Вибір джерела випромінювання та апаратури

контролю…………....... …………………………………….123

5 Радіографічні та радіоскопічні методи контролю...131

5.1 Класифікація методів радіографії……. …………131

5.2 Вибір і обґрунтування режимів просвічування

в промисловій радіографії……....... ……………………….133

5.2.1 Вибір схеми контролю……… …………………134

5.2.2 Вибір та обґрунтування режимів контролю….

просвічування в промисловій радіографії……......……....141

5.2.3 Розробка методики просвічування та обробка

результатів радіографічного контролю…… ……..….……151

5.3 Нейтронна радіографія…... ……………………...162

5.4 Електрорадіографія……. …………………...……164

5.5 Радіоскопія………………. …………..…………...170

6 Радіометрична дефектоскопія……..………………181

6.1 Класифікація методів………………... ……..……181

6.2 Канал реєстрації радіометричного

дефектоскопа………............. ……………………………….183

6.3 Методи і засоби радіометричної

дефектоскопії …..…………………………………………...200

7 Організація робіт при радіаційній дефектоскопії…..205

7.1 Вимоги до проведення робіт… ……………………205

7.2 Стаціонарні лабораторії……… ……….…………...215

7.3 Радіаційна безпека…………… …………………….220

7.4 Вибір і розрахунок засобів захисту від шкідливої

дії іонізуючого випромінювання……. ………………………229

8 Контроль проникаючими речовинами… …..……….233

8.1 Загальні відомості про метод контролю

проникаючими речовинами…… …………………………….233

8.2 Основні фізичні явища, які використовуються

в капілярній дефектоскопії…….… ………………………….235

8.3 Процеси капілярної дефектоскопії…… ….……….240

8.4 Технологія і засоби капілярного контролю… ……244

8.5 Чутливість капілярного контролю і її перевірка… 255

8.6 Застосовуваність капілярного контролю...259

Перелік використаних джерел……………… …………262

ВСТУП

Рівень розвитку виробництва продуктів промисловості та побутового призначення визначається їх якісними показниками, контроль яких перетворюється в окрему, в деяких випадках домінуючу за затратами технологічну операцію. Так, наприклад, затрати на контроль при спорудженні об’єктів нафтогазопромислового комплексу сягають 10 відсотків загальної їх вартості, а в машинобудуванні ці затрати становлять 5-7 %.

Номенклатура засобів неруйнівного контролю перевищує 2000 найменувань приладів та матеріалів, кількість стандартизованих методик контролю налічується сотнями, бурхливо розвиваються нові напрямки – промислова рентгенівська обчислювана томографія, автоматизовані системи обробки зображень фізичних полів тощо, які у визначальній мірі ґрунтуються на аналізі взаємодії проникаючого випромінювання з об’єктом дослідження. Тому зазвичай початок неруйнівного контролю як окремого напрямку вимірювальної техніки пов’язують власне із першим застосуванням у 1895 р. проникаючого випромінювання, зокрема рентгенівського, для визначення ступеня однорідності внутрішньої структури металу.

Контроль проникаючим випромінюванням та речовинами є складовою частиною неруйнівного контролю виробів та конструкцій в техніці, медицині, біології та інших областях.

Започаткований в кінці 19 століття як “рентгенівський” (з 60-х років 20 століття – “радіаційний”) контроль проникаючим випромінюванням та речовинами сьогодні є основним в інтроскопії (“внутрішнє бачення”), яка як новий напрямок в техніці контролю виникла та розвивається на стику традиційних областей та використовує дослідження фізики, електроніки, обчислюваної техніки, теорії інформації тощо.

Послідовність викладення матеріалу в посібнику враховує базову структуру систем контролю проникаючим випромінюванням – джерела і детектори іонізуючого випромінювання, фізико-технічні та конструктивні особливості яких конкретизують методи та технічні засоби такого контролю.

Основи контролю проникаючим випромінюванням були розроблені в кінці 30-х років 20-го століття. На перших порах для радіаційного контролю використовувалось рентгенівське випромінювання. До кінця 50-х років з цією метою застосовували дещо модефіковані рентгенівські установки медичного призначення. З середини 60-х років рентгенівська техніка суттєво змінюється. Створюються спеціалізовані рентгенівські установки з підвищеною променевою віддачею і зменшеними розмірами фокусних плям, конструктивно придатними для проведення неруйнівного контролю виробів різної конфігурації.

Підвищену променеву віддачу забезпечували нові рентгенівські апарати високої потужності, що привело до значного зниження необхідного часу просвічування, тобто до підвищення продуктивності контролю.

У зв’язку із зростаючими запитами промисловості, особливо для контролю великогабаритних об’єктів із значними товщинами просвічування, в 60-х роках почали використовувати іонізуюче випромінювання із збільшеними енергіями: спочатку радіоактивне випромінювання штучно одержаних ізотопів, а потім і випромінювання із прискорювачів елементарних частинок (бетатронів, мікротронів, лінійних прискорювачів тощо).

У 50-х роках в радіаційному контролі почали використовувати електронно-оптичні перетворювачі, що започаткувало новий вид неруйнівного контролю – радіоскопію, для якого є характерною підвищена яскравість зображення. Використання рентгенівських відиконів дало можливість передавати зображення на віддаль, що дозволяє уникнути шкідливої дії іонізуючого випромінювання.

Зростаючі потреби щодо яскравості зображення контрольованих об´ єктів привели у 80-х роках до створення цифрових методів їх обробки, автоматизації процесу радіаційного контролю, продуктивності процесу контролю.

Контроль проникаючими речовинами, на відміну від проникаючого випромінювання, застосовують в основному для виявлення поверхневих та наскрізних дефектів. Цей вид контролю дозволяє діагностувати об’єкти різноманітних розмірів і форм, практично з будь-якого матеріалу. У посібнику наведено фізико-технічні основи такого контролю, подано основні характеристики дефектоскопічних матеріалів та методику його проведення.

Посібник містить значний обсяг технічної та довідникової інформації про конкретні типи і марки засобів контролю проникаючим випромінюванням та речовинами вітчизняних та зарубіжних виробників, в тому числі ті, які випускались підприємствами колишнього СРСР і продовжують використовуватись в Україні.

У основу посібника закладено курс лекцій, які протягом декількох років читаються автором для студентів спеціальності “Прилади та системи неруйнівного контролю” Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу.

СПИСОК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ І ПОЗНАЧЕНЬ

НК – неруйнівний контроль;

НРК – неруйнівний радіаційний контроль;

ЕМВ – електромагнітне випромінювання;

ІВ – іонізуюче випромінювання;

ОК – об’єкт контролю;

l – довжина хвилі ЕМВ;

Т_1/2 – період піврозпаду радіоактивного ізотопу;

А – активність радіоактивного ізотопу;

Е – енергія кванта ЕМВ;

m – коефіцієнт лінійного поглинання в речовині;

І – інтенсивність ЕМВ;

Р – потужність потоку ЕМВ;

d – товщина матеріалу ОК;

с – швидкість поширення ЕМВ у вакуумі;

n – частота коливань ЕМВ;

h – стала Планка;

D _п – поглинута доза ЕМВ;

D _екс – експозиційна доза ЕМВ;

D _екв – еквівалентна доза ЕМВ;

ПЕД – потужність експозиційної дози;

ФЕП – фотоелектронний помножувач.

1 ФІЗИКО-ТЕХНІЧНІ ОСНОВИ КОНТРОЛЮ ПРОНИКАЮЧИМ ВИПРОМІНЮВАННЯМ ТА ЇХ КЛАСИФІКАЦІЯ

1.1 Суть контролю проникаючими випромінюваннями

Неруйнівний контроль якості продукції проникаючими випромінюваннями базується на його взаємодії із контрольованим об’єктом і реєстрації та аналізі результатів цієї взаємодії. Проникаюче випромінювання є в основному іонізуючим, тому цей вид НК ще називається “контроль іонізуючими випромінюваннями”, а також дуже поширеним терміном – “радіаційний контроль”, але ці назви не повністю охоплюють весь зміст цього виду НК.

Результати контролю визначаються природою і властивостями використовуваного випромінювання, фізико-технічними характеристиками контрольованого матеріалу і виробу, типом і властивостями детектора (реєстратора) випромінювання, технологією (методикою) контролю.

За своєю фізичною природою іонізуюче випромінювання є електромагнітним (ЕМВ), але на відміну від інших видів ЕМВ іонізуюче випромінювання (ІВ) характеризується малою довжиною хвилі і відповідно великою енергією квантів, що приводить до їх великої проникаючої здатності в речовину. Для такого випромінювання з малою довжиною хвилі ( < 10 нм) поверхня будь-якого тіла є шорсткою, тому звичайного дзеркального відбивання для нього немає. Таке випромінювання зазнає тільки дифузного розсіювання, проходження через речовину і поглинання в речовині. Характер взаємодії проникаючого випромінювання із речовиною ОК детальніше буде розглянуто нижче. Також практично відсутнє заломлення іонізуючого випромінювання при проходженні через межу двох середовищ. Тому на відміну від інших видів контролю електромагнітними випромінюваннями, в радіаційному контролі використовується практично тільки ефект поглинання.

Загальний закон, який кількісно визначає послаблення будь-яких ЕМВ в поглинаючому середовищі, якщо не враховувати інші види взаємоді, аналітично описується законом Бугера:

, (1.1)

де І ₀ – інтенсивність падаючого пучка ЕМВ;

І – інтенсивність ЕМВ, яке пройшло через шар речовини;

– товщина шару речовини;

- коефіцієнт лінійного послаблення.

Коефіцієнт лінійного послаблення є чисельною характеристикою процесу поглинання ЕМВ речовиною, тому, на основі формули (1.1), знаючи коефіцієнт лінійного поглинання матеріалу контрольованого виробу, можна за співідношенням І та І₀ визначити товщину ОК або при незмінній товщині визначити зміну (що буде вказувати на зміни або складу речовини, або структури ОК). Оскільки згадані зміни чи приводять до зміни І, то процес радіаційного контролю зводиться до реєстрації зміни інтенсивності І пройшовшого через ОК іонізуючого випромінювання відомими методами і розшифрування зареєстрованої інформації.

Оскільки зміна коефіцієнта лінійного поглинання залежить від матеріалу ОК і в переважній більшості випадків контролю продукції вид матеріалу є незмінним, то зміни інтенсивності І пройшовшого іонізуючого випромінювання викликаються змінами товщини виробів, причому ці зміни можуть бути порушеннями цілісності ОК (тобто дефектами) всередині цих виробів. Таким чином радіаційний контроль дозволяє виявляти внутрішні дефекти продукції (тріщини пори і т. п.), які являються порушеннями цілісності ОК, але також можна виявляти і вкраплення в основний матеріал ОК інших матеріалів, які відрізняються від основного коефіцієнтом лінійного поглинання (причому цілісність виробу в останньому випадку не порушена).

Зміни інтесивності пройшовшого через ОК пучка іонізуючого випромінювання, яке не лежить у видимому діапазоні ЕМВ, можна переводити за допомогою різноманітних перетворювачів у видимий діапазон і одержувати тіньове зображення об’єкта контролю. При чому дефекти продукції (внутрішні чи зовнішні) будуть проявлятись змінами інтенсивності світла від перетворювача випромінювання (реєстратора).

1.2 Основні фізичні характеристики іонізуючого

випромінювання та його взаємодія з об’єктом контролю

Застосування іонізуючого випромінювання для НК базується на взаємодії їх з ОК, на поглинанні, розсіюванні випромінювання речовиною, іонізації речовини випромінюванням. Поглинання і розсіювання характерні і для довгохвильового випромінювання при його поширенні в ОК, але механізм виявлення цих ефектів відрізняється від розглянутого. При великих енергіях фотони взаємодіють як з вільними електронами, так і з електронними оболонками і ядром атома.

Якщо енергія падаючого фотона hn=0, 08 10^-12 Дж, то спостерігається переважно його поглинання внаслідок фотоелектричногоефекту. Суть фотоефекту полягає в тому, що енергія фотона затрачається на виривання електронів (так званих фотоэлектронів) з атома речовини і наданням їм кінетичної енергії. Процес описується рівнянням балансу енергії:

hn=W_є +W_u, (1.2)

де W_е – робота виходу електрона;

W_u=m_o c² ({1-(u_e /c)²}^-0.5 –1),

W_u – кінетична енергія фотоэлектрона;

u_e –швидкість електрона;

m_o –маса спокою електрона

Із збільшенням частоти фотона n поряд з іонізацією в зовнішньому шарі за рахунок переходу периферійних элекгронів (із зовнішніх оболонок) в вільний стан з'являються вільні електрони, вирвані з внутрішніх оболонок атомів. Останнє приводить до виникнення так званого характеристичного випромінюванняатомами речовини (рис.1.1).

Електронні шари, або оболонки атома, означаються буквами K, L, M, N. 0, Р. Найближчий до ядра шар K характеризується тільки одним рівнем енергії, шари L і Р трьома, шари М і O п'ятьма, шар N сімома. Залежно від атомного номера Z, число стаціонарних рівнів енергії змінюється від 1 до 24.

При вириванні електрона місце, що звільнилося не залишається пустим, на нього переходить електрон з одного з вищих рівнів енергії.Цей процес супроводиться випусканням фотона частотою .

Переходи електронів на рівень K дають лінії характеристичного K -випромінювання, переходи на рівні L лінії L -випромінювання і т.д. Робота виривання електрона з шару L менша роботи виривання з шару K, тому частота характеристичного K -випромінювання більша від частоти L -випромінювання і тим більша від М-, N- випромінювань і т.д. Як показують теоретичні і експериментальні дослідження,

розглянута схема поглинання фотонів (зліва на рис. 1.1) не є єдиною.

Можливий також розвиток процесу поглинання за іншою схемою (праворуч на рис. 1.1).

Енергія, що виникає при переході електрона з верхнього рівня на нижній, витрачається на виривання електрона (e₂ – e₄) з вищої оболонки. На місце, яке звільнилося, переходить електрон із ще вищого (по відношенню до нього) шару, формується фотон, відповідний цьому переходу, виривається новий електрон з ще вищого шару і т.д. Таким чином, процес поглинання первинного фотона hn₁ може супроводитися випусканням атомом фотоэлектрона першого (e₁) і другого роду (е₂, e₃).

Розвиток процесу взаємодії фотонів з речовиною по шляху складного фотоефекту частіше спостерігається в атомах з малим атомним номером. Так, у аргону тільки 7 % переходів здійснюється випромінюванням, у криптону 40 %, у молібдену 68 %, решта поглинутої енергії витрачається на багаторазову іонізацію без випромінювання.

Із зростанням частоти n все більше починає виявлятися ефект розсіювання – комптон-эффект–падаючих фотонів Внаслідок зіткнення фотона із зовнішніми атомними електронами утвориться новий квант з меншою енергією і з речовини вилітає електрон (так званий “електрон віддачі") з енергією hn-hn_s. Така ситуацня відповідає випадку, коли падаючий квант взаємодіє з нерухомим вільним электроном. Якщо зв'язок електрона з атомом великий (різниця hn-hn_s негативна), то можливе відхилення кванта від первинного напряму поширення без зміни його енергії (когерентне розсіювання).

У першому випадку довжина хвилі розсіяного кванта збільшується на величину 4, 86× 10^-2sin²(j/2)× 10^-4 (мкм), в залежності від напряму разсіювання фотони мають різну енергію hn_s.

Енергія розсіяного кванта і електрона віддачі відповідно рівна

; , (1.3)

і не залежить від властивостей речовини. Ця особливість розсіяного випромінювання широко використовується на практиці, переважно в приладах технологічного контролю. Комптон-ефект відіграє важливу роль в ослабленні іонізу-ючих випромінювань середньої енергії (0, 1... 0, 5 10^-12 Дж) легкими речовинами.

У випадку, коли енергія квантів перевищує подвійну енергію спокою електрона (більше від 1, 63× 10^-13 Дж або

1, 024 МеВ), крім фотоэффекту і комптон-ефекту спостерігається новий вид взаємодії фотона з речовиною поблизу атомного ядра: поглинання фотона з утворенням пари “позитрон – електрон”. Сумарна кінетична енергія обох частин згідно із законом збереження енергії рівна hn, але вона по-різному може бути розподілена між ними. Найбільш вірогідний випадок рівності енергії. Утворені позитрон і електрон розлітаються в таких напрямах, щоб геометрична сума їх кількостей руху плюс кількість руху частинки, в полі якої утворилася пара, дорівнювала кількості руху фотона.

Як вже вказувалося, кожний з розглянутих ефектів взаємодії випромінювання з речовиною виявляється в різних областях на площині Z -W (атомний номер поглинаючого атома енергія фотонів). Цей висновок ілюструє діаграма Еванса (рис.1.2).

А – область переважання фотоэффектy;

В –теж, комптон-ефекту; С – теж, ефекту утворення пар

Рисунок 1.2 – Діаграма Эванса

Для даної речовини у разі фотонів малих енергій основним типом взаємодії є фотоефект.

Із збільшенням енергії падаючих квантів переважаючу роль починає грати спочатку комптон-ефект, а потім ефект утворення пар. Розділяючі графіки на рис. 1.2 відповідають рівності загасання попадаючого в речовину випромінювання за рахунок розглянутих ефектів. Виходячи з приведених на діаграмі даних, можна вважати, що область переважання фотоэффекту для алюмінію тягнеться до 0, 05 МеВ, для міді до 0, 15 МеВ, для свинцю до 0, 5 МеВ. Комптон-ефект сильніше виявляється для тих же матеріалів відповідно в областях 0, 05...15; 0, 15...10 і 0, 5...5 МеВ.

Досі ми розглядали первинні процеси, які відбуваються при проходженні фотона через речовину. Очевидно, кванти розсіяного або характеристичного випромінювання, які виникли після першого акту взаємодії, будуть також взаємодіяти з речовиною відповідно до вже розглянутих законів. Що стосується вільних електронів, то при проходженні через речовину вони втрачають енергію на утворення вторинних електронів, і процес розвивається доти, поки не станеться їх приєднання до атомів з переходом енергії, що збереглася в тепло. Порівняно рідко результатом взаємодії первинного електрона з атомом служить випущення кванта випромінювання.

Таблиця 1.1 – Теоретична і практична гранична товщина

прольоту електронів

Вторинні електрони мають невеликі швидкості, швидко захоплюються атомами і рідко можуть спричинити появу більш повільних третинних електронів, які поглинаються речовиною з виділенням теплоти. Максимальна товщина шару, яку пролітають деякі найбільш швидкі електрони, називається граничною.Дані табл. 1.1 дають уявлення як про теоретичну граничну товщину х, так і практичну, яка приймається за у (при поглинанні 99% електронів).

Вузький пучок можна створити за допомогою діафрагм (рис. 1.3, а). Зменшення густини потоку енергії таких пучків dJ_lx в елементарному шарі dх, віддаленому від поверхні ОК на відстань х

, (1.4)

де J_lx – густина потоку енергії пучок на вході в шар dx;

m_x – спектральний коефіцієнт ослаблення.

1 – джерело випромінювання; 2 – діафрагма; 3 – ОК;

4 – детектор

Рисунок 1.3 – Схема ослаблення вузького (а) і широкого (б) пучка випромінювання

Після розділення змінних і інтегрування отримуємо

, (1.5)

де J_l0 – густина потоку енергії падаючих на ОК променів;

J_ld – густина потоку енергії променів, які пройшли через ОК;

d –товщинаОК.

Закон Бугера) (1.5) описує загальний для фотонного випромінювання закон експонентного ослаблення. Оскільки ослаблення пучка променів, який розповсюджуються, викликане декількома причинами, коефіцієнт ослаблення m_l можна представити у вигляді суми: (m_l=a_l+m_l+p_l), де a_l - спектральний коефіцієнт поглинання; m _l, – спектральний коефіцієнт розсіювання; p_l – спектральний коефіцієнт поглинання ефекту утворення пар.

Рисунок 1.4 – Спектральна залежність масового коефіцієнта поглинання платини

На рис. 1.5 наведено залежність коефіцієнта ослаблення іонізуючого випромінювання m_lі його складових (a_l, m_l, p_l). від енергії фотонів (довжини хвилі). Очевидною є тенденція зменшення ослаблення випромінювання із зростанням його енергії до 5...10 МеВ.

а – вода, б – алюміній, в – залізо, г – свинець

Рисунок 1.5 – Залежність коефіцієнта ослаблення і його складових від енергії фотонів для деяких матеріалів

Потім наступає повільне збільшення коефіцієнта ослаблення за рахунок ефекту утворення пар. Із зростанням атомного номера Z мінімум на залежності коефіцієнта зміщується в область менших енергій.

Досі при описі фізичних явищ передбачалося, що ОК опромінюється монохроматичним випромінюванням. На практиці широко застосовують джерела з суцільним спектром випромінювання. Крім того, для проведення контролю часто використовують широкі (не діафрагмовані) пучки променів (рис. 1.3, б). У тому чи іншому випадку залежність густини потоку енергії падаючого на ОК і випромінювання, яке виходить з нього ускладнюється. Цей висновок виходить з аналізу функцій J_l0=f(l), і m_l=f(l) при підстановці яких в інтеграл (при збереженні геометрії “вузького пучка") він не береться:

. (1.6)

Тому на практиці часто використовують наступний прийом.

Вводять поняття ефективної густини потоку енергії випромінювання J_еф, під якою розуміють густину потоку енергії такого монохроматичного випромінювання, відносне ослаблення якого в даному ОК заданої товщини втаке ж, як і у випромінювання складного спектрального складу, що використовується.

Можливість такого зіставлення обгрунтовується наступними міркуваннями. У міру проникнення пучка немонохроматичного випромінювання в ОК окремі спектральні складові ослаблюються неоднаково. Загальна густина потоку енергії у верхніх шарах зменшується швидше, ніж в нижніх. Тому залежність f(х)=lg(J_x/J₀) стає нелінійною

(рис.1.6).

Коефіцієнт ослаблення, зумовлений тангенсом кута нахилу дотичної (tgj) у кожній точці кривої f(х), в міру проходження променів зменшується. У точці D щільність потоку енергії загального пучка, як і моноэнергетичне випромінювання з початковою щільністю потоку енергії J_0D (або довжиною хвилі l_еф), досягає значення J_D.

Рисунок 1.6 – Крива поглинання неоднорідного пучка іонізуючого випромінювання

Коефіцієнт ослаблення m_еф, що відповідає цій довжині хвилі, називають ефективним.

Очевидно, величини l_еф і m_еф зменшуються в міру проникнення монохроматичного випромінювання в ОК, і рівні відповідно довжині хвилі і коефіцієнту ослаблення тих фіктивних монохроматичних променів, що визначають положення дотичних у різноманітних точках кривої f(x). На кривих цього виду існує точка (G на рис.1.6), нижче якої кут j практично не змінюється, і величини l_еф (або J_еф) і m_еф можна вважати незмінними. Тоді для даного ОК

, , . (1.7)

При проведенні контролю з використанням широкого пучка (див. рис.1.3, б) ослаблення променя, що поширюється в визначеному напрямку (х, у), частково компенсується розсіяним випромінюванням від сусідніх напрямів, так що щільність потоку энергії, яка потрапляє на детектор потоку енергії (або J_B), більша, ніж J_d (J_dеф). Коефіцієнт B_H=J_B/J_D називають фактором нагромадження. Тоді

, (1.8)

причому J_еф і m_еф визначені для геометрії вузького пучка. Коеффіцієнт В_Н оцінюється або розрахунковим шляхом (на основі розв’язування інтегрально-дифференціального рівняння переносу випромінювання через ОК), або експериментально. Якщо умова d< < L_ф не виконується (див. рис.1.3, б), то в праву частину рівняння (1.3, б) необхідно ввести додатковий множник L_ф/(L_ф+d)², який враховує зменшення J(х), обумовлене розбіжністю пучка.

Варто очікувати, що на межі поділу середовищ будуть проявлятися ефекти відбивання і заломлення променів, подібні до оптичних, але незначно. Проте за певних умов їх вдається зареєструвати і використовувати при розв’язанні деяких практичних задач.

Як відомо, кристал складається з ряду паралельних атомних площин, які знаходяться на однаковій відстані d одна від одної (рис. 1.7). Якщо різниця ходу відбитих від атомних площин 1, 2, 3,... монохроматичних променів A _1` A₂, Аз,... у точці С кратна довжині їхньої хвилі k, де k ==0, 1, 2,..., вони підсилються (відбудеться сумування хвиль), і сумарне випромінювання можна зареєструвати.

Рисунок 1.7 – Схема дифракції Вульфа-Брегга

З рисунка випливає, що різниця ходу променів від двох суміжних площин DN=2dsinj, тобто сумування відбудеться за умови

. (1.9)

Вираз (1.9), називається рівнянням Вульфа-Брегга, використовується при дослідженні структури кристалічних ОК. З цього рівняння також випливає, що падаючий на кристал монохроматичний пучок відбивається тільки при визначеному куті j, який задовольняє умову (1.9).

Якщо ж падаючий пучок містить промені різноманітних довжин хвиль, то при заданому куті j відбиваються промені тих довжин хвиль, які задовільняють рівняння Вульфа-Брегга. Явище відбивання іонізуючих променів використовується для монохроматизації широкосмугових випромінювань у приладах радіаційного контролю.

У рівнянні (1.9) ціле число k визначає порядок відбиття. Якщо різниця ходу становить одну довжину хвилі, мова йде про відбивання першого порядку, при k =2 відбивання другого порядку і т.д.

При виведенні формули Вульфа-Брегга передбачалося, що показник заломлення променів дорівнює одиниці. У дійсності ж він трохи менший одиниці: n =1-d, де d-величина порядку 10^-5 (для рентгенівських променів із l=10^{-10 м). З урахуванням цього при точних розрахунках користуються модиф}ікованим варіантом виразу (1.9):

kl=2d sinj (1-d / sin²j).

Очевидно, що при n = 1- d = cosj повинно спосте-рігатися повне внутрішнє відбивання, що підтверджується экспериментальними дослідженнями.

1.3 Основні одиниці вимірювання іонізуючих

випромінювань.

Одиницею вимірювання енергіїіонізуючого випромінювання в міжнародній системі одиниць СІ служить джоуль (Дж). Часто енергію рентгенівського і g-випро-мінювання виражають в кілоелектронвольтах (кеВ) або мегаелектронвольтах (МеВ). Електронвольт рівний енергії, яку набуває заряджена частинка, що несе один елементарний заряд (заряд електрона), при переміщенні в електричному полі між двома точками з різницею потенціалів в 1 В.

Активність радіоактивного ізотопув джерелі (будь-якому об'єкті, що містить яку-небудь кількість радіоактивної речовини) визначається кількістю атомів, які розпадаються за одиницю часу. Таким чином, активність характеризує швидкість розпаду ізотопу:

, (1.10)

де dN –кількість атомів, які розпалися за час dt.

З співвідношень (1.2) і (1.3) витікає, що активність радіоактивного ізотопу рівна добутку постійної розпаду на загальне число радіоактивних атомів:

. (1.11)

Активність ізотопу, або число радіоактивних атомів ізотопу в джерелі, зменшується у часі згідно із законом радіоактивного розпаду:

. (1.12)

Активність ізотопу в джерелі визначається кількістю розпадів в секунду і в системі СІ вимірюється в Бекерелях (Бк). На практиці широко застосовується позасистемна одиниця активності – кюрі (Кі). Кюрі – активність такої кількості радіоактивної речовини, в якій відбувається 3, 7× 10¹⁰ розпадів в секунду. Така кількість розпадів в секунду відбувається в 1 г радію.

Відношення активності ізотопу в радіоактивному джерелі до маси або об'єму джерела називають відповідно питомоюабо об'ємною активністю ізотопу.

З визначення активності виходить, що чим більше радіоактивної речовини знаходиться в джерелі, тим вища активність джерела, і чим більший період напіврозпаду ізотопу, тим більше радіоактивної речовини необхідно взяти для отримання даної активності. Наприклад, активність 1 Кі має джерело зі стронцієм ⁹⁰Sr, в якому знаходиться менше чим 0, 01 г радіоактивної речовини, в той же час для отримання такої ж активності джерела з ураном ²³⁸U було потріно більше за тонну природного урану.

Інтенсивністю іонізуючого випромінювання(або густиною потоку енергії) називають енергію випромінювання, яка падає за одиницю часу на одиницю площі, розташовану перпендикулярно до напряму випромінювання. Одиницею інтенсивності служить Вт/м², що еквівалентно енергії випромінювання в 1 Дж, падаючої на поверхню площею 1 м² протягом 1 с.

Для випромінювання з частотою n інтенсивність I визначається за формулою

, (1.13)

де N_k – кількість квантів енергії, падаючих на поверхню площею 1 м² в 1 с;

h v –енергія кванта.

У радіаційній дефектоскопії для більшої частини розрахунків рентгенівський випромінювач або джерело

g-випромінювання можна прийняти за точкове джерело. У такому випадку до джерел рентгенівського і g-випромінювання застосуємо закон, згідно з яким інтенсивність випромінювання змінюється обернено пропорційно квадрату відстані від джерела.

Нехай точкове джерело випромінювання розташоване в точці О. Інтенсивність випромінювання, що проходить через одиницю поверхні сфери радіусом r₁ з центром в точці О,

, (1.14)

де Е – енергія випромінювання даного джерела за 1 с. Аналогічно для сфери радіусом r₂ інтенсивність випромінювання

. (1.15)

Розділивши першу рівність на другу, отримаємо

. (1.16)

Таким чином, знаючи інтенсивність випромінювання точкового джерела I₁ , можна визначити на відстані r₁ від нього інтенсивність випромінювання, яку створює джерело на будь-якій відстані r:

. (1.17)

Для оцінки дії іонізуючого випромінювання в якому-небудь середовищі служать так звані дозові характеристики поля випромінювання. Одна з цих характеристик – поглинена доза випромінювання D_п –являє собою енергію іонізуючого випромінювання, віднесену до одиниці маси речовини, яка опромінюється:

D_п=dE/dm, (1.18)

де dE – енергія, передана іонізуючим випромінюванням в об'ємі речовини масою dm. Під переданою енергією тут розуміється різниця між сумарною енергією всіх частинок, які попадають в об'єм розглядуваний речовини і сумарною енергією всіх частинок, які покидають цей об'єм.

Одиниця поглиненої дози – грей (Гр.). За визначенням

1 Гр – це доза випромінювання, при якій опроміненій речовині масою 1 кг передається енергія іонізуючого випромінювання 1 Дж. Позасистемна одиниця поглиненої дози – рад (1 Гр=100 рад).

Потужністю поглиненоїдозиназивають дозу, поглинену за одиницю часу. За одиницю потужності поглиненої дози будь-якого виду іонізуючого випромінювання прийнято Гр/с, позасистемна одиниця – рад/с (рад/год).

Еквівалентна доза випромінюваннявизначає шкідливий вплив випромінювання на організм людини. Еквівалентна доза випромінювання рівна добутку поглиненої дози D_n випромінювання в біологічній тканині на коефіцієнт якості K цього випромінювання:

D_экв=D_п× К. (1.19)

Коефіцієнт якості K служить для порівняння різних видів іонізуючого випромінювання за очікуваним біологічним ефектом. Наприклад, для b-випромінювання, рентгенівського і g-випромінювання K =1; для потоку нейтронів з енергією до 10 МеВ K =10, для a-випромінювання з енергією до 10 МеВ K =10.

За одиницю еквівалентної дози випромінювання прийнятий зіверт (Зв).

Позасистемна одиниця еквівалентної дози – бер; 1 бер чисельно рівний одному раду, помноженому на коефіцієнт якості K. О диницями потужності еквівалентної дози випромінювання є Зв/с і бер/с (бер/год).

Експозиційна доза — характеристика, яка базується на іонізуючій дії випромінювання в сухому атмосферному повітрі. Експозиційна доза випромінювання виражається відношенням сумарного електричного заряду іонів одного знаку dQ, утвореного випромінюванням, поглиненим об'ємом повітря масою dm, до цієї маси: D_экс = dQ/dm.

Одиниця експозиційної дози – 1 Кл/кг, що відповідає експозиційній дозі рентгенівського або g-випромінювання, при проходженні якого через 1 кг повітря внаслідок всіх іонізаційних процесів в повітрі створюються іони, які несуть заряд в один кулон електрики кожного знаку.

Позасистемна одиниця експозиційної дози – рентген (1р=2, 58·10^-4 Кл/кг). Рентген – це експозиційна доза рентгенівського і g- випромінювання, при проходженні яких через 1, 293× 10^{-3 г} повітря внаслідок завершення всіх іонізаційних процесів в повітрі створюються іони, які несуть заряд в одну електростатичну одиницю кількості електрики кожного знаку, що відповідає 3.3× 10^-10Кл, (1, 293× 10^{-3 г} – маса

1 см³ атмосферного повітря при 0°C і тиску 1013 гПа).

Потужність експозиційноїдози(ПЕД), тобто експозиційна доза випромінювання, віднесена до одиниці часу, вимірюється в А/кг або р/с. Ампер на кілограм рівний потужності експозиційної дози рентгенівського і g-випро-мінювання, при якій за 1с сухому атмосферному повітрю передається експозиційна доза 1 Кл/кг.

Основні одиниці вимірювання іонізуючих випромінювань в міжнародній системі одиниць SI і їх зв'язок з позасистемними одиницями приведені в табл. 1.2.

Інколи використовують поняття радійового гамма-еквівалента, яке не встановлене стандартами, однак цією характеристикою джерел g-випромінювання широко користуються при розв'язанні багатьох практичних задач.

Якщо два джерела g-випромінювання при однакових умовах вимірювання створюють однакову потужність експозиційної дози, то вони рівні за гамма-еквівалентом.

Вимірюванням встановлено, що 1 мг Ra у вигляді точкового джерела, вміщеного в фільтр з платини товщиною 0, 5 мм, створює на відстані 1 см потужність експозиційної дози, рівну 8, 4 р/год. Ця величина названа іонізаційною постійною Г або гамма-постійною радію. Кожний ізотоп має свою гамма-постійну, яка показує, яку потужність експозиційної дози g-випромінювання створює точкове джерело даного ізотопу активністю 1 мКі на відстані 1 см протягом 1 години. Одиниця вимірювання гамма-постійної: р× см²/(год× мКі).

Величина гамма-постійної залежить від схеми радіоактивного розпаду ізотопів, тобто від числа g-квантів, що припадають на один розпад, і їх енергії. Деякі радіоактивні

ізотопи випускають кванти однакової енергії, як, наприклад, цезій ¹³⁷Cs, у якого енергія квантів рівна 0, 661 МеВ. Таке випромінювання називають моноенергетичним (монохро-матичним), а його спектр графічно представляють у вигляді однієї лінії. Велика частина ізотопів випускає кванти різних енергій, наприклад, спектр випромінювання кобальту ⁶⁰Со складається з двох основних ліній, відповідних енергіям 1, 17 і 1, 33 МеВ, спектр випромінювання іридію ¹⁹²Ir має шістнадцять основних ліній і т.д.

Таблиця 1.2 – Одиниці вимірювання параметрів іонізуючих випромінювань

У загальному випадку значення гамма-постійної ізотопного джерела активністю А_і=1 мКі, випромінюючого п квантів g -випромінювання, обчислюють за формулою

, (1.20)

де Г_i– диференціальна гамма-постійна для окремої лінії спектра;

n_i, ‑ квантовий вихід, тобто кількість квантів відповідної енергії, яка припадає в середньому на один розпад.

Гамма-еквівалент M джерела g-випромінювання активністю А_і може бути розрахований за формулою.

, (1.21)

де 8, 4 – гамма-постійна радію.

Співвідношення між гаммою-еквівалентом точкового джерела випромінювання і експозиційною дозою D_{екс ,} в рентгенах яка створюється джерелом на відстані r, може бути виражене формулою,

, (1.22)

де t – час опромінення, год.,

Потужність експозиційної дози Р_екс, яка створюється джерелом випромінювання активністю А_и, на відстані r може бути розрахована за формулою, Кл/(кг× с),

. (1.23)

1.4 Класифікація методів радіаційної дефектоскопії

Методи радіаційної дефектоскопії: радіографічний, радіометричний, радіоскопічний – розрізняються за способами детектування одержаної інформації.

Радіографія – метод одержання на детекторах статичного видимого зображення структури виробу, просвічуваного ІВ. Цей метод одержав в зв´ язку з його простотою і дпкументальним пітвердженням одержаних результатів.

У залежності від використовуваних детекторів розрізняють плівкову радіографію та ксерорадіографію. При плівковій радіографії детектором невидимого зображення і реєстратором статичного видимого зображення є фоточутлива плівка. При ксерорадіографії детектор – це напівпровідникові пластини, а реєстратор – звичайний папір.

У залежності від використовуваного ІВ застосовується кілька методів радіографії: гаммаграфія, нейтронна радіографія, радіографія з використанням гальмівного (рентгенівського) випромінювання. Кожний метод має свою сферу використання, доповнюючи один одного.

Гаммаграфія використовується переважно при контролі якості виробів, розміщених у важкодоступних місцях, в польових і монтажних умовах, а гальмівне випромінювання радіоактивних ізотопів – при радіографії тонкостінних об´ єктів. Нейтронна радіографія – єдиний метод, який забезпечує контроль якості важких металів, матеріалів, які містять водень (органічні сполуки), а такожрадіоактивних виробів.

Застосовуючи ці методи, можна просвічвувати стальні вироби товщиною до 200 мм, забезпечуючи при цьому 1-2 % чутливість до виявлених дефектів. Використовуючи прискорювачі елементарних частинок як джерела, можна просвічувати стальні вироби товщиною 600 мм.

Радіометрична дефектоскопія – метод, з допомогою якого одержують інформацію про внутрішній стан ОК, просвічуваного ІВ, у вигляді електричних сигналів. Цей метод дозволяє автоматизувати контроль і здійснювати автоматичний зворотній зв´ язок від контролю до технологічного процесу виготовлення виробу. Переваги методу – проведення неперервного високопродуктивного контролю якості виробів, зумовлене високою швидкодією застосовуваної апаратури. При цьому чутливість методу не поступається радіографії. На практиці широкого застосування в ролі детекторів у радіометричній дефектоскопії знайшли сцинтиляційні кристали.

Радіоскопія (радіаційна інтроскопія) – метод одержання на екрані видимого динамічного зображення внутрішньої структури виробу, просвічуваного ІВ. Чутливість цього методу поступається радіографії. До переваг відноситься достовірність одержуваної інформації через можливість стереоскопічного бачення дефекту і розгляду виробу під різними кутами, експресність та неперервність контролю. Застосування радіоскопії в промисловості постійно росте. Радіоскопічна аппаратура перетворює приховане зображення в світлотіньове чи електронне і передає його на відстані.

Задача 1.1

В скільки раз зміниться інтенсивність іонізуючого випромінювання з енергією 0, 1 МеВ при проходженні через лист заліза товщиною 5 см?

Розв’язування.

При проходженні через речовину інтенсивність ІВ послаблюється згідно закону Бугера (1.1):

.

Звідси відношення інтенсивностей буде:

.

Для заліза при енергії випромінювання 0, 1 МеВ коефіцієнт лінійного поглинання становить 0, 421 см ^–1.

,

Або .

Відповідь: інтенсивність пройшовшого випромінювання зменшиться у 8, 2 раза.

Задача 1.2

Визначити енергію електрона віддачі, вектор швидкості якого утворює кут j із напрямом поширення руху первинного кванта.

Розв’язання:

За законом збереження руху для імпульсу падаючого фотона в напрямі руху згідно виразу (1.3):

,

а в перпендикулярному напрямі

,

де m₀ – маса спокою електрона, V_e – швидкість розсіяного електрона, – маса розсіяного електрона з врахуванням релятивістського ефекту, j і y – кути відхилення поширення відповідно фотона hn_s і електрона е відносно напряму руху фотона hn.

Введемо позначення

;

і підставимо їх в попередні вирази:

;

.

Піднесемо два останні рівняння до квадрату і додамо їх:

;

;

До обох частин цього рівняння додамо одиницю і підставимо у рівняння закону збереження енергії.

Із закону збереження енергії згідно (1.2) витікає вираз для енергії електрона віддачі:

.

Це рівняння можна записати у вигляді

.

Піднесемо цей вираз до квадрату і підставимо в нього одержаний вище вираз:

,

з якого одержимо:

.

Замінивши коефіцієнти А і А^¢ їхніми виразами, одержимо:

.

Задача 1.3

Радіоактивний ізотоп має постійну розпаду рівну l=1, 44× 10^-3 1/год. Через який час розпадеться 75% початкової маси атомів?

Розв’язання

Використовуючи закон радіоактивного розпаду ,

отримаємо:

год.

Задача1.4

Знайти для алюмінію товщину шару половинного послаблення для рентгенівських променів з деякою довжиною хвилі, якщо відомо, що масовий коефіцієнт послаблення алюмінію на цій довжині хвилі дорівнює 5, 3 м²/кг.

Розв’язання.

Застосуємо закон Бугера:

,

де m – коефіцієнт лінійного поглинання; m_m=m/r – масовий конфіцієнт, r_Al =2, 7 г/см³ = 2, 7× 10³ кг/м³.

Використавши перетворення, аналогічні попереднім, отримаємо:

.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ:

1) Що таке проникаюче (іонізуюче) випромінювання?

2) Які є види проникаючого (іонізуючого) випромінювання?

3) Яка природа різних видів проникаючого (іонізуючого) випроміювання?

4) У чому полягає фотоелектрична взаємодія випромінювання з матеріалом?

5) Що таке вторинні фотоелектрони?

6) Які є види розсіювання?

7) Що таке комптонівське розсіювання?

8) Як проходить процес утворення пар?

9) Що таке коефіцієнт послаблення?

10) Якими параметрами характеризується іонізуюче випромінювання?

11) В чому суть радіаційного контролю?

12) Які є види радіаційного контролю?

13) Від чого залежить коефіцієнт поглинання?

14) Що таке вузький і широкий пучок ІВ?

15) Що таке дозовий фактор нагромадження?

2 ДЖЕРЕЛА ПРОНИКАЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

2.1 Радіоізотопні джерела випромінювання

2.1.1 Природа радіоактивного випромінювання

Найменша частинка хімічного елемента, яка ще є носієм його хімічних властивостей, називається атомом. Атом складається з позитивно зарядженого ядра і електронів – часток, які несуть негативний елементарний електричний заряд е=1, 6× 10^-19 Кл.

У залежності від взаємного розташування ядра атома і навколишніх його електронів внутрішня енергія атома може мати ряд дискретних значень; мінімальне значення енергії з цього ряду відповідає нормальному або основному стану атома, будь-яке інше – збудженому стану.

У нормальному стані вільний атом, не підданий зовніш-нім впливам, може знаходитися необмежений час, в збудже-ному – лише дуже короткий час, звичайно не більше за 10 нс.

У нормальному стані атом електрично нейтральний, кількість електронів в ньому чисельно дорівнює заряду ядра, вираженому в електронних одиницях (зарядовому числу), і атомному номеру елемента в періодичній системі елементів Менделєєва.

Електрони в атомі розташовуються на суворо певних енергетичних рівнях – електронних оболонках і підоболонках.

Електронні оболонки позначають (в порядку віддалення від ядра) символами K, L, M, N, O, Р, Q (рис.2.1).

Будь-яких проміжних значень енергії в атомі електрон мати не може, також в атомі не може бути двох електронів, які б знаходилися в одному енергетичному стані. Тому розподіл електронів в атомі відбувається за наступним правилом: насамперед електрон займає ту оболонку, на якій він має найменшу енергію і має найбільшу силу притягання до ядра, тобто найближчу до ядра оболонку. Наступний електрон займає оболонку, відповідну більш високому рівню енергії і яка залишається ще вільною, і т.д.

При поглинанні атомом поступаючої ззовні енергії його електрони переходять на більш високі енергетичні рівні (на більш віддалені від ядра оболонки).

Рисунок 2.1 – Схема виникнення характеристичного

випромінювання

Повернення атома із збудженого стану в нормальне здійснюється шляхом зворотного переходу електронів на близькі до ядра вільні місця в електронних оболонках. При такому переході надлишок енергії випромінюється у вигляді кванта електромагнітного випромінювання (фотона), енергія якого

, (2.1)

де Е₁ і Е₂ – рівні енергій електронних оболонок, Е₁> Е₂;

h =6, 626´ 10^-24 Дж× с – постійна Планка;

n – частота випромі-нювання, с^-1.

Коли перехід електронів здійснюється на віддалених від ядра електронних оболонках, де енергія зв'язку електрона з ядром порівняно невелика, атом випромінює кванти інфрачервоного випромінювання, видимого світла або ультрафіолетового випромінювання. При переході електронів на близькі до ядра електронні оболонки випромінюються кванти більш високої енергії – кванти характеристичного рентгенівського випромінювання (рис.2.1).

Ядро атома складається з двох видів елементарних часток: протонів і нейтронів. Протон–частинка, що володіє позитивним елементарним електричним зарядом + е, нейтронелектрично нейтральна частинка. Протони і нейтрони, що знаходяться в атомному ядрі, називають також нуклонами (ядерними частинками).

Кількість протонів визначає заряд ядра і атомний номер елемента Z в періодичній системі елементів Менделєєва. Маса протона і нейтрона приблизно рівна і дуже близька за значенням до атомної одиниці маси. Оскільки маса нуклона перевершує масу електрона приблизно в 1840 раз, практично вся маса атома зосереджена в його ядрі.

Сумарну кількість нуклонів в ядрі називають масовим числом A_m. Таким чином, кількість нейтронів N_н=A_m -Z.

Атомні ядра прийнято позначати, де Х – символ відповідного хімічного елемента. Іноді в позначенні ядер нижній індекс опускають, оскільки заряд ядра одночасно задається символом елемента, наприклад: , або , .

Велика частина хімічних елементів має декілька різновидів атомів, відмінних один від одного за кількістю нейтронів N_н в ядрі, тобто які мають різні масові числа A_m. Такі атоми називають ізотопами.

Наприклад, водень має три ізотопи: – звичайний водень або протій (Z =1; N_н =0); – важкий водень або дейтерій (Z =1; N_н =1); – тритій (Z=1; N_н=2).

Атоми, ядра яких відрізняються за своїм складом, тобто містять різну кількість протонів або нейтронів або тих і других одночасно, називають нуклідами. Таким чином, різні ізотопи одного і того ж хімічного елемента є нуклідами, відмінними тільки числом нейтронів.

Між однойменно зарядженими частинками ядра (протонами) діють сили електростатичного відштовхування, однак ядро є надзвичайно стійкою системою. Це пояснюється тим, що між нуклонами в ядрі діють так звані ядерні сили, що визначають його будову і властивості.

Ядерні сили володіють рядом специфічних властивостей. Вони на багато порядків перевищують сили інших типів (електромагнітні, гравітаційні і т.д.), а їх значення не залежить від заряду взаємодіючих нуклонів.

Дія ядерних сил проявляється в тому, що у всіх атомних ядер густини ядерної речовини і питомі енергії зв'язку (енергії зв'язку, що доводяться на один нуклон) приблизно однакові.

Ядерні сили – короткодіючі сили: вони дуже швидко спадають із збільшенням відстані r між нуклонами і практично рівні нулю при м, де r₀ – так званий радіус дії ядерних сил.

Із збільшенням атомного номера елемента, тобто із збільшенням кількості протонів в ядрі, дія електростатичних сил відштовхування стає все сильнішою. У важких елементів починаючи з Z > 82 ядерні сили вже не здатні забезпечити стійкість ядер, і починається мимовільне перетворення нестійких ізотопів в більш стійкі (звичайно в ізотопи іншого елемента). Це явище називають радіоактивністюаборадіоактивнимрозпадом.

Радіоактивний розпад ядер супроводиться випусканням a- і b-частинок (a- і b-випромінювання) і квантів g-випромінювання (рис.2.2).

Рисунок 2.2 – Відхилення ІВ радіоактивного розпаду у електричному полі

Альфа-частинкиє ядрами гелію, що складаються з двох протонів і двох нейтронів . Вони несуть позитивний заряд, рівний двом одиницям заряду, відхиляються в магнітному і електричному полях (рис. 2.2). Проліт a-части-нок в речовині малий, в повітрі він досягає 11 см, в біологічній тканині – 0, 1 мм; a-частинки повністю поглинаються шаром алюмінію товщиною 0, 1 мм.

Бета-частинки–це потік електронів. Під дією магнітного і електричного полів вони відхиляються від прямолінійного напряму, пробіг їх в повітрі досягає 10 м, в біологічній тканині 10 – 12 мм. Для повного поглинання b-частинок необхідний шар алюмінію товщиною 4 – 6 мм або шар свинцю товщиною 1 мм.

Гамма-випромінюванняявляє собою електромагнітне випромінювання з дуже корот