книги из ГПНТБ / Румянцев, С. В. Радиационная дефектоскопия

1.Основные физические явления, используемые

врадиационной интроскопии

При контроле объектов методами радиационной интроскопии однородный по интенсивности поток ионизирующего излучения, пройдя через исследуемый объект с дефектами (неоднородно­ стями), превращается в неоднородный лоток и песет в себе скрытую информацию о дефектах контролируемого объекта.

Для преобразования скрытого радиационного изображения в светотеневое или электронное изображение используют явле­ ния люминесценции кристаллических веществ под действием ионизирующего излучения и фотоэффект под действием этого излучения или вызванной им люминесценции. Преобразование светотеневого или электронного изображения в электрический сигнал и воспроизведение изображения при телевизионной пере­ даче невозможны без вторичной электронной эмиссии. В радиа­ ционной интроскопии эти физические явления обычно исполь­ зуют в сочетании друг с другом.

Люминесценция. На принципах люминесценции основано действие флуороскопических экранов, сцинтилляционных кри­ сталлов, входных экранов электроннооптических и других преоб­ разователей, рабочее вещество которых (люминофор) светится под действием рентгеновского или у-излучения. Люминесценцию под действием электронов используют в приемных телевизион­ ных трубках — кинескопах, а также в электроннооптических пре­ образователях и усилителях изображений.

В зависимости от вида внешнего воздействия различают сле­ дующие основные виды люминесценции, применяющиеся в ра­ диационной интроскопии: рентгенолюминесценция, возникающая в результате взаимодействия рентгеновского или у-излучения с веществом люминофора; нейтронная люминесценция, возни­ кающая в результате взаимодействия нейтронов с ядрами ато­ мов вещества; электролюминесценция, возникающая под дей­ ствием переменного электрического поля; термолюминесценция, связанная с тепловым воздействием на тела. Люминесценция ряда веществ может быть обусловлена также воздействием на них электронов, ядер атомов — га-частиц, протонов и других заряженных частиц.

В соответствии с характером взаимодействия ионизирующих излучений с веществом для их регистрации применяют различ­ ные люминофоры.

Фотоэффект. Различают два основных вида фотоэлектри­ ческого эффекта: внешний и внутренний. Оба они характери­ зуются возникновением в твердом теле носителей электрического тока под действием падающего на тело излучения.

В н е ш и им ф о т о э ф ф е к т о м называют эмиссию электро­ нов с поверхности вещества в вакууме или газе под действием падающего на эту поверхность светового излучения. Фотоэффект под действием рентгеновского и у-излучения рассмотрен в гл. II.

333

Основными законами фотоэффекта являются следующие:

1)количество фотоэлектронов (сила фототока) пропорцио­ нально интенсивности падающего на поверхность твердого тела

ипоглощенного им света;

2)энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света.

Материалы, обладающие высокой эмиссионной способностью

вотношении фотоэлектронов, называются фотокатодами. Внешний фотоэффект практически безынерционен. Инерцион­

ность фотоэффекта, определяемая как запаздывание фототека по сравнению с началом освещения фотокатода, имеет порядок

10-9 сек.

Внешний фотоэффект широко используют в элементах и узлах радиационных интроскопов — в электроннооптических преобразователях и усилителях видимого света, в фотокатодах передающих телевизионных трубок и т. п.

В н у т р е н н и м ф о т о э ф ф е к т о м или ф о т о п р о в о ­ д и м о с т ь ю называют увеличение электропроводности некото­ рых веществ под действием электромагнитного излучения. Повышение электропроводности обусловлено тем, что под дей­ ствием электромагнитного излучения электроны вещества пере­ ходят из заполненной зоны в зону проводимости. Происходит рождение пары электрон — дырка, причем в электрическом токе принимают участие оба вида носителей.

Фотопроводимость можно обнаружить в очень многих веще­ ствах, кроме металлов, в которых концентрация носителей тока так велика, что облучение может увеличить ее лишь на ничтож­ но малую величину.

Конечное время жизни носителей тока придает явлению внутреннего фотоэффекта инерционность, т. е. отставание изме­ нения фотопроводимости от изменения освещенности, причем более чувствительному фотопроводнику соответствует большая инерционность внутреннего фотоэффекта. При наличии постоян­ ной подсветки и с ростом освещенности инерционность фото­ эффекта уменьшается.

Вторичная электронная эмиссия. Если поверхность твер­ дого тела, помещенного в вакуум, подвергнуть бомбардировке электронами достаточно высокой энергии, она будет испускать вторичные электроны. Это явление называют вторичной элек­ тронной эмиссией и широко используют в фотоумножителях, передающих и приемных телевизионных трубках, электронно­ оптических преобразователях и усилителях света.

Основной характеристикой этого явления служит коэффи­ циент вторичной электронной эмиссии а, равный отношению

Значение коэффициента о различно для различных мате­ риалов и зависит от энергии первичных электронов.

334

2.Преобразователи ионизирующих излучений

иусилители яркости изображений

а. Общие положения

В радиационной интроскопии преобразователями ионизи­ рующих излучений в видимый свет служат флуороскопический экран, сциптилляциоииый кристалл, электроннооптический пре­ образователь и электролюминесцентный экран. Два последних преобразователя— одновременно и усилители яркости изобра­ жений. Особое положение занимает рентген-видиком, являю­ щийся преобразователем ионизирующих излучений в электриче­ ские сигналы. Для усиления яркости изображений применяют также электроннооптические усилители видимого света и теле­ визионную технику.

Контраст изображения. Изображение дефекта на преобразо­ вателе рентгеновского или у-излучения создается [7] нерассеян­ ным излучением. Рассеянное излучение вуалирует получаемое изображение. При соблюдаемом в практике дефектоскопии усло­ вии цА/<с1, где р — линейный коэффициент ослабления рент­ геновского пли у-излучения в материале поглотителя, АI — раз­ мер дефекта в направлении просвечивания, относительное при­ ращение мощности экспозиционной дозы под дефектным участ­ ком с учетом вуалирующего действия рассеянного излучения выражается соотношением

где Ро — мощность экспозиционной дозы в отсутствие поглоти­ теля; Р — мощность экспозиционной дозы за поглотителем толщиной /; В — фактор накопления излучения, рассеянного поглотителем. Это уравнение по существу определяет контраст рентгеновского или у-изображения дефекта, или радиационный контраст;

(9.3)

Радиационный контраст тем больше, чем ниже энергия пер­ вичного излучения (в диапазоне от 0,1 до Э Мэе для железа) и чем меньше рассеянное излучение (более плотный материал, больший порядковый номер материала).

Преобразователь излучения преобразует радиационный кон­ траст в контраст оптического изображения, или оптический контраст /(опт, равный отношению разности яркости изображе­ ния дефекта 5Ди фона 5ф к яркости фона:

(9.4)

335

В общем случае оптический контраст не равен радиацион­ ному контрасту, связь между ними определяется соотношением

теристики преобразователя), который характеризует усиление контраста изображения, вносимое преобразователем.

Чем больше коэффициент контрастности, тем меньший радиационный контраст или меньший перепад толщины кон­ тролируемой детали ДI можно различить при тех же условиях наблюдения.

Как отмечалось выше, значительное усиление контраста изображения создает рентгеновская пленка, коэффициент кон­ трастности которой достигает 3,5—4,0.

Некоторые преобразователи ионизирующих излучений в ви­ димый свет также обладают собственным усилением контраста.

Флуороскопические экраны, сцинтилляционные кристаллы и злектроннооптические преобразователи преобразуют радиацион­ ный контраст в оптический почти без искажений. Для этих преобразователей ионизирующих излучений практически у = 1 и

Копт = К р .

Разрешающая способность преобразователей. Минимальный размер выявляемого дефекта в направлении, перпендикулярном к просвечиванию, определяется разрешающей способностью пре­ образователей. Благодаря зернистости и конечной толщине лю­ минофоров преобразователей оптическое изображение любого резкого контура будет иметь некоторую размытость, нерезкость. Между нерезкостью изображений N {мм), создаваемых преоб­ разователем, и его разрешающей способностью г (линий 'мм) , существует соотношение [31]

=1'5 — 1 5 = 3 линии/мм. Данный преобразователь «раз­

решает» шесть чередующихся темных и светлых промежутков, так как одна линия состоит из темного и светлого промежутков.

ваемой протяженностью источника излучения, и динамической нерезкостыо, вызываемой перемещением контролируемого

объекта.

Контрастно-частотные характеристики» преобразователей. Разрешающая способность преобразователей зависит от кон­

336

траста изображения на нем. Чтобы одновременно характеризо­ вать и контраст изображений, и разрешающую способность преобразователя, строят контрастно-частотные характеристики преобразователя. Они могут быть построены на основе измере­ ния разрешающей способности преобразователей с помощью набора так называемых рентгеновских мир — пластинок из свинца со сквозными продольными прорезями. Ширина каждой прорези равна расстоянию между соседними прорезями, и эти величины изменяются от миры к мире. Контраст изображения миры определяется толщиной пластинки и энергией ионизирую­ щего излучения. В наборе имеется несколько мир различной толщины.

Контрастно-частотные характеристики некоторых преобразо­ вателей излучения приведены в работе [67].

б. Флуороскопические экраны

Флуороскопический экран состоит (см. гл. V) из картонной основы, на которую нанесен слой флуоресцирующего веще­ ства— люминофора, смешанного с соответствующей связкой.

Ионизирующее излучение падает на экран со стороны основы, а наблюдение при просвечивании изделий ведется со стороны светящегося слоя. В СССР экраны выпускаются следующих размеров: 40X40; 35,6X35,6; 30X40; 24x30; 18x24 см. Свой­ ства флуороскопических экранов зависят от химического со­ става, толщины и плотности слоя люминофора, размера его кристаллов, спектра свечения люминофора и других параметров.

Материалом для изготовления флуороскопических экрановслужит обычно смесь кристаллов сульфида цинка и сульфида-

спектральной чувствительности глаза. Длина волны максимума излучения экранов [68] в среднем составляет 530 нм; длины волн, соответствующие половине максимальной интенсивности: коротковолновая граница — 493 нм и длинноволновая — 578 нм. Оптимальным для интенсивности света и спектрального соответ­ ствия не только глазу, но и сурьмяно-цезиевому фотокатоду является содержание сульфида кадмия в шихте 45% (по массе).

Для увеличения световыхода экранов между основой экрана и люминофором размещают порошок окиси магния MgO, являю­ щийся хорошим отражателем света. Наибольший выход света при напряжении на трубке 80 кв достигается при толщине слоя люминофора (Zn, Cd)S, Ag около ПО— 120 мг/см2. Это спра­ ведливо при диаметре зерна люминофора 12,5 лгк,н. С умень­

337

кристаллы люминофора, тем ярче свечение экрана при той же мощности дозы ионизирующего излучения.

Особый интерес для практики представляет так называемый код с жесткостью экрана — зависимость яркости свечения

Ag к мощности экспозиционной дозы излуче­

абсцисс дана шкала максимальных напряжений на рентгеновской трубке с указанием толщины приме­ нявшихся стальных фильтров.

экрана от энергии ионизирующего излучения при постоянной мощности дозы излучения (рис. 9.2) [68, 69]. Для преобразо­ вателей типа флуороскопических экранов или сцинтилляционных кристаллов отношение яркости свечения .S к мощности экспози­ ционной дозы излучения в воздухе вблизи преобразователя Рв подчиняется соотношению

338

Из рис. 9.2 следует, что максимальное значение отношения яркости к мощности дозы излучения в воздухе лежит в области эффективной энергии 454-50 кэв. Для обычных экранов при этой энергии

Ра р/мин

Яркость экранов измеряют в условных единицах с помощью эталонов яркости, представляющих собой набор экранов раз­ мером 30x80 мм, имеющих различную, но известную яркость свечения (в уел. ед.). В производственных условиях яркость свечения работающего экрана можно сравнить с яркостью свече­ ния нового экрана. Обычно яркость свечения флуороскопических экранов лежит в пределах 200—300 уел. ед. Сравнения пока­ зали, что при максимальном напряжении 100 кв, токе рентге­ новской трубки 20 ма и фокусном расстоянии 500 мм флуоро­ скопический экран с яркостью 250 уел. ед. имеет яркость около

10 нпг.

Основным требованием, предъявляемым к радиоскопии, является получение наивысшей чувствительности при просвечи­ вании изделий. Чувствительность радиоскопии к дефектам оп­ ределяется несколькими факторами: энергией и интенсивностью применяемого излучения, эффективностью регистрации его экра­ ном, толщиной и плотностью контролируемого материала, раз­ решающей способностью и спектральным составом свечения флуороскопического экрана. Все эти факторы взаимосвязаны, и изменение одного из них может повлиять на остальные.

При просвечивании сплавов на основе железа, титана, алю­ миния и магния толщиной до 10 мм рентгеновским излучением (эталоны имели ширину бороздок 5 мм) чувствительность ра­ диоскопии оказалась не лучше 4%. Для магния толщиной 15— 25 мм она повышается до 2,5%, что объясняется применением белее мягкого излучения и более высокой яркостью свечения экрана, чем при просвечивании плотных металлов. Полученная чувствительность в 5—8 раз хуже чузствителы-юсти радиогра­ фического метода (чувствительность последнего при просвечи­ вании тех же толщин металлов может достигать 0,5%). Низкая чувствительность к дефектам изделий, просвечиваемых на флу­ ороскопический экран, определяется в первую очередь его низ­ кой разрешающей способностью.

Разрешающая способность экрана зависит от внутренней нерезкости экрана, определяемой толщиной люминесцирующего слоя и его зернистостью, и от геометрической нерезкости про­ свечивания, определяемой размерами источника излучения, рас­ стоянием между объектом и экраном и фокусным расстоянием.

Общая нерезкость при просвечивании определяется форму­ лой (5.36).

339

В табл. 9.1 приведены значения геометрической нерезкости при просвечивании различными источниками излучения [13].

Внутренняя нерезкость флуороскопических экранов обычно того же порядка, что и геометрическая нерезкость. Однако суще­ ствуют экраны с пониженной внутренней иерезкостыо. В табл. 9.2 приведены данные для некоторых флуороскопических экранов, применяемых в США [15].

В силу большой геометрической и внутренней нерезкости разрешающая способность большинства флуороскопических экранов не превышает в основном 3 линий мм [70].

Использование острофокусных рентгеновских трубок не­ сколько повышает чувствительность. Уменьшение размеров фо­ куса ведет к сильному снижению геометрической нерезкости. Важным преимуществом использования острофокусных рентге­ новских трубок является возможность получения на экране увеличенного изображения объекта. Проекционное увеличение достигается расположением объекта па некотором расстоянии от экрана. За счет использования большой площади экрана возможно увеличение изображения по сравнению с размерами объекта в 3—6 раз.

Данные по чувствительности при просвечивании на мелко­ зернистый экран типа F (см. табл. 9.2) алюминиевых эталонов

3 4 0

■с отверстиями с использованием острофокусной рентгеновской трубки с диаметром фокуса 0,5—0,6 мм приведены в табл. 9.3.

Применение острофокусных рентгеновских трубок повышает чувствительность метода, но необходимость получения доста­ точной для просвечивания интенсивности рентгеновского излу­ чения с малой площадки на зеркале анода заставляет увеличи­ вать мощность рентгеновских аппаратов и, как следствие этого, требует усиленной системы охлаждения, что значительно услож­ няет и удорожает оборудование.

Т а б л и ц а 9.3

Улучшить выявляемость дефектов нельзя одним лишь повы­ шением разрешающей способности флуороскопических экранов. Важно повысить яркость свечения экранов, так как от яркости зависят острота зрения, или разрешающая способность глаза, и его контрастная чувствительность. Чем выше яркость изобра­ жения, тем выше разрешающая способность глаза при той же его контрастной чувствительности.

Просвечивание на экран деталей из сплавов на основе же­ леза, алюминия и магния толщиной 5—50 мм рентгеновским излучением £'эфф= 304120 кв показало, что яркость свечения экрана изменяется в диапазоне 10-4— 10 нт. В этом диапазоне яркости острота зрения значительно хуже, чем при просмотре

десятикратное улучшение остроты зрения. Таким образом, повы­ шение яркости изображения ведет к лучшей выявляемое™ дефектов. Однако при повышении яркости необходимо учиты­ вать контрастность изображения. Чем выше контрастность изображения, тем выше острота зрения и лучше выявляемость дефектов при той же яркости изображения.

Таким образом, при определенной разрешающей способности флуороскопического экрана для повышения чувствительности просвечивания изделий необходимо увеличить яркость изображе­ ния. Яркость свечения экрана зависит от дозы рентгеновского или у-излучения, поглощенной экраном, и увеличивается с по­ вышением напряжения и тока рентгеновской трубки (рис, 9.3)

241