книги из ГПНТБ / Джонс, Р. Неразрушающие методы испытаний бетонов

5.РАДИАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

5.1.ВВЕДЕНИЕ

Достижения атомной физики последних десятилетий используются и в области неразрушающих методов испытаний. Наиболее важные практиче­ ские результаты получены с помощью «закрытых» источников излучения. Под «закрытым» источником подразумевают радиоизотоп, закрытый не­ проницаемой оболочкой (экраном) и не связанный с проверяемым матери­ алом. Существуют также «открытые» источники, в которых наблюдается эта связь.

Закрытые источники имеют преимущества: при измерениях они не тре­ буют сложной защиты и в проверяемом материале не возникает остаточная радиоактивность.

При испытаниях бетона с помощью проникающих излучений приме­ няют два вида излучения:

а) метод проникающей радиации, в котором используют поток фотонов, способный проникать сквозь толщу материала, в том числе и через бетон, и относящийся к излучениям типа рентгеновского или гамма-излучения; в) метод с быстрыми нейтронами, в которых используют поток быстрых нейтронов; этот метод находит применение в более ограниченной области —

для определения влажности бетона или его компонентов.

93. МЕТОДЫ ПРОНИКАЮЩЕЙ РАДИАЦИИ

Излучение, проникающее сквозь бетон, воздух, воду, арматуру и пр., является проникающей радиацией, взаимодействующей с атомами матери­ ала, которые находятся на пути, и частично поглощается ими или же рас­ сеиваются. Взаимодействие между излучением и атомами материала тем сильнее, чем плотнее просвечиваемый материал.

На этом простом принципе, аналогичном распространению света в не­ прозрачных телах, основываются: метод радиационной дефектоскопии, определение степени коррозии и степени уплотнения бетона, определение толщин, диаметра, профиля, положения арматуры в бетоне, контроль каче­ ства инъекции и т. д.

5.2.1.Принципы метода проникающей радиации

5.2.1.1.Создание проникающей радиации. Рентгеновское излуче­ ние и гамма-излучение, как свет и радиоволны, имеют общую природу — это электромагнитные излучения. Они отличаются между собой только частотой колебаний и рассматриваются как волны или частицы. В табл. 5.1 представлены различные виды электромагнитного излучения в порядке по­ следовательности частот [21.

200

Т а б л и ц а 5.1. Шкала электромагнитных волн

Для испытания бетона применяют рентгеновское излучение, которое получают путем торможения электронов с предварительным ускорением в электрическом поле, созданном в вакууме для того, чтобы электроны не по­ теряли энергию в процессе ионизации.

В пути электроны взаимодействуют с мишенью из тяжелого металла, который играет роль тормоза ускорению электронов. Максимальная кине­ тическая энергия фотоэлектрона дается уравнением

где те — масса электрона; е — заряд электрона; v — скорость электрона;' U — уско­ рение напряжения.

Преимущества применения рентгеновского излучения в промышленной радиографии заключаются в следующем:

применяют один источник значительной интенсивности для того, чтобы сократить продолжительность экспозиции;

одновременно может быть использован промежуточный источник, бла­ годаря чему отпадает необходимость проведения защитных измерений во время перемещения;

устанавливают один источник по направлению преобладающего излу­ чения для того, чтобы облегчить защитные измерения в других направле­ ниях;

используется непрерывный энергетический спектр с максимумом, по­ ложение которого может регулироваться с помощью напряжения ускоре­ ния. Все это способствует получению высшей контрастности рентгеногра­ фического изображения.

Гамма-излучение образуется благодаря переходу нестабильных радио­ изотопов в устойчивое состояние. Гамма-излучение сопровождается излу­

чается между 0,002 и 7,6 Мэе. Для контроля качества бетона имеет смысл использовать гамма-излучение с большой энергией, с проникающей спо-

201

собностью, пригодной для толщин бетона от 20 до 80 см. Имеет значение и такой фактор, как период полураспада, под которым подразумевают время, после которого активность источника снижается наполовину как следствие ■перехода части изотопа в устойчивое состояние. Если распад радиоактив­ ного источника происходит медленно во времени или очень быстро, при­ менение его становится неэкономичным. В табл. 5.2 приведены изотопы — источники гамма-излучения, наиболее часто применяемые в строительстве (за исключением Na-24).

проникающий в материал, может взаимодействовать с веществом следующим образом:

а) свободно пройти сквозь материал без всякого взаимодействия с ато­ мами этого материала;

б) поглотиться атомом вещества, полностью утратив энергию W и воз­ будив электрон, который оторвется от атома (рис. 5.1). Энергия поглощенного фотона частично используется для выполнения механической работы по от­

Явление выбивания электронов за счет поглощения фотона называется фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом.

Свободный электрон, который появляется в результате этого взаимодей­ ствия, быстро теряет кинетическую энергию за счет ионизации и в конце кон­ цов задерживается в материале. Очевидно, что условием такого взаимодей­ ствия является

энергиях свыше 200 кэв, что характерно для использования гамма-излу­ чения при неразрушающих испытаниях бетона. Это соображение не относит­ ся к источникам рентгеновского излучения;

202

в) фотон взаимодействует со свободным электроном или с электроном, слабо связанным с атомом (рис. 5.2). В этом случае фотон теряет часть своей энергии hv. В процессе взаимодействия появляется новый фотон с энергией h v ', меньшей, чем начальная энергия h v, на величину энергии переноса элек­ трона — Т:

фотон с энергией h v ' отклоняется от первоначального направления движе­ ния на угол б. Этот процесс называется комптоновским рассеянием, или комптонэффектом.

На этом процессе взаимодействия следует остановиться, так как он по­ зволяет установить тот факт, что фотон не поглощается полностью, а преоб­ разуется в фотон с меньшей энергией, следовательно, с повышенными шан­ сами быть поглощенным при следующем столкновении; кроме того, изме­ няется направление движения.

Комптоновский эффект для таких материалов, как бетон, является преобладающим при использовании радиоизотопов;

г) имеется, наконец, возможность для фотонов с предельной энергией hv при взаимодействии с атомом вещества образовать пару: электрон-по­ зитрон (рис. 5.3):

цесс практически не наблюдается в случаях у-просвечивания бетона, когда энергия фотона превышает 1,2 Мэе.

Если закрытый источник проникающей радиации приблизить к по­ верхности бетонного массива, можно измерить интенсивность излучения, которое прошло бетонный массив. В этом случае необходимо, чтобы детек­ тор излучения располагался с противоположной стороны массива; можно также измерить интенсивность отраженного излучения от бетонного мас­ сива. В этом случае источник и детектор излучения располагаются на одной поверхности, соответствующим образом разделенные экраном. Явление, на котором основаны такого рода измерения, называется регенеративным рас­ сеиванием.

5.2.1.3Поглощение излучения. Энергия фотонов составляет 0,2—3 Мэе,

аослабление излучения в единице объема комптоновского эффекта пропор­ ционально количеству электронов, находящихся в этом объеме (пс), и эффек­

тивному сечению электрона (ве):

203

Количество электронов в единице объема равно количеству атомов в таком же объеме па, умноженному на количество электронных оболочек атома Z:

С другой стороны, количество атомов в единице объема п а м о ж н о в ы ч и с л и т ь , зная постоянную Лошмндта N , атомный вес А и плотность материала pd, согласно соотношению

Соотношение (5.8) содержит упрощенные величины в числителе и знамена­ теле, выражающие количество атомов в молекуле.

Если подставить выражение (5.7) и (5.8) в (5.6), последнее примет вид

Размерность для р определяется из

ментов из первой половины периодической системы Менделеева за исклю­ чением водорода, поэтому

поскольку другие величины в формуле (5.9) — универсальные постоянные. Практически все элементы, входящие в состав бетона, а именно: кис­ лород, кремний, алюминий, железо, углерод, кальций, сера, хлор, маг­ ний, натрий и т. д., отвечают требованиям (5.11). Таким образом, сущест­ вует линейная связь указанного отношения (5.9) между плотностью бетона

и его линейным коэффициентом ослабления [5].

Чтобы определить, как изменяется интенсивность излучения в зависи­ мости от толщины материала, пропускающего излучение, выделим слой ма­ териала толщиной dx и шириной по всему элементу (рис. 5.4). Снижение ин-

Рис. 5.4. Схема для вывода закона по­ глощения излучения

204

Р и с. 5 .6 . С х ем а р ег ен ер а т и в н о г о р а с ­ сея н и я га м м а -и зл у ч ен и я

Р и с . 5 .5 . И зм ен ен и е м а с со в о г о к о эф ф и ц и ­

тенсивности потока у-частиц в слое может быть пропорционально падающе­ му потоку, линейному коэффициенту ослабления р и объему слоя dx, сог­ ласно выражению

знак (—) показывает, что речь идет о снижении интенсивности потока уча­ стии. Если проинтегрируем отношение (5.12) в функции л; в пределах зна­ чений / 0, /*, то получим

Зависимость (5.9) между линейным коэффициентом ослабления и плотно­ стью иногда устанавливается в виде

где постоянная К называется массовым коэффициентом ослабления, по­ скольку представляет собой ослабление массы с единицы поверхности и имеет размерность

Эта постоянная измеряется в см2/г. Массовыйкоэффициент ослабления — величина постоянная для определенной энергии падающего фотона и опре­ деляется при заданном значении ае из соотношения (5.9) На рис. 5.5 приве­ дены графики зависимости массового коэффициента ослабления в воде от энергии падающего фотона.

Энергия фотонов в пределах от 0,8 до 2 Мэе достаточна для просвечи­ вания всех видов бетонов с массовым коэффициентом ослабления в пределах

205

5.2.1.4. Закон о регенеративном рассеянии. Еще один путь получения информации о свойствах материала заключается в наблюдении излучения в виде регенеративного рассеяния в материале. В этом случае источник из­ лучения и детектор размещают по одной стороне элемента (рис. 5.6). Детек­ тор экранируют свинцом от прямого излучения Г и космического излучения /" (см. рис. 5.6). Условия эффективного измерения [7]

( 5 . 1 7 )

г д е / — и н т ен си в н о ст ь и зл у ч е н и я п ри р е г е н е р а т и в н о м р а с с е и в а н и и , к о т о р о е м о ж е т бы ть п р и н я т о в виде:

Уравнение (5.18) предполагает известным и постоянным расстояние от источника до детектора; независимой переменной является плотность p(i. Если представить интенсивность излучения у детектора в зависимости от плотности материала р^, для заданного расстояния источник — детектор (d = 20 см), то получим кривую, приведенную на рис. 5.7, с максимумом в зоне плотности менее 1 г!смл. Положение максимума зависит от расстояния излучатель — приемник и желательно, чтобы это расстояние было доста­ точно большим (для кобальта-60, d = 20 25 см). Этот способ не дает до­ статочно точных результатов, поскольку одной определенной интенсивно­ сти обнаруженного излучения соответствуют два значения плотности, одна­ ко при исследовании в бетоне такой неопределенности не наблюдается, так как все измерения относятся к нисходящей ветви кривой по рис. 5.7.

Метод регенеративного рассеяния можно применять при проверке тол­ щины материала. Количество импульсов увеличивается одновременно с увеличением толщины материала до определенного ее значения (рис. 5.8). В этом интервале измерение регенеративного рассеяния нельзя использо­ вать для определения плотности. Наоборот, если плотность известна, этот способ может быть использован для измерения толщин. Для толщин более

I

206

S кривая на рис. 5.8. превращается в горизонтальную прямую — интенсив­ ность излучения при регенеративном рассеянии больше не зависит от тол­ щины материала. В этом интервале метод может быть использован для опре­ деления плотности материала. Толщина предельного слоя 5 зависит от жест­ кости излучения и плотности материала. Предельная толщина бетона при использовании излучения кобальта-60 равна 12—13 см [8, 9]

5.2.1.5. Принцип детектирования (обнаружения) проникающей радиа­ ции. Обнаружение проникающей радиации основывается на свойствах ее взаимодействия с веществом (см. п. 5.2.1.2): фотоэлектрического эффекта, эффекта Комптона или эффекта образования пар. Как следствие этого вза­ имодействия, происходит рассеяние электронов с определенной кинетиче­ ской энергией, достаточной, чтобы ионизировать среду. Возникшие ионы с по­ ложительным или отрицательным зарядом создают электрический ток, на­ правленный к полюсу противоположного заряда. Этот ток может быть изме­ рен. На аналогичном принципе детектирования основывается и детектиро­ вание полупроводниками (см. п. 5.2.2.4).

Другой тип детектирования основывается на том, что при попадании

кой — выделением светового кванта. Если высвобожденная энергия прояв­ ляется в виде кратковременного свечения (t < 10_6 с), явление называется флуоресценцией и на нем основывается детектирование со сцинтилляцией. Обнаружение радиации возможно химическим путем (химическое детекти­ рование). Известно, что поток излучения приводит к распаду некоторых мо­ лекул. Этот распад молекул вещества в дальнейшем можно наблюдать ма­ кроскопически. Таким образом, например, зерна бромистого серебра фото­ эмульсии после проявления темнеют, так как образуются зародыши метал­ лического серебра. В этом заключается принцип детектирования, основан­ ного на фотографическом процессе.

5.2.1.6. Защита от проникающей радиации. Проникающая радиация оказывает вредное ьлияние на человеческий организм. Поэтому необходимо принимать меры по ограничению ее влияния, принимая во внимание сте­ пень опасности.

Радиоактивными веществами считаются все вещества, удельная актив­ ность которых больше 1 мккюри/кг или у которых полная активность боль­ ше 10~в мкюри. Относительно применения энергии излучения в строитель­ стве следует отметить, что для рентгеновского излучения берется диапазон 50—300 кэв, а для гамма-излучения — 0,3—3 Мэе.

Источники гамма-излучения, а также уран и другие тяжелые метал­ лы хранят в свинцовых контейнерах, толщина стенок которых зависит от природы радиоизотопов и активности источника. В радиометрии для обыч­

207

Контейнеры, предназначенные для получения первичных данных в ла­ бораторных условиях, необходимо проверять после каждого эксперимента и после окончания всей работы.

Хранение контейнеров с радиоизотопами предусматривается на спе­ циальных складах, расположенных ниже поверхности земли.

Транспортирование источников гамма-излучений производится спе­ циальным транспортом.

5.2.2. Аппаратура для создания

идетектирования проникающей радиации

5.2.2.1.Установки рентгеновского излучения. Гаммадефектоскопы. Ускорители. Для получения рентгеновского излучения пользуются уста­ новкой, состоящей из двух основных частей: жесткой рентгеновской труб­ ки и блока питания и контроля (рис. 5.9). В свою очередь, блок питания и контроля разделяется на две подгруппы приборов: подгруппа контроля и регулировки и генератор высокого напряжения (см. рис. 5.9). Вся установ­ ка ограждена защитной сеткой.

Подгруппа контроля и регулировки обеспечивает циркуляцию масла для охлаждения экрана, регулирует силу тока в трубке путем изменения накала нити, а также поддерживает необходимое напряжение в группе вы­ сокого напряжения.

Группу высокого напряжения представляет трансформатор, который повышает напряжение от заданной величины в сети до величины, необхо­ димой для ускорения вылета электронов из нити накала рентгеновской трубки.

Жесткая рентгеновская трубка составляет часть установки, в которой получают излучение. Существуют два типа трубок в зависимости от приме­ няемого метода для генерирования электронов: ионная рентгеновская трубка и электронная лампа с ориентированным вакуумом. В ионной рентгеновской трубке с холодного катода в результате бомбардировки положительными ио­ нами, для существования которых необходимо определенное давление>аза, вылетают электроны. В рентгеновской трубке с ориентированным вакуумом свободные электроны вылетают с нагретого катода, которым является нить накала, используя потенциал вывода (пучка). Оба типа трубок имеют анод и экран, о который ударяются электроны, в результате чего и возникает

208

Рис. 5.10. Схема рентгенов­ ской трубки с ориентирован­ ным вакуумом

х о л о д и л ь н о й у с т а н о в к и ; 9 — м е х а ­ н и з м о х л а ж д е н и я а н т и к а т о д а ; 10 — а н т и к а т о д

8

Р е н т г е н о в с к о е и з л у ч е н и е

рентгеновское излучение. Этот экран иногда называют антикатодом. Экран изготовляют из металла с большим атомным весом и повышенной точкой плавления. Такой материал нужен для большей эффективности торможения, а также для того, чтобы выдерживать нагрев, возникающий в ходе этого про­ цесса. На рис. 5.10 дано сечение рентгеновской трубки с ориентированным вакуумом, в которой применяется горячий катод в виде нагретой проволоки, заключенной в металлический цилиндр с отверстием.

Длина волны излучения в рентгеновской трубке, ограниченная нижним пределом Ямин, описывается выражением

(5.19)

где Л — Постоянная Планка; с — скорость света; е —• заряд электрона; V — ускорение напряжения (давления) электрона (eV — кинетическая энергия).

Следует упомянуть, что при нижнем граничном пределе длины волны рентгеновская трубка излучает практически непрерывный спектр испуска­ ния.

На рис. 5.11 приведен спектр рентгеновского излучения для двух раз­ ных сил тока в трубке. На рис. 5.12 показан спектр рентгеновского излучения

. для двух разных напряжений ускорений электрона. Из графика следует, что жесткость излучения увеличивается в зоне, показанной обратной штрихов­ кой, в которую перемещается максимум спектра.

Внастоящее время конструируют трубки на ускорение напряжения

впределах 10—2000 кв. Область применяемых частот в рентгеновских труб­ ках для контроля качества бетона на строительстве соответствует напря­ жениям между 200 и 350 кв. Введение системы охлаждения экрана с помощью газа позволяет снизить вес трубки [10]. На рис. 5.13 представлена рентге­ новская установка с газовым охлаждением мощностью 300 кв для радиогра­ фии на производстве.

Другой метод, который в последнее время широко применяется в про­ мышленности, — рентгеноскопия. Трудности метода заключаются в созда-

209