2 Прохождения рентгеновских лучей через ок
Радиометрия основана на измерении одного или нескольких параметров ионизирующего излучения после его взаимодействия с объектом контроля. В радиометрии различают дефектоскопию и толщинометрию.
В основном при радиометрическом контроле используют радиоактивные источники, рентгеновские аппараты и бетатроны. В качестве детекторов применяют ионизационные камеры, полупроводниковые и сцинтилляционные детекторы. Радиометрический контроль может быть основан на измерении параметров излучения, прошедшего объект контроля (см. рис. 1) и рассеянного.
Рис. 1. Схема радиометрического контроля:
1 – источник излучения; 2 – коллиматоры; 3 – контролируемый объект; 4 – направление перемещения; 5 – сцинтилляционный кристалл; 6 – фотоэлектронный умножитель; 7 – усилитель; 8 – регистрирующий прибор.
В зависимости от выходного сигнала детектор может быть аналоговым и дискретным. При использовании дискретного детектора определяется число импульсов, при использовании аналогового детектора – суммарный сигнал.
Источниками рентгеновского излучения в промышленности служат ускорители электронов (рентгеновские аппараты, микротроны, бетатроны, линейные ускорители и т. п.).
Рентгеновским аппаратом называют совокупность технических средств, предназначенных для получения и использования рентгеновского излучения. Основные блоки рентгеновского аппарата: рентгеновский излучатель, рентгеновское питающее устройство, устройства для приема рентгеновских лучей и дополнительные устройства и принадлежности.
Рентгеновский излучатель представляет собой рентгеновскую трубку (электронный вакуумный прибор-баллон с запаянными в него электродами: катодом и анодом, заключенную в защитный кожух) (см. рис. 2).
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
Рис. 2. Схема конструкции рентгеновской трубки:
1 – нить накала; 2 – катод; 3, 5 – фокусирующие электроды; 4 – фокусирующие катушки; 6 – мишень; 7 – анод; 8 – колба; 9 – охлаждающие трубки; 10 – выходное окно.
Подробней рассмотрим применяемый в данной работе сцинтилляционный детектор. Сцинтилляционные (от лат. Scintillation – мерцание) – радиолюминесцентные детекторы, в которых используется сцинтиллирующее вещество, испускающее фотоны света под действием ионизирующего излучения. Детектор оптически связан непосредственно или через световод с фоточувствительным устройством – фотоэлектронным умножителем.
3 Прохождения излучения через аномальную область
Контрабанда может закладываться внутри материала строительных полуфабрикатов. Для этого в указанных объектах изготовляются пустоты, куда и закладываются предметы контрабанды, а затем место вложения соответствующим образом заделывается. Если физические свойства вложения отличаются от физических свойств материала полуфабриката, то такая аномалия будет надёжно выявляться (см. рис. 3).
Рис. 3. Схема проведения контроля
1 – монолит полуфабриката, 2 – вложение, 3 – излучатель, 4 – приемник.
Для количественного описания процесса поглощения вводят понятие линейного коэффициента ослабления рентгеновских лучей. Интенсивность рентгеновского пучка после прохождения слоя вещества толщиной х уменьшается до величины I:
I = I0 · e-μ·x, (1)
где: I0 – интенсивность исходного пучка; μ – линейный коэффициент ослабления.
Если излучение проходит через аномальную область (место заложения сокрытия) с коэффициентом линейного поглощения μа и размером x в направлении распространения излучения, интенсивность излучения будет равна:
Iа = I0 ·(R0 /R)2· , (2)
где: I0 – интенсивность излучения, создаваемая источником; R0 – фокусное расстояние; R – расстояние от фокусного пятна до края аномальной области; h – толщина контролируемого объекта; ε – толщина аномалии.
Рассмотрим связь между входными параметрами схем регистрации и параметрами ОК. Пусть источник создаёт на входе ОК плотность потока фотонов φпо, который перпендикулярен плоскости ОК. Радиационный дефектоскоп имеет коллиматор с прямоугольным окном размерами d (высота) и b (ширина). ОК, выполненный из материала с коэффициентом μ линейного ослабления излучения источника и имеющий внутреннюю полость в виде куба размером ε << h, где h – толщина ОК, перемещается со скоростью ν относительно коллиматора. Тогда средняя скорость счёта регистрируемых импульсов:
υ0 · [( μ · ε3)/(d · b) + 1] при 0 ≤ t ≤ d/ ν,
υ= (3)
υ0 при других t,
где: υ0 – эффективное число статистических импульсов при сканировании участков без аномалий ОК при условии, что вклад рассеянного ОК излучения в сигнал сведён к минимуму; QD – обобщённый квантовый выход детектирующей системы.
υ0 = QD · φпо· Ak . (4)
При поступлении нормированных импульсов с частотой υ на интегрирующую ячейку сигнал на ней напряжение u(t) описывается соотношением:
u0 · {[( μ · ε3)/(d · b)] · (1 – e-t/τ) + 1} при 0 ≤ t ≤ d/ν,
u(t)= (5)
u0 · {[( μ · ε3)/(d · b)] · (1 – e-t/τ) · e-(t-d/τ)/τ + 1} при t > d/ν.
Пусть ρN – случайные величины с нулевым среднем, т. к. аномалии вносят незначительные возмущения в регистрируемый поток.
ρN = N - N0 / N0, ρu = (u – u0) / u0. (6)
Если N0 или u0 – средние величины на участках, не содержащих аномалий, то σ(ρN) = δN, а σ(ρu) = δu. В дальнейшем предполагается, что аппаратурная погрешность не превышает статистическую и σр = σа.
Для счётных схем регистрации при времени накопления сигнала t = d / ν отношение сигнал/шум:
q = Δυ /σN = ρN /σ(ρN) = μ·Vа ·k, (7)
где: Vа = ε3 – объём аномалии; Π = b· ν – производительность контроля по площади; k = 0,5…1 – коэффициент, учитывающий, что в момент окончания и начала отсчёта в канал регистрации поступает информация не от всей аномалии.
Критерием выявляемости аномалии считается условие q ≥ К (где, например, К = 3), тогда (7) c учетом (4):
K = μ·Vа ·k (8)
где: Ak = d ∙ b – площадь коллиматора.
Преобразуем (8) для токовых схем регистрации при τ = 0,8∙ d / ν и t = d / ν:
Vа ≥ (9)
Оценим объем Vа аномалий, которые можно выявить, а алюминиевом объекте контроля (ОК) с помощью радиометрического дефектоскопа, работающего в токовом режиме при помощи дозы излучения в зоне преобразователя 400 мкР/с, его квантовой эффективности QD = 0,8, энергии рентгеновских фотонов Е = 100 кэВ, размере коллиматора b, скорости контроля ν.
Для фотонов с энергией Е = 100 кэВ для ОК из алюминия μ = 0,5 см-1, а мощности дозы излучения 400 мкР/с соответствует φп = 4·104 фотонов/(мм2·с).
В работе требуется установить зависимости: Vа = f(ν), (b = const); Vа = f(b), (ν = const). Исходные данные для проведения расчётов приведены в таблицах 3, 4.
Таблица 3
Ширина коллиматора b, мм |
Скорость перемещения ОК относительно коллиматора v, мм/с | ||||
4 |
115 |
120 |
125 |
130 |
135 |
Таблица 4
Скорость перемещения ОК относительно коллиматора v, мм/с |
Ширина коллиматора b, мм | ||||
125 |
3 |
3,5 |
4 |
4,5 |
5 |
Произведём расчёт для первого случая, когда ширина коллиматора b неизменна, скорость перемещения ОК относительно коллиматора v варьируется.
Производительность контроля по площади:
Π = b[мм]· ν[мм/с] = [мм2/с].
Π1 = b· ν1 = 4· 115 = 460 [мм2/с].
Π2 = b· ν2 = 4· 120 = 480 [мм2/с].
Π3 = b· ν3 = 4· 125 = 500 [мм2/с].
Π4 = b· ν4 = 4· 130 = 520 [мм2/с].
Π5 = b· ν5 = 4· 115 = 540 [мм2/с].
Во втором случае неизменна скорость перемещения ОК относительно коллиматора v, а ширина коллиматора b варьируется.
Производительность контроля по площади:
Π1 = b1· ν = 3· 125 = 375 [мм2/с].
Π2 = b2· ν = 3,5· 125 = 437,5 [мм2/с].
Π3 = b3· ν = 4· 125 = 500 [мм2/с].
Π4 = b4· ν = 4,5· 125 = 562,5 [мм2/с].
Π5 = b5· ν = 5· 125 = 625 [мм2/с].
Преобразуем формулу (3.8) и выведем расчётную формулу для определения объёма аномалий Vа, которые можно выявить в алюминиевом объекте контроля с помощью радиометрического прибора, работающего в токовом режиме:
Vа ≥
Vа ≥ (10)
Vа ≥ (11)
Оценим объём аномалий Vа для первого случая, когда ширина коллиматора b неизменна, а скорость перемещения ОК относительно коллиматора v варьируется.
Vа1 ≥
Vа2 ≥
Vа3 ≥
Vа4 ≥
Vа5 ≥
Построим график зависимости Vа = f(ν), (b = const) (см. рис. 4).
Рис. 4. График зависимости Vа = f(ν), (b = const)
Оценим объём аномалий во втором случае, когда неизменна скорость перемещения ОК относительно коллиматора v, а ширина коллиматора b варьируется.
Vа1 ≥
Vа2 ≥
Vа3 ≥
Vа4 ≥
Vа5 ≥
Построим график зависимости Vа = f(b), (ν = const) (см. рис.5).
Рис. 5. График зависимости Vа = f(b), (ν = const).
Заключение
Анализируя полученные зависимости, устанавливаем следующее. Объём, выявляемых аномалий Vа для случая, когда ширина коллиматора b неизменна, а скорость перемещения ОК относительно коллиматора v варьируется, линейно возрастает. Таким образом, для выявления аномалий малого размера, необходимо снижать скорость контроля.
Объём, выявляемых аномалий для случая, когда неизменна скорость перемещения ОК относительно коллиматора v, а ширина коллиматора b варьируется, линейно возрастает. Таким образом, для выявления аномалий малого размера, необходимо ширину коллиматора уменьшать.