Вместе с тем эффективность регистрации поверхностно-барьерными детекторами остается небольшой из-за малой толщины слоя, где излучение взаимодействует, она гораздо больше у диффузионно-дрейфовых детекторов, где толщина обедненного носителями зарядов i-слоя составляет 1—10 мм. При такой толщине чувствительной области импульс электрического тока линейно зависит от энергии излучения для широкого спектра излучений (0,05—15 МэВ). Германиевые детекторы, предназначены для прецизионной спектроскопии рентгеновского и Y-излучения. Они успешно применяются для рентгено-флуоресцентного анализа. Изготавливают дрейфовые полупроводниковые детекторы планарной конструкции (р- и п-слои располагают на торцах цилиндрического кристалла) и коаксиальной конструкции (р-слой располагается на наружной поверхности цилиндра, а я-слой на оси цилиндра). Чтобы снизить собственные шумы детектора и повысить чувствительность, его охлаждают до температуры жидкого азота, а ли- тиево-дрейфовые полупроводниковые детекторы постоянно хранят при температуре жидкого азота. Дрейфовые детекторы также могут группироваться парами.

Преимуществами полупроводниковых диффузионно-дрейфовых" детекторов являются: относительно высокая эффективность регистрации различных излучений (около 1%), большая энергетическая разрешающая способность (3,5 кэВ для детекторов типа ДГД-11, ДГД-12, ДНДПК-23 и ДНДПК-24), высокое быстродействие (минимальное время нарастания импульса тока 0,5 мкс).

В целом полупроводниковые приборы являются удобными и перспективыми преобразователями ионизирующих излучений в электрический сигнал, особенно когда необходимо измерять два параметра: интенсивность и энергию квантов излучения.

Фотоэлектронные умножители, ионные и полупроводниковые приборы получили наибольшее применение в практике радиационного контроля качества при реализации радиометрических методов в толщинометрии, контроле физико-химических свойств и изредка в дефектоскопии. Вместе с тем в тех случаях, когда индикаторы ионизирующих излучений по каким-либо причинам (вследствие низкой эффективности регистрации излучений с большой энергией квантов или малой чувствительности) не могут быть использованы тогда одноточечные первичные измерительные преобразователи в сочетании со сканирующей системой и системой двумерной индикации дают возможность получить пространственные распределения интенсивности и спектрального состава ионизирующего излучения. В этом смысле первичные измерительные преобразователи обладают универсальными свойствами, проще в изготовлении и имеют более высокие метрологические характеристики, хотя и за счет меньшей скорости получения информации (последовательный анализ).

6.7.Дефектоскопия и контроль внутреннего строения

Выявление внутреннего строения контролируемых объектов и наличия в нем дефектов производится путем анализа прошедшего излучения и чаще всего с использованием преобразователей излучения в видимое изображение. Для этого используют: фотопленку коеропластину, флуороскопические экраны, сцинтилляторы и рент геновидиконы. Наибольшее применение имеет фотопленка, как простой, доступный и надежный преобразователь излучения.

Обобщенная схема радиационного контроля качества по прошедшему излучению приведена на рис. 6.15.

Источник излучения ИИ создает поток энергии соответствующего вида излучения. Чтобы излучение шло только в область, где располагается контролируемый объект КО, источник излучения И помещен в защитный контейнер ЗК, который, кроме того, снижает загрязнение излучением окружающей среды. Для того чтобы контролируемый объект облучался только в течение определенного времени, необходимого для контро-

145

ля, на пути излучения установлен затвор 3, управляемый оператором и определяющий время экспозиции t3, с учетом интенсивности прошедшего излучения, измеряемой экспонометром ЭКС. Излучение источника И может содержать компоненты излучений различных видов или спектрального состава, в связи с чем на пути устанавливается фильтр Ф, пропускающий только необходимую часть излучения. Фильтр Ф выполняется чаще всего в виде пластин определенной толщины из материала, хорошо поглощающего мешающую часть излучения. Помимо того, в состав фильтра может входить коллиматор — специальный элемент значительной толщины, часто в виде плиты со сходящимися коническими отверстиями. Коллиматор улучшает конфигурацию поперечного сечения выходящего потока излучения, например, за счет сильного поглощения лучей, выходящих от частей источника, удаленных от его центра, уменьшает эффективные размеры источника, что увеличивает четкость радиационного изображения и повышает разрешающую способность контроля. В контакте с контролируемым объектом находятся: компенсатор КМ, эталоны чувствительности ЭЧ и маркировочные знаки МЗ.

Компенсатор (выравниватель) КМ обычно изготавливают из материала, близкого по составу к материалу КО, но для создания компенсатора могут быть использованы пасты, сыпучие материалы (песок, дробь и т. д.) и жидкости (вода, масло) [1, 2]. Назначение компенсатора КМ — дополнить контролируемый объект с номинальными параметрами до системы, имеющей равные значения толщины в направлении распространения излучения. Кроме того, компенсатор КМ может так же, как и фильтр Ф, устранять нежелательную часть излучения источника ИИ. Компенсатор КМ позволяет получить одинаково четкое изображение или соизмеримые величины сигналов от тонких и толстых частей контролируемого1 объекта.•/

Эталоны чувствительности ЭЧ устанавливают в месте контролируемого объекта, где условия контроля наихудшие (обычно на краях), а появление дефектов маловероятно или не так опасно. Они необходимы для того, чтобы убедиться в достоверности результатов и оценить качество изображения. В зависимости от состава материалов контролируемого объекта используют эталоны чувствительности, изготовленные из сплава на основании железа, алюминия, титана и др., подбирая при неразрушающем контроле наиболее близкий по физическим свойствам эталон. Существует несколько видов эталонов, отличающихся по конструкции. В СССР стандартизованы пластинчатые эталоны с канавками и проволочные, они же имеют наибольшее распространение и в других странах. Чувствительность с помощью эталонов определяется расчетным путем в процентах для конкретных условий контроля.

Маркировочные знаки МЗ служат для удобства анализа, хранения данных и результатов неразрушающего контроля (нумерация снимков, указание особенностей изделия и т. д.). Они помещаются в поле зрения первичного измерительного преобразователя П или индикатора ИН в месте, не занятом изображением контролируемого объекта, или в области, где маловероятно появление дефектов или их наличие неопасно.

Индикатор ИН излучения трансформирует величины, характеризующие поле прошедшего излучения, в видимое изображение, которое изучает и оценивает оператор,

146

или в электрические сигналы, которые анализируются в блоках вторичной обработки информации ВО.

Для защиты оператора и окружающей среды от ионизирующего излучения вся установка, где имеется ионизирующее излучение, защищается стенкой биологической защиты БЗ из свинца, стали, бетона, водосодержащих материалов, кирпичной кладки или другого плотного материала без щелей.

Проведение радиационного контроля качества возможно с применением универсальной или специализированной аппаратуры, причем основным вопросом в обоих случаях является получение изображения достаточной яркости, контрастности и четкости. В силу наибольшей применимости, а также для иллюстрации будем считать, что в качестве преобразователя радиационного изображения в видимое используется фотопленка, а особенности, которые надо учитывать при работе с другими преобразователями, будут отмечаться особо ниже.

При использовании универсальной аппаратуры процесс неразрушающего контроля состоит из следующих операций:

1. Выбор источника излучения и индикатора (первичного измерительного преобразователя) радиационного изображения с учетом размеров и свойств контролируемого объекта.

2. Выбор условий просвечивания, в том числе расположения блоков аппаратуры и времени экспозиции.

3.Размещение и подготовка контролируемого объекта для проведения контроля, установка вспомогательных приспособлений (эталоны, компенсаторы, маркировочные знаки).

4.Экспозиция, т. е. просвечивание в течение определенного времени контролируемого объекта с воздействием излучения на индикатор.

5.Обработка индикатора (фотопленки, ксеропластины или др.) для получения видимого изображения.

6.Расшифровка результатов радиационного неразрушающего контроля и их документирование.

При использовании специализированной аппаратуры радиационного контроля качества перечисленные операции выполняются частично или производятся автоматически, что существенно повышает производительность труда и снижает вероятность ошибок при проведении неразрушающего контроля.

Выбор источника излучения обусловлен материалом и толщиной полуфабриката или изделия, а также используемым индикатором излучения. Характерные области применения некоторых источников излучения, имеющие наибольшее распространение, указаны в табл. 6.12.

147

Для каждого материала и источника излучения существует предельная толщина просвечивания и рекомендуемый режим просвечивания. Чем больше толщина контролируемого объекта, тем более жесткое излучение (с большей энергией квантов) надо использовать. Часто для сравнения говорят о предельной толщине просвечивания «по стали», что объясняется широким применением сплавов железа в качестве конструкционного материала и легкостью определения по этому значению предельных толщин для полуфабрикатов из других материалов. При организации радиационного контроля качества должен учитываться и экономический фактор, в частности сравнительно низкая стоимость радиоизотопных источников. Получающие все большее применение во всех отраслях промышленности пластмассы, синтетические и композиционные материалы обычно имеют малый линейный коэффициент ослабления ц. Для увеличения эффективности взаимодействия при их контроле используют низкоэнергетические излучения.

Выбор преобразователя радиационного изображения в видимое определяется, в

основном, общими требованиями к неразрушающему контролю.

148

Если необходимо получить документальные результаты и хранить их, используя фотопленку или ксеропластину. Фотопленка дает максимальную разрешающую способность по размерам дефектов и возможности различения полутонов. Для проведения оперативного радиационного контроля качества применяют флуороско-пические экраны, сцинтилляторы и телевизионные установки. Последние особенно удобны при автоматизации контроля и обработке их результатов на ЭВМ.

Условия просвечивания выбирают так, чтобы получить видимое изображение необходимого качества и требуемую дефектоскопическою чувствительность. Выбор условий неразрушающего контроля производят с помощью таблиц и графиков, составленных для рентгеновских, радиоизотопных источников или бетатронов, по известным свойствам материала контролируемого объекта и его толщине.

Рис. 6.16. Радиационный контроль литых объектов: а, б-изделий с углами; в -д — изделий в виде трубы; е-сложного литого изделия (1-источник излучения, 2- контролируемый объект, 3 — индикатор)

Типичные варианты взаимного расположения источника излучения преобразо-

вателя, компенсатора и контролируемого объекта при обследовании литых, слоистых и сварных объектов показаны на рис. 6.16—6.18. Размещение вспомогательных приспособлении производится в соответствии с конфигурацией, особенностями строения контролируемого объекта и степенью опасности появления дефектов на его участках.

Экспозиция и обработка фотопленки или ксеропластины производится по номограммам в соответствии с выбранными условиями и технологическими рекомендациями для них. В качестве примера на рис. 6.19 приведена номограмма при радиационном контроле качества с помощью рентгеновской трубки, а на рис. 6.20 — с помощью радиоизотопного источника.

Расшифровка результатов неразрушающего контроля состоит в установлении причин, вызвавших те или иные изменения на индикаторе. Для просмотра фотопленок используют негатоскопы - устройства, создающие равномерную освещенность по экрану и позволяющие изучать фотопленку на просвет. Ксероизображения рассматривают при равномерном освещении лампой молочного цвета. Прежде всего оценивается качество изображения в целом/и отбрасываются дефекты самой пленки: полосы, проходящие через негатив, круглые пятна различных размеров, отпечатки от посторонних предметов (пальцы оператора, царапины, следы от других известных предметов) и т. п. Снимок считается качественным, «ели на нем четко видны все элементы контролируемого объекта, отличающиеся по толщине или по материалу (металл и пластмасса, разные сплавы и др.), видны маркировочные знаки и эталоны, нет грубых пороков на индикаторе, мешающих расшифровке.

149

Рис. 6.17. Радиационный контроль качества сварных конструкций:а — встык, б — внахлест; в — е — сварка торцов под разными углами; ж — двух труб встык; э — двух труб при косом расположении источника; и — просвечивание сварных труб изнутри (1— источник излучения, 2 — сваренные детали, 3 — индикатор)

При изучении изображения могут возникнуть сомнения в прохождении того или иного элемента на фотопленке (дефект индикатора пленки или дефект контролируемого объекта). Если пороки индикатора располагаются в местах изображения объекта, где можно предполагать наличие дефектов, или в ответственных местах, которые будут испытывать при работе большие нагрузки, необходимо сделать повторную экспозицию этого же объекта.

Рис. 6.18. Радиационный контроль объектов сложной формы с применением компенсаторов: а — дополняющего изделие до постоянной толщины; б —лист; в, г — насыпной материал; д — жидкость; е — гибкий материал (I— источник излучения. 2 — контролируемый объект, 3 — компенсатор, 4 — индикатор, 5 — вспомогательное оборудование)

Для повышения достоверности неразрушающего контроля часто в одну кассету закладывают две фотопленки, сравнивают и выясняют, случайно появился тот или иной элемент изображения. Оценка правильности проведения радиационного контроля качества производится шгеталонам чувствительности, для чего определяется дефектоскопическая чувствительность SA как наименьший размер выявляемого элемента (Ьэ—

150

наименьший диаметр проволоки или глубины канавки эталона), различимого на изображении объекта в направлении просвечивания, выраженный в процентах от толщины контролируемого объекта Ь:

Окончательное заключение о годности контролируемого объекта, его материала или элементов выносится в соответствии с браковочными признаками и с техническими условиями на данный полуфабрикат или изделие.

В наиболее сложном варианте радиационного контроля качества с помощью радиоизотопного источника интенсивность излучения, прошедшего сквозь объект в виде листа, может быть записана в виде

Яркость изображения на индикаторе определяется интенсивностью прошедшего сквозь лист излучения. Как следует из этого выражения, для получения изображения достаточной яркости при большой толщине изделия необходимо выбирать источник с большим радиационным выходом /0 и с энергией фотонов или частиц, соответствующей минимальному значению линейного коэффициента поглощения, а радиоизотопный источник — использовать как можно быстрее, пока его активность имеет достаточно большое значение. Наилучшие результаты при неразрушающем контроле дает применение монохроматических источников излучения с оптимальной энергией квантов.

Излучение с энергией фотонов или частиц, больше оптимальной, меньше поглощается материалом изделия и создает засветку индикатора, но дает контрастные изображения, а излучение с малой энергией фотонов или частиц может быть почти полностью поглощено изделием. Поэтому выбирают излучение с оптимальной или минимальной возможной энергией фотонов или частиц, а интенсивность излучения задают такой, чтобы получить необходимую яркость изображения. Расстояние между источником излучения и контролируемым объектом, называемое часто фокусным расстоянием, выбирают исходя из необходимой интенсивности с учетом допустимой величины ее уменьшения на краях изображения, которое, как нетрудно видеть, изменяется приблизительно по закону:

Если удовлетворить оба требования не удается, необходимо взять более мощный источник излучения (с большим током рентгеновской трубки, большой активностью и т. д.) или увеличить время экспозиции. При использовании фотопленки или ксеропластины можно получить яркое и контрастное изображение, увеличивая поглощенную

151

дозу излучения, которая растет по экспоненциальному закону при увеличении толщины и обратно пропорциональна интенсивности источника, что затрудняет просвечивание толстых изделий и полуфабрикатов. Для снижения времени экспозиции используют экраны — передний (обычно металлический) и задний (чаще флуоресцентный). Фокусное расстояние Rвыбирается из компромиссных условий. При его увеличении улучшается качество изображения контролируемого объекта, поскольку снижается нерезкость изображения и меньше расходятся лучи от источника (центральная проекция). Но увеличение расстояния R ведет к необходимости также увеличивать радиационный выход источника (что ухудшает условия работы персонала), время экспозиции или интенсивность излучения источника (что снижает производительность труда).

Если излучение проходит через дефектную область с коэффициентом линейного поглощения ця и с размером х в направлении распространения излучения, интенсивность излучения будет равна:

Контрастность изображения дефекта, равная отношению интенсивностей излучения в дефектном и бездефектном месте, составит

Таким образом, контрастность получаемого изображения при правильном выборе условий проведения радиационного контроля качества зависит только от разницы линейных коэффициентов поглощения материала контролируемого объекта и вещества дефекта, а также от размера дефекта в направлении просвечивания.

Резкость получаемого изображения в основном определяется: размерами фокусного пятна источника излучения, разрешающей способностью преобразователя изображения и относительными механическими перемещениями источника контролируемого объекта и индикатора.

Нерезкость изображения за счет конечных размеров фокусного пятна источника излучения можно приблизительно найти, воспользовавшись геометрическими построениями (рис. 6.21). Считая контролируемый объект, индикатор ИН инерезкости-

направление Fif2, в котором размыто фокусное пятно, параллельными, что является наихудшим случа- ЛлтнЛаОЛО)2-Иконтро*?руем°ыЯ ем, из подобия AFlF2xlи Аах полу-

чим:объект, з- индикатор

FiF->/a,a, = 1,/h.

Рис. 6.21. Схема образо-,~ , , „,г вания геометрической Изображение на индикаторе из-за расхождения лучей будет увеличенным, а коэф-

фициент увеличения равен:

Из подобия AFi*iX2 и AFia3a.2 следует:

Выразив отношение /г/А через Куви подставив его, получим величину зоны размытого изображения:/

152