Радиационный контроль (РК)

Радиационный контроль (РК)
Радиационный контроль является методом определения внутренней структуры материалов, изделий и сварных соединений с использованием ионизирующих излучений. Ионизирующим называют излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к образованию в этом веществе зарядов различного знака. Длина волны электромагнитного ионизирующего излучения составляет 6·10-9 - 10-16, что обуславливает его способность распространяться в непрозрачных средах, в том числе металлах и сплавах.

Обобщенная схема радиационного контроля (рис. 3.) предполагает наличие источника ионизирующих излучений, объекта контроля и регистрирующего устройства (детектора).

Рис. 3.. Структурные элементы радиационного контроля: 1 – источник излучения, 2 – объект контроля, 3 – несплошность, 4 – детектор

При прохождении ионизирующего излучения через вещество происходит его ослабление, величина которого зависит от толщины, плотности  контролируемого материала и энергии источника Е излучения. Уменьшение интенсивности излучения определяется по формуле:

I=I0∙e-μ∙d

3.

I0, I,Втм2 – интенсивность излучения на поверхности объекта контроля и при выходе из него соответственно;

d, м – толщина объекта контроля;

μ, 1м – коэффициент ослабления ионизирующего излучения в объекте контроля; μ=fE,ρ.


Наличие в материале внутренних несплошностей размером , отличающихся по плотности от основного материала, приводит к изменению значения интенсивности пучка излучения в зоне несплошности по сравнению с бездефектной зоной. Данное изменение регистрируется при помощи детекторов ионизирующего излучения.


В качестве источников ионизирующего излучения используют радионуклиды, в результате распада которых получается линейчатый спектр излучения, рентгеновские трубки и ускорители, дающие непрерывный спектр тормозного излучения (рис. 3.).

Рис. 3.. Примеры источников ионизирующего излучения: а – гамма-дефектоскоп на основе радионуклида Se-75 РИД-Se4P, б – рентгеновский аппарат импульсного действия Арина-3, в- рентгеновский аппарат непрерывного излучения ICM SITE-X C2004, г – бетатрон

При выборе источника излучения необходимо учитывать следующие условия:

  • энергия излучения не должна превышать максимально допустимого значения, определяемого в зависимости от материала и толщины объекта контроля;
  • время экспозиции должно быть минимальным;
  • размер фокусного пятна (Ф на рис. 3.) должен быть минимальным;
  • форма рабочего пучка излучения (кольцевая, направленная, распределенная в пределах большого телесного угла) должна обеспечивать минимальное возможное количество экспозиций;
  • продолжительность включения источника (показатель допустимого для данного источника времени излучения при максимальной интенсивности) должна быть максимальной;
  • источник излучения должен быть удобен для его установки в соответствии с выбранной схемой контроля: необходимость использования специальной оснастки, электропитания, масса источника должна быть минимальной и пр.

Многие из перечисленных условий являются конфликтными, поэтому нельзя дать общих рекомендаций по выбору источника и данный вопрос решается отдельно для каждого конкретного случая.


Наибольшее распространение в промышленности получили рентгеновские аппараты ввиду простоты их конструкции, безопасности (по сравнению с радионуклидами) и возможности обеспечения энергии излучения, достаточной для контроля качества широкого диапазона толщин применяемых технических устройств. Рентгеновские аппараты классифицируют на аппараты непрерывного и импульсного (с «холодным» катодом) излучения. Импульсные аппараты отличаются малыми габаритами и массой, однако, по сравнению с аппаратами непрерывного излучения, при их применении отсутствует возможность регулировки параметров излучения (энергии и интенсивности) и они имеют малую продолжительность включения.


Основными характеристиками рентгеновских аппаратов непрерывного излучения являются: напряжение, ток, размер фокусного пятна. Влияние каждого из данных параметров на результаты контроля следующее:

  • увеличение напряжения приводит к увеличению энергии и интенсивности излучения, при этом сокращается время экспонирования и ухудшается чувствительность контроля;
  • увеличение тока приводит к увеличению интенсивности излучения и увеличивает тепловую нагрузку на мишень анода, при этом уменьшается продолжительность включения аппарата, но сокращается время экспонирования конкретного объекта;
  • уменьшение размера фокусного пятна приводит к улучшению качества получаемого изображения за счет уменьшения геометрической нерезкости (размытости краев изображения при переходе от одной радиационной толщины к другой), при этом сокращается радиационный выход аппарата и увеличивается время экспозиции.

Традиционно в качестве детектора излучения применяют рентгеновскую пленку, которая обладает способностью изменять свою оптическую плотность в зависимости от экспозиции. Так, после химико-фотографической обработки (процесс проявления, фиксирования, промывки, сушки), наиболее темными (непрозрачными) участками пленки окажутся те, которые подверглись наиболее интенсивному облучению, т.е. участки с наименьшей радиационной толщиной (см. рис. 3.). Рентгеновские пленки отличаются друг от друга так называемыми сенситометрическими характеристиками, основными из которых чувствительностью пленки к ионизирующему излучению и контрастность пленки. Чувствительность пленки определяет ее способность изменять оптическую плотность при экспонировании и измеряется в обратных рентгенах (р-1). Чем больше значение чувствительности пленки, тем меньшее время экспонирования требуется для достижения требуемого значения оптической плотности. Контраст пленки, в свою очередь, характеризует способность пленки реагировать на малейшие изменения экспозиции. Т.е. контрастная пленка позволяет зарегистрировать дефекты даже при их незначительных размерах в направлении просвечивания. Высокочувствительные и высококонтрастные пленки отличаются друг от друга размерами зерен рентегочувстивительного материала AgBr и его концентрацией в эмульсионном слое, в результате чего высокочувствительные пленки являются низкоконтрастными и наоборот. Выбор типа пленки осуществляется, исходя из конкретных условий контроля: толщины объекта контроля, а следовательно, размера минимально выявляемого дефекта и энергии излучения.


Для сокращения времени экспонирования на пленку применяют усиливающие экраны, которые по физическому принципу воздействия разделяют на металлические и флуоресцирующие. При использовании металлических экранов за счет дополнительного фотографического воздействия на зерна AgBr электронов, выбитых из материала экрана, удается добиться сокращения времени экспозиции в 2-3 раза. Применение флуоресцирующих экранов позволяет сократить время экспозиции в 10-100 раз за счет воздействия на эмульсию пленки свечения экранов, возникающего при прохождении через них ионизирующего излучения. Недостатком флуоресцирующих экранов является их зернистость и низкое качество получаемого на пленке изображения. В последние время получили распространение металло-флуоресцирующие экраны, сочетающие достоинства экранов двух типов, но имеющих большую стоимость.

Основными параметрами контроля при использовании рентгеновских аппаратов непрерывного излучения являются:
  • схема контроля;
  • напряжение, ток, размеры фокусного пятна трубки;
  • фокусное расстояние и протяженность участка контроля за одну экспозицию;
  • тип пленки и усиливающих экранов;
  • требуемые показатели качества изображения (оптическая плотность, достигнутая чувствительность).

Оптимальный выбор параметров контроля – сложная задача, которая решается как на основании опыта, изложенного в нормативной документации, так и на основании полученных экспериментальных данных.


Подтверждение качества изображения осуществляется по выявляемости на полученном снимке элементов эталонов, устанавливаемых на объект контроля. Наибольшее применение в практике получили проволочные и канавочные эталоны чувствительности (рис. 3.).

Считается, что требуемая чувствительность достигнута, если размер минимально различимого на снимке элемента эталона равен или меньше размера, регламентированного нормативной документацией для конкретной толщины изделия.

Рис. 3.. Эталоны чувствительности: а – проволочный, б – канавочный

В последнее время на рынке детекторов ионизирующего излучения наблюдается тенденция замены пленки на детекторы прямого или непрямого преобразования рентгеновского изображения в цифровую форму. Существуют две технологии «беспленочной» радиографии: цифровая и компьютерная радиография.


Цифровая радиография (DR) – технология, позволяющая преобразовывать радиационное изображение в электрический сигнал, величина которого определяется интенсивностью излучения, прошедшего через отдельный элемент детектора [337]. Рентгеновское излучение попадает сначала на слой сцинтиллятора (например, Csl), в котором оно преобразуется в световые фотоны. За слоем расположена фотоэлектрическая матрица, по своей спектральной чувствительности соответствующая сцинтиллятору. Фотоэлектрические ячейки состоят из амфорного кремния. Фотоны наводят в элементах матрицы электрический заряд. Считывание заряда производится бипараллельным управлением всех элементов внутри каждой ячейки. Схематическое изображение детектора из аморфного кремния (ASD) приведена на рис. 3..

Рис. 3.. Схематическое изображение детектора из аморфного кремния: 1 – мультиплексор, 2 – формирователь адресного тока, 3 – стеклянная подложка, 4 – аналого-цифровой преобразователь, 5 – компьютер

Компьютерная радиография основана на механизме фотостимулированной люминесценции. Данное явление связано с тем, что некоторые кристаллы запасают часть поглощенной и при облучении энергии в виде метастабильных центров (рентгеносохраняющие люминофоры). Затем запасенная энергия освобождается термической или оптической стимуляцией, которая приводит к свечению. В настоящее время широкое применение как рентгеносохраняющий люминофор получил фторбромид бария, активированный двухвалентным европием BaFBr:Eu2+ [305]. Схематичное изображение запоминающей фосфорной пластины представлена на рис. 3..

Рис. 3.. Схематичное изображение фосфорной пластины

Экспонирование фосфорных пластин приводит к образованию свободных электронов, которые захватываются метастабильными центрами. Высвобождение «захваченных» электронов становится возможным при облучении запоминающей фосфорной пластины остро сфокусированным лучом гелий-неонового лазера. Возвращение электронов на их первоначальные энергетические уровни сопровождается выделением энергии в виде излучения в видимом диапазоне, длина волны которого отличается от длины волны излучения сканирующего лазера [170]. Интенсивность фотостимулированного излучения определяется начальной концентрацией захваченных метастабильными центрами электронов, которая, в свою очередь, зависит от экспозиции. Чем большая энергия излучения попадает на запоминающую фосфорную пластину, тем больше электронов захватываются ловушками, тем больше образуется метастабильных центров и больше видимого света излучается впоследствии при лазерном сканировании [303].


Оставшееся на экране с люминофором скрытое изображение стирается путем засветки экрана мощным пучком видимого света, после чего экран можно многократно использовать. На рис. 3. представлена схема процесса сканирования запоминающей пластины и получения цифрового изображения.

Рис. 3.. Схема процесса сканирования запоминающей фосфорной пластины и получения цифрового изображения: 1- лазер; 2- оптика формирования пучка; 3- зеркало; 4- фотоумножитель; 5- фильтр; 6- оптика сбора света люминесценции; 7- запоминающая пластина

Безусловными преимуществами технологий «беспленочной» радиографии являются:

  • отсутствие мокрого процесса химико-фотографической обработки;
  • больший квантовый выход детекторов, а следовательно, меньшее время экспозиции;
  • больший динамический диапазон (отношение максимальной и минимальной интенсивностей в рентгеновском изображении, при котором на каждом из уровней интенсивности еще различаются крупные детали 5% контраста), т.е. возможность проводить контроль объектов с различной радиационной толщиной (пример представлен на рис. 3.).

Рис. 3.. Результат экспонирования ступенчатого клина с применением запоминающей фосфорной пластины и рентгеновской пленки

Недостатками технологий «беспленочной» радиографии являются:

  • высокая стоимость детекторов;
  • отсутствие в РФ нормативной базы для применения детекторов;
  • малый диапазон рабочих температур;
  • повышенные требования к хранению и эксплуатации детекторов.

Использование детекторов в соответствии с технологией, установленной для радиографической пленки недопустимо. В международной практике существует серия стандартов, регламентирующих технологию проведения «беспленочной» радиографии. Так, например, при использовании фосфорных пластин и цифровых детекторов кроме чувствительности необходимо контролировать и достигнутую разрешающую способность, что реализуется за счет применения двойных проволочных эталонов (рис. 3.).