15

РАДИАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ

История развития радиационного контроля

Немецкий физик К. Рентген, проводя эксперименты с пучка­ми электронов в сильно разреженной трубке (10^–5 Па), обнару­жил, что при помещении трубки в непрони­цаемый для видимого света картонный футляр находившийся вблизи нее экран, покрытый двойной солью цианистого бария и платины, флюоресцировал всякий раз, когда через трубку проходил ток. Он пришел к выводу, что трубка испускает невидимые лучи, способные проникать сквозь непрозрачную для видимого света оболочку и вызывать свечение экрана. Было об­наружено, что лучи могут проходить через толстую книгу, лист алюминия толщиной 3 мм и тонкую свинцовую фольгу, и если поднести к экрану кисть руки, то можно отчетливо видеть кон­туры костей.

В конце 1895 г. Рентген К. сообщил об основных свойствах открытого им излучения. Через несколько ме­сяцев после этого сообщения был опубликован снимок сварного шва, полученный с помощью рентгеновского излучения. В 1908 г. установлено, что в состав рентгеновского излучения вхо­дит характеристическое излучение.

В 1912 г. М. Лауэ открыл явлениям дифракции и интерференции рентгеновского излучения при взаимодейст­вии с кристаллом, что указывало на физическую общность этого излуче­ния с видимым излучением. Ес­тественная радиоактивность открыта А. Беккерелем в 1896 г., а в 1898 г. супруги Кюри получили из руды смоляной обманки хлористый радий. Естественные радиоактивные вещест­ва эмиттируют в основном три типа излучения: -, - и -. Позднее было установлено, что -излучение пред­ставляет ЭМ излучение той же при­роды, что и рентгеновское. Искусственные радиоизотопы получены при использовании цикло­тронов (1930), с появлением ядерных реакторов идентифици­ровано и изучено большое число радиоизотопов. Ядра радиоизо­топов распадаются с выделением -, - и -излуче­ния, но не каждый изотоп дает все три типа излучения.

Открытие и первые эксперименты с ядерными реакциями относятся к 1919 г. Резерфорд Э. с сотрудниками пользовались в этих работах излучением есте­ственных радиоактивных элементов с энергией около 7,7 МэВ. Возникшая в 20-е годы идея о замене частиц естественных элементов искусственно полученными с использованием быстрых частиц, кажется теперь настолько очевидной, что автор ее никогда не упоминается. Мысовскин Л.В. возглавлял физический отдел Государст­венного радиевого института при Российской Академии. Он был одним из первых, кто поставил задачу создать ускори­тель заряженных частиц, сравнимых по энергии с естественными частицами (1922 г.). Первый электростатический ускоритель (напряжением 80 кВ) построен в 1929 г. Ван де Граафом. Первый ядерный реактор был запущен в США в 1942 г., в СССР в 1946 г.

При создании таких перспективных для НК ускорителей, как бетатрон и волноводный линейный ускоритель электронов, от зарождения идеи до ее реализации по­требовался большой срок. Первый бетатрон запущен в 1940 г. (Д. Керст, США), первый линейный ускори­тель электронов – в 1946 г. Бетатрон был бы создан раньше, если бы была разработана полная теория его работы. Волноводный ускоритель не мог быть построен до по­явления мощных генераторов сантиметровых волн. В СССР пер­вый бетатрон создан в Томском политехническом институте под руководством А.А. Воробьева.

Микротрон – циклический резонансный ускоритель электро­нов, предложен в 1944 г. в СССР Векслером В.В. на основе открытого им принципа автофазировки.

Отечественная рентгеновская промышленность создана во второй половине 20-х годов. Пионерами в разработ­ке и производстве рентгеновских аппаратов были В.В. Витка и А.И. Тхоржевский, в разработке рентгеновских трубок – Ф.Н. Хараджа. Большую роль в отечественном рентгеноаппаратостроении сыграли В.К. Шмелев и В.А. Цукерман.

Основы метода радиационного контроля разработаны в конце 30-х годов, см. А.К. Тра­пезников «Просвечивание материалов лучами Рентгена» (1939). До 1947 г. существующие источники излучения позволяли про­свечивать ОК из стали толщиной до 50 мм.

История нейтронной радиографии началась с открытия ней­трона в начале 30-х годов. Первые работы по нейтронной радиографии выполнены в 1930 – 1940 гг. В СССР начали работать в этой области в 70-х годах. Исполь­зовать полупроводники для воспроизведения изображений впервые предложил русский изобретатель Е.Е. Горин в 1916 г. Первый электрорентгенографический снимок получен в 1938 г. Первые работы по электрорентгенографии вышли в 1950 – 1951 гг., а в СССР – с 1959 г.

С конца 30-х годов, когда промышленность стала исполь­зовать рентгеновское оборудование, вплоть до недавнего времени эта техника почти не прогрессировала. Даже в 50-х годах рентгеновское оборудование для промышленности представляло не­сколько измененные рентгеновские установки медицинского на­значения. Наиболее существенные изменения были на­правлены на повышение лучевой отдачи излучателей, уменьше­ние размеров фокусного пятна и удобство эксплуатации. Преоб­разование рентгеновского излучения в форму, удобную для ви­зуального наблюдения, производилось либо флуорес­цирующими экранами (рентгеноскопия) или фото­эмульсиями (рентгенография)

Рентгеновская техника интенсивно развивается с се­редины 60-х годов, когда серийно стали выпускаться рентгенов­ские трубки с анодным напряжением 200 и 250 кВ с током до 8 мА. Увеличение тока с 5 до 8 мА существенно облегчило по­лучение рентгенограмм и значительно сократило время экспозиции. В последние годы начали серийное производство микрофокусного рентгеновского оборудования (диаметр фокусного пятна менее 0,1 мм) и аппаратуры, укомплектованной высокочастотными высоко­вольтными генераторами с постоянным (сглаженным) напряже­нием.

С 50-х до середины 60-х годов бурно расширялась сфера применения электронно-оптических преобразователей (ЭОП), изобретенных Холстом и де Буром в 1934 г. Были выявлены преимущества ЭОП при усилении яркости изображения и при использовании их в рентгеновской технике. С этого момента стал интенсивно развиваться один из основных методов НК – метод радиационной интроскопии (радиоскопии).

Развитие радиационного контроля неразрывно связано с С.В. Румян­цевым и его школой (монография С.В. Румянцева «Радиацион­ная дефектоскопия», 1968).

Важный вклад в развитие отечественного радиационного кон­троля внесла томская школа физиков: А.А. Во­робьев, В.И. Горбунов, В.А. Кононов, В.А. Воробьев.

Крупный вклад внесли коллективы, возглавляемые чл.-кор. АН СССР В.В. Клюевым и проф. А.С. Штанем, коллектив Вильнюсского НИИ электроннографии (И.И. Жилевич, А.И. Каминскас, Р.Ю. Каваляускас, В.Г. Чапенко) и др.

ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ НК

В радиационном контроле используют три вида ионизирующих излучений:

1. – рентгеновское, 2. – гамма-излучение; 3. – нейтронное.

Источниками рентгеновского излучения в промышленности слу­жат:

– ускорители электронов (рентгеновские аппараты, микро­троны, бетатроны, линейные ускорители и т.п.);

– источники -излучения.

Источниками -излучения являются в ос­новном радиоактивные источники.

Источники нейтронов – ядерные реакторы, радионуклидные источники и уско­рители заряженных частиц (генераторы).

Ускорители электронов различают по конструкции, назна­чению, максимальной энергии электронов и др. Их классифицируют по форме траектории частиц в ускорителе и принципу ускорения (табл. 4.1). По форме тра­ектории электронов различают линейные ускорители, траектория частиц близка прямой, и циклические, в которых электроны под действием ведущего магнитного поля движутся по орбитам, близким к круговым.

По принципу ускорения (вид ускоряющего электрического поля) ускорители делят на:

1. высоковольтные;

2. индукционные;

3. резонансные.

В высоковольтных ускорителях ус­коряющее электрическое поле обусловлено большой разностью потенциалов между электродами ускоряющего промежутка, оно действует в течение времени, значительно большего времени пролета электронами всего пути ускорения. В таких ускорителях траектория электронов преимущественно прямоли­нейная.

В индукционных ускорителях ускорение электро­нов осуществляется вихревым электрическим по­лем.

В резонансных ускорителях движение электронов происхо­дит синхронно с переменным ускоряющим полем. Частота ус­коряющего поля постоянная или монотонно изме­няется. Индукционные и резонансные ускорители бывают линейными и циклическими.

1. Рентгеновские аппараты

Рентгеновский аппарат (РА) – совокупность техниче­ских средств, предназначенных для получения и использования рентгеновского излучения. Основные блоки РА: рентгеновский излучатель, питающее уст­ройство, устройства для применения рентгеновских лучей и до­полнительные устройства и принадлежности.

Рис. 1. Рентгеновский аппарат МО 225 Стационарный ка­бельный с направленным выходом излуче­ния (Philips, ФРГ): напряжение на трубке 225 кВ; ток трубки 15 мА; мощность потребления 4,5 кВт	Рис. 2. Рентгеновский аппарат MQ225L Передвижной кабельный с на­правленным выходом излуче­ния (Philips, ФРГ): напряжение на труб­ке 225 кВ, ток трубки 10 мА

Рентгеновский излучатель – это рентгеновская трубка, за­ключенная в защитный кожух. Рентгеновская трубка – высоковольтный электровакуумный прибор. В состав питающего устройства входят электрические устрой­ства, обеспечивающие питания трубки электрической энергией, высоковольтный генератор и пульт управления. Устрой­ства для применения рентгеновских лучей предназначены для приведения в рабочее положение (или движение) излучателя, ОК и приемника излучения.

Рентгеновские аппараты классифицируют;

– по конструктивному исполнению – моноблочные и кабель­ные;

– по способу применения: стационарные (рис. 1), передвижные (рис. 2) и переносные;

– по углу выхода рабочего пучка излучения: с направлен­ным и панорамным выходом.

Основные параметры РА:

1. номинальное напряжение (максимальное значение) на рентгеновской трубке;

2. ток рентгеновской трубки (среднее значение) при номиналь­ном напряжении;

3. диапазон регулиро­вания напряжения на трубке;

4. размер эффективно­го фокусного пятна трубки;

5. мощность экспози­ционной дозы;

6. диапазон времени экспозиции;

7. продолжительность работы аппарата в номинальном режиме;

8. мощность потребления;

9. масса и габаритные размеры рентгеновского излучателя (моноблока).

Рис. 3. Рентгеновская труб­ка 1БПВ15-100

Рентгеновская трубка (РТ), рис. 3, – это электронный вакуум­ный прибор в виде баллона с запаянными в него электродами: като­дом и анодом, рис. 4. Рентгеновские лучи возникают в результате резкого торможения быстродвижущихся электронов на аноде трубки. Баллон может быть из стекла или ме­талла.

Рис. 4. Схема рентгеновской трубки (а) и проекций ее излучающей об­ласти (б): 1 – катодный узел; 2 – фокусирующий электрод; 3 – нить накала; 4 – баллон из метал­ла или стекла; 5 – анодный узел; 6 –мишень; 7 – медный чехол; 8 – излучающая об­ласть трубки; 9 – рентгенопрозрачный диск; 10 – эффективное фокусное пятно

Давление остаточного газа внутри баллона порядка 10^–4 Па. Число эмиттируемых электронов зависит от температуры (электрического тока) вольфрамовой нити накала катодного узла. Повышение температуры нити накала уменьшает срок ее службы. При увеличении ускоряющего напряжения растет ки­нетическая энергия электронов, повышая про­никающую способность рентгеновского излучения.

Плотность потока энергии рентгеновского излучения пропорциональна току эмиссии катода. Часть кинетической энер­гии электронов в рентгеновских трубках, превращающихся в энергию рентгеновских фотонов, невелика и опреде­ляется выражением

.

где – атомный номер материал анода; – ускоряющее напряже­ние, В.

Из 90 электронов с энергией = 150 кэВ, взаимодействующих с вольфрамовой мишенью анода, только один обеспечит выход одного кванта рентгеновского излучения с энергией 100 кэВ. Поэтому почти вся кинетическая энергия электронов превращается на мишени в тепловую. Из-за высоких температурных нагрузок материал мишени анода изготавливают имеет высокую температуру плавления. Чаще это вольфрам ( = 74). Площадь поперечного сечения электронного пучка, падающего на мишень, должна быть достаточно большой, чтобы ограничить удельную тепловую нагрузку на поверхность воль­фрамовой мишени.

Эффективное фокусное пятно источника ионизирующего излучения (фокусное пят­но) – это проекция излучающей области источника на плоскость, перпендикулярную оси рабочего пучка излучения. Эмиттируемый катодом пучок электронов фокусируется на определенный участок мишени при помощи средств электронной оптики. Форма сечения пучка зави­сит от конфигурации нити накала.

По размеру фокусного пятна ( ) различают рентгеновские трубки:

– стандартные ( > 0,4 мм);

– минифокусные ( = 0,1 ... 0,4 мм);

– микрофокусные ( < 0,l мм).

Типичный размер фокусного пятна микрофокусной рентгеновской трубки около 10 мкм.

Рентгеновская трубка генерирует излучение, энергетический спектр которого простирается от нуля до значения энергии

,

где – напряжение на рентгеновской трубке. В диапазоне значений = 20 ... 500 кэВ этот спектр непрерывен, его максимум нахо­дится в области 0,5... 0,66 максимального значения энергии фотонов в спектре. Обычно в спектре имеется некоторое число полос, характерных для материала мишени анода.

Рабочее на­пряжение между анодом и катодом однополюсных трубок (анод заземлен) достигает 225 кВ, двухполюсных (к катоду и аноду приложено высокое напряжение) – 450 кВ. Мощность современных РТ для неразрушающего контроля достигает 4,5 кВт.

РА классифицируют по схемам выпрямления напряжения (схема питания главной це­пи), при этом анодное напряжение на трубке может быть:

– пере­менным;

– пульсирующим;

– постоянным.

Для моноблочных маломощных РА ис­пользуют полуволновую безвентильную схему самовыпрямления (рис. 5-а). Преимущество этой схемы – простота, небольшие габариты и масса; недостаток – малый анодный ток из-за воз­можности появления вторичной электронной эмиссии (обратный ток) при перегреве зеркала анода.

В питающих устройствах широко используют мостовую схему двухполупериодного вы­прямления (рис. 5–б). Ранее использовались схема удвоения с пульсирующим напряжением (рис. 5–в) и схема удвоения с постоянным напряжением (рис. 5–г). Для снижения пульсаций при сглаживании используют схемы на частотах 500 Гц и более.

Рис. 5. Схема питания рентгеновских тру­бок: а – полуволновая безвентильная; б – двухполупериодного выпрямления; в – удвоения и пуль­сирующим напряжением; г – удвоения и сгла­женным напряжением

В РА с постоянным напряжением на трубке 100 ... 500 кВ экспозиционная доза за ОК, действующая на детектор, пропорциональна , где – напряжение на РТ, = 7 ... 11. Повышение напряжения на РТ приводит к резкому повышению плотности потока фотонов (энергии) за ОК. В результате время просвечива­ния ОК аппаратом полуволнового типа в 2,2 раза больше, чем для аппарата с постоянным напряжением той же мощности. При равенстве экспозиционных доз за ОК питание РТ переменным напряжение потребует электриче­скую мощность в 2,25 ра­за больше, чем при питании посто­янным напряжением.

При использовании цифровых систем формирования и обработ­ки изображений большое внимание уделяется ста­билизации постоянного рабочего напряжения (пульсации не более 0,05%). Анодный ток трубок различного типа изменяется от несколь­ких микроампер (микрофокусные трубки) до десятых долей ам­пера, а размер фокусного пятна – от 1 мкм до нескольких мил­лиметров.

Широко применяют двухфокусные РТ. Например, при = 160 кВ анодный ток равен 4 мА при фокусном пятне 0,4  0,4 мм и 19 мА при фокусном пятне 3,0  3,0 мм. Угловые размеры пучка рентгеновского излучения РА с направленным выходом излучения (рис. 2) могут достигать 40°. У аппаратов с панорамным выходом излучения мишень анода может иметь плоскую или коническую фор­му (рис. 6). Если анод выполнен в виде тонкой стенки, то ис­пользуется торцевое излучение (рис. 7). Для повышения плот­ности потока энергии излучения внутренняя поверхность анода в такой конструкции покрывается тон­ким слоем золота ( = 79).

Рис. 6. Конфигурация мишеней анода: а. – плоская; б. – коническая	Рис. 7. Схема торцево­го излучателя

На практике полагают, что рентгеновское излучение при торможении электрон­ного пучка мишенью изотропно. Так можно считать при низких энергиях электронов, – для фотонов, излучаемых электронами с кинетической энергией не выше 100 ... 200 кэВ. Если энергия электронов больше, то увеличивается доля плотно­сти потока энергии фотонов, излучаемых в направлении электронного пучка. Согласно рис. 8 для электронов с кинетической энергией 2 МэВ плотность потока энергии фотонов в направлении элек­тронного пучка более чем 5 раз превышает плотность потока энергии в обратном направлении.

Рис. 8. Угловое распре­деление плотности пото­ка энергии фотонного из­лучения

Торможение электронов и генерация рентгеновского излучения происходят главным образом в приповерхностном слое мишени. При выходе из этого слоя из­лучение частично ослабляется материалом мишени. Ослабление потока фотонов в разных направлениях неодинаково.

Наиболее сильно ослабляются пучки, выходящие из мишени под малыми углами к ее поверхности. Из-за значительного поглощения излучения материалом мишени его фотоны имеют в сред­нем большую энергию, чем фотоны, выходящие из мише­ни под большими углами к ее поверхности. Рис. 9 иллюстри­рует угловые распределения плотности потока энергии фотонов, генерируемых РТ, схема которой представлена на рис. 4, в отсутствие ослаб­ляющей рентгеновское излучение среды (фильтр) и при фильтрации излучения стальными пластинами разной тол­щины. На кривых пучок элек­тронов в трубке направлен справа налево, а углы отсчитыва­ются от направления электронов в пучке.

Рис. 9. Угловое распределение плотности потока энергии в рентгеновском пучке при напряжении на рентгеновской трубке 150 ... 400 кВ: а – фильтрация отсутствует; б – фильтр (пластина толщиной 10 мм, Fe); в – фильтр (20 мм, Fe); г – фильтр (30 мм, Fe)