лаб 6 / 6

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ЭПУ

отчет

по лабораторной работе №6

по дисциплине «Физика рентгеновского излучения»

Тема: Дефектоскопия с использованием

рентгенотелевизионной системы

Студент гр. 2202		Михеев Д. А.	.
		Николаев А. В.
Преподаватель		Грязнов А. Ю.

Санкт-Петербург

2024 г.

Цель работы – исследование характеристик рентгенотелевизионной системы и проведение дефектоскопии изделий.

6.1. Основные теоретические положения

Эффективность исследований изделий микроэлектроники, повышение их долговечности и надежности в значительной степени зависят от применяемых методов и средств технического контроля качества. Наибольшее применение для этих целей нашли физические методы неразрушающего контроля, основанные, в частности, на использовании рентгеновского излучения. Данные методы обеспечивают выявление и анализ внутренних и наружных дефектов материалов. На позитивном изображении включения более легкие, чем основной материал, выявляются в виде светлых участков на темном фоне, а более плотные – в виде темных участков на светлом фоне. Рассмотрим принцип метода рентгеновской дефектоскопии (рис. 6.1).

Излучение от источника рентгеновского излучения 1, пройдя через контролируемое изделие 2 толщиной D, попадает на детектор рентгеновского излучения 4. Пусть в изделии имеется дефект 3 толщиной d. Отношение интенсивности излучения I₃, прошедшего через дефектную часть, к интенсивности излучения, прошедшего через исправную часть изделия I₂, называется контрастностью изображения и определяется выражением

,

где µ₂ и µ₃ – линейные коэффициенты ослабления рентгеновского излучения материала изделия и дефекта соответственно. Линейный коэффициент ослабления зависит от длины волны излучения λ, атомного номера z и плотности вещества ρ. Если µ₃ > µ₂ (тяжелоатомное включение), то на рентгенограмме будет видно темное пятно на светлом фоне в месте дефекта. Если µ₃ < µ₂ (легкоатомное включение), то на рентгенограмме будет видно светлое пятно на темном фоне. Наиболее контрастные изображения будут при µ₂ 0. При этом K = exp (–µd).

Рис. 6.1. Принципиальная схема рентгеновской дефектоскопии

Реальная контрастность изображения определяется выражением

, (6.1)

где B_max и B_min – наибольшее и наименьшее значения яркостей изображения дефектной и исправной частей изделия.

Выраженная в процентах по отношению к толщине просвечиваемого изделия минимальная величина дефекта называется процентной чувствительностью m = (d_min / D)100 %. Основные факторы, влияющие на процентную чувствительность: интенсивность и жесткость излучения, размер фокусного пятна, влияние рассеянного излучения. Метод дефектоскопии считается тем чувствительнее, чем меньшие по размеру дефекты он позволяет обнаружить.

Чувствительность рентгенотелевизионной системы характеризуется разрешающей способностью и контрастной чувствительностью.

Разрешающая способность R определяется минимальным размером выделяемого дефекта в плоскости, перпендикулярной направлению просвечивания. Разрешающая способность связана с нерезкостью изображения выражением H = 1 / (2R).

Нерезкость H характеризует возможности способа рентгенографии воспроизводить на изображении острые края объекта съемки и количественно выражается в миллиметрах. Нерезкость вызывается различными причинами. Наиболее существенными из них являются: размер фокусного пятна рентгеновской трубки; соотношение расстояний между фокусным пятном, исследуемым объектом и приемником изображения; рассеивание квантов; движение объекта; форма и структура объекта.

Контрастная чувствительность – это выраженное в процентах отношение минимального ступенчатого приращения толщины материала объекта, которое можно заметить на изображении, ко всей толщине объекта. Контрастная чувствительность зависит от характеристик материала объекта, свойств преобразователя излучения, энергии излучения и т. д. Наилучшими условиями контроля деталей и изделий являются такие, которые позволяют получить наиболее высокую чувствительность при оптимальной производительности. Важным моментом является правильный выбор режима контроля: фокусного расстояния, расстояния от контролируемого объекта до приемника излучения, анодного напряжения и анодного тока рентгеновской трубки.

Уменьшение фокусного расстояния повышает яркость изображения, что улучшает выявляемость дефектов. Однако при уменьшении фокусного расстояния возможно ухудшение чувствительности метода вследствие роста геометрической нерезкости. Напряжение и ток рентгеновской трубки выбираются в зависимости от толщины и плотности материала контролируемого изделия. С увеличением толщины и плотности материала увеличивается поглощение в нем рентгеновского излучения, в результате чего ухудшается выявляемость дефектов.

Для сохранения яркости изображения, при которой обеспечивается наилучшая выявляемость дефектов, необходимо повысить мощность дозы излучения за просвечиваемым материалом. При выбранном фокусном расстоянии повышение мощности излучения осуществляется, в первую очередь, увеличением анодного тока трубки, а при максимально допустимом токе для применяемой рентгеновской трубки – повышением анодного напряжения. При небольших напряжениях на трубке с ростом напряжения процентная чувствительность метода улучшается благодаря повышению яркости изображения. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к ухудшению процентной чувствительности из-за ухудшения контраста изображения дефектов. С ростом толщины просвечиваемого материала напряжение повышается, а чувствительность ухудшается.

6.2. Описание лабораторной установки

Рис. 6.2. Рентгенотелевизионная система:

1 – камерный блок; 2 – сменный преобразователь; 3 – контролируемый объект; 4 – блок управления; 5 – рентгеновский аппарат

В лабораторной работе используется портативная система, предназначенная для проведения рентгеновского контроля (рис. 6.2). В качестве источника рентгеновского излучения в исследуемой системе применяется аппарат с плавно регулируемым анодным напряжением.

Обработка результатов

Формула для расчета контрастности: , I₃ – значение контрастности бездефектной части, I₂ – значение контрастности дефектной части.

Поиск интенсивности будем производить через значение яркости пикселя по программе:

Сначала проведем усреднение 5 изображений для каждого канала R, G, B. Для выполним суммирование значений R, G, B для каждого канала пикселя и поделим на сумму изображений:

, где i-номер пикселя, C_i-значения цвета в пикселе, N-количество изображений

Рис. 6.3. Усреднение 5 изображений

После сделаем выбор области (cтупеньки), где необходимо усреднить значение яркости, для этого найдем значение яркости для пикселя из формулы для каналов RGB и усредним все значения пикселей в этой области:

, где R, G, B – значения цвета пикселя для по каналам RGB

Рис. 6.4. Выбор областей изображения

Рис. 6.5. Просмотр яркости в области

Таблица 6.1 Итоговые значения контрастности:

U=45kV
Бездефектная часть		Дефектная часть		K
I, Вт/м^2	D, мм	I, Вт/м^2	D, мм
132	1.8	160	0.9	0.212
120	2.7	139	1.8	0.158
98	3.6	113	2.7	0.153
85	4.5	89	3.6	0.047
73	5.4	73	4.5	0.000
U=55kV
Бездефектная часть		Дефектная часть		K
I, Вт/м^2	D, мм	I, Вт/м^2	D, мм
146	1.8	171	0.9	0.171
138	2.7	160	1.8	0.159
122	3.6	137	2.7	0.123
107	4.5	118	3.6	0.103
93	5.4	102	4.5	0.097
U=65kV
Бездефектная часть		Дефектная часть		K
I, Вт/м^2	D, мм	I, Вт/м^2	D, мм
144	1.8	169	0.9	0.174
139	2.7	158	1.8	0.137
125	3.6	140	2.7	0.120
113	4.5	123	3.6	0.088
99	5.4	109	4.5	0.101

Рис. 6.6. График контрастности от толщины стуепенек

Вывод: Поглощаемое рентгеновское излучение увеличивается с увеличением толщины исследуемого объекта. При увеличении напряжения на аноде, контрастность исследуемого объекта в области большей толщины становится лучше – мы начинаем видеть дефект лучше. Напряжение на аноде рентгеновской трубки определяет энергию рентгеновских фотонов. При увеличении напряжения фотоны становятся более высокоэнергетическими. Высокоэнергетическое рентгеновское излучение обладает большей проникающей способностью и менее подвержено поглощению в материале объекта, чем низкоэнергетическое излучение.