5. Радиационный контроль

5.1. Физические основы радиационного контроля

Радиационный контроль материалов и изделий основан на законе ослабления интенсивности ионизирующего излучения, проходящего сквозь объект.

Среди используемых видов ионизирующих излучений для целей НК наибольшее применение нашли рентгеновское излучение (R-) и гамма-излучение (-), которые одинаковы по своей природе и представляют собой высокочастотные электромагнитные волны, распространяющиеся в вакууме со скоростью С = 2,998·10⁸ м/с (скорость света). Они подчиняются одинаковым закономерностям при взаимодействии с материалом контролируемых объектов. Их принципиальное отличие заключается в механизме их возникновения: -излучение – естественного происхождения и представляет собой продукт распада ядер атомов, R-излучение – внеядерного, искусственного происхождения. Эти два вида излучений отличаются от других разновидностей электромагнитных колебаний малой длиной волны (рис. 5.1), а потому – высокой проникающей способностью.

Рис. 5.1. Шкала электромагнитных излучений, используемых в неразрушающем контроле: 1 – радиоволны; 2 – инфракрасное излучение; 3 – видимый свет; 4 – ультрафиолетовое излучение; 5 – рентгеновское излучение; 6 - -излучение ( - частота излучения;  - длина волны)

R-излучение возникает в результате изменения скорости движения (торможения) электронов, образующих пучок катодных лучей 3, при столкновении с атомами анода 2 рентгеновской трубки (рис. 5.2, а).

Рис. 5.2. Схема двухэлектродной рентгеновской трубки (а) и характерный спектр рентгеновского излучения при различных значениях напряжения U на трубке (б): U₁ < U₂ < U₃ < U₄ (1– стеклянный баллон; 2 - анод; 3 – электронный пучок; 4 - катод; 5 – рентгеновское тормозное излучение; I – интенсивность излучения;  - длина волны излучения)

Катод 4 рентгеновской трубки изготовлен из вольфрамовой проволоки, анод 2 – из вольфрамовой пластинки. При подаче низкого напряжения (212 В) на нить спирали катода из нее, вследствие термоэлектронной эмиссии, вылетают электроны, которые под действием электрического поля с большой скоростью движутся к аноду. В результате их торможения о вольфрамовую мишень катода часть кинетической энергии электронов превращается в R-излучение с непрерывным энергетическим спектром. Энергия R-излучения зависит от напряжения U на трубке (рис. 5.2, б), которое может достигать 200300 кВ. Проекция участка мишени анода, на котором генерируется R-излучение, называется фокусным пятном Ф трубки.

Тормозное излучение возникает при прохождении электрона через поле атома или ядра материала мишени, которым он тормозится. Движущийся с замедлением электрон в соответствии с законами электродинамики испускает порцию электромагнитной энергии, называемую квантом или фотоном. Энергия одного кванта равна:

E = h_П   = h_П  C /  , (5.1)

где h_П = 6,6310^34 Дж/с – постоянная Планка,  - частота излучения.

Чем меньше длина  волны излучения, тем больше его энергия. Поэтому высокоэнергетические излучения называют иначе коротковолновыми или жесткими, низкоэнергетические – длинноволновыми или мягкими.

Кванты не несут электрического заряда, поэтому не отклоняются ни электрическим, ни магнитным полем. Выражение (5.1) справедливо и для других видов ионизирующих излучений, кванты которых обладают как свойствами частиц (фотоэффект, рассеяние), так и волновыми свойствами (преломление, дифракция, интерференция).

-излучение возникает при самопроизвольном радиоактивном распаде естественных или искусственных изотопов (радионуклидов или нуклидов).

-дефектоскопы изготовляют переносными, передвижными и стационарными. Переносные дефектоскопы используют в основном для просвечивания деталей в полевых (аэродромных) условиях и непосредственно в крупногабаритных конструкциях при ограниченных подходах к месту контроля, при отсутствии на месте работ источников питания, когда невозможно использовать рентгеновские аппараты, для работы вблизи взрыво- и пожароопасных объектов. Основным элементом -дефектоскопов является источник излучения в виде ампулы из коррозионно-стойкой (нержавеющей) стали или алюминиевого сплава, заполненной радиоактивным изотопом. Проекция внутренней (активной) части ампулы в направлении просвечивания представляет собой фокусное пятно Ф источника.

Важнейшими характеристиками источников излучения являются энергия Е, активность Q, период полураспада T и постоянная распада .

В отличие от R–излучения энергетический спектр –излучения – дискретный (характеристический) с длиной волны, а следовательно, и с энергией Е –квантов (см. выражение (5.1)), характерной для выбранного изотопа.

Активность источника определяется числом атомов N нуклида, распадающихся в единицу времени t:

Q = E  (dN/dt) [Дж/c]. (5.2)

Для –дефектоскопии применяют изотопы (⁶⁰Co, ¹³⁷Cs, ⁷⁵Se, ¹⁹²Ir и др.) с высокой удельной активностью (активность 1 грамма нуклида). Активность источника определяет интенсивность -излучения. С течением времени число атомов нуклида уменьшается по экспоненциальному закону (закон радиоактивного распада):

N_t = N₀  exp (   t) , (5.3)

где N₀ – число радиоактивных атомов в начальный момент времени; N_t - число оставшихся радиоактивных атомов по истечении времени t;  - постоянная распада, характеризующая скорость распада.

Период полураспада Т – время, в течение которого число радиоактивных атомов уменьшается в 2 раза:

Т = ln 2 /  = 0,693 /  . (5.4)

Подставив  из выражения (5.4) в формулу (5.3), получим выражение:

N_t = N₀  exp ( 0,693 t / T ) , (5.5)

по которому строят графики в полулогарифмических координатах для определения активности источника после определенного промежутка времени и внесения поправок в экспозицию (длительность просвечивания).

К основным радиационно-дефектоскопическим характеристикам ионизирующих излучений относятся энергия кванта, плотность потока квантов и интенсивность излучения.

Плотность n [1/ (м²с)] потока квантов представляет собой число квантов, пересекающих в единицу времени единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению движения квантов.

Интенсивность излучения I [Вт/м²] – это энергия, переносимая излучением в единицу времени сквозь единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению излучения. В простейшем случае характеристического излучения его интенсивность равна произведению энергии кванта Е на плотность потока n или, с учетом выражения (5.1):

I = n  E = n  h_П   = n  h_П  C /  , (5.6)

В соответствии с законом сохранения энергии интенсивность излучений уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника излучения:

I₁ / I₂ = r₂² / r₁² , (5.7)

где I₁ и I₂ – интенсивности излучения соответственно на расстоянии r₁ и r₂ от его источника.

Выражение (5.7) используется в радиационной дефектоскопии для пересчета экспозиции при изменении фокусного расстояния F – расстояния от источника до детектора излучения. Взаимодействие R- и -излучений с материалом контролируемой детали приводит к ослаблению их интенсивности.

На рис. 5.3 схематично показаны процессы фотоэлектрического поглощения (а), комптоновского рассеяния кванта (б) и образования из кванта электрон-позитронной пары (в), являющиеся основными причинами потери излучениями своей энергии.

Фотоэлектрический эффект – это процесс, при котором квант, встретив атом материала, полностью передает свою энергию орбитальному электрону. При этом электрон переходит на оболочку с более высоким уровнем энергии или покидает атом, если его энергия превышает энергию связи электрона в атоме. Такой выбитый из атома электрон называется фотоэлектроном. Заполнение электроном оболочки сопровождается характеристическим вторичным излучением.

Рис. 5.3. Схема фотоэлектрического поглощения (а), комптоновского рассеяния излучения (б) и образования из кванта пары электрон-позитрон (в)

Рассеяние квантов – это процесс, при котором квант, встретив орбитальный электрон, изменяет свое направление. Комптоновское (некогерентное) рассеяние наблюдается при прохождении сквозь материал достаточно жесткого излучния с длиной волны   0,03 нм (Е = 0,31 МэВ). Падающий квант, сталкиваясь с орбитальным электроном, отдает ему часть своей энергии и отклоняется от первоначального направления на угол  (рис. 5.3, б). Орбитальный электрон (электрон отдачи), получив импульс от кванта, покидает орбиту под углом .

Образование пары частиц электрон-позитрон – это процесс поглощения квантов с энергией более 1,022 МэВ. Электрон и позитрон, образовавшиеся из кванта, имеют энергию 0,51 МэВ. Позитрон, замедлившись, соединяется с одним из электронов среды, что приводит к образованию двух квантов аннигиляционного вторичного излучения.

Закон ослабления интенсивности пучка излучения, прошедшего сквозь материал, описывается выражением:

I_h = I₀  exp (   h) , (5.8)

где I₀ и I_h – интенсивности соответственно перед просвечиваемым объектом толщиной h и за ним;  - линейный коэффициент ослабления.

Линейный коэффициент ослабления в свою очередь зависит от плотности  материала детали и энергии Е излучения и в первом приближении равен:

  ₀   / Е , (5.9)

где ₀ – константа.

Из выражений (5.8) и (5.9) видно, что при постоянной энергии Е первичного излучения интенсивность I_h излучения, прошедшего сквозь деталь, уменьшается с увеличением плотности  и толщины h детали (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Характерные эпюры интенсивностей ионизирующего излучения перед (I₀) и за (I_h) деталью при соотношении плотностей ₁ ₂ ₃ (₁, ₂ и ₃ – плотности инородного включения 1, материала контролируемой детали 2 и несплошности 3 соответственно)

Путем измерения интенсивности излучения за объектом определяют наличие в нем дефектов. По способу регистрации невидимых радиационных изображений методы радиационного контроля разделяют на 3 группы: радиографические, радиоскопические и радиометрические.