта преобразователей КП. Механизм перемещения представляет сложную систему, включающую точный приводной блок, блоки стабилизации параметровдвижения, устройство крепления и подачи контролируемого объекта.

Комплект первичных преобразователей представляет собой матрицу, состоящую из большого числа (до 2000 шт) измерительных преобразователей и включающую от 1 до 4 опорных преобразователей. Основными требованиями к преобразователям являются высокие метрологические характеристики (постоянная чувствительность, линейность характеристик, большой динамический диапазон и др.) и их идентичность. Чаще всего в качестве преобразователей используют сцинтилляционные кристаллы вместе с фотоэлектронным умножителем и полупроводниковым фотоэлементом.

Сигналы от преобразователей поступают в многоканальный усилитель МУ и после фильтрации и усиления подаются в аналогоцифровой преобразователь АЦП, а после их оцифровки через интерфейс ИФ поступают для последующей обработки в ЭВМ. Взаимодействие всех блоков томографа осуществляет мини-ЭВМ.

Микроконтролер МК управляет работой генераторного блока, механизма перемещения и передачей информации от КП к ЭВМ в режимах, задаваемых оператором с пульта управления ПУ. ЭВМ редактирует и упорядочивает сведения, полученные по каждому из направлений, устраняет ошибки и погрешности и обрабатывает их с учетом координат излучения для восстановления изображения в определенном сечении. Спецпроцессор СП осуществляет операцию фильтрации сверткой. Обработанные данные поступают в накопители на магнитных дисках или лентах НМ. Полученные данные могут выводиться либо на дисплей ДИС, либо на цифропечатающее устройство ПЕЧ.

Томографы дают возможность решать многие задачи неразрушающего контроля - как задачи интроскопии, так и количественной оценки параметров различных объектов. В настоящее время их широко применяют для контроля объектов с небольшим затуханием излучения, в частности для контроля композитов, углепластиков, резины и т.п. толщиной до 20мм и размером до 1,5м при разрешении по плотности 0,2%. Следует отметить, что при использовании томографов относительная чувствительность контроля при выявлении объемных дефектов в пластмассах составляет 0,2-0,4%, тогда как для радиографии этот показатель равен 3-4%. С помощью томографов уверенно обнаруживаются трещины с раскрытием 0,01-0,02мм, что на порядок выше, чем при обычной радиографии. Чтобы сохранить разрешающую способность при контроле объектов с разными размерами, изменяют расстояние lко. Проблема контроля более габаритных объектов связана с генераторным блоком томографа и объемом памяти ЭВМ.

Радиационная безопасность.

Требования радиационной безопасности обслуживающего персонала регламентируются следующими документами: «Нормы радиационной безопасности» (НРБ-99) и «Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности» (СП 2.6.1.799-99). Основная задача — это защита человека от вредного воздействия ионизирующих излучений, что обеспечивается предельно-допустимыми дозами (ПДД) внешнего и внутреннего облучения.

НРБ-99 применяются для обеспечения безопасности человека во всех условиях воздействия на него ионизирующего излучения искусственного или природного происхождения.

Устанавливаются следующие категории облучаемых лиц:

· персонал (группы А и Б);

· все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий их производственной деятельности.

Таблица

Основные пределы доз

Примечания: Допускается одновременное облучение до указанных пределов по всем нормируемым величинам. Основные пределы доз, как и все остальные уровни облучения персонала группы Б, равны ¼ значений для персонала группы А.

Основные пределы доз облучения не включают в себя дозы от природного и медицинского облучения, а также дозы вследствие радиационных аварий.

Эффективная доза для персонала не должна превышать за период трудовой деятельности (50 лет) – 1000 мЗв, а для населения за период жизни (70 лет) – 70 мЗв.

Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффективной дозы:

Гонады ..........................................................................................................0,20

Костный мозг (красный) .............................................................................0,12

Толстый кишечник ......................................................................................0,12

Легкие ...........................................................................................................0,12

Желудок ........................................................................................................0,12

Мочевой пузырь ...........................................................................................0,05

Грудная железа .............................................................................................0,05

Печень ...........................................................................................................0,05

Пищевод ........................................................................................................0,05

Щитовидная железа ......................................................................................0,05

Кожа ...............................................................................................................0,01

Клетки костных поверхностей ....................................................................0,01

Остальное .......................................................................................................0,05

Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения:

Фотоны любых энергий ..................................................................................1

Электроны и мюоны любых энергий ............................................................1

Нейтроны с энергией менее 10 кэВ ...............................................................5

от 10 кэВ до 100 кэВ .......................................................................................10

от 100 кэВ до 2 МэВ .......................................................................................20

от 2МэВ до 20 МэВ .........................................................................................10

более 20 МэВ ...................................................................................................5

Протоны с энергией более 2 МэВ, кроме протонов отдачи ........................5

Альфа частицы, осколки деления, тяжелые ядра .........................................20

Облучение – воздействие на человека ионизирующего излучения.

Мощность дозы – доза излучения за единицу времени (секунду, минуту, час)

Для управления факторами, снижающими радиационную опасность, используют три принципа:

1) нормирование времени облучения (профессиональной работы);

2) удаление на безопасное расстояние от места просвечивания ;

3) использование защитных устройств.

Защитные устройства подразделяются на передвижные (экраны, ширмы из свинца, железа, вольфрама, урана) и стационарные (ограждения, перекрытия из бетона, баритобетона, кирпича).

Проектирование защиты от внешнего облучения персонала и населения необходимо проводить с коэффициентом запаса по годовой эффективной дозе равным 2. При этом надо учитывать наличие других источников излучения и перспективное увеличение их мощности.

Проектирование защиты должно выполняться с учетом назначения помещений, категорий облучаемых лиц и длительности облучения. При расчете защиты с коэффициентом запаса, равным 2,проектная мощность эквивалентной дозы излучения Н на поверхности защиты определяется по формуле:

Н=500×Д /t, мкЗв / ч,

где Д – предел дозы для персонала или населения, мЗв в год;

t – продолжительность облучения, часов в год.

Таблица .

Мощность эквивалентной дозы, используемая при

проектировании защиты от внешнего ионизирующего излучения

Таблица

Годовые дозы облучения персонала при эксплуатации

радиационных установок различного типа, мЗв :

Рабочие помещения должны иметь защитные стены из баритобетона или другого материала с толщиной, отвечающей нормам безопасности. Для гамма-источников оборудуются специальные хранилища. Дефек-тоскописты должны иметь при себе индивидуальные дозиметры типа.

Рекомендуемая литература