Основные единицы измерения ионизирующего излучения.
РАДИАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ
Радиационный неразрушающий контроль - это вид неразрушающего контроля, основанный на регистрации и анализе ионизирующего излучения после его взаимодействия с объектом контроля. Этот вид контроля играл и продолжает играть важную роль при определении качества материалов и изделий Это один из старейших и достаточно универсальных видов неразрушающего контроля. Кроме того, различные радиационные методы хорошо разработаны и подробно описаны в стандартах, справочниках и монографиях.
Радиационный неразрушающий контроль в основном использует фотонное, нейтронное и электронное излучения.
Он активно применяется при контроле:
· качества материалов (выявление дефектов в слитках, литых изделиях, сварных и паяных соединениях);
· качества функционирования узлов и механизмов;
· контейнеров, багажа, почтовых отправлений (выявление оружия, недозволенных вложений);
· продуктов (выявление инородных тел);
· произведений искусства (обнаружение подделок);
· в судебной практике (обнаружение подделок);
· в научных исследованиях (регистрация быстро протекающих процессов, физических явлений в непрозрачных средах);
· в сельском хозяйстве (определение качества посевного материала, регистрация распределения зерен при посеве).
В данном разделе мы рассмотрим радиационный контроль сварных соединений.
Радиационный неразрушающий контроль предполагает обязательное использование трех основных элементов:
|
|
|
· источника ионизирующего излучения,
· объекта контроля,
· устройства, регистрирующего дефектоскопическую информацию (детектора).
Сущность радиационных методов контроля заключается в просвечивании объекта контроля ионизирующим излучением и фиксирование выходящего пучка на детектор. Ионизирующее излучение, проходя через изделие (вещество), взаимодействует с атомными ядрами и электронными оболочками, поглощаясь и рассеиваясь, и вследствие этого испытывает ослабление. При этом у каждого вещества своя степень поглощения и ослабления излучения. Наличие в объекте контроля дефектов приводит к резкому изменению энергии или интенсивности излучения выходящего пучка. Поэтому зафиксированный детектором пучок излучения несет в себе информацию о наличии и размерах дефектов (рис.4.1). Степень ослабления зависит от толщины d и плотности контролируемого объекта, а также интенсивности I и энергии Е излучения
Рис 4.1 Схема радиационного контроля: 1 - источник радиационного излучения, 2 – объект контроля, 3 - раковина, 4 - плотное включение, 5 – эпюра интенсивности прошедшего излучения
|
|
|
Излучения, которые применяются при радиационном контроле, описываются либо частотой f и длиной волны λ, либо энергией излучения Е. Для неразрушающего контроля применяют излучения с длиной волны менее 10 нм и частотой f > 1016Гц. (видимый свет имеет частоту f ~ 1014Гц, а длину волны λ = 500 нм)
Рис Разложение излучения радиоактивного источника в магнитном поле
Чем выше энергия излучения Е, тем выше проникающая способность излучения. Максимально достижимая в настоящее время величина Еmax = 300 МэВ.
4.1 Источники радиационного излучения
Источники радиационного излучения подразделяются следующим образом:
· электронные источники
· радиоизотопные
· реакторы
· космические лучи
В неразрушающем контроле наиболее распространены - электромагнитные и радиоизотопные. Космические лучи могут быть использованы в настоящее время только гипотетически.
Электронные источники - это рентгеновская аппаратура, бетатроны, линейные ускорители. Они могут создавать рентгеновское, γ и β - излучения. Рассмотрим устройство типичного электронного источника излучения – рентгеновской трубки, представленной на рис 4.2.
Рис 4.2 Схема конструкции рентгеновской трубки:
|
|
|
1- нить накала, 2 – катод, 3,5 – фокусирующие электроды, 4 – фокусирующие катушки, 6 – мишень, 7 – анод, 8 – колба, 9- охлаждающие трубки, 10 – выходное окно
Поток электронов, вылетающих из катода 2, разгоняется анодным напряжением и фокусируется на мишени 5. Попадая в кристаллическую решетку мишени, электроны тормозятся, отдавая свою кинетическую энергию атомам мишени и, в результате, возникает так называемое тормозное излучение, выходящее из окна 10. Величина анодного напряжения Uа является главной характеристикой рентгеновской трубки так как она определяет интенсивность и спектральный состав излучения: чем выше анодное напряжение, тем выше интенсивность I и короче длина волны излучения, (как видно из Рис 4.3) и, соответственно, выше просвечивающая способность рентгеновской трубки.
Рис 4.3 Спектр рентгеновского излучения при различных значениях анодного напряжения
Однако, повышение напряжения Uа приводит к сильному разогреву анода и усложняет конструкцию трубки, так как необходимо охлаждать анод. Поэтому величина анодного напряжения в рентгеновских трубках не превышает обычно сотен киловольт, энергия электронов – десятые доли МэВ, а максимальная толщина просвечивания по стали – около 100 мм.
|
|
|
На Рис 4.4 представлен внешний вид портативного переносного рентгеновского прибора для просвечивания деталей машин и элементов конструкций с целью выявления внутренних дефектов.
рис 4.4 Рентгеновский дефектоскоп X-VISION-05
Рис Контроль сварного шва с помощью рентгеновского аппарата Радон-250
Рабочее напряжение прибора 250 кВ. Он применяется при контроле судов, паровых котлов, мостов, а так же различных деталей.
Значительно большую энергию излучения, чем в рентгеновских трубках, можно получить на бетатронах - ускорителях электронов. На Рис 4.5 схематично представлена конструкция бетатрона.
Рис 4.5 Схема конструкции бетатрона:
1 – электромагнит, 2 – обмотка электромагнита, 3 – инжектор, 4 – смещающая обмотка, 5 – вакуумная камера, 6 – вакуумный насос, 7 – мишень
Основной частью бетатрона является мощный электромагнит 1. Его назначение – удерживать электроны на круговой орбите (создавая силу Лоренца). Разгон электронов осуществляется действием индуцированного вихревого электрического поля. В начале периода инжектор 3, выполненный в виде высоковольтной электронной пушки, впрыскивает в полость вакуумной камеры 5 поток электронов, по касательной к центральной окружности камеры. За четверть периода питающего напряжения (около 5 мс при частоте 50 Гц) электроны совершают несколько миллионов оборотов и приобретают необходимую энергию. В конце четверти периода на смещающие обмотки 4 подается импульс, заставляющий электроны сдвинуться с орбиты, и они попадают на мишень. В результате, как и в рентгеновской трубке, возникает тормозное излучение. Энергия излучения в бетатронах в десятки и сотни раз выше, чем в рентгеновских трубках. Так, у переносного бетатрона ПМБ - 5 максимальная энергия излучения Емакс = 5 МэВ, глубина просвечивания по стали до 300 мм, а в стационарном Б30 Емакс = 30 МэВ, глубина просвечивания до 500 мм. Однако, бетатроны – весьма сложные и громоздкие устройства.
Достоинства электронных источников в том, что они позволяют регулировать энергию излучения и его спектральный состав. При выключенном состоянии, в отличие от изотопных, никакой опасности они не представляют.
Недостатки - громоздкость и необходимость источника питания.
Другим источником проникающих излучений являются радиоактивные изотопы. Их получают путем облучения некоторых веществ в нейтронных потоках ядерных реакторов, или на циклотронах, а так же путем разделения продуктов деления ядерного реактора.
Радиоизотопные источники имеют дискретный спектр излучения, состоящий из излучения частиц и γ-квантов с различной энергией. В табл. 4.1 приведены основные данные некоторых радиоактивных изотопов, применяемых в неразрушающем контроле.
Таблица 4.1
| Изотоп | β излучение | γ-излучение | Период полураспада Т0,5, годы | ||
| Энергия основной линии, МэВ | Доля линии, % | Энергия основной линии, МэВ | Доля линии % | ||
| 0,318 | 99,9 | 1,17 | 99,0 | 5,25 |
| 0,52 | 92 | 0,661 | 82,5 | 29,6 |
Поскольку утечка или распыление радиоактивного вещества может представлять серьезную опасность, его помещают в герметическую ампулу, помещаемую в контейнер из специальных материалов. Типичная конструкция радиоизотопных источников изображена на Рис 4.6.
Рис 4.6 Радиоизотопный источник, загерметизированный сваркой: 1 – радиоактивное вещество, 2 - защитный корпус, 3 – крышка, 4 – внутренняя оболочка ампулы
Защитный корпус часто делают из свинца, а крышки - из легкого металла, пропускающего излучение (свинцовые стены не пропускают излучение). Радиоизотопные источники могут быть очень компактными – диаметр 4 мм, длина 5 мм.
Достоинства: таким источникам по сравнению с бетатроном и рентгеновской трубкой не нужны внешние источники энергии для поддержания работы, а также они компактны.
Недостатки: нельзя выключить источник, прекратить его работу. Он может быть очень опасен для окружающих!
Основные единицы измерения ионизирующего излучения.
| Характеристика | Единица измерения в СИ | Внесистемная единица |
| Энергия ионизирующего излучения | Джоуль, Дж | 1 МэВ=1,6 Дж |
| Активность изотопа | Беккерель,Бк | 1 Кюри (Ки)=37 ГБк |
Активностью в 1 Ки обладает 1г радия
4.2 Индикаторы излучения
Для преобразования распределения интенсивности излучения в видимое изображение служат специальные индикаторы: фотопленка, радиолюминисцентные экраны, ксерорадиографические пластины, электроннооптические преобразователи, рентгеновидиконы.
1. Фотопленка является универсальным индикатором, используемым в широком спектре излучений. Светочувствительное вещество (бромистое серебро), нанесенное на прозрачную основу пленки разлагается гамма-квантами, так же, как и видимым светом. Плотность почернения пропорциональна произведению интенсивности падающего излучения I на время (величина упавшего потока). Примером широкого применения фотопленки в качестве индикатора проникающего излучения является флюорография. Максимальная чувствительность фотопленки достигается при энергии квантов около 45 кэВ. После экспонирования фотопленка должна быть подвергнута обычной обработке – проявление, фиксация изображения, промывка, сушка.
Фотопленку просто и удобно использовать при проведении неразрушающего контроля в мелкосерийном и единичном масштабе. Она обладает высокой разрешающей способностью – около 100 лини на 1 мм, результаты контроля легко сохранять длительное время. Недостатком фотопленки как индикатора является длительность процесса ее обработки, использование драгоценного металла – серебра.
2. Ксерорадиографическая пластина - металлическая пластина (чаще латунная) с нанесенной на нее слоем аморфного полупроводника (селена). Между слоями подается начальное напряжение, слой селена заряжается относительно металлической пластины. Далее происходит экспонирование т.е. облучение пластины потоком излучения, который уже прошел через объект контроля и имеет распределение интенсивности соответствующее дефектам ОК (см Рис 4.1). В месте дефекта типа полости интенсивность излучения возрастает. Неоднородность излучения создает потенциальный рельеф на селеновой пластине, т.е. заряженость селенового слоя в разных точках будет разной (относительно латунной пластины). Далее на селеновый слой напыляется электростатически заряженный порошок типа графитовой пыли. Там. где потенциал, больше, налипнет больше порошка. Потом к этой пластине прикладывается лист бумаги на который этот порошок переходит. То есть, процесс носит такой же характер, как при обычном ксерокопировании, только облучение осуществляется не видимым светом, а рентгеновским или гамма-излучением.
Достоинство ксерорадиографии по сравнению с фотографированием:
· высокая производительность, оперативность;
· хорошее качество изображения и контрастность.
Недостатки:
· меньше разрешающая способность (20 линий на 1 мм;)
· жесткость пластины, затрудняющая контроль изделий сложной формы
3. Радиолюминисцентные индикаторы - в их основе лежат люминофоры, которые наносят на непроводящую поверхность (экран). Люминофор - вещество, преобразующее излучение одной длины волны в излучение с другой длиной волны. Как правило, преобразуется коротковолновое излучение в более длинноволновое.
Известные люминофоры: ZnS, CdS, PbSO4.
Разновидностью таких люминофорных индикаторов являются сцинтилляционные кристаллы, например NaY(Te). Они дают вспышку видимого света при падении на них кванта излучения.
4. Электроннооптические преобразователи - имеют то же устройство, что и приборы ночного видения, только катод их чувствителен к проникающему излучению.
5. Рентгеновидиконы – по сути своей передающие телевизионные трубки –видиконы, с той лишь разницей, что мишень у них чувствительна к рентгеновскому и гамма-излучению.
4.3 Общая схема проведения НК радиационными методами
Обобщенная схема радиационного контроля качества изделия по прошедшему излучению представлена на Рис. 4.7.
Рис 4.7 Схема радиационного контроля по прошедшему излучению
ИИ - источник излучения, ЗК - защитная камера, З – затвор,
Ф – фильтр, ОК - объект контроль, КМ - компенсатор (нужен для выравнивания толщины объекта, чтобы перепады толщины не мешали выявлять дефекты), ЭЧ - эталон чувствительности, МЗ - маркировочные знаки (порядковый номер объекта), ИН - индикатор (регистрирует интенсивность излучения, прошедшего сквозь объект), ЭКС – экспонометр.
Выбор источника излучения определяется толщиной и материалом изделия или полуфабриката. Чем выше плотность материала. Тем он менее проницаем для излучения. Например, с помощью рентгеновских трубок сталь может быть просвечена на толщину до 100 мм, а алюминий - до 300 мм. С использованием бетатронов сталь просвечивается до 500 мм, алюминий до 1500 мм.
Широкое применение в технике находят в настоящее время гамма-дефектоскопы. Их основой являются радиоизотопные источники, которые перемещаются в зону контроля с помощью специального механизма по проложенным шлангам. На Рис 4.8 представлена схема такого дефектоскопа.
Рис 4.8 Устройство универсального шлангового дефектоскопа
Радиоизотопный источник такого дефектоскопа – ампула А в нерабочем состоянии (А1) хранится в центре радиационной головки РГ, а для экспозиции перемещается по шлангу Ш2 –Ш3 в коллимирующую насадку КН (в положение А2) с помощью тросов Т1, Т2, Т3 и механизма МУ. Насадка КН обеспечивает облучение контролируемого объекта КО в необходимом секторе. Фильтр А пропускает только ту часть спектра излучения к которой наиболее чувствителен индикатор ПЛЭ. Достоинства таких гамма – дефектоскопов заключаются в их компактности, возможности эксплуатации без источников питания, что особенно важно в полевых условиях.
Рентгенографический контроль наиболее достоверный способ контроля сварных соединений и основного металла при контроле трубопроводов, оборудования при проведении экспертизы промышленной безопасности.
Рентгенографический контроль применяют для выявления грубых трещин, непроваров, пор, раковин, шлаковых, вольфрамовых, окисных и других включений в литых и сварных стальных изделиях толщиной до 80 мм и в изделиях из легких сплавов толщиной до 250 мм.
Также контроль применяют для выявления прожогов, подрезов, оценки величины выпуклости и вогнутости корня шва, недопустимых для внешнего осмотра. Наличие таких дефектов приводит к тому, что проходящие через материал лучи ослабляются в различной степени.
Регистрируя распределение интенсивности проходящих лучей, можно определить наличие и расположение различных неоднородностей металла. При рентгенографическом контроле не выявляются:
— любые несплошности и включения с размером в направлении просвечивания менее удвоенной чувствительности контроля;
— непровары и трещины, плоскость раскрытия которых не совпадает с направлением просвечивания и (или) величина раскрытия менее значений, приведенных 0,1;
— любые несплошности и включения, если их изображения на снимках совпадают с изображениями посторонних деталей, острых углов или резких перепадов трещин просвечиваемого металла.
Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 71; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!