Нейтронна радіографія 2 страница

Досвід вітчизняної і зарубіжної практики показує, що метод радіоскопії, так само як і радіографічний, можна застосовувати для контролю якості злитків, лиття, зварювання, а також правильності збирання вузлів і меха-нізмів. Джерела і перетворювачі рентгенівського і γ - випромі-нювань і засобу телевізійної техніки в залежності від товщини і густини матеріалу, що контролюється (табл. 5.5), рекомендується вибирати по діючій на даному підприємстві технологічній документації.)

Таблиця 5.5 – Область застосування радіоскопії

На відміну від радіографії, при якій виходять негативні зображення, в радіоскопії виходять позитивні зображення, за винятком тих випадків, коли спеціальні рентгенотелевізійні установки дозволяють отримувати як позитивні, так і негативні зображення. На позитивному зображенні деталей (виробів) газові і усадочні раковини, тріщини і непровари, а також чужорідні включення, більш легкі, ніж основний матеріал, виявляються у вигляді світлих дільниць на більш темному фоні. Включення більш щільні, ніж основний матеріал, виявляються у вигляді темних дільниць на більш світлому фоні зображення деталі. Нижче приведені приклади застосування засобів радіоскопії для контролю виробів.

Для контролю в процесі прокатування розжарених стальних злитків перетином 200 мм× 200 мм застосовують флуороскопічну установку з ЕОП діаметром біля 230 мм. Як джерело випромінювання використовують бетатрон на 31 МеВ. Зображення на вихідному екрані ЕОП розглядають за допомогою замкненої телевізійної установки з передаючою трубкою типу суперортикон. У злитках, що досліджуються виявляються раковини і шлакові включення.

Контроль стальних злитків товщиною до 300 мм проводиться на флуороскопічній установці з використанням бетатронів і лінійних прискорювачів. У цій установці зображення дефектів у виробі, що просвічується, отримане на флуороскопічному екрані діаметром 300 мм, за допомогою дзеркально-лінзової оптичної системи передається на екран суперортикона. Діаметр чутливої поверхні суперортикона мав 80 мм. Для отримання високої чіткості зображення на телевізійному екрані і усунення рядкової структури зображення використовується телевізійна система.

Методом радіоскопії добре виявляються велика пористість, газові і усадочні раковини, флюсові і шлакові включення, а також тріщини, що має достатню ширину і глибину (відповідна чутливість даного методу). Виявлення тріщин полегшується тим, що цей метод забезпечує перегляд відливання під різними кутами до пучок випромінювання.

Експлуатація протягом декількох років установки типу УВМ-1 [3] для контролю литих деталей з легких сплавів, показала, що дефекти типу газових пор і усадочних раковин з розмірами в межах 0, 5 – 5 мм виразно виявляються по зображенню на екрані телевізора. Застосування даної установки в поєднанні з радіографічним методом дозволило підвищити продуктивність і знизити трудомісткість контролю якості лиття. У цій установці, як і в інших, що застосовуються в нашій країні для контролю якості литих деталей до мінімуму скорочено час просвічування деталі, що переміщується перед екраном перетворювача з швидкістю біля 1 м/хв. Але ще порівняно великим залишається час на виконання допоміжних операцій: на транспортування, маркування, кріплення і знімання деталі, що контролюється; відкривання і закриття захисних дверей приміщення для просвічування; включення, виведення на режим і вимкнення рентгенівського апарату або іншого джерела випромінювання: переходи оператора з пультового приміщення в приміщення для просвічування і зворотно і т.д. Все це знижує продуктивність праці в процесі виконання контрольних операцій і не дозволяє максимально використати великі можливості по підвищенню продуктивності труда, закладені в методі радіоскопії.

У установках типу СТД-1 механізовані і автоматизовані основні операції контролю, починаючи від кріплення і знімання деталей і закінчуючи маркіруванням і фотографуванням дефектних місць. Раціональне поєднання високої продуктивності самого методу з високою мірою автоматизації і механізації основних і трудомістких контрольних операцій дозволить підвищити продуктивність і техніко-економічну ефективність методів і коштів радіоскопії.

Основним методом контролю якості зварених і паяних з’єднань в наш час є радіографічний. Метод радіоскопії дозволяє в декілька разів підвищити продуктивність контролю. Тому методи і засоби радіоскопії отримують широке застосування для контролю якості зварювання і пайки. При цьому швидкість контролю з’єднань досягає 1 – 3 м/хв.

У зварених з’єднаннях з сталі товщиною 1, 5 мм, виконаних аргоно-дуговим зварюванням, в статичному режимі виявляються практично ті ж дефекти, що і радіографічним методом з використанням рентгенівської плівки типу РТ-1 (газові пори діаметром понад 0, 2 мм, поперечні тріщини з розкриттям біля 0, 1 мм і ін.). У зварених швах з сталі товщиною до 8 мм і алюмінієві сплавів товщиною до 15 мм виявлялися тріщини, непровари і пори. Для контролю зварених з’єднань з сталі і алюмінієвих сплавів більшої товщини необхідно підвищувати енергію випромінювання, що приводить до різкого погіршення виявлюваності дефектів.

Контрольні запитання

1 Дайте класифікацію радіографічним методам контролю.

2 Яке обладнання необхідне для проведення радіографічного контролю?

3 Назвіть основні технологічні операції при проведенні радіографічного контролю із використанням плівок.

4 Як вибрати схеми просвічування об’єкту контролю?

5 Яке призначення еталонів чутливості?

6 Як визначається нерізкість радіаційного зображення?

7 Як вибирається режим просвічування?

8 Як розшифровуються радіаційні знімки?

9 В чому полягає суть електрорадіографії?

10 Які методи одержання зображення при нейтронній радіографії?

11 На чому базується рентгеноспектральний аналіз?

12 В чому полягає метод радіоскопії?

13 Як оцінити якість об’єкта контролю при радіоскопії?

6 РАДІОМЕТРИЧНА ДЕФЕКТОСКОПІЯ

6.1 Класифікація методів

При радіометричній дефектоскопії потік випромінювання джерела, укладеного в захист, проходить через контрольований виріб і потрапляє на блок детектування (рис.6.1). Блок детектування укладений у захист із колімаційним каналом, через котрий безперешкодно проходить вузький пучок випромінювання. Для контролю усього виробу здійснюють його сканування вузьким пучком з деяким перекриттям зон видимості колімаційного канала детектора.

1 – джерело випромінювання; 2 ‑ захист джерела;

3 – ОК; 4 – блок детектування; 5 ‑ захист блока детектування; 6 ‑ пристрій обробки; 7 ‑ реєструючий прилад

Рисунок 6.1 – Схема просвічування виробу при радіометричній дефектоскопії

Випромінювання, що розсіялося в контрольованому виробі, послаблюється цим захистом. У блоці детектування відбувається перетворення потоку випромінювання в електричний сигнал, що по кабелю поступає у пристрій обробки. Результати контролю представляються на реєструючому приладі, у вигляді запису на діаграмну стрічку, у цифровому коді й ін.

У радіометричній дефектоскопії з використанням радіо-активних джерел в основному застосовують джерела g-випро-мінюваня. Джерела випромінювання інших видів використовують недостатньо. Для реєстрації випромінювання, що пройшло через контрольований об'єкт і потрапило на блок детектування, можливе використання іонізаційних камер, газоразрядних лічильників, напівпровідникових і сцинтиляційних детекторів. Більше поширені останні завдяки високій ефективності реєстрації випромінювання і великим гранично допустимим завантаженням.

Мета обробки сигналу, який поступає з блока детектування – виділення інформації про дефекти. Сигнал містить декілька складових: сигнали про дефекти, які умовно названі «корисними», шум і супутній сигнал – обумовлений змінами товщини контрольованого виробу, не пов'язаними з наявністю дефектів. Засоби обробки сигналу усе більш ускладнюються зі збільшенням кількості задач і розвитком досліджень у цій області. Тому обробку сигналу при контролі складних виробів іноді доцільно вести із застосуванням обчислювальних машин, що значно розширює можливості радіометричного методу g-дефектоскопїі.

У радіометричній дефектоскопії, як і в інших методах контролю, потрібне документування результатів із наступним їхнім збереженням. Найастіше результати обробки сигналу виводять на самопишучий реєструючий прилад із діаграмною стрічкою. Можливе застосування й інших реєстраторів (перфоратори, цифродрукуючих пристрої, які використовуються в обчислювальній техніці, і ін.).

Поданий метод, звичайно, не вичерпує можливих схем просвічування і реєстрації при радіометричній дефектоскопії. Якщо розглянути різноманітні методи і прилади, створені або запропоновані для їхньої реалізації, то можна виділити декілька груп. Насамперед варто виділити дві групи методів, що відрізняються один від одного за фізичним принципом одержання інформації про внутрішню будову контрольованого виробу: метод, при якому реєструються кванти, що пройшли через контрольований об'єкт без взаємодії (просвічування), і метод, при якому реєструється випромінювання, розсіяне у виробі і яке вийшло під різноманітними кутами до напрямку первинного пучка (розсіювання).

Треба відзначити, що більш широке поширення одержали методи просвічування виробів. Тому подальша докладна класифікація проводиться тільки для них.

Методи, засновані на просвічуванні, доцільно розділити за засобами виділення корисної інформації, тобто сигналу, обумовленого наявністю внутрішніх неоднорідностей у виробі. Відповідно до цього необхідно усунення супутнього сигналу та усунення внеску розсіяного випромінювання, виділення корисного сигналу із шуму.

Зазначені задачі можуть вирішуватися як за рахунок конструктивних, так і схемних реалізацій. Під конструктивною реалізацією розуміється введення в конструкцію дефектоскопа якихось вузлів, що забезпечують досягнення поставленої мети. Схемна реалізація здійснюється за рахунок спеціального виконання електричної схеми каналу реєстрації, або через введення додаткових блоків обробки сигналу. При розгляді схем і конструкцій радіометричних гамма-дефектоскопів можна бачити, що для підвищення чутливості і продуктивності приладу і забезпечення можливості автоматизації контролю виробів використовують, як правило, сполучення різноманітних із наведених тут методів.

6.2 Канал реєстрації радіометричного дефектоскопа

Роботу сцинтиляційного детектора можна описати за такою схемою. Випромінювання, яке пройшло через колімаційний канал і захист, потрапляє на сцинтиляційний детектор (рис. 6.2).

Рисунок 6.2 – Схема реєстрації ІВ за допомогою сцинтиляційного детектора

При цьому g-кванти можуть або пройти через речовину кристала без взаємодії, або втратити в кристалі частину своєї енергії і вийти з нього, або, нарешті, втратити усю свою енергію. Ця енергія в сцинтиляторах трансформується в яскравість світлового спалаху, що реєструється фотоелектричним помножувачем (ФЕП). В зовнішній ланцюг із ФЕП поступають імпульси струму, що визначаються долею енергії кванта, поглинутої в кристалі.

Якщо розглянути розподіл імпульсів напруги для ФЕП, у зовнішній ланцюг якого включений навантажувальний опір (рис. 6.2), то одержимо спектр вихідного сигналу сцинти-ляційного детектора (рис. 6.3 ). Вся площа під кривою розподілу вихідного сигналу ділиться на частину комптонівського розсіювання і фотопік (пік повного поглинання).

0 l

1 – фотопік; 2– комптоновська частина при реєстрації прямого пучка: 3 – комптоновська частина спектра випромінювання, що пройшло через контрольований виріб

Рисунок 6.3 – Спектр сигналу із сцинтиляційного детектора

У випадку моноенергетичного первинного випромі-нювання у фотопіку реєструються кванти, що не зазнали взаємодії з контрольованим об'єктом і поглинулися цілком у сцинтиляторах. У комптонівську частину спектра потрап-ляють кванти, що частково провзаємодіяли в кристалі, які втратили частину своєї енергії в результаті розсіювання в речовині контрольованого об'єкта.

Якщо первинне випромінювання немоноенергетичне, то спектр сигналу зі сцинтиляційного детектора ускладнюється в порівнянні з розглянутим. Проте і тоді він піддається аналізу шляхом виділення складових, зв'язаних з окремими лініями в спектрі первинного випромінювання.

З погляду роботи каналу реєстрації радіометричного дефектоскопа основними характеристиками сцинтиляційного детектора є ефективність і фотоефективність реєстрації випромінювання. Ефективністю реєстрації e називається відношення кількості зареєстрованих g-квантів до кількості

g-квантів, що потрапили на кристал. Якщо замість загальної кількості зареєстрованих квантів брати тільки зареєстровані у фотопіку, то одержиться величина фотоефективності Е _ф.

Таким чином, із детектора випромінювання надходять імпульси струму або напруги, частота яких пропорційна реєстрованому потоку випромінювання. Засоби побудови схем реєстрації цих імпульсів, тобто вимірювання, що реєстрованого потоку квантів, розділяються на лічильні і струмові.

Лічильна схема реєстрації (рис. 6.4, а) працює наступним чином: імпульси з детектора поступають на формувач, на виході якого утворюється імпульс стандартної форми. Ці імпульси поступають на лічильний пристрій, де реєструється кількість імпульсів за час вимірювання t_вим. Величина t_вим може змінюватися за допомогою задатчика інтервалів часу.

Варіантом лічильної схеми реєстрації є лічильно-спектрометрична схема (рис. 6.4, б).

На виході формувача виникають сигнали, величина яких пропорційна амплітуді імпульсів із детектора. На вихід дискримінатора проходять сигнали, що перевищують визначений поріг.

1 – формувач імпульсів напруги; 2 – рахівний пристрій; 3 – задатчик інтервалів часу; 4 – амплітудний дискримінатор; 5 – формувач імпульсів струму

Рисунок 6.4 – Лічильна (а), лічильно-спектрометрична (б), струмова (в) і струмова з нормалізацією імпульсів струму (г) схеми реєстрації:

Наступна реєстрація відбувається так само, як і в рахунковій схемі. Введення дискримінації сигналів дозволяє реєструвати лічильним пристроєм не весь спектр вхідних сигналів, а лише окремі ділянки, наприклад, тільки фотопік. Це дозволяє усунути внесок розсіяного випромінювання, низькоенергетичі шуми ФЕП і реєструвати тільки випромінювання, що пройшло через контрольований об'єкт без взаємодії (геометрія вузького пучка).

Робота струмової схеми реєстрації (рис. 6.4, в) базується на тому, що імпульси безпосередньо з детектора поступають на інтегратор струму. Найпростішим інтегратором струму є RС-ланка. У цьому випадку величини імпульсів струму, які припадають на кожний зареєстрований квант, є різними, що приводить до збільшення флуктуаційної напруги на комірці, що інтегрує. Щоб уникнути цього небажаного явища вводять формувач, який нормалізує імпульси струму, що поступають на RC-ланку (рис. 6.4, г).

При роботі в стаціонарному режимі, коли детектор протягом тривалого часу реєструє незмінний потік g-квантів, кожній із розглянутих вище схем властива деяка похибка виміру потоку. Ця похибка в загальному випадку може містити апаратурну, статистичну радіаційну й апаратурно-статистичну складові.

Апаратурна похибка зв'язана з випадковими змінами параметрів елементів, що входять у схему реєстрації. Систематична апаратурна похибка не розглядається, тому що вона може бути врахована в процесі контролю. Статистична радіаційна складова обумовлена природою радіоактивного розпаду і визначається флуктуаціями потоку квантів, що потрапляють на детектор. Апаратурно-статистична складова виникає в результаті того, що деякі елементи володіють „мертвим часом”, тобто після надходження на них імпульсу струму або напруги втрачають здатність реагувати на імпульс до закінчення деякого проміжку часу.

Якщо мертвий час елемента не залежить від частоти, то такий елемент називається неграничним. Прикладом такого елемента є одновібратор, що може працювати як дільник частоти. Навпаки, із підвищенням частоти імпульсів, які поступають на граничний елемент, прорахунки різко збільшуються і він припиняє свою роботу, як тільки інтервал між імпульсами стає меншим мертвого часу елемента. До таких граничних елементів можна віднести сцинтиляційний кристал, власний час висвічування якого накладає обмеження на частоту, реєстровану в лічильному режимі квантів. Для найпоширеніших сцинтиляторів NaI (Tl) власний час висвічування становить приблизно 2, 5× l0^-6 с.

Зв'язок між швидкістю рахунку на виході n і середньою частотою j надходження електричних імпульсів на вхід для граничного і неграничного елементів, які володіють мертвим часом t_о і t_н відповідно, визначається зі співвідношень.

(6.1)

Рівняння (6.1) дозволяють у деякій мірі врахувати вплив апаратурно-статистичної похибки на результати вимірів. Проте така процедура справедлива лише для середніх значень. При реєстрації змінних потоків випромінювання більш доцільно використовувати схеми, мертвий час котрих значно менший середнього інтервалу між імпульсами, що надходять.

Сказане вище не відноситься до схеми, приведеної на рис. 6.4, в. Ця схема дозволяє працювати при дуже великих реєстрованих потоках. Слід зазначити, що якщо інші схеми обов'язково містять такі складні граничні елементи, як формувачі, дискримінатори й ін., то схема на рис. 6.4, в є найпростіша за побудовою, навіть якщо замість інтегруючої ланки застосувати більш складний інтегратор струму.

Питання про радіаційну статистичну похибку повинно бути розглянуто окремо для лічильного і струмового режимів реєстрації. Зручно для оцінки похибки скористатися відносною середньою квадратичною флуктуацією s, що представляє відношення середньої квадратичної флуктуації s до середнього значення вимірюваної величини. Вимірюваною величиною в даному випадку є відлік N лічильного приладу за фіксований час виміру t_вим. Для опису статистичних властивостей послідовності випадкових чисел N справедливий розподіл Пуассона:

, (6.2)

де j – середня частота поступання реєстрованих імпульсів; P (N) – можливість за час t_вим зафіксувати N імпульсів.

Як правило, у радіометричній дефектоскопії мають справу з джерелами високої активності і за час виміру реєструють велику кількість імпульсів. Відомо, що зі збільшенням N₀=jt_вим розподіл Пуассона асимптотично наближається до нормального. Тому з достатньою для практичних цілей точністю можна користуватися разподілом

, (6.3)

для якого ; .

Якщо ввести позначення , тобто пронормувати одержувані відліки, то (6.2.3) буде мати такий вигляд:

, (6.4)

де j(Z) – перша похідна від функції Лапласа:

. (6.5)

При використанні самої функції Лапласа можна одержати іншу величину, яка представляє цікавість, – імовірність того, що за час t_вим зареєструється кількість імпульсів N, яка не перевищує заданого значення N₁:

. (6.6)

Похибка, яка виникає при заміні пуасонівського розподілу нормальним, можна оцінити. Ця похибка тим більша, чим більше Z, і спадає зі зменшенням величини d.

Похибка вимірювання для струмового режиму реєстрації і зв'язок між значенням напруги на інтегруючій ланці, і частотою імпульсів, які надходять, (рис. 6.5, г) визначається таким чином. Нехай в момент часу t = 0 із формувача на інтегруючу ланку, із постійною часу t = RC починає надходити послідовність імпульсів із середньою частотою j. З кожним імпульсом на конденсатор переноситься постійний заряд D Q. Тоді для напруги на інтегруючій ланці u (t) у момент часу t справедливі такі співвідношення:

;

; (6.7)

.

Для стабілізованого процесу, тобто при t®¥ із, із співвідношення (6.7) отримаємо:

(6.8)

Вирази (6.7) і (6.8) справедливі для випадку, коли на інтегруючу ланку надходять нормовані імпульси з формувача, які несуть постійний заряд D Q. У випадку приєднання інтегруючої ланки безпосередньо до ФЕП сталість заряду не спостерігається. Тому необхідно враховувати розкид імпульсів по спектру, що можна зробити, помножуючи, наприклад, значення d_u на коефіцієнт h. У залежності від виду апаратурного спектру сигналу рис. 6.3.) значення h може коливатися в межах (1 – 1, 5), причому чим більша величина фотоефективності реєстрації, тим ближче h до одиниці. Це пояснюється тим, що чим більше e_ф, тим більша кількість імпульсів потрапляє під пік повного поглинання і, отже, мають близькі амплітуди.

Імовірнісні характеристики випадкового процесу на інтегруючій ланці такі, як функція і густина розподілу визначаються достатньо точно. Проте з достатньо гарним наближенням може бути використана і функція (6.5) із її похідними, де величина

(6.9)

є нормоване відхилення від середнього значення напруги на інтегруючій комірці. Це наближення тим більше справедливе, чим менша величина відносної середньої квадратичної флуктуації. Зокрема, при d_u£ 0, 1 для більшості розрахунків, пов'язаних із радіометричним методом, можна використовувати функцію Ф ( Z ).

Як правило, параметри схем підбирають таким чином, що апаратурно-статистичною cкладовою можна знехтувати. Тоді якщо позначити середні квадратичні флуктуації вимірюваної величини, обумовлені апаратурною і радіаційною складовими, через s_a і s_р відповідно, то для повної похибки буде справедливо

. (6.10)

Для подальших розрахунків каналу реєстрації необхідно знайти зв'язок між вихідними величинами схем реєстрації і параметрами контрольованих виробів. У якості ілюстрації скористаємося схемою просвічування, приведеної на рис. 6.5.

Джерело випромінювання активністю М знаходиться на такій відстані r від детектора, що в межах прямокутного вікна колліматора, що має ширину b і висоту h, він створює при відсутності контрольованого виробу потік g-квантів із густиною j₀, який можна вважати паралельним, при чому:

. (6.11)

1 – контрольований виріб; 2 – захист блоку детектування з колімаційним каналом; 3 – блок детектування; 4 – схема

реєстрації; 5 – дефект

Рисунок 6.5 – Схема визначення характеристик каналу реєстрації радіометричного дефектоскопа

Перед вікном коліматора зі швидкістю u переміщається виріб із постійною товщиною d із речовини з лінійним коефіцієнтом послаблення випромінювання m, у якому є дефект у виді куба з m_д» 0 і з ребром l_д. У припущенні, що

l_д < < h і що мертвим часом елементів каналу реєстрації можна знехтувати, так само як і шумовими імпульсами з блока детектування, середня швидкість рахунку реєстрованих імпульсів j змінюється за законом:

при 0 £ t £ ; (6.12)

де V_Д – об’єм дефекту.

Тут через А _к позначена площа вікна коліматора. При розрахунках прийнято, що так як m l_Д < < 1, наявність дефекту вносить мале збурення в реєстрований потік: ехр (m l_Д) = 1- m l_Д. Величина j₀ представляє середню швидкість рахунку при скануванні бездефектних ділянок:

. (6.13)

Перший доданок визначається випромінюванням, яке не зазнало взаємодії з контрольованим виробом, другий обумовлено внеском розсіяного випромінювання. Величина внеску розсіяного випромінювання при обраному джерелі залежить від товщини контрольованого матеріалу і від геометричного чинника Q. Цей чинник повинний враховувати взаємне розташування джерела, виробу і детектора, довжину коліматора, виконання захисту блока детектування, випромінювання, яке потрапило на детектор від стін і навколишніх предметів і т.д. Як правило, внесок розсіяного випромінювання прагнуть звести до мінімуму, тому в подальших оціночних розрахунках буде зроблене допущення про те, що Ф(d Q) < < 1, крім обговорених окремо випадків.

При надходженні на інтегруючу ланку нормованих імпульсів із частотою, яка змінюється за законом (6.12), сигнал на ній описується такими співвідношеннями:

(6.14)

При цьому u₀ знаходиться за формулами (6.8).

Для визначення чутливості каналу реєстрації радіометричного дефектоскопа зручно скористатися величиною відносної зміни вихідного сигналу r. Для лічильної схеми, коли реєструється в середньому N₀ і N_Д імпульсів для ділянок без дефектів і з дефектами відповідно,

(6.15)

Для струмових схем:

. (6.16)