Численные исследования чувствительности радиографического контроля

Размещено на http://www.allbest.ru/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ОРДЕНА ЛЕНИНА

ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ

им. М.В.КЕЛДЫША

Численные исследования чувствительности радиографического контроля

М.Е.Жуковский, С.В. Подоляко, Е.Г. Лукьянова, А.А.Егорушкин

МОСКВА 2006

M.E.Zhukovskiy, S.V.Podoliako, E.G.Lukyanova, A.A.Egorushkin.

Numerical investigations of radiographic sensitivity control.

Abstract.

The work is devoted to evaluating the optimal application fields of gamma-rays sources based on radio nuclides Ir-192 & Se-75 for nondestructive testing by means of mathematical modeling methods. The first results of using the mathematical modeling for the analysis of the radiographic image quality of sensitivity etalons are presented in given report. The determination of optimal application fields of gamma-rays sources for nondestructive testing was made basing on analysis in question. A discrete model of sensitivity etalon was constructed and series of calculations of etalon images was carried out. The application field of Ir-192 and Se-75 isotopes was estimated by using results of calculations in question. An analysis of quality of sensitivity etalons image with counting for scattered radiation was carried out.

Аннотация

Работа посвящена оценке оптимальных областей применимости источников гамма-излучения для радиационного контроля средствами математического моделирования. Представлены первые результаты использования математического моделирования для анализа качества радиографических изображений эталонов чувствительности и определения на основе такого анализа оптимальных областей применимости источников гамма-излучения в неразрушающем контроле. Построена дискретная модель эталонов чувствительности и выполнена серия расчетов изображений указанных эталонов, результаты которых позволили оценить область применимости источников гамма-излучения на основе радионуклидов Ir-192 и Se-75. Проведено численное исследование влияния реальных спектров гамма-излучений указанных радионуклидов. Выполнен анализ влияния рассеянного излучения на качество радиографических изображений.

Введение

Настоящая работа посвящена численному исследованию чувствительности радиографического контроля. На основе таких исследований могут проводиться, например, оценки оптимальных областей применимости источников гамма-излучения в области радиационной дефектоскопии. Наряду с экспериментальными методами в настоящее время все большее значение приобретает математическое моделирование в различных областях техники, в том числе в дефектоскопии. Для определения оптимальных областей применения конкретных источников гамма-излучения необходимо провести анализ качества радиографического контроля и, на основе результатов такого анализа, выявить оптимальные соотношения параметров контроля при использовании конкретного гамма-источника.

В практике радиационного контроля для оценки качества снимков используются эталоны чувствительности. Одним из видов таких эталонов являются проволочные эталоны, которые представляют собой наборы проволочек установленных длин и диаметров согласно стандартам TN 462-1 в Европе (ГОСТ 7512-82 в России). Абсолютная чувствительность радиационного контроля (наименьший диаметр выявляемой на радиографическом снимке проволоки проволочного эталона) должна соответствовать требованиям технической документации на объект контроля (ОК).

Результаты рассматриваемых исследований могут быть эффективно и с минимальными затратами использованы при планировании работ по неразрушающему контролю. Использование априорных оценок областей применимости различных радионуклидных источников может заметно сократить временные и материальные затраты при решении практических задач дефектоскопии.

В работе представлены первые результаты использования математического моделирования для анализа качества радиографических изображений эталонов чувствительности.

Физическая модель

В настоящей работе рассматривается диапазон энергий фотонов проникающего излучения до 1 МэВ. Основными процессами взаимодействия квантов с веществом в этом диапазоне являются когерентное (Рэлеевское) и некогерентное (Комптоновское) рассеяние и фотоэлектрическое поглощение фотонов. Эффекты связанности электронов в атоме учитываются путем введения форм-фактора для когерентного и функции рассеяния для некогерентного рассеяний [1; 2]. Вторичные эффекты, такие как флуоресценция и перенос электронов, несущественны в рассматриваемом энергетическом диапазоне с точки зрения влияния на исследуемое распределение прошедшего сквозь объект излучения (см., например [3]).

Подробно используемая физическая модель описана в [4].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1 Рис.2

На рис.1 изображена схема эксперимента, в котором проволочный эталон (рис.2) размещен на стальной пластине со стороны источника гамма-излучения, который представляет собой цилиндр с диаметром и образующей равными 3 мм. Фокусное расстояние - 100 мм. С противоположной источнику стороны пластины располагается детектирующее устройство, которое представляет собой сетку квадратных детекторов (пикселов), измеряющих дозу прошедшего излучения (энергию регистрируемых фотонов).

Численные исследования чувствительности проводились для двух источников гамма-излучения на основе радионуклидов Se-75 и Ir-192. Спектры этих источников изображены на рис.3.

Se-75 Ir-192

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.3

Представленные спектры взяты с сайта www.nist.gov.

Численная методика.

Для построения радиографических изображений эталонов применялась методика статистического моделирования [5], которая включает в себя:

· Поверхностно ориентированный способ дискретного описания сложных многокомпонентных объектов, основанный на точном определении границ гомогенных составляющих объекта и задании соответствующих замкнутых оболочек, разделяющих объект;

· Эффективный лучевой (“Ray-Tracer”) алгоритм для вычисления точек пересечения луча «источник - точка на регистрирующей поверхности» с указанными оболочками;

· Численный метод для моделирования трансформации гамма-излучения в объектах с учетом фотопоглощения, комптоновского и когерентного рассеяния фотонов излучения. Этот метод основан на объединении поверхностно ориентированного описания объекта, лучевого алгоритма и модифицированного метода Монте-Карло, допускающего эффективное распараллеливание на многопроцессорной вычислительной технике.

Результаты численных исследований

Рассмотрим вначале грубую предварительную оценку чувствительности контроля, проводимого с различными источниками гамма-излучения.

Очевидно, что расположение эталона на облучаемой пластине приводит к уменьшению регистрируемой за пластиной дозы по сравнению со случаем, когда этот эталон отсутствует. Этот эффект приводит к появлению изображения проволочки на детектирующей поверхности (рентгеновской пленке). Ясно, что качество этого изображения будет зависеть от относительного уменьшения дозы , обусловленного присутствием эталона. Поэтому представляется целесообразным оценивать чувствительность контроля с помощью величины .

Пусть - толщина пластины, - коэффициент ослабления гамма-излучения в материале пластины и проволочек эталона, - энергия квантов излучения, - диаметр проволочки. Относительное уменьшение дозы нерассеянного излучения прошедшего сквозь эталон и пластину можно оценить по формуле:

.

Для тонких проволочек () получим: . Отсюда видно, что увеличивается с увеличением и не зависит от толщины пластины (в рамках сделанных предположений). Поскольку коэффициент ослабления увеличивается с уменьшением энергии излучения, то на основании сделанных оценок можно ожидать, что чувствительность радиографического контроля мелких дефектов будет выше для Se-75, чем при использовании Ir-192, т.к. эффективная средняя энергия излучения у Ir-192 больше.

Рассмотрим теперь цифровые изображения проволочных эталонов, полученные с помощью численного моделирования при использовании стальных пластин различной толщины.

Изображения построены в градациях серого, причем большей дозе (суммарной энергии) регистрируемого излучения соответствуют более темные оттенки, меньшей - светлые.

На представленных рисунках слева указаны диаметры проволочек напротив соответствующих изображений, справа отмечено изображение проволочки, соответствующее двухпроцентному уровню чувствительности (отношение диаметра проволочки к толщине пластины).

Примеры построенных изображений для двух указанных источников излучения и различных толщин пластин приведены на рис.4-7. Эти примеры показывают, что для Se-75 изображения тонких проволочек (0.1-0.2 мм) более четкие, чем для Ir-192 при одном и том же уровне чувствительности. В то же время, качество изображения толстых проволочек (свыше 0.25 мм) несколько лучше (при соответствующем выбранному уровню чувствительности увеличению толщины пластин) при использовании изотопа Ir-192.

Анализ результатов проведенных расчетов показал, что чувствительность радиографического контроля мелких дефектов будет выше для более мягкого излучения. Этот вывод согласуется со сделанными выше предварительными оценками.

В ряде практических исследованиях для оценки качества радиографических изображений вместо реального полиэнергетического источника используют моноэнергетический гамма-источник с некоторой эффективной энергией (например, изотоп Ir-192 заменяется источником с энергией 400 кэВ, а изотоп Se-75 - источником излучения с энергией 200 кэВ). В настоящей работе проведен численный анализ влияния такого приближения на качество изображений.

На рис.8,9 в качестве примера приведены изображения эталонов, полученных при использовании моноэнергетического источника (слева) и «реального» (справа) спектрального состава (рис.3). На рис.8 - результаты для Se-75, на рис.9 - для Ir-192. Визуальный анализ результатов моделирования показал, что использование моноэнергетических источников гамма-излучения приводит к занижению оценки качества изображений эталонов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.10

В процессе формирования радиографического изображения исследуемой структуры наряду с прямым (нерассеянным) излучением определенную роль могут играть гамма-кванты, рассеянные в облучаемом объекте. При этом влияние рассеянной компоненты излучения может приводить как к снижению качества изображения, так и к его повышению [6].

В рассматриваемой ситуации, когда исследуется чувствительность радиографического контроля с помощью эталонно, которые располагаются на ближней к источнику стороне исследуемого объекта, влияние рассеянного гамма-излучения, как правило, приводит к ухудшению качества изображения проволочек эталона.

В настоящей работе проведен анализ качества изображений эталонов чувствительности с учетом рассеянной компоненты гамма-излучения.

На рис.10 приведены графики зависимости коэффициентов фотопоглощения (черная кривая), комптоновского рассеяния (синяя кривая), когерентного рассеяния (зеленая кривая), и коэффициента ослабления (красная кривая) от энергии гамма-излучения для железа. Эти зависимости использовались при моделировании процессов формирования изображений эталонов.

Примеры сравнения изображений, полученных с учетом рассеянного излучения и без такого учета, показаны на рис.11,12.

математический моделирование радиационный излучение

Результаты сравнения рассчитанных изображений с учетом рассеяния гамма-излучения показывают, что в целом вывод о лучшем качестве изображений тонких эталонных проволочек при использовании Se-75 и толстых проволочек при использовании Ir-192 остается. Однако качество этих изображений несколько снижается по сравнению со случаем, когда рассеянное излучение не учитывается.

Следует отметить, что исследования областей применимости гамма-источников проводились в наихудших условиях с точки зрения качества изображения эталона, когда проволочки находились на ближайшей по отношению к источнику излучения поверхности пластины.

Рис.13

В качестве иллюстрации зависимости качества изображения дефекта от глубины нахождения его в объекте на рис.13 приведены цифровые образы полости в пластине для трех случаев: верхнего (по отношению к источнику), среднего по глубине и нижнего расположения полости. Из этого рисунка видно, что худшее качество соответствует случаю «верхнего» расположения полости.

В результате проведенных исследований были определены примерные области применения источников гамма-излучения на основе радионуклидов Se-75 и Ir-192 для двухпроцентного уровня чувствительности. На рис.14 схематично изображены эти области: слева отмечена область предпочтительного применения Se-75, справа - Ir-192. По горизонтальной оси отложена толщина образца в миллиметрах.

Рис.14

Заключение

В работе представлены результаты применения математического моделирования для определения оптимальных областей применимости источников гамма-излучения на основе радионуклидов Se-75 и Ir-192 для неразрушающего контроля.

Для оценки указанных областей применимости использован анализ качества изображения проволочных эталонов чувствительности. При этом рассматривалась доза (суммарная энергия фотонов) прошедшего через объект излучения без учета процессов формирования изображений в рентгеновской пленке, свойств усиливающих экранов, технических характеристик регистрирующей пленки.

Получены предварительные оценки областей применимости рассмотренных источников гамма-излучения, которые показали, что для просвечиваемых материалов малой радиационной толщины (до 20 мм) предпочтительно использование Se-75. Для более толстых материалов (свыше 25 мм) более четкие изображения дают опыты с применением Ir-192. Интервал толщин от 20 до 30 мм является промежуточным, в этом интервале выбор источника для целей радиографического контроля должен определяться другими, отличными от качества изображений, критериями.

Результаты работы показали целесообразность и эффективность применения математического моделирования для определения областей применимости источников гамма-излучения в неразрушающем контроле.

Литература

1. J.H.Hubbell, W.J.Veigele, E.A.Briggs, R.T.Brown, D.T.Cromer, and R.J.Howerton. Atomic Form Factors, Incoherent Scattering Functions, and Photon Scattering Cross Sections. J. Phys. Chem. Ref. Data 4, 471-538 (1975); erratum in 6, 615-616 (1977).

2. J.H.Hubbell, and Overbo. Relativistic Atomic Form Factors and Photon Coherent Scattering Cross Sections. J. Phys. Chem. Ref. Data 8, 69-105, (1979).

3. J.F.Briesmeister (ed.). MCNP - A General Monte Carlo N-Particle Transport Code. LANL Report LA-13709-M, Los Alamos, 2000.

4. С.В.Подоляко, Е.Г.Лукьянова. Численное моделирование трансформации рентгеновского излучения в объектах с учетом влияния форм_факторов на угловое распределение фотонов. Препринт ИПМ им. М.В.Келдыша РАН №6 за 2004г.

5. В.П.Загонов, М.Е.Жуковский, С.В.Подоляко, М.В.Скачков, Г.-Р.Тиллак, К.Беллон. Применение поверхностно ориентированного описания объектов для моделирования трансформации рентгеновского излучения в задачах вычислительной диагностики. М., Математическое моделирование. 2004, т.16, №5,.с.103-116.

6. М.Е.Жуковский, С.В.Подоляко, Г.-Р.Йениш, К.Беллон. Численное моделирование процессов рассеяния рентгеновского излучения при радиографическом контроле материалов. Дефектоскопия, №6, 2006.

Размещено на Allbest.ru