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

тину исследуемого образца. Штриховой самописец давал раз­ вертку дефектограммы синхронно с механическим сканировани­ ем образца.

Электронная аппаратура установки по выбору позволяла осу­

режима не удалось найти удовлетворительного решения пробле­

Сцпнтиллографню от радиографии выгодно отличает высокая чувствительность ециптилляционного счетчика. Поэтому для

Разрешающая способность метода с использованием рассмат­ риваемой установки является функцией размеров апертуры кол­ лиматора, скорости сканирования, постоянной времени прибора п величины неоднородности образца. Разрешающую способность определяли с помощью проволочных эталонов — набора из де­ вяти проволок диаметром от 0,05 до 0,4 мм, наклеенных на сталь­ ную пластинку толщиной 6,35 мм. В этом эксперименте напря­ жение на трубке составляло 100 кв при токе 2 ма, коллиматор 1 мм, поперечная скорость подачи 0,25 см/мин. Для сопоставле­ ния выходной сигнал подавался на сцинтиллограмму и диа­ граммную ленту самописца. В первом случае удалось удовлет­ ворительно наблюдать проволоку диаметром 0,15 мм, тогда как на диаграммном самописце полезный сигнал для этого диамет­ ра был на уровне шума.

Разработанный метод и аппаратура совершенствуются в на­ правлении улучшения коллимационной техники и сокращения времени интегрирования; применения в качестве излучателей радиоактивных изотопов; использования кристаллических счет­ чиков с размещением их внутри полой трубки для исключения эффекта усреднения за счет поглощения обеими стенками; улуч­ шения конструкции самописцев.

Фирма De Wendel (Франция) [112, 113] применила разра­ ботанную Институтом исследований по черной металлургии ап­ паратуру для контроля качества горячего проката на заводах в Мойиври.

407

Граничная чувствительность, т. е. относительное увеличение в скорости счета от относительной величины наименьшего де­ фекта А///, оценивалась по формуле AN/N= 3a, где о — средне­ квадратическое отклонение.

Для достижения наибольшей чувствительности необходимо увеличивать интенсивность источника излучения. При скорости счета 10 000 импульс!сек и постоянной времени прибора 0,05 сек величина а достигает 3,2%, и для достижения теоретически воз­ можной выявляемое™ необходимо изменение в скорости счета на 10%. Кроме того, необходимо устанавливать минимальное расстояние между детектором и излучателем. При контроле го­ рячих слитков оно не могло быть меньше 180 см. Постоянную времени прибора необходимо подбирать таким образом, чтобы за этот интервал возможно было зарегистрировать дефект, пе­ ресекающий пучок излучения. При выявлении дефектов протя­ женностью около 10 см в слитках, перемещающихся со скоро­ стью 0,9— 1,5 м/сек, постоянная времени должна быть порядка

0,05—0,1 сек.

Лучевой размер дефекта однозначно можно определить по вышеприведенной формуле для граничной чувствительности при выявлении дефектов, длина которых такова, что время прохож­ дения его превышает постоянную времени электронной схемы и инерционность записывающего устройства, а ширина дефекта больше сечения пучка излучения,.

Проведенные во Франции исследования по чувствительно­ сти метода при выявлении дефектов призматической формы н при 'изменении толщины материала показывают, что чувстви­ тельность (пучок излучения квадратного сечения со стороной 50,8 мм) во втором случае в несколько раз выше, чем в первом

(табл. 10.1).

Дефектоскопическому контролю на рольганге завода было подвергнуто около 500 отливок (200X200 мм, 4,3 т каждая). Проконтролированные на этой аппаратуре отливки уже в охлаж-

Т а б л и ц а 10.1

Изменение скорости счета в зависимости от изменения толщины материала или наличия дефекта

408

денном состоянии для проверки подавались на ультразвуковые испытания. Проверка показала полную идентичность выявлен­ ных дефектов. Удалось установить взаимосвязь между высотой и протяженностью пиков на ленте самописца с формами и раз­ мерами существующих в отливках дефектов.

Известно, что на относительную скорость счета толщина от­ ливки не влияет, но она прямо пропорциональна лучевому раз­ меру п ширине дефекта. При скорости контроля 0,9 м/сек этот метод позволяет регистрировать пустоты сечением 1 см2 и шла­ ковые раковины сечением 1,6 см2.

2. Радиационная толщинометрия [15, 26, 114—116] &'

По принципу измерения и способам регистрации ионизирую­ щих излучений радиационную толщинометрию можно отнести к радиометрическим методам радиационной дефектоскопии, одна­ ко она отличается от последней по характеру решаемых ею за­ дач. Измерение толщины материалов и покрытий методами ра­ диационной толщинометрии основано на ослаблении ионизирую­ щих излучений или на отражении (обратном рассеянии) излуче­ ния материалами. В соответствии с этим существуют два метода измерения толщины материалов: метод поглощения и метод от­ ражения излучений.

Измерение толщины по ослаблению излучения. Схема изме­ рения толщины материалов по ослаблению излучения аналогич­ на схеме на рис. 9.1.

Прошедшее через измеряемый материал излучение содержит информацию о толщине и регистрируется детектором излучения. Электрический сигнал, пропорциональный интенсивности про­ шедшего излучения, с выхода детектора излучения поступает через усилитель на измерительный прибор, шкала которого гра­ дуирована в единицах толщины измеряемого материала. Та­ ким образом, показание измерительного прибора М является функцией прошедшего излучения M= KL где К — коэффициент пропорциональности между интенсивностью 'излучения 1, регист­ рируемого детектором, и показанием измерительного прибора.

Чувствительность системы. Чувствительность S системы из­ мерения толщины / определяется как отношение изменения по­ казаний прибора ДМ к изменению толщины А1 и выражается

где /о — интенсивность излучения, падающего на детектор в от­ сутствие поглотителя, и.— линейный коэффициент ослабле­ ния.

Наивысшая чувствительность достигается при максимальных значениях цМ, однако чувствительность ограничивается погреш-

409

иостыо показаний измерительного прибора, погрешностью, вно­ симой электронной схемой регистрации, и статистическими флук­ туациями излучения, которые регистрируются детектором излулучення, а следовательно, и измерительным прибором.

Статистическая погрешность измерения. Флуктуации, возни­ кающие при ослаблении и регистрации ионизирующего излуче­ ния. приводят к тому, что сигнал на выходе детектора излуче­ ния непрерывно колеблется около среднего значения. Такое от­ клонение выходного сигнала от его среднего значения характе­ ризуется среднеквадратическим отклонением сигнала аМ, п его' можно рассматривать как фактическое изменение чувствительно­ сти детектора. Вследствие этого измеряемую толщину / опреде­ ляют с некоторой статистической погрешностью al\

Относительная статистическая погрешность измерения толщи­ ны вследствие флуктуаций ионизирующего излучения равна

Как следует из этого равенства, для уменьшения статистиче­ ской погрешности необходимо увеличивать интенсивность излу­ чения / о, активность или мощность источника излучения, время измерения / н эффективность регистрации излучения детекто­ ром

Погрешность измерительной аппаратуры может быть об­ условлена наличием шумов в электронной схеме, инерционно­ стью измерительного прибора и, наконец, неточностью считы­ вания показаний измерительного прибора. Вследствие аппара­ турной погрешности показание М измерительного прибора будет определяться с некоторой погрешностью ДМ, что приведет к из­ мерению толщины материала с погрешностью ДI. Относитель­ ная аппаратурная погрешность измерения толщины материала аналогична относительной статистической погрешности и равна

Аппаратурная погрешность уменьшается с увеличением ин­ тенсивности излучения / о (активности пли мощности источника) и коэффициента пропорциональности К между показанием из­ мерительного прибора и интенсивностью излучения. Выбор па­ раметров для достижения наивысшей точности измерения осно­

. 2

погрешность становится минимальной при толщине / = — , а ап-

и

4 1 0

паратурная погрешность достигает минимального значения при

толщине /= — , то оптимальный выбор параметров требует не-

[J.

которого компромисса.

Эталонный метод измерения толщины. Для измерения толщи­ ны материалов и изделий с помощью эталонов необходимо иметь набор эталонов различной толщины, изготовленных из того же материала, что и измеряемый образец. Толщину эталонов пол-

з

Рис. 10.9. Дифференциальная схема измерения толщины:

/ — и с т о ч н и к и з л у ч е н и я с з а ш и т о й ; 2 — к о н т р о л и р у е м ы й м а т е р и а л : 3 — д е т е к т о р ы и з л у ч е н и я ; 4 — у с и л и т е л ь ; 5 — р е г и с т р и р у ю щ и й п р и ­ б о р ; 6 — п о г л о щ а ю щ и й к л и н .

бирают таким образом, чтобы показания регистрирующего при­ бора, соответствующие просвечиванию измеряемого образца и эталонов, были равны. При этом измеряемая толщина образца оказывается равной известной толщине эталонов, а точность из­ мерения зависит от точности изготовления эталонов.

Дифференциальный метод измерения толщины. В практике часто возникает потребность не в абсолютном измерении толщи­ ны материала, а лишь в контроле отклонения толщины от за­ данной. В этом случае удобно применять дифференциальный ме­ тод измерения толщины. Схема установки с дифференциальным включением двух детекторов излучения показана на рис. 10.9. Один детектор регистрирует излучение, прошедшее через изме­ ряемый материал, а другой — излучение от того же источни­ ка, прошедшее через поглощающий клин. Дифференциальная схема включения детекторов излучения позволяет выделить раз­ ность сигналов обоих детекторов. Установку настраивают без измеряемого материала при полностью выведенном клине, регу­ лируя режим работы детекторов таким образом, чтобы сигнал на выходе был равен нулю. Для определения отклонения тол­ щины материала от заданной поглощающий клин устанавли­ вают в положение, при котором ослабление излучения в клине и в контролируемом материале заданной толщины одинаково.

411

При этом, если контролируемый материал имеет заданную тол­ щину, сигнал на регистрирующем приборе отсутствует. В слу­ чае отклонения толщины материала от заданной на выходе схе­ мы появляется сигнал рассогласования положительной или от­ рицательной полярности. Величина сигнала пропорциональна ве­ личине отклонения толщины материала от заданного значения, а его полярность указывает направление изменения толщины — уменьшение или увеличение.

Рис. 10.10. Балансным метод измерения толщины:

сационную) схему измерения толщины материалов наиболее ча­ сто применяют при использовании в качестве источников излу­ чения радиоактивных изотопов.

Схема балансной установки для измерения толщины изобра­ жена на рис. J0.10. Установка содержит источники излучения — рабочий и компенсационный, и два детектора излучения, вклю­ ченных по мостовой схеме. Рабочий и компенсационный источни­ ки изготовляют из одного и того же радиоактивного изотопа, а срок их годности определяется требуемой точностью измерения.

Измерение толщины производится путем сравнения (вычита­ ния) сигналов детекторов, вызванных поступившими на них по­ токами излучения соответственно от рабочего и компенсацион­ ного источников.

Описанный метод измерения толщины материала позволяет компенсировать изменение активности рабочего источника со временем, обусловленное радиоактивным распадом.

Измерение толщины по отражению излучения. В практике часто возникает необходимость измерить толщину изделия или материала при одностороннем доступе к ним. В этом случае применяют метод измерения толщины материалов, основанный

421

измеряемого материала, что и детектор излучения. В том случае, когда регистрация отраженного излучения возможна на фоне прямого излучения источника, защита детектора от прямого из­ лучения не обязательна. Толщина отражающего материала при которой сигнал детектора достигает максимального значе­ ния, является максимально доступной для измерения данным

м а т е р и а л а

3 — д е т е к т о р и з л у ч е н и я ; -/— у с и л и т е л ь ; 5 — р е г и с т р и р у ю щ и й п р и б о р .

методом. Интенсивность излучения, отраженного под утлом 180°, возрастает с увеличением толщины отражающего материала и достигает насыщения при толщине /„.

Измерение толщины покрытий. Возможность бесконтактного метода измерения толщины материалов при одностороннем до­ ступе к ним по отраженному излучению особенно широко при­ меняют для измерения толщины покрытия.

Как правило, толщина покрытия во много раз меньше тол­ щины самого изделия (подложки), поэтому излучение отража­ ется не только материалом покрывающего слоя, но и материа­ лом изделия. Интенсивность отраженного излучения пропорцио­ нальна Zn (Z ■— атомный номер отражающего материала, а п — показатель степени, определяемый экспериментально). При из­ мерении толщины покрытия величина выходного сигнала детек­ тора зависит от отношения атомных номеров материала покры­

На рпс. 10.12,о приведен пример измерения толщины легко­ го покрытия на тяжелой подложке (лак на металле, Z t< Z 2) ме­ тодом отраженного излучения. Пунктирные линии 1 и 2 изобра­

зывалось влияние подложки, ее толщина должна быть равна или больше толщины насыщения /п. В этом случае при нулевой толщине покрытия сигнал детектора будет максимальным. Из-

413

мененпе величины сигнала детектора, обусловленное покрытием, показано сплошной кривой. При возрастании толщины покры­ тия от нуля до толщины насыщения в материале покрытия сиг­ нал детектора уменьшается от максимального значения до ве­ личины, соответствующей насыщению отраженного излучения в материале покрытия (от кривой 2 до кривой 1).

Если атомный номер материала покрытия Z, больше атом­ ного номера материала подложки Z2, то в этом случае кривая 1

Рис. 10.12. Измерение толщины лакового покрытия на металле (а) и оловян­ ного покрытия на жести ( б) .

лежит выше кривой 2 (см. рис. 10.12,6). При изменении тол­ щины покрытия от 0 до толщины насыщения сигнал детектора увеличивается от величины, соответствующей максимальному отражению от материала подложки, до величины, соответствую­ щей максимальному отражению от материала покрытия — сплошная кривая.

Погрешность метода отражения. Погрешность измерения толщины покрытия методом отраженного излучения, так же как и при измерениях толщины по ослаблению излучения, опреде­ ляется статистическими и аппаратурными погрешностями, ко­ торые находятся по уравнениям соответственно:

a l

Т

где Zj и Z2 — атомный номер материала покрытия и подложки соответственно; / — измеряемая толщина покрытия; рр — эффек-

4 1 4

тнвный коэффициент отражения (примерно в 2—3 раза больше

время измерения; g — эффективность регистрации излучения де­ тектором; К — коэффициент пропорциональности между интен­ сивностью излучения, регистрируемого детектором, и показа­ нием регистрирующего прибора.

Для более точного измерения толщины покрытия необходи­ мо, чтобы атомные номера материалов покрытия и подложки от­ личались друг от друга на несколько единиц (не менее 3—4). Обычно чувствительность и точность измерения методом отра­ жения хуже, чем методом ослабления.

Источник излучения. В толщинометрии применяют источники у- и (3-излучения. Вид излучения источника и его энергию вы­ бирают в зависимости от измеряемой толщины и плотности ма­ териала.

Активность источника определяется допустимой погрешно­ стью измерения. В табл. 4.4 даны основные изотопы, из кото­ рых изготовляют радиоактивные источники.

Энергия излучения определяется измеряемой толщиной и плотностью материала. Для измерения толщины / с минималь­

нейный коэффициент ослабления р зависит в основном от энер­ гии излучения и в меньшей мере от других факторов, например геометрии детектора, материала контейнера источника. Погло­ щение у-излучения происходит фактически в случае геометрии широкого пучка. Однако при измерении толщины отклонения от геометрии узкого пучка невелики, и можно использовать ко­

Выбор источников (3-излучения более сложен, так как ослаб­ ление [3-излучения не является экспоненциальным. Однако при непрерывном спектре |3-излучения его поглощение грубо можно считать экспоненциальным. Для предварительной оценки ли­ нейного коэффициента ослабления р можно применять эмпири­ ческое соотношение

р — 1 t р Д м а к с )

где р — плотность материала; £ макс — максимальная энергия (3-электронов спектра, Мэе.

415