Використанні бетатронів

Область застосування методів радіаційної дефектоскопії визначається одним з основних їх параметрів – чутливістю методу (засобів і технологій) до виявлення найменших небезпечних дефектів у зварних, ливарних, паяних та інших конструкціях. З врахуванням цього наводяться області застосування: рентгенографії (табл.2.5), гаммаграфії (табл.2.6), радіографії з використанням бетатронів (табл.2.7).

Таблиці (2.5) – (2.7) є орієнтирами для вибору джерел ІВ не тільки в радіографії, але й в радіоскопії та радіометрії.

Контрольні запитання:

1 Які джерела іонізуючого випромінювання використовують для неруйнівного контролю проникаючим випромінюванням?

2 Якими параметрами характеризуються радіоізотопні джерела проникаючого випромінювання?

3 Яка будова рентгенівської трубки?

4 Які принципи прискорення електронів в електронних джерелах іонізуючого випромінювання?

5 Які є параметри рентгенівських трубок?

6 Як вибрати джерело проникаючого випромінювання для проведення радіаційного контролю?

3 ДЕТЕКТОРИ ІОНІЗУЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

Для перетворення розподілу інтенсивності чи сумарної дози ІВ, одержаного у поперечному перерізі пучка променів ІВ після взаємодії з ОК, у видиме зображення можуть бути використані різні індикатори, основні з яких розглянуто в цьому розділі.

3.1 Радіографічні плівки

Універсальним індикатором, який використовується в найбільш широкому спектрі випромінювання є фотоплівка. Вона має найбільше застосування тепер в радіаційному неруйнівному контролі якості.

3.1.1 Властивості радіографічних плівок

Фотоплівка використовує фотохімічний ефект взаємодії ІВ з речовиною, широко використовується для дефектоскопії і вивчення внутрішньої будови ОК. Фотоемульсія містить чутливу до випромінювання речовину – бромисте срібло з добавкою йодистого срібла, розподілену рівномірно у вигляді мікроскопічних зернин в тонкому шарі желатину. На радіографічні плівки емульсія наноситься на обидві сторони для зменшення часу експозиції в 2 рази. При опроміненні плівки в кристалах AgBr відбувається зміни, які приводять до того, що кристал стає здатним до проявлення, тобто відновлення у вигляді чорного металічного срібла під дією проявника.

Радіографічні плівки діляться на дві групи: т.зв. безекранні плівки для використання без флуоресцентних екранів або з металічними підсилюючими екранами і екранні плівки для використання з флуоресцентними підсилюючими екранами в зв’язку з їх високою чутливістю до видимої чи ультрафіолетової частини спектра. Вона має властивості інтегрувати падаюче ІВ, причому при правильній організації НК легко одержати дефектоскопічну чутливість не гірше 1%.

Зображення на фотоплівці характеризує величина, яка називається ступенем почорніння:

, (3.1.)

де Ф , Ф – світловий потік, який падає на негатив;

Ф – світловий потік, який пройшов крізь негатив.

Величина почорніння D_поч в свою чергу є функцією ПЕД і її графічне зображення називається характеристичною кривою (рис.3.1).

Рисунок 3.1 – Залежність ступеня почорніння від експозиційної дози

Ступінь почорніння фотоплівки (густина негатива) залежить від добутку ПЕД на час опромінення (експозиції) t чи від добутку інтенсивності ІВ на час експозиції (І t_е), причому існує область BC, де крива D (КІ t_е) близька до прямої.

У цьому випадку контрастність зображення, яка визначається нахилом ділянки BC кривої на рисунку, є постійною і пропорційною тангенсу кута нахилу цієї ділянки:

. (3.2)

Як видно, контрастність плівки залежить від густини почорніння D і від від величини експозиції D_e.

Характер густини почорніння від експозиції визначають різні ділянки: область ВС характеристичної кривої називають областю нормальних експозицій; АВ – областю недодержок; CD – областю передержок. Початок кривої –точка А – завжди знаходиться дещо вище початку координат і визначає т. зв. вуаль плівки.

Області малих і великих експозицій є неробочими. При малих експозиціях густина почорніння співмірна з власною вуаллю плівки сірого кольору, яка появляється з різних причин. При великих експозиціях – наступає соляризація плівки і ступінь почорніння попадає в область насичення.

Рисунок 3.2 – Залежність контрастності від густини почорніння для екранних (РТ-2) і безекранних (РТ-1, РТ-5)

радіографічних плівок

Як видно з рис.3.2, для безекранних плівок контрастність збільшується з ростом густини почорніння. Тому в таких плівок найвигіднішою густиною почорніння є та, при якій можливий її огляд на існуючому розшифрувальному обладнанні. Використання великих густин почорніння дозволяє збільшити діапазон інтенсивності, який може бути переданий на одному знімку, а також проводити просвічування при менших енергіях випромінювання, що викликає збільшення контрастності ОК і радіографічної чутливості.

У плівках екранного типу максимальна контрастність відповідає густині почорніння D_поч =1, 8¸ 2, 2, тобто краща радіографічна чутливість буде одержана якраз при цих значеннях D_поч. У цьому діапазоні густин почорніння контрастність плівки S дорівнює величині середнього градієнту.

Метод промислової радіографії базується на тому, що ступінь почорніння плівки в деякому діапазоні пропорційний експозиційній дозі.

Ефективність реєстрації радіографічної плівки визначається її здатністю одержувати різні густини почорніння при проявленні після опромінення ІВ різної енергії з однаковою експозиційною дозою. На практиці ефективність реєстрації характеризується спектральною чутливістю плівки Q, яка є величиною, оберненою дозі і необхідною для одержання на плівці густини почорніння D .

Радіографічна плівка має високу спектральну чутливість в діапазоні енергій 40-50 кеВ. При енергіях вище 250 кеВ спектральна чутливість плівки практично постійна (рис.3.3).

Прийнято визначати чутливість плівки за величиною, оберненою експозиційній дозі, вираженій в рентгенах, при якій густина почорніння на певне значення (0, 85) більша від густини вуалі на плівці, якщо використати рентгенівське випромінювання при U_a=80 кВ і позначають у цьому випадку чутливість плівки S_{0, 85} (в р^-1).

а) б)

Рисунок 3.3 – Графіки спектральної чутливості радіографічної плівки при малій (а) та великій енергії ІВ

Однією з важливих характетистик радіографічних плівок є роздільна здатність, яка характеризується кількістю розрізнюваних ліній однакової ширини на 1 мм. Дрібнозернисті плівки типу РТ-5, РТ-4М мають вищу роздільну здатність ніж грубозернисті плівки типу РТ-1, РТ-2 (табл. 3.1).

Таблиця 3.1-Основні характеристики радіографічних плівок

У більшості випадків на практиці орієнтуються при виборі радіографічної плівки на їхню роздільну здатність

3.1.2 Підсилюючі екрани

Підсилюючі металеві і флуоресцентні екрани застосовують для зменшення часу просвічування. Підсилююча дія металевих екранів характеризується коефіцієнтом підсилення, який визначається відношенням часу просвічування без екрану до часу просвічування з екраном.

Підсилююча дія металевих екранів, які використовуються при методі прямої експозиції, визначаються вторинними електронами, які утворюються в екрані при проходженні через нього ІВ. У ролі матеріалів цих екранів використовують фольгу з важких металів (Pb, W, Sn і інші), так як вони забезпечують високі коефіцієнти підсилення. Для кожного джерела випромінювання, в залежності від його енергії, повинен вибиратись матеріал екрану. Так для гальмівного випромінювання доцільно вибирати Pb, W, Sn; для g-випромінювання – Pb, W. Товщина екрану повинна бути рівна максимальній довжині пробігу вторинних електронів в екрані.

Зміна товщини фольги призводить до зменшення коефіцієнта перетворення енергії ІВ в кінетичну енергію вторинних електронів, або до ослаблення інтенсивності ІВ і, як наслідок, до зменшення підсилюючої дії екрану.

Металеві екрани рекомендується використовувати з плівками типу РТ-1, РТ-3, РТ-4м, РТ-5, їх застосування практично не впливає на погіршення роздільної здатності зображення на плівках.

Таблиця 3.2 – Коефіцієнти підсилення екранів при використанні різних джерел живлення

Випускається 15 типорозмірів екранів. Ці екрани виконані у вигляді свинцевої фольги товщиною (0, 05-0, 5 мм), яка нанесена на гнучку пластмасову підкладку.

Підсилююча дія флуоресцентних екранів, які використо-вуються при методі прямої експозиції, визначаються дією фотонів видимої, синьо-фіолетової, УФ та ІЧ області

спектра, які висвічуються із люмінофорів при проходженні через них ІВ. У ролі люмінофорів використовують ZnS, CdS, BaSO₄, PbSO₄, CaWO₄ і інші. Флуоресцентні екрани викори-стовуються у вигляді пластмасових чи картонних підкладок, на які наносять шар люмінофору. Їх рекомендується викори-стовувати з екранними радіографічними плівками, оскільки спектральна чутливість емульсії плівки і спектр свічення екранів добре узгоджуються.

Таблиця 3.3 – Основні характеристики і області застосування

підсилюючих екранів

№№ п/п	Тип екрану	Флуоресцентні екрани	Свинцеві екрани	Радіо-ізотопні джерела
Люмі-нофор	Кількість люмінофору на екрані (мг/см)	Товщина екрану (мм)
Пе-ред-ній	Зад-ній	Перед-ній	задній
11.	“Стандарт”(ЭУ-В2)	CaWO			0, 02	0, 02	Pm+Be
22.	СБ(ЭУ-Б)	BaSO PbSO			0, 02	0, 02-0, 05	204Te+Be
33.	УС	ZnS (Ag)			0, 02-0, 05	0, 05-0, 1	90Sr+Be
44.	УФДМ (ЭУ-В319)	CaWO			0, 05-0, 1	0, 1-0, 16	170Tm
55.	ВП-1	CaWO			0, 1-0, 16	0, 16-0, 2	192Ir, 75Se
66.	ВП-2	CaWO			0, 16-0, 2	0, 2-0, 5	137Cs
77.	УФД	CaWO			0, 2-0, 5	0, 5-1	60Co

Екрани №1–3 (табл. 3.2) – використовують з низько-енергетичними джерелами (мала кількість люмінофору); екрани № 4–7 – використовують з високоенергетичними джерелами, крупнозернисті, роздільна здатність в 1, 5–3 рази менша.

При використанні флуоресцентних екранів роздільна здатність зображення на плівках суттєво погіршується із-за грубозернистості самих екранів.

Менші експозиції при радіографії одержують з використанням флуоресцентних екранів, кращу чутливість до виявлення дефектів – при використанні металічних екранів.

Зараз починають застосовувати флуорометалічні підсилюючі екрани, які виконані у вигляді свинцевої підкладки з нанесеним на неї шаром люмінофора. Ці екрани мають більший коефіцієнт підсилення, чим металічні, і забезпечують кращу чутливість, чим флуоресцентні.

У практиці радіографії застосовують подвійну комбінацію з підсилюючих екранів (переднього і заднього), між якими розміщують плівку. Застосування заднього металічного екрану разом із збільшенням коефіцієнта підсилення зменшує вплив розсіяного випромінювання на плівку. Товщину металічних екранів, а також матеріал люмінофора і його кількість в складі флуоресцентних екранів вибирають в залежності від джерела ІВ.

3.2 Електрорадіографічна пластина

У електрорадіографічних пластинах (т.зв. ксеро-пластинах) використовується електричний ефект дії ІВ. Ксеропластини складаються з електропровідного шару основи (латунь, алюміній) і тонкого фотошару (30–50 мкм). Фотошар найчастіше є із селену (напівпровідника). Зображення на ксеропластині одержується в результаті наступних операцій.

Перед експозицією фотошар ксеропластини рівномірно заряджають до напруги 0, 6–1 кВ, а потім розміщують її так само як фотоплівку, повертаючи шар селену до ОК.

Під час експозиції ІВ від контрольованого об’єкта, попа-дає в матеріал (шар селену) фотошару ксеропластини, частково розряджає його, притому тим більше, чим більша інтенсивність падаючого ІВ. Одержане зображення у вигляді електростатичного рельєфу перетворюють в видиме, опилюючи фотошар зарядженим сухим дрібнодисперсним порошком (СЧ-5, ПСЧ-1, ПСЧ-74, і інші) з розміром частин не більше 10 мкм. Кількість осідаючого порошку залежить від електростатичного потенціалу, що створює видиме зображен-ня, яке зразу ж може аналізуватись оператором. Але для зруч-ності розшифрування результатів і для зображення їх одержа-не зображення переносять на папір і фіксують його, хоча при переносі на папір роздільна здатність знижується в 1, 5–2 рази.

Перенесення видимого зображення від зарядженої пластини на папір відбувається менше чим за хвилину, що є великою перевагою перед фотографуванням.

Роздільна здатність ксеропластин досягає до 40 (на папері до 20) лін./мм.

Ксеропластини можуть бути виготовлені також з підсилюючим екраном у вигляді шару олова між основою і фотошаром.

Основні процеси при ксерографії – зарядка пластин, проявлення зображення порошком, а також очистка пластин – проводяться з допомогою установок ЭРГА-М, ЭГУ-73 і т.п.

Застосування ксеропластин дозволяє одержати високу продуктивність контролю при високій якості зображення і локального контрасту, що особливо ефективно при дефектоскопії.

Недоліками ксерографічного методу є обмеження зони проведення НК розмірами ксеропластини; можливість появи несправжніх дефектів через пошкоджень поверхні пластини, особливо вкінці терміну служби (біля 1000 експозицій); погана передача півтонів; підвищена жорсткість ксеропластини.

Не дивлячись на труднощі застосування ксерографічного методу радіаційного НК якості, при масовому контролі він є досить перспективний.

3.3 Радіоскопічні індикатори. Електронно-оптичні перетворювачі

Радіоскопічні індикатори виготовляють на основі різних люмінофорів у вигляді екранів чи монокристалів (сцинтилятори). Ці індикатори перетворюють падаюче ІВ в видиме світло, що дозволяє оператору проводити НК безпосередньо в технологічному потоці чи фіксувати видиме зображення з допомогою фото- чи кіноапаратури.

Флуоресцентні екрани складаються з основи (картон, пластмаса), на яку наносять тонкий шар люмінофору. Флуоресцентні екрани, зображення на яких оцінює безпосередньо оператор, виготовляють на основі речовин (ZnS, CdS і ін.), які випускають біле чи жовто-зелене світло, що відповідає максимальній чутливості ока, а підсилюючі флуороскопічні екрани для фотоплівки на основі речовин (PbSO₄, BaSO₄, і т.д.), які випромінюють фотони з великою енергією – синє, фіолетове і ультрафіолетове світло. Флуоресцентні екрани дозволяють оперативно аналізувати результати НК.

Сцинтиляційні монокристали виготовляють з неорганічних речовин (NaI (Tl), KI (Tl), CsI (Va)), і з органічних речовин (антрацен, стілбен і інші) у вигляді пластин, дисків. При взаємодії падаючого ІВ з атомами монокристалу відбуваються короткі спалахи світла (»10 с) – (сцинтиляції), кількість яких залежить від інтенсивності падаючого ІВ і його спектру.

Сцинтиляційні кристали є базою для створення сцинтиляційних лічильників з ФЕП, рентгенівських електронно-оптичних перетворювачів (РЕОП) і інших пристроїв для перетворення ІВ у видиме. Підбираючи монокристали різного складу, можна перетворити ІВ різних енергій (від 30 кеВ до 40 МеВ) в світлове (дальше в електричний сигнал). Так як товщина кристалів може бути досить великою, ефективність реєстрації ІВ з їх допомогою підвищується. Тому в порівнянні з флуоресцентними екранами і з фотоплівкою сцинтилюючі кристали мають більш високу ефективність перетворення ІВ, підвищену роздільну здатність за інтенсивністю випромінювання і швидкодією.

Електронно – оптичні перетворювачі. При радіаційному контролі якості вони використовуються з подвійною метою: для перетворення зображення ІВ у видиме зображення (рентгенівський ЕОП – РЕОП) і для підвищення яскравості зображення в видимому світлі (підсилювач яскравості).

У першому випадку ЕОП має мішень, чутливу до ІВ. Така мішень може мати алюмінієве покриття, повернене в сторону ОК і яке відбиває виникаючі світлові спалахи в сторону фотокатода, сцинтилюючий шар і фотокатод, який створює вільні фотоелектрони.

За рахунок енергії високовольтного джерела живлення електрони, кількість яких прямо зв’язана з інтенсивністю ІВ, прискорюються і створюють велику яскравість свічення вихідного екрану.

При використанні ЕОП в ролі підсилювача яскравості перетворення зображення ІВ в видиме здійснюється сцинтилятором, флуороскопічним екраном чи іншим ЕОП, а зображення в видимому світлі проектується на фотокатод вторинного ЕОП. Одержане на вихідному екрані більш яскраве зображення може бути подане ще на наступний ЕОП, тобто ще раз підсилено по яскравості. Системи таких ЕОП називаються каскадними і використовують на практиці до 5 каскадів підсилення яскравості.

Рентгенівські ЕОП типу РУ-135 і РУ-230 дозволяють виявити дефекти з розміром 3 – 5 % від товщини напівфаб-рикату чи виробу при роздільній здатності 1, 5 – 2 ліній/мм.

3.4 Рентгеновідикони

Це спеціальні передаючі ЕПТ, які дають можливість одержати електричний сигнал про інтенсивність ІВ після взаємодії його з ОК і одержати видиме зображення цього розподілу на телевізійному екрані. Технічні характеристики серійних рентгеновідиконів наведені в таблиці 3.4.

Принциповою відмінністю рентгеновідиконів від оптичних є наявність напівпровідникової мішені, чутливої до рентгенівського випромінювання. Мішень рентгеновідикона виготовляють з аморфного селену (ЛИ-417, ЛИ-423), окису цинку, сірчистої сурми і інші. Вхідне вікно рентгеновідиконів закрито тонкою алюмінієвою плівкою для захисту чутливого шару від дії інших видів випромінювання (в першу чергу, від видимого світла).

Таблиця 3.4 – Технічні характеристики рентгеновідиконів

На основі рентгеновідиконів ЛИ-417 та ЛИ-423 випускаються прикладні телевізійні установки ПТУ-38,

ПТУ-39, які мають загальпромислове застосування, а також телевізійні рентгенівські мікроскопи типу МТР-34.

Перетворюючі властивості рентгеновідиконів визначаються його мішенню (особливо його товщиною).

Для розширення їхніх спектральних можливостей в область більш жорсткого випромінювання, використовують більш товсті мішені, спеціально підбирають її матеріал.

Рентгеновідикони дають більші можливості для обробки сигналу, автоматизувати процес обробки сигналу.

3.5 Первинні перетворювачі іонізуючого випромінювання в електричні сигнали

Перетворення величин, які характеризують ІВ, в електричний сигнал можуть здійснювати наступні пристрої: електронно-вакуумні прилади, рентгеновідикони, фотоелектронні помножувачі (ФЕП) в поєднанні з монокристалічними сцинтиляторами, іонні прилади і напівпровідникові прилади. Кожний тип приладів має свої особливості і області найкращого застосування.

3.5.1 Фотоелектронні помножувачі

Фотоелектронні помножувачі (ФЕП) використовують в парі із сцинтилюючим кристалом для одержання електричного сигналу, величина якого залежить від інтенсивності і складу іонізуючого випромінювання (ІВ).

Фотоелектронний помножувач складається із фотокатода, анода та проміжних електродів (динодів), які розміщені всередині скляного балона, з якого викачано повітря. При попаданні фотона на фотокатод виникає фотоефект. Утворений фотоелектрон попадає на динод під дією різниці потенціалів і вибиває з останнього 2-3 електрони, які попадуть на наступні диноди і вкінці на анод.

Фотон або інша частинка, яка викликана сцинтиляцією, приводить до появи в колі анода фотоелектричного помножувача імпульсу електричного струму з амплітудою від 1 В до 50 В, який легко може бути зареєстрований вимірювальною апаратурою. Амплітуда одержаного імпульсу залежить від енергії кванта ІВ, матеріалу і розмірів сцинтилюючого монокристалу, а кількість імпульсів, які появляються за одиницю часу залежить від інтенсивності падаючого на монокристал ІВ. Перевагою сцинтилятора, об’єднаного з ФЕП, є висока чутливість, велика роздільна здатність в часі (10 ¸ 10 с) і можливість вимірювання енергії частинок ІВ. Недоліками ФЕП є великий рівень шуму в вихідному сигналі і вплив нестабільності джерела живлення високої напруги.

3.5.2 Іонні прилади

Іонні прилади працюють на основі взаємодії ІВ з газом, в якому воно створює вільні носії зарядів. Для НК використовують іонізаційні камери, пропорційні лічильники і лічильники Гейгера-Мюллера. Різниця між цими приладами полягає в конструктивних особливостях і різних електричних режимах роботи (рис. 3.4).

Іонні приладі можна використовувати для реєстрації всіх видів ІВ, але з різним ступенем ефективності, який показує, яка частина ІВ відносно падаючого приводить до появи електричного сигналу. Значення ефективності реєстрації ІВ деякими перетворювачами ІВ наведені в табл.3.5.

І – область іонізаційної камери; ІІ – область пропорційного лічильника; ІІІ – область лічильника Гейгера-Мюллера

Рисунок 3.4 – Вольтамперна характеристика газорозрядних приладів при реєстрації ІВ

Найкращим чином іонні прилади реєструють потік a- і b-частинок, які при об’ємі камер 1 – 2 л реєструються повністю. Реєстрація рентгенівського, g- і нейтронного випромінювання затруднюється малою іонізацією в об’ємі газу, тому склад газу в іонізаційній камері підбирають в відповідності з видом і енергіями квантів реєстрованого випромінювання, а стінки іонного приладу покривають спеціальними речовинами, щоб падаюче первинне випромінювання перетворювалось в інший вид випромінювання, яке викликає значно більшу іонізацію в газовому середовищі приладу.

Таблиця 3.5 – Ефективність реєстрації іонізуючого випромінювання різними детекторами

Наприклад, для реєстрації потоку теплових нейтронів стінки іонного приладу покривають ізотопом бору ( В) чи заповнюють його об’єм газоподібною сполукою ВF ; для реєстрації нейтронів великих енергій прилад розміщують в парафін і інші речовини, які сповільнюють нейтрони, що дозволяє розширити діапазон енергій ефективно реєстрованих нейтронів від 10 кеВ до 3 МеВ.

Іонізаційні камери працюють при невеликих напругах між електродами (100–350 В) в режимі насичення, коли всі електрони, які появились від дії ІВ, збираються анодом. Вихідний струм іонізаційних камер невеликий, але іонізаційні камери мають найбільший стабільний коефіцієнт перетворення інтенсивності ІВ в струм.

Пропорційні лічильники працюють в режимі несамостійного розряду і створюють при падінні ІВ великі імпульси струму за рахунок “ефекту газового підсилення” (від 10 до 10⁶ раз), обумовленого багатократним повторення процесів іонізації. В результаті один первинний електрон приводить до утворення великої кількості вторинних електронів, загальна кількість яких пропорційна кількості первинних електронів і залежить від їхньої енергії.

У лічильниках Гейгера-Мюллера коефіцієнт “газового підсилення” ще більший, а виникаючий від ударної іонізації електричний струм не залежить від енергії квантів падаючого ІВ і визначається електричним опором зовнішнього кола. Первинні електрони, які тільки появляються, приводять до існування в лічильнику самостійного розряду. Тому в лічиль-никах Гейгера-Мюллера необхідно гасити розряд спеціаль-ними електронними схемами або підбирати склад газової суміші в об’ємі колби лічильника (самогаснучі лічильники). Вихідний сигнал лічильника Гейгера-Мюллера рівний 1¸ 50 В, що дає можливість застосувати їх безпосередньо без електрон-них схем підсилення. Іонні прилади є ефективними, простими і доступними перетворювачами енергії ІВ в електричний сигнал. Недоліком цих приладів є обмежені можливості по реєстрації параметрів ІВ, порівняно великі габарити і недостатня механічна міцність.

3.5.3 Напівпровідникові прилади

Робота напівпровідникових приладів основана на внутрішньому фотоефекті, який проявляється в тому, що при дії ІВ змінюється питома електрична провідність напівпровідникової речовини за рахунок зміни кількості носіїв зарядів (електронів чи дірок), кількість яких зв’язана з інтенсивністю випромінювання і його енергією. Для реєстрації ІВ використовуються напівпровідникові резистори з одним провідним шаром і пристрої з декількома шарами, які мають різні типи провідності.

Напівпровідникові резистори (давачі ІВ) виготовляють на основі плівок із полікристалічних матеріалів – сульфіду кадмію, селеніду кадмію і інші – шляхом випаровування в вакуумі і осідання напівпровідникової плівки на металічну підкладку, яка буде одним з виводів. Другий вивід наноситься поверх напівпровідникового шару напиленням в вакуумі. Давачі ІВ герметизується епоксидною смолою (для приладів РГД-0, РГД-1, які реєструють рентгенівське і g - випроміню-вання) або шляхом розміщення напівпровідника в тонкий металічний корпус (РГД-2 і ГД-Г1). У останньому випадку забезпечується надійний захист від світлового і рентгенівсь-кого випромінювання з квантами, які мають велику енергію.

Гамма-рентгенівські давачі РГД-0, РГД-1 і РГД-2 мають середню чутливість 1, 4 мР/с створюють струм 500 мкА і більше (при робочій напрузі 10В), що в 50 раз перевищує значення його інтенсивності.

Гамма-давач ГД-Г1, призначений для реєстрації g-випро-мінювання, при напрузі 30 В і потужності випромінювання 0, 03 мР/с, створює струм 4 мА при найбільшому значенні темнового струму 1мА.

Давачі ІВ РГД-0, РГД-1, РГД-2 і ГД-Г1 в порівнянні з другими перетворювачами ІВ мають високу чутливість при порівняно низькій напрузі (не більше 50 В), тому вони застосовуються для індикації і дозиметрії рентгенівського і g-випромінювання, особливо в малогабаритній апаратурі. Суттєвим недоліком цих приладів є велика інерційність (постійна часу 20 – 60с), що обмежує область їхнього застосування і не допускає використання їх для підрахунку імпульсів, які виникають від квантів ІВ.

Напівпровідникові детектори багатошарової конструкції для перетворення ІВ в електричні сигнали виготовляють з германію чи кремнію.

3.6 Вибір детектора випромінювання

Вибір виду детектора в значній мірі зумовлений вибором методу радіаційного контролю, тому він зводиться фактично тільки до уточнення типу детектора. Наприклад, при радіогра-фічному методі контролю в основному використовуються рентгенографічні плівки, які є більш чутливими до дефектів, ніж ксерорадіографічні пластини і фотопапір.

При виборі типу радіографічної плівки необхідно враховувати її контрастність чутливість до іонізуючого випромінювання і роздільну здатність.

Головна задача, яку необхідно розв’язати в процесі вибору рентгенографічної плівки полягає в тому, щоб забезпечити виявлення недопустимих дефектів при мінімальних затратах часу на просвічування. При цьому слід враховувати, що для рентгенографічних плівок з підвищенням коефіцієнта контрастності і роздільної здатності (тобто з підвищенням чутливості до дефектів) знижується чутливість до випромінювання, значить зростає час просвічування. Час просвічування порівнюють за чутливістю плівок до випромінювання.

Вибір плівки полягає в наступному. Конкретизують задачу контролю: розміри дефектів, їх розміщення, а також тривалість процедури контролю. Якщо вирішальним фактором є одержання знімка високої якості для надійного виявлення дрібних дефектів, то слід вибирати плівку 1 класу. Якщо вирішальним фактором є невеликий час просвічування то слід застосовувати плівку 3 чи 4 класу. Взагалі плівки таких класів доцільно застосовувати у тих випадках, якщо при цьому виявляються недопустимі згідно технічних норм дефекти: для контролю товстостінних об’єктів, зібраних вузлів та агрегатів, а також при використанні малопотужних джерел. Застосування підсилюючих екранів суттєво підвищує продуктивність та якість контролю. Характеристики радіографічних плівок наведено в [2, 3, 4].

Радіоскопічні детектори виготовляються у вигляді люмінесцентних індикаторів на основі (флюороскопічних екранів), які мають роздільну здатність 6 – 17 лін./мм, тобто нижчу ніж у фотоплівок, але дозволяють оперативно аналізувати результати контролю.

Контрольні запитання.

1) Для чого використовуються детектори ІВ?

2) Яка будова радіографічної плівки?

3) Що таке характеристична крива?

4) Які основні параметри радіографічної плівки?

5) Для чого служать металеві та флуоресцентні екрани?

6) У чому полягає підсилююча дія екранів?

7) Як працюють іонні детектори? Яка між ними різниця?

4 ТЕХНІЧНІ ЗАСОБИ КОНТОЛЮ ПРОНИКАЮЧИМИ ВИПРОМІНЮВАННЯМИ

4.1 Класифікація методів і засобів радіографії

4.1.1 Класифікація методів радіографії

У практиці промислової ізотопної радіографії в залежності від способу реєстрації і типу детектора розрізняють методи прямої експозиції і переносу зображення (рис. 4. 1).

Рисунок 4.1 – Схема методів радіографії

Розглянемо ці два основні методи радіографії.

Метод прямої експозиції – основний і найбільш поширений метод промислової радіографії, при якому використовують практично всі види ІВ. Виріб просвічується на плівку, на якій під дією ІВ утворюється приховане зображення, що стає видимим після фотообробки в проявнику і фіксажі. Для зменшення часу просвічування використовують флуоресцентні і металеві екрани.

Метод переносу зображення – застосовується при нейтронній радіографії, коли приховане зображення одержують на проміжному металічному екрані, який розміщується за виробом в нейтронному потоці. Одержане на екрані приховане зображення переносять на радіографічну плівку, прикладаючи її до металічної пластини. Метод переносу зображення, в якому в якості проміжного носія схованого зображення використовуються електричні заряджені напівпровідникові пластини, поміщені за об’єктом в пучку ІВ, а в якості реєстратора видимого зображення – звичайний папір, на якому зображення проявляється за допомогою сухих порошків фарб чи графіту, називається електрорадіографією чи ксерорадіографією.

Порівняємо характеристики цих методів промислової радіографії.

Метод прямої експозиції використовується для контролю таких об’єктів: паяні і зварені з’єднання, литі і штамповані вироби, збірні вузли і т.п.

Переваги методу прямої експозиції: незалежність від зовнішніх джерел живлення; портативність і маневреність апаратури; можливість контролю стальних ОК до 250мм; проведення контролю у важкодоступних місцях.

Недоліками методу прямої експозиції є використання набору джерел ІВ для контролю виробів різної товщини і густини та зміна ПЕД внаслідок радіоактивного розпаду; обмежена чутливість.

Основними методами переносу зображення є нейтронна радіографія і електрорадіографія.

У нейтронній радіографії використовуються джерела радіоізотопні. У ролі детекторів використовуються активовані екрани-перетворювачі та радіографічні плівки. Метод переносу зображення використовується для контролю таких об’єктів: радіоактивні вироби; вироби з легких матеріалів, вироби з органічних матеріалів з вмістом водню, вироби, які розміщені за оболонками; з важких металів.

Перевагами нейтронної радіографії є нечутливість методу до супутнього випромінювання, джерелом якого являється сам виріб чи навколишні предмети, можливість виявляти різні ізотопи одного і того ж елементу, прозорість для нейтронів важких металів та „непрозорість” легких.

Недоліками нейтронної радіографії є громіздкість радіографічного обладнання, мала густина потоку нейтронів, висока вартість радіоізотопних джерел нейтронів, зміна густини потоку нейтронів внаслідок радіоактивного розпаду.

У електрорадіографії (ксерографії) використовуються у ролі джерел ІВ як радіоізотопні джерела гальмівного та γ -випромінювання, так і рентгенівські апарати.

Детекторами служать напівпровідникові пластини та папір. Електрорадіографія використовується для контролю таких ОК: паяні і зварені з’єднання, литво, штамповка, збірні вузли, вироби з металів, пластмас, кераміки і т.п.

Переваги електрорадіографії: швидкість одержання ксерорадіограми, не потрібна фотолабораторія, зменшення витрат на фотообробку і можливість багатократного використання напівпровідникових пластин.

Недоліки електрорадіографії: виникнення на поверхні напівпровідникових пластин різних пошкоджень, які при розшифруванні знімка важко відрізнити від дефекту ОК; відсутність гнучких напівпровідникових пластин; відсутність автоматичного обладнання для ксерорадіографії.

4.1.2 Класифікація засобів промислової радіографії

Для організації і проведення радіографічних робіт з НК якості промислових виробів необхідний комплекс апаратури та обладнання. Комплекс обладнання радіографічної лабораторії включає такі групи:

1) апаратура для просвічування: рентгенівські апарати (стаціонарні і переносні); радіоізотопні дефектоскопи; штативи-стійки; штативи-візки; штативи для кріплення на трубах; магнітні стійки; затискуючі стійки; експонометри;

2) обладнання для фотообробки: кювети, баки-танки; сушильні шафи; автомат для фотообробки; дистилятори; баки для приготування розчинів; мішалки розчинів; аналітична вага; обладнання для відокремлення срібла; фільтри розчинів; рамки і касети для проявлення плівок;

3) обладнання для розшифрування: негатоскопи; денситометри; вимірювальні лупи; еталони густини почорнінь; атласи радіографічних знімків з дефектами виробів, плівок, фотообробки;

4) обладнання допоміжне: еталони чутливості; екрани металеві; плівки радіографічні; екрани флуоресцентні; знаки маркувальні; тримачі касет магнітні; пояси, ремені для закріплення касет; касети гнучкі; касети жорсткі; пристрої для різання плівок;

5) Лабораторні меблі: стелажі для хімікатів; шафи для зберігання плівок; столи для зарядки плівок в касети; столи для негатоскопів; стійки для підвішування рамок і касет; шафи для обладнання.

Крім наведеного обладнання необхідний комплекс будівельних споруд і засобів захисту від шкідливої дії ІВ.

Апаратура для просвічування, яка застосовується в промисловій радіографії, класифікується за наступними ознаками:

а) за типом використовуваних джерел ІВ (рентгенівські апарати, гамма-дефектоскопи, нейтронні дефектоскопи і дефектоскопи з джерелами гальмівного випромінювання);

б) за умовами експлуатації: лабораторні, цехові, польові, спеціальні;

в) за мобільністю: пересувні, стаціонарні, переносні.

4.2 Рентгенівські апарати

4.2.1 Будова рентгенівських апаратів

Рентгенівська аппаратура займає одне з провідних місць у ряді засобів, застосовуваних для вивчення будови речовини, неруйнуючого контролю якості виробів, радіаційної техноло-гії, дослідження швидкопротікаючих процесів і рішення інших наукових і технічних задач.

У даний час у промисловості для рентгенівського просвічування матеріалів, деталей і виробів широко використовують апарати з напругою 10 – 400 кВ. Поява нових матеріалів і конструкцій змушує розширити цей діапазон напруг. Так, робота з алюмінійово-магнійовими сплавами, високоміцними пластмасами, матеріалами дуже малих товщин (менш 0, 5 мм ) вимагає застосування рентгенівських апаратів з напругою менш 10 кВ.І, навпаки, з появою великогабаритних конструкцій, товстостінних деталей зі спеціальних сталей і сплавів, що містять значні добавки важких елементів, з'явилася необхідність у високовольтних апаратах з напругою понад

400 к В, надійних в експлуатації, із плавним регулюванням напруги на рентгенівській трубці.

У загальному випадку рентгенівський апарат складається з пульта керування, високовольтного генератора і рентгенівської трубки в захисному кожусі. У комплект рентгенівського апарата входять також сполучні кабелі. У пульт керування звичайно входять автотрансформатор, регулятори напруги і струму, вимірювальні прилади, сигнальна система і система керування. Високовольтний генератор складається з високовольтного трансформатора, трансформатора розжарення трубки і випрямляча.

Розглянемо принципову схему найпростішого рентгенівського апарата (рис. 4.2).

Рисунок 4.2 – Принципова схема найпростішого рентгенівського апарата

Напруга живлення (127, 220 чи 380 В) через запобіжники Пр ₁ і Пр₂ і вимикач мережі ВС надходить на автотрансформатор АТ.

Тому що напруга в мережі, як правило, мінлива (у межах декількох вольтів), для її вирівнювання в ланцюг автотрансформатора включений коректор грубого регулювання напруги КГ ₁, що дозволяє змінювати напругу на декілька вольт на автотрансформаторі при кожному перемиканні.

Плавне регулювання напруги здійснюється за допомогою реостата R Включений у коло автотрансформатора вольтметр дозволяє контролювати встановлену на автотрансформаторі напругу. Автотрансформатор одночасно служить для регулювання напруги на рентгенівській трубці РТ. Для цієї мети використовують коректор грубого регулювання напруги КГ₂. Напруга, що знімається з автотрансформатора, черезконтакти К і К , реле Р надходить на первинну обмотку високовольтного трансформатора ВВТр.

Вторинна обмотка високовольтного трансформатора складається з двох секцій, з'єднаних послідовно через міліамперметр mА. Один з виводів міліамперметра заземлений, що дає можливість встановити його безпосередньо на пульт керування. Зовнішні кінці високовольтної обмотки з'єднані з анодом і катодом рентгенівської трубки.

У вторинній обмотці виникає змінна висока напруга, однак струм через рентгенівську трубку проходить лише протягом тих півперіодів, коли на анод рентгенівської трубки подається позитивна напруга. Отже, генерування рентгенівського випромінювання відбувається імпульсами. Частота цих імпульсів дорівнює частоті напруги мережі. У більш складних рентгенівських апаратах застосовують спеціальні електричні схеми, що випрямляють напругу і дозволяють генерувати рентгенівське випромінювання безупинно.

Нитка розжарення рентгенівської трубки під'єднана до вторинної обмотки трансформатора розжарення ТрН. Первинна обмотка трансформатора розжарення під'єднана одним кінцем безпосередньо до мережі, а іншим – через запобіжник Пр₃ до перемикача режимів ПР.

Перемикач режимів має п'ять положень. У положенні 3 ланцюг розжарення розімкнутий. У положенні 5 у ланцюг розжарення включається реостат R , що дозволяє плавно змінювати струм розжарення і струм через рентгенівську трубку. У положенні 1 у ланцюг розжарення включається реостат R₃, з якого знімаються два фіксованих значення напруги, і перемикач струму ПТ під'єднує одне з них у первинну обмотку трансформатора розжарення. Установка перемикача режимів у положення 2 чи 4 замикає коло розжарення. Унаслідок цього нитка розжарення рентгенівської трубки розігрівається до включення високої напруги. Для підготовки до ввімкнення високої напруги перемикач режимів переводиться в положення 5. Ввімкнення високої напруги здійснюється вимикачем ВВ.

При замиканні ланцюга електромагнітного реле Р замикаються контакти K , K , K ; при цьому в первинну обмотку високовольтного трансформатора подається напруга. Включення високої напруги можна зробити і перемикачем режимів, для цього його треба перевести в положення 1. При цьому котушка електромагнітного реле Р підключається до автотрансформатора через контакти реле часу РВ. Після закінчення встановленої на реле часу тривалості експозиції ланцюг реле Р розмикається і висока напруга виключається. При ввімкненні апарата в мережу загоряється зелена сигнальна лампа Л , під'єднана до автотрансформатора. При ввімкненні високої напруги запалюється червона лампа Л ₂, що вмикається через контакт К .

Рентгенівські апарати виготовляють на різну напругу за різними схемами (рис. 4.3):

– апарати без випрямлячів змінного струму (безвентильні апарати) (рис. 4.3, а);

– півперіодні кенотронні апарати, що мають у схемі один

(рис. 4.3, б) чи два кенотрони (рис. 4.3, в), ввімкнені послідовно з трубкою;

– апарати, що працюють за схемою подвоєння напруги з одним кенотроном, де для підвищення напруги використовуються два конденсатори (рис. 4.3, г);

– апарати, що працюють за схемою подвоєння (Грейнахера) із двома кенотронами і двома конденсаторами (рис. 4.3, д); крім того, застосовується найпростіша схема подвоєння (схема Вілларда) (рис. 4.3, е).

РТ – рентгенівська трубка; Тр – трансформатор;