Радиографический контроль

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Открытие Рентгена

2. Строение атома

3. Доза излучения

4. Ослабление рентгеновского и г-излучения веществом

5. Основной закон радиационной дефектоскопии

6. Физико-технические основы радиографического контроля

7. Рентгеновские аппараты и радиографическая пленка

8. Типовая промышленная рентген-лаборатория на примере лаборатории "ОКБ "Новатор"

9. Требования методических документов по радиационному контролю

10. Радиационная безопасность

Заключение

Список литературы

Введение

С точки зрения физики рентгеновским называется электромагнитное излучение с длинами волн от 0,001 до 50 нанометров (10-9m). Рентгеновские лучи по своей природе - близкие родственники солнечного ультрафиолета. Если солнечные лучи расположить по "росту", то самыми длинными, а точнее длинноволновыми, окажутся радиоволны. Далее следует инфракрасный свет. Мы его не видим, в отличие от некоторых животных, но можем ощущать его как тепло. Далее по степени снижения "роста" следуют известные нам еще по детской считалочке красный-оранжевый-желтый-зеленый-голубой-синий-фиолетовый. Следом идет ультрафиолет, который специалисты делят на A-, B- и C-ультрафиолет. Самый длинноволновой из них (ультрафиолет A) получил "прописку" в соляриях, где с успехом используется человеком для получения искусственного загара. Следом за ультрафиолетовым спектром электромагнитных излучений как раз и расположены рентгеновское и гамма-излучения.

Одно из важнейших свойств рентгеновского излучения, его способность, как и у видимого света, вызывать почернение фотопленки. Это свойство имеет огромное значение для медицины, промышленности и научных исследований. Проходя сквозь объект исследования, а затем падая на фотопленку, рентгеновское излучение отображает на ней его внутреннюю структуру. Так как проникающая способность рентгеновского излучения различна для разных материалов, то менее прозрачные для него части объекта контроля дают более светлые участки на фотоснимке чем те, через которые излучение проникает хорошо. Именно на этом свойстве основан один из видов неразрушающего контроля - рентген-дефектоскопия.

Радиографический контроль является одним из наиболее информативных методов дефектоскопии и широко применяется для контроля опасных производственных объектов. Наибольшее распространение получил радиографический метод контроля качества сварных соединений при изготовлении, монтаже, эксплуатации и ремонте в атомной промышленности, нефтяной и газовой отраслях, машиностроении, на взрывопожароопасных и химически опасных производствах.

1. Открытие Рентгена

В конце XIX века, резко поднялся интерес к явлениям прохождения электричества через газы. Еще Фарадей серьезно занимался этими явлениями, описал разнообразные формы разряда, открыл темное пространство в светящемся столбе разреженного газа. Фарадеево темное пространство отделяет синеватое, катодное свечение от розоватого, анодного.

Дальнейшее увеличение разрежения газа существенно изменяет характер свечения. Математик Плюкер (1801-1868) обнаружил в 1859г.,при достаточно сильном разрежении слабо голубоватый пучок лучей, исходящий из катода, доходящий до анода и заставляющий светиться стекло трубки. Ученик Плюкера Гитторф (1824-1914) в 1869 г. продолжил исследования учителя и показал, что на флюоресцирующей поверхности трубки появляется отчетливая тень, если между катодом и этой поверхностью поместить твердое тело.

Гольдштейн (1850-1931), изучая свойства лучей, назвал их катодными лучами (1876 г.). Через три года Вильям Крукс (1832-1919) доказал материальную.природу катодных лучей и назвал их "лучистой материей"--веществом, находящимся в особом четвертом состоянии. Его доказательства были убедительны и наглядны. Опыты с "трубкой Крукса" демонстрировались позже во всех физических кабинетах. Отклонение катодного пучка магнитным полем в трубке Крукса стало классической школьной демонстрацией.

Однако опыты по электрическому отклонению катодных лучей не были столь убедительными. Герц не обнаружил такого отклонения и пришел к выводу, что катодный луч - это колебательный процесс в эфире. Ученик Герца Ф. Ленард, экспериментируя с катодными лучами, в 1893 г. показал, что они проходят через окошечко, закрытое алюминиевой фольгой, и вызывают свечение в пространстве за окошечком. Явлению прохождения катодных лучей через тонкие металлические тела Герц посвятил свою последнюю статью, опубликованную в 1892 г.: "…Катодные лучи отличаются от света существенным образом в отношении способности проникать через твердые тела". Описывая результаты опытов по прохождению катодных лучей через золотые, серебряные, платиновые, алюминиевые и т.д. листочки, Герц отмечает, что он не наблюдал особых отличий в явлениях. Лучи проходят через листочки не прямолинейно, а дифракционно рассеиваются. Природа катодных лучей все еще оставалась неясной.

Именно с такими трубками Крукса, Ленарда и других, и экспериментировал профессор Вильгельм Рентген в конце 1895 г.

Рентген Вильгельм Конрад родился 17 марта 1845 г. в городе Ленепе, пограничной с Голландией области Германии. Он получил техническое образование в Цюрихе в той же Высшей технической школе, в которой позже учился Эйнштейн. Увлечение физикой заставило его после окончания школы в 1866 г. продолжить физическое образование.

Защитив в 1868 г. диссертацию на степень доктора философии, он какое то время работал ассистентом на кафедре физики сначала в Цюрихе, потом в Гисене, а затем в Страсбурге (1874-79) у Кундта. Здесь Рентген прошел хорошую экспериментальную школу и стал первоклассным экспериментатором. Он производил точные измерения отношения Ср/Су для газов, вязкости и диэлектрической проницаемости ряда жидкостей, исследовал упругие свойства кристаллов, их пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства, измерял магнитное поле движущихся зарядов (ток Рентгена). Часть важных исследований Рентген выполнил со своим учеником, одним из основателей советской физики А.Ф. Иоффе. Его научные исследования относились к электромагнетизму, физике кристаллов, оптике, молекулярной физике. С 1900 г. и до последних дней жизни (10 февраля 1923 г.) он работал в Мюнхенском университете

Рентген открыл излучение в 1895, будучи профессором физики Вюрцбургского университета. Проводя эксперименты с катодными лучами (потоками электронов в разрядных трубках), он заметил, что расположенный вблизи вакуумной трубки экран, покрытый кристаллическим цианоплатинитом бария, ярко светится, хотя сама трубка закрыта черным картоном. Тщательное исследование показало Рентгену, "что черный картон, не прозрачный ни для видимых и ультрафиолетовых лучей солнца, ни для лучей электрической дуги, пронизывается каким-то агентом, вызывающим флюоресценцию". Рентген исследовал проникающую способность этого "агента", который он для краткости назвал "Х-лучи", для различных веществ. Он обнаружил, что лучи свободно проходят через бумагу, дерево, эбонит, тонкие слои металла, но сильно задерживаются свинцом.

Он предложил правильную конструкцию трубки для получения Х-лучей - наклонный платиновый антикатод и вогнутый катод: Рентген первый сделал фотоснимки при помощи рентгеновских лучей, а также изображение костей собственной руки, поместив ее между разрядной трубкой с катодными лучами и экраном с покрытием из цианоплатинита бария. Эти снимки произвели огромное впечатление; открытие еще не было завершено, а уже начала свой путь рентгенодиагностика. "Моя лаборатория была наводнена врачами, приводившими пациентов, подозревавших, что они имеют иголки в разных частях тела", - писал позже английский физик Шустер.

Уже после первых опытов Рентген твердо установил, что Х-лучи отличаются от катодных, они не несут заряда и не отклоняются магнитным полем, однако возбуждаются катодными лучами. "...Х-лучи не идентичны с катодными лучами, но возбуждаются ими в стеклянных стенках разрядной трубки", - писал Рентген. Он установил также, что они возбуждаются не только в стекле, но и в металлах.

За открытием Рентгена последовали эксперименты других исследователей, обнаруживших много новых свойств и возможностей применения этого излучения. Большой вклад внесли М. Лауэ, В. Фридрих и П. Книппинг, продемонстрировавшие в 1912 дифракцию рентгеновского излучения при прохождении его через кристалл; У. Кулидж, который в 1913 изобрел высоковакуумную рентгеновскую трубку с подогретым катодом; Г. Мозли, установивший в 1913 зависимость между длиной волны излучения и атомным номером элемента; Г. и Л. Брэгги, получившие в 1915 Нобелевскую премию за разработку основ рентгеноструктурного анализа.

Сам же Рентген, в 1901 году, первым среди физиков получил Нобелевскую премию, за открытие лучей, носящих его имя. Его имя увековечено и в некоторых других физических терминах, связанных с этим излучением: рентгеном называется международная единица дозы ионизирующего излучения; снимок, сделанный в рентгеновском аппарате, называется рентгенограммой; область радиологической медицины, в которой используются рентгеновские лучи для диагностики и лечения заболеваний, называется рентгенологией.

2. Строение атома

Атом представляет собой электродинамическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов, движущихся по стационарным круговым орбитам с определенными радиусами. Электрон представляет собой отрицательно заряженную частицу, заряд которой по абсолютной величине e=1,6-10-19 Кл. Размер атома составляет порядка 10-8 см, а размер ядра 10-13 см.



Рис 2.1 Строение атома

Электроны в атомах расположены на определенных энергетических уровнях (K, L, M, N…). Чем ближе электрон расположен к ядру, тем выше энергия связи электрона с ядром, тем больше энергии нужно затратить для вырывания электрона из атома.

В нормальном состоянии атом нейтрален. Атом изучает или поглощает энергию только в случае перехода из одного энергетического состояния в другое. В результате соударения с другим атомом, с заряженной частицей или при поглощении фотона атом может перейти в возбужденное состояние. При переходе из возбужденного состояния в невозбужденное атом испускает кванты определенной энергии, которая зависит от схемы электронных переходов.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов (нуклонов). Протон - элементарная частица, обладающая единичным положительным зарядом. Нейтрон - элементарная частица, не обладающая зарядом.

Отношение массы протона mp к массе электрона me примерно равно отношению массы нейтрона mn к массе электрона и составляет

mp/me?mn/me?1836

При определенных условиях протон может превращаться в нейтрон и наоборот.

Позитрон - элементарная частица, обладающая той же массой, что и электрон, но несущая заряд противоположного знака.

Нейтрино - элементарная частица, не имеющая электрического заряда.

Суммарное число нейтронов и протонов в ядре называется массовым числом (А).

A=Z+N

где: Z - число протонов в ядре (номер элемента в периодической таблице Менделеева);

N - число нейтронов в ядре.

Число протонов в ядре определяет заряд ядра:

qя=Z*e

где: e - величина элементарного заряда.

Движущиеся вокруг ядра электроны образуют электронные оболочки, которые состоят из подоболочек, находясь на которых электроны обладают различной, но строго определенной энергией Ei. Эта энергия складывается из кинетической энергии их движения и потенциальной энергии электростатического взаимодействия с ядром.

Для того чтобы удалить электрон из оболочки атома, необходимо затратить определенную энергию E (энергия связи).

В атоме имеются свободные оболочки и подоболочки, не занятые электронами, на которые электрон может быть переведен с занятой оболочки, если сообщаемой электрону энергии недостаточно для его удаления из атома.

Видимый свет возникает в результате переходов электронов между внешними оболочками атома. Для этого необходимо перевести электрон атома с внешней на свободную оболочку, например, путем нагрева вещества.

Рентгеновские лучи возникают в результате перехода электронов между внутренними оболочками. Если с K-оболочки атома удалить электрон, то его место займет электрон с более отдаленной от ядра подоболочки.

При этом выделяется квант энергии, величина которого равна разности энергии связи этих уровней. Образующиеся в результате таких переходов набор квантов излучения определенных энергий образует характеристический спектр рентгеновского излучения.

Рентгеновские лучи могут возникать также в результате неупругого рассеяния и торможения электронов в веществе. Образовавшиеся рентгеновские фотоны имеют непрерывный спектр энергий от нулевой до максимальной первоначальной энергии электрона, который тормозится в поле действия ядра вещества мишени.

Естественная радиоактивность. Изотопы - атомы, ядра которых имеют одинаковые заряды, но разные массовые числа.

Устойчивость ядер возрастает с увеличением массового числа А и достигает максимума, оставаясь примерно постоянной (от 50 до 110); при А>=120 устойчивость ядер уменьшается.

По мере увеличения порядкового номера химического элемента (Z) в периодической таблице число протонов в ядре возрастает, и кулоновские силы отталкивания становятся существенными. У элементов с Z>82 ядерные силы не способны обеспечивать полную устойчивость ядер, и начинаются процессы их внутренней перестройки. Более тяжелые ядра превращаются в более легкие (с меньшими Z) - происходит радиоактивный распад.

Естественная радиоактивность - спонтанный распад неустойчивых ядер, сопровождающийся б-, в-, г- излучением.



Рис 2.1 Зависимость энергии связи от атомного номера элемента

б-распад - радиоактивный распад с испусканием б-частиц (ядер гелия), при этом массовое число А исходного элемента уменьшается на 4, а число протонов Z уменьшается на 2.

в-распад - распад, при котором ядро испускает в-частицу - электрон, при этом массовое число А исходного элемента остается неизменным, а число протонов Z увеличивается на 1.

г-излучение представляет собой фотонное (электо-магнитное) излучение с дискретным спектром, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер. Испустив б и в частицы, ядро освобождается от избытка энергии, но остается в возбужденном состояния. При переходе из возбужденного состояния в невозбужденное (основное) состояние с более низким уровнем энергии, ядро излучает энергию в виде г-квантов.

б-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, пробег в воздухе до 3-4 см, в живой ткани 0,1 мм, б-частицы экранируются листом бумаги.

в-частицы имеют меньшую ионизирующею способность, но обладают большим проникающим действием. Пробег в воздухе до 10 м, в живой ткани 10-15 мм. в-частицы экранируются листом алюминия толщиной около 5 мм.

г-излучение обладает наименьшей ионизирующей способностью. Защита от г-излучения осуществляется с помощью металлических экранов, толщина которых зависит от материала экрана и энергии г-лучей.

3. Доза излучения

Для оценки воздействия ионизирующего излучения на вещество применяется понятие - доза излучения.

Поглощенная доза излучения. Поглощенная доза определяется как отношение средней энергии, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе вещества в это объеме.

Установленная в СИ единица ионизирующего излучения (поглощенная доза) - Грэй, русское обозначение Гр, международное Gy. 1 Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой веществу с массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж: 1 Гр= 1Дж/кг. В практике распространена внесистемная единица дозы излучения - рад (международное -rad). 1 рад=10-2 Гр.

Грей и рад используется для измерения поглощенной дозы б, в, г, рентгеновского и нейтронного излучения.

Экспозиционная доза излучения. Экспозиционная доза X - физическая величина, связанная с эффектом ионизации воздуха фотонным излучением. Она равна абсолютному значению полного заряда ионов одного знака, которые образуются в воздухе при полном торможении вторичных электронов и позитронов, освобожденных фотонным излучением в единице массы воздуха.

Единица экспозиционной дозы в системе СИ - Кл/кг, международное - C/kg. Экспозиционная доза в 1 Кл/кг означает что суммарный заряд всех ионов одного знака, образованных в 1 кг воздуха, вследствие прохождения через него фотонного излучения, равен 1 Кл. Также распространена внесистемная единица экспозиционной дозы - Рентген (русское обозначение - Р, международное - R). 1 р=2,58*10-4 Кл/кг, что соответствует образованию 2,08*109 пар ионов в см 3 воздуха (при температуре 0°С и давлении 760 мм рт.ст.). На создание такого количества ионов необходимо затратить энергию, равную 0,114 эрг/смі или 88 эрг/г. Таким образом, 88 эог/г - энергетический эквивалент рентгена.

Мощность экспозиционной дозы равна приращению экспозиционной дозы за единицу времени. По величине экспозиционной дозы можно рассчитать поглощенную дозу рентгеновского и гамма - излучения в любом веществе, зная состав вещества и энергию фотонов.

С погрешностью в ?5% экспозиционную дозу в рентгенах и поглощенную дозу в биологической ткани в рад, можно считать совпадающими.

Эквивалентная доза облучения. При облучении живых организмов, в частности человека, возникают биологические эффекты, величина которых при одной и той же поглощенной дозе различна для разных видов излучения. При одинаковой дозе б-излучение гораздо опаснее, чем в- или г-излучение. Следовательно, знание поглощенной дозы недостаточно для оценки радиационной опасности.

Эквивалентная доза - произведение поглощенной дозы на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткань организма.

В системе СИ установлена единица эквивалентной дозы - джоуль на килограмм, имеющая название - Зиверт. Обозначение: русское - Зв, международное - Sv. Существует специальная внесистемная единица эквивалентной дозы - бэр (международное - rem), связанная с Зивертом соотношением 1 бэр=0,01 Зв. Бэр (биологический эквивалент рада) - это поглощенная доза любого вида ионизирующего излучения, которая имеет такую же биологическую эффективность, как 1 рад рентгеновского излучения.

Мощность эквивалентной дозы определяется как отношение приращения эквивалентной дозы за единицу времени. Единица измерения: Зиверт в секунду - Зв/с (Sv/s).

Эквивалентная доза является основной дозиметрической величиной, положенной в основу нормирования воздействия излучения и оценки возможного ущерба здоровью человека от воздействия ионизирующего излучения произвольного состава.

Взвешивающий коэффициент Wr - это используемые в радиационной защите множители поглощенной дозы, учитывающие относительную опасность различных видов излучения. Для рентгеновского и г-излучения Wr=1. Для всех других ионизирующих излучений Wr>=1.

Эффективная доза - величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Эффективная доза равна произведению эквивалентной дозы в органе на соответствующий коэффициент для данного органа или ткани.

Для оценки воздействия на среду косвенно ионизирующих излучений часто используется понятие керма. Керма - отношение суммы первоначальной кинетической энергии всех заряженных частиц, создаваемых косвенно ионизирующим излучением в элементарном объеме вещества, к массе вещества в этом объеме. Если пренебречь потерями энергии на тормозное излучение, то керма совпадает с поглощенной дозой от вторичных заряженных частиц. Единица измерения: Грей (Гр).

Грей равен керме, при которой сумма начальных значений кинетической энергии всех заряженных частиц, освобождаемых косвенно ионизирующим излучением в веществе массой 1 кг равна 1 Дж. Сюда же включается и энергия, которую заряженные частицы растрачивают на образование тормозного излучения и заряженных частиц во вторичных процессах.

4. Ослабление рентгеновского и г-излучения веществом

При взаимодействии рентгеновского и г-излучения с веществом различают три основных процесса: фотоэффект, Комптон-эффект и эффект образования пар.

Фотоэффект - процесс вырывания электронов из атомов поглощающего вещества и сообщения им кинетической энергии. При этом рентгеновский или г-квант передает свою энергию вырванному электрону.

Рис 4.1 Фотоэффект

Условия фотоэффекта:

hх>=Авых,

где Авых - работа, которую необходимо произвести для вырывания электрона с орбиты.

Величина, характеризующая относительное уменьшение потока рентгеновского или г-излучения на единице пути в веществе, обусловленное фотоэлектрическим поглощением, называется линейным коэффициентом фотоэлектрического поглощения ф (см-1).

Как видно из графика (рис 4.2), линейный коэффициент фотоэлектрического поглощения ф увеличивается при увеличении атомного номера вещества Z (энергия излучения E=const) и при уменьшении энергии излучения E (Z=const). С увеличением энергии квантов излучения вероятность фотоэффекта уменьшается и для легких элементов при Е=100 - 150 кэВ становится очень малой.

Комптоновское рассеяние (Комптон-эффект) - взаимодействие кванта рентгеновского или г-излучения с атомами вещества, при котором квант передает электрону не всю энергию, а только ее часть, отклоняясь при этом от своего первоначального направления на некоторый угол. В результате появляется рассеянный квант излучения с меньшей энергией отдачи.

Рис. 4.2 Зависимость линейного коэффициента фотоэлектрического поглощения от энергии излучения для алюминия, меди и свинца.

Величина характеризующая относительное уменьшение потока рентгеновского или г-излучения на единице пути в веществе за счет процесса комптоновского рассеяния, называется линейным коэффициентом комптоновского рассеяния у (см-1).

Рис. 4.3 Комптон-эффект

Комптоновское рассеяние является основным механизмом взаимодействия квантов излучения с веществом в широком энергетическом интервале (Pb>0.6-5 МэВ; Fe>0,12-9,5 МэВ; Al>0,05-15 МэВ)

Эффект образования пар - при жестком рентгеновском или г-излучении (hv>=1,02 МэВ) может возникнуть вид взаимодействия квантов излучения с веществом, когда вблизи атомного ядра в сильном электрическом поле происходит поглощение кванта с образованием пары заряженных частиц позитрон - электрон.

Условие возникновения эффекта образования пар: hv>1,02 МэВ.

Рис. 4.4 Эффект образования пар.

Образовавшийся электрон теряет свою энергию в процессе ионизации, а позитрон существует короткое время, аннигилируя с одним из электронов среды, что сопровождается излучением двух квантов с энергией 0,51 МэВ.

Относительное уменьшение интенсивности потока рентгеновского или г-излучения за счет эффекта образования пар на единице пути в веществе характеризуется линейным коэффициентом эффекта образования пар ж (см-1).

В диапазоне энергий, применяемых в практической радиографии, ослабление излучения за счет эффекта образования пар мало по сравнению с ослаблением, обусловленным фотоэффектом и комптон-эффектом.

5. Основной закон радиационной дефектоскопии

Вследствие описанных ранее эффектов взаимодействия излучения с веществом интенсивность первичного излучения по мере прохождения его через вещество уменьшается. Ослабление интенсивности первичного пучка излучения описывается формулой:

I=I0e-мд,

где I0 - интенсивность излучения, падающего на поглотитель;

I - интенсивность излучения, прошедшего слой поглотителя толщиной д; д - толщина поглотителя;

м - линейный коэффициент ослабления излучения, определяющий долю квантов, испытывающих взаимодействие с веществом поглотителя на единице пути (см-1)

Поскольку ослабление излучения определяется главным образом фотоэффектом, комптон-эффектом и эффектом образования пар, линейный коэффициент ослабления м представляет собой суммы трех коэффициентов:

м=ф+у+ж

Таким образом, коэффициент мхарактеризует долю от первоначальной интенсивности излучения, поглощенную в поглотителе толщиной в 1 см за счет всех трех эффектов.

Это уравнение справедливо только для коллимированного (узкого) пучка фотонного излучения. На практике при расчетах ослабления фотонного излучения учитывается фактор накопления рассеяного излучения B:

B=Iпр+Iрасс/Iпр=1+Iрасс/Iпр>=1

где: Iпр - интенсивность прямого излучения, прошедшего поглотитель;

Iрасс - интенсивность рассеяного поглотителем излучения.

С учетом фактора накопления B рассеяного излучения закон ослабления неколлимированного (широкого) пучка излучения можетбыть выражен следующим выражением:

I=I0e-мдB

Для характеристики проникающей способности излучения используется понятие слой половинного ослабления ?1/2, представляющий собой толщину слоя облучаемого материала, при прохождении которого интенсивность излучения ослабляется в два раза:

?1/2=0,693/м

Диаграмма Эванса.

Относительная роль фотоэффекта, комптон-эффекта и эффекта образования пар зависит от энергии квантов и атомного номера поглотителя. Каждый из этих видов взаимодействия фотонного излучения с веществом для конкретного вещества преобладает в определенном энергетическом интервале. Фотоэффект преобладает в области малых энергий; с повышением жесткости излучения возрастает роль комптоновского рассеяния, который является основным механизмом взаимодействия квантов излучения вс веществом в широком диапазоне энергии.

Рис. 5.1 Диаграмма Эванса

При очень жестком излучении основным процессом взаимодействия квантов с веществом становится эффект образования пар.

Диаграмма показывающая области энергии, в которых преобладают различные процессы при взаимодействии излучения с веществом, приведена на рисунке 5.1

Область где преобладает фотоэлектрическое поглощение, отделена от области преобладания комптоновского рассеяния линией, проведенной так, что каждый из этих процессов вдоль этой линии равновероятен, т.е. линейные коэффициенты поглощения равны ф=у. Вторая линия разделяет области преобладания комтон-эффекта и эффекта образования пар. По этой линии соответствующие коэффициенты поглощения равны: у=ж. Оба процесса вдоль этой линии равновероятны.

В практической радиографии радиационное изображение при просвечивании изделий формируется главным образом благодаря процессу фотоэлектрического поглощения и комптоновского рассеяния.

Элемент	Фотоэффект	Комптон-эффект	Образование пар
Pb	До 500 кэВ	500 кэВ-5 МэВ	> 5 МэВ
Fe	До 120 кэВ	120 кэВ- 9,5 МэВ	> 9.5 МэВ
Al	До 50 кэВ	50 кэВ - 15 МэВ	> 15 МэВ
воздух	До 20 кэВ	20 кэВ - 23 МэВ	> 23 МэВ

6. Физико-технические основы радиографического контроля

Радиографический контроль основан на зависимости интенсивности рентгеновского (гамма) излучения, прошедшего через облучаемое изделие, от материала поглотителя и его толщины. Если контролируемый объект имеет дефекты, то излучение поглощается неравномерно и регистрируя его распределение на выходе, можно судить о внутреннем строении объекта контроля.

Источники проникающего излучения выбирают в зависимости от толщины контролируемого металла и заданной величины радиографической чувствительности, определяемой техническими условиями на контроль конкретного изделия.

Радиографическая чувствительность характеризуется минимальным дефектом, выявляемым радиографическим методом и определяется радиографической контрастностью объекта контроля, разрешающей способностью и контрастной чувствительностью детектора излучения, а также геометрией просвечивания.

Разрешающая способность характеризуется минимальным размером выявленного дефекта в плоскости, перпендикулярной направлению просвечивания и определяется минимальным расстоянием между двумя элементами изображения, которые на радиограмме переданы раздельно. Разрешающая способность детектора излучения, например рентгеновской пленки, зависит от энергии излучения, толщины фоточувствительного слоя, метода фотообработки и размера зерен галоидного серебра.

Геометрия просвечивания (схема контроля) определяет геометрическую нерезкость Н - важнейшую характеристику теневого радиационного изображения объекта контроля (ОК):

где: f - расстояние от источника излучения до ОК;

Ф - размер пятна источника излучения;

д - толщина ОК

b - расстояние от ОК до радиографической пленки.

Таким образом, для получения четкой проекции дефекта источник излучения должен иметь малый размер фокусного пятна и находится на достаточном расстоянии от контролируемого изделия. При этом улучшается выявляемость мелких дефектов, так как уменьшается геометрическая нерезкость, обусловленная образованием полутеней.

Ограничивающим фактором при увеличении фокусного расстояния является существенное возрастание времени экспозиции, так как интенсивность излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

Минимальный размер дефекта, который может быть обнаружен радиографическим методом, зависит от его формы и местонахождения. Лучше всего выявляются дефекты с плоскими гранями, ориентированные вдоль направления просвечивания, вследствие большего градиента интенсивности излучения на границах по сравнению с дефектами, например шаровой или цилиндрической формы. Дефекты в виде плотного слипания металла (расслоения), расположенные перпендикулярно направлению просвечивания, радиографическим методом не выявляются.

Выявляемость дефектов зависит от их ориентации относительно направления просвечивания. Лучше всего выявляются дефекты имеющие протяженность вдоль пучка проникающего излучения. Если дефект расположен под углом к направлению просвечивания, то чувствительность радиационного метода ухудшается и зависит от величины раскрытия дефекта и угла между направлением просвечивания и направлением дефекта. Экспериментально было установлено, что дефекты с малым раскрытием (трещины) не выявляются если угол пучка излучения по отношению к оси трещины больше 7°.

Чувствительность радиографического контроля характеризуется минимальным лучевым (в направлении просвечивания) размером выявленного эталонного дефекта (проволочки, канавки, отверстия) и выражается в абсолютных или относительных единицах. Она зависит от радиографической контрастности контролируемого объекта и от коэффициента контрастности детектора излучения.

Радиографическая контрастность определяется изменением интенсивности проникающего излучения при заданном изменении толщины объекта. Радиографическая контрастность возрастает с увеличением разности плотностей просвечиваемого материала и материала дефекта, а также с уменьшением энергии проникающего излучения. Радиографическая контрастность заметно снижается под действием Рассеянного излучения, которое особенно сильно сказывается при удалении дефекта от детектора излучения.

Рассеянное излучение возникает при взаимодействии первичного пучка проникающего излучения с материалом просвечиваемого изделия. Первичное излучение, взаимодействуя с электронами атомов вещества рассеивается, при этом каждый элемент просвечиваемого материала становится источником вторичного излучения, направление которого не совпадает с направлением первичного излучения. Рассеянное излучение вызывает появление вуали на изображении контролируемого объекта, что ухудшает контрастность и разрешающую способность метода. Для уменьшения рассеянного излучения используют специальные диафрагмы и свинцовые экраны.

Коэффициент контрастности детектора излучения, в частности рентгеновской пленки, определяется величиной изменения плотности почернения при заданном изменении интенсивности излучения. Дефект на снимке выявляется лишь в том случае, если разность оптических плотностей (контраст), соответствующих дефектному и бездефектному участкам, превышает определенное значение, характеризующее свойства человеческого глаза.

Коэффициент контрастности рентгеновской пленки зависит от технологии изготовления фоточувствительного слоя, условий проявления, оптической плотности, а также от энергии излучения.

Радиографическая чувствительность оценивается по наименьшему элементу эталона чувствительности, который выявлен на радиограмме.

7. Рентгеновские аппараты и радиографическая пленка

Рентгеновские аппараты состоят из следующих основных элементов:

· рентгеновская трубка;

· источник высокого напряжения;

· контрольная аппаратура.

Рис 7.1 Блок-схема рентгеновского аппарата

Достоинство рентгеновских аппаратов:

· интенсивность радиационного излучения, как правило, вышепо сравнению с г-источниками;

· имеется возможность регулировки энергии излучения;

· интенсивность излучения практически не изменяется со временем и может регулироваться оператором;

· при отключении электропитания рентгеновский аппарат не является источником радиационной опасности.

Недостатки:

· необходимость в источнике электропитания;

· требуется охлаждение;

· более сложная конструкция и обслуживание;

· большие габариты и вес.

Рентгеновское излучение имеет ту же природу, что и г-излучение, подчиняясь одним и тем же закономерностям при взаимодействии с веществом. Принципиальная разница между ними лишь в механизме их возникновения. Рентгеновское излучение получают в результате торможения электронов на аноде рентгеновской трубки, г-излучение является продуктом распада ядер.

Рентгеновская трубка представляет собой двухэлектродную систему, состоящую из анода и катода, заключенную в герметичный стеклянный баллон с высокой степенью разрежения. Катод является источником электронов и конструктивно выполнен в виде вольфрамовой спирали, которая при работе разогревается до температуры около 3000оС от трансформатора накала напряжением 6-12 В. Анод служит для торможения электронов и представляет собой вольфрамовую пластину, которая приварена к пустотелому медному цилиндру, охлаждаемому во время работы.



Рис. 7.2 Принципиальная электрическая схема рентгеновского аппарата

Электроны, эмиттированные катодом, разгоняются приложенным между анодом и катодом ускоряющим полем. При соударении электронов с анодом их энергия идет на нагревание анода и частично превращается в лучистую энергию квантов рентгеновского излучения.

Полученное таким образом рентгеновское излучение характеризуется двумя самостоятельными энергетическими спектрами: непрерывным и дискретным. Излучение с непрерывным спектром (тормозное излучение) возникает в результате резкого изменения скорости движения электронов (торможение электронов на аноде). Дискретный спектр (характеристическое излучение) возникает в результате процессов, протекающих в возбужденных ускоренными электронами атомах материала анода и сопровождающихся энергетическими переходами. Характеристическое рентгеновское излучение проявляется в энергетическом спектре в виде острых выбросов, накладывающихся на непрерывный спектр. Длины волн в дискретном спектре характеристического рентгеновского излучения зависят от материала анода и потенциала возбуждения.

Долю кинетической энергии, преобразованной в излучение, можно записть как:

з=1,4*10-7ZU

где: Z - порядковый номер материала анода рентгеновской трубки в таблице Менделеева;

U - напряжение на электродах рентгеновской трубки, кВ.

Материал мишени анода должен отвечать следующим требованиям:

· высокое Z материала;

· высокая точка плавления;

· высокая теплопроводность мишени анода;

· низкое давление паров (малая испаряемость материала мишени анода).

Высокое Z материала мишени анода обеспечивает высокое КПД излучения; высокая температура плавления и теплопроводность обеспечивают получение максимальной энергии излучения для данного размера фокусного пятна. Низкое давление паров уменьшает количество металла, которое улетучивается из мишени и оседает на стенках рентгеновской трубки. Достаточно хорошо вышеперечисленным требованиям соответствуют мишени выполненные из вольфрама.

Рис. 7.3 Спектр рентгеновского излучения

Для получения рентгеновского изображения высокого качества фокусное пятно рентгеновской трубки должно быть как можно меньше, что достигается выбором оптимальных форм, размеров и относительного положения нити катода и фокусирующего устройства, а также выбором формы и относительного положения анода.

Для получения панорамного выхода рентгеновского излучения изготавливают трубки с вынесенным анодом. Такой анод заземляется, а высокое напряжение отрицательной полярности подают на катод. Подобные устройства удобны при просвечивании кольцевых швов.

Участок на котором тормозятся ускоренные электроны, и возникает рентгеновское излучение, называется действительным фокусным пятном. Эффективное фокусное пятно - проекция действительного фокусного пятна в направлении оси рабочего пучка рентгеновского излучения. Размеры эффективного фокусного пятна опрределяют в процессе испытаний трубок в заводских условиях и указывают в паспортных данных с приложением снимка фокусного пятна.

Высоковольтная часть рентгеновского аппарата - представляет собой высоковольтный генератор, преобразующий напряжение сети питания в высокое напряжение, необходимое для работы рентгеновской трубки. В состав высоковольтного генератора входят:

· высоковольтный трансформатор;

· трансформатор накала;

· выпрямительные устройства;

· выключатели;

· защитные устройства;

Напряжение между катодом и анодам создается высковольтным трансформатором, которым повышают напряжение сети до напряжения необходимого для работы рентгеновской трубки.

Эффективность работы рентгеновских трубок во многом зависит от схемы питания. Анодное напряжение на рентгеновской трубке может быть переменным, пульсирующим и постоянным.

Полуволновая безвентильная схема, используется в переносных рентгеновских аппаратах, выполняемых в виде моноблока (блок-трансформатора). В этом случае рентгеновская трубка служит не только источником рентгеновского излучения, но и выпрямителем подводимого переменного напряжения. Преимущество такой схемы в простоте, небольших размерах и массе; недостаток - в опасности выхода из строя рентгеновской трубки при длительной работе из-за обратной эмиссии электронов с мишени анода. Поэтому такие моноблочные аппараты, как правило, применяются для работы в повторно-кратковременном режиме.

Чтобы исключить обратный ток при перегреве мишени анода, используют полуволновые схемы, в которые включены последовательно с трубкой один или два вентиля, с помощью которых перераспределяется высокое напряжение, и на рентгеновскую трубку во время отрицательного полупериода подается в 2-3 раза меньшее напряжение.

Для питания рентгеновской трубки широко применяется мостовая схема двухполупериодного выпрямления: в первый полупериод ток проходит через одну пару вентилей, во второй полупериод - через другую. Схема удвоения со сглаженным напряжением, в которой используется два конденсатора и два вентиля, позволяет получить практически постоянное высокое напряжение. Каждый конденсатор заряжается поочередно через полупериод до амплитудного напряжения трансформатора. При этом между обкладками конденсаторов, к которым подключена рентгеновская трубка, образуется удвоенное напряжение. Разряд конденсаторов через трансформатор невозможен, т.к. этому препятствуют диоды. В современных рентгеновских аппаратах в схемах питания рентгеновских трубок для уменьшения пульсации при сглаживании напряжения используют схемы на промежуточных частотах 500 Гц и более.

Контрольная аппаратура служит для управления рентгеновским аппаратом и позволяет установить и поддерживать во время работы определенную интенсивность, энергию и продолжительность генерирования рентгеновского излучения.

Контрольная аппаратура включает:

· стабилизаторы тока накала и высокого напряжения;

· устройство защиты рентгеновской трубки от перегрузок;

· индикаторы сетевого и высокого напряжения;

· реле времени;

· сигнализаторы неисправностей и блокировок.

Ряд рентгеновских аппаратов:

· рентгеновские аппараты с максимальным напряжением до 100 кВ. Используются для просвечивания объектов из легких материалов (пластмасс, легких сплавов) и стали толщиной до 5-8 мм;

· рентгеновские аппараты с максимальным напряжением до 100-400 кВ. Используются для просвечивания изделий из стали и тяжелых сплавов (8-80 мм по стали);

· рентгеновские аппараты с максимальным напряжением до 0,5-2 МэВ. Используются для просвечивания изделий из стали и тяжелых сплавов (до 200 мм по стали);

· бетатроны, микротроны с энергией до 10-15 МэВ. Используются для просвечивания изделий, имеющих толщину до 400 мм по стали.

Радиографическая пленка и ее характеристики. Радиографическая пленка состоит из следующих слое в:

· подложка - основание пленки, представляющее собой тонкую, прозрачную и гибкую пластмассу;

· подслой - тонкий слой специального клея, нанесенный с обеих сторон подложки и улучшающий соединение эмульсионных слоев с подложкой;

· светочувствительные эмульсионные слои - слои, состоящие из равномерно распределенных кристаллов AgBr и частично AgJ, нанесенный с двух сторон на подслой

· защитный слой - тонкий слой на основе желатина предохраняющий эмульсионные слои от механических повреждений

Использование радиографических пленок в качестве детекторов рентгеновского и г-излучения основано на фотохимическом действии этих излучений.

Оптическая плотность почернения - величина, характеризующая непрозрачность негатива, численно равна десятичному логарифму отношения интенсивности светового потока, падающего на негатив (i0), к интенсивности светового потока, прошедшего через негатив.

Основные параметры радиографической пленки определяют путем построения характеристической кривой - зависимость плотности почернения радиографической пленки от логарифма экспозиции.

Рис. 7.4 Характеристическая кривая радиографической пленки

Радиографическая пленка обладает некоторой первоначальной плотностью вуалью. Дв = 0,1-0,3 еще до экспозиции, что объясняется непрозрачностью подложки и способностью некоторого числа зерен AgBr проявляться без воздействия на них излучения.

Коэффициент контрастности радиографической пленки (г) определяется углом наклона участка нормальных экспозиций (ВС) к оси абсцисс и равен тангенсу этого угла.

г=tg(ц)

Чувствительность пленки к излучению (S0,85) равна обратной величине экспозиционной дозы, при которой плотность почернения на 0,85 превышает первоначальную вуальную плотность почернения пленки Дв

S0.85=1/X0.85[p-1]

Широта пленки определяет интервал экспозиции, ограниченный точками начала (Хв) и конца (Хс) прямолинейного участка характеристической кривой, то есть определяет максимальный диапазон толщин объекта, который можно радиографировать на одну пленку за одну экспозицию, не выходя за пределы рабочего участка характеристической кривой.

В России выпускают четыре класса радиографических пленок:

1 класс, пленки типа РТ-5, РТ-К - особомелкозернистые высококонтрастные безэкранные с низкой чувствительностью к излучению; они применяются для получения наилучшей выявляемости дефектов при просвечивании изделий из легких сплавов, а также при контроле высокоответственных изделий. Применяются с металлическими экранами и без них;

2 класс, пленки типа РТ-4М, РТ-СШ - также мелкозернистые и высококонтрастные, но чувствительность их к излучению выше чем у пленок 1 класса. Предназначены для просвечивания изделий из легких сплавов и стали малой толщины. Применяются с металлическими экранами и без них;

3 класс, высокочувствительные к излучению безэкранные пленки типа РТ-1. Они в основном используются для контроля толстостенных изделий. Применяются с металлическими экранами и без них;

4 класс, пленки типа РТ-2, РМ-1 - высокочувствительные к излучению экранные пленки, обладающие высокой чувствительностью к излучению и высокой контрастностью при использовании флуоресцирующих экранов. Используется при контроле толстостенных изделий для выявления крупных дефектов.

Таблица - Зависимость радиографических пленок от их класса

Характеристика	Класс пленки
	1 2 3 4
Коэффициент контрастности пленки	Больше Меньше
Выявляемость мелких дефектов	Больше Меньше
Чувствительность пленки к излучению S0.85	Меньше Больше
Зернистость	Меньше Больше
Разрешающая способность	Больше Меньше
Широта пленки	Меньше Больше
Производительность	Меньше Больше
Просвечиваемый диапазон толщин	Меньше Больше

8. Типовая промышленная рентген-лаборатория на примере лаборатории "ОКБ "Новатор"

Опытное конструкторское бюро "Новатор" осуществляет разработку и производство ракетной техники различного назначения (ракетных комплексов, управляемых ракет, пусковых установок ЗУР, учебных средств и пр.) наземного, морского и авиационного базирования для Военно-морского флота, Сухопутных войск, Военно-воздушных сил.

Предприятие представляет собой научно-производственный комплекс, оснащенный современным оборудованием и позволяющий осуществлять производство серийных партий изделий. На предприятии внедрена система качества в соответствии с ГОСТ РИСО 9001-2001. Отдел неразрушающего контроля, отвечающий за качество продукции на всех этапах производства, содержит в себе несколько участков: рентгенконтроль, люмконтроль, капиллярный контроль, УЗК-контроль, визуальный контроль.

Рис. 8.1 Рентгеновский аппарат Isovolt Titan

Основная задача рентгенлаборатории контроль качества сварных соединений. Решение о рентгенконтроле принимается в конструкторском бюро, либо на технологических участках цехов. Рентгенконтролю может подвергаться как вся партия деталей, так и определенное выборочное их количество.

Рентген контроль осуществляется на современных рентгеновских аппаратах Isovolt titan и Isovolt HS компании "General Electric", а также на отечественных аппаратах РАП. Проявка пленок на автоматических проявочных машинах Экран-80П 44М, позволяет получить готовый снимок за 4-8 минут.

Рис. 8.2 Автоматическая проявочная машина Экран-80П 44М



Рис. 8.3. 1-Рентгенаппарат Isovolt HS; 2-Рентгенаппарат Isovolt Titan; 3-рентегнаппарат РАП; 4-рельсоваятележка для крупногабаритных узлов; 5-Проявочная машина Экран-80П 44М; 6-Пульт управления рентгеновскими аппаратами; 7-Негатоскопы для расшифровки снимков; 8-Рентгено-телевизионная система.

На предприятии также внедрена рентгено-телевизионная система для контроля качества в реальном времени или с сохранением данных на электронных носителях.

В штат рентгеновской лаборатории входят дефектоскописты, инженеры-рентгенологи, технологи, инженер по оборудованию и ведущий инженер лаборатории.

9. Требования методических документов по радиационному контролю

Метод радиографического контроля сварных соединений, выполненных сваркой плавлением, с толщиной свариваемых элементов от 1 до 400 мм, с применением рентгеновского, гамма - и тормозного излучений и радиографической пленки устанавливает ГОСТ 7512-82 "Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Радиографический метод".

Радиографический контроль применяют для выявления в сварных соединениях трещин, непроваров, пор, инородных включений (вольфрамовых, шлаковых), а также для выявления недоступных для внешнего осмотра подрезов, выпуклости и вогнутости корня шва, превышения проплава.

При радиографическом контроле не обеспечивается выявление следующих несплошностей и включений:

· если их протяженность в направлении просвечивания менее удвоенного значения абсолютной чувствительности контроля;

· трещин и непроваров с раскрытием менее 0,1 мм, если толщина просвечиваемого материала до 40 мм, 0,2 мм - при толщине материала от 40 до 100 мм, 0.3 мм - при толщине материала от 100 до 150 мм.

· трещин и непроваров, плоскость раскрытия которых не совпадает с направлением просвечивания;

· если изображение несплошностей и включений совпадает на радиографическом снимке с изображением посторонних деталей, острых углов, резких перепадов толщин свариваемых элементов.

Допустимые размеры несплошностей и включений в контролируемых объектах указывают в чертежах, технических условиях, правилах контроля или в другой нормативно-технической документации.

При их отсутствии, допустимые несплошности и включения в зависимости от класса сварных соединений могут быть определены по ГОСТ 23055 "Контроль неразрушающий. Сварка металла плавлением. Классификация сварных соединений по результатам радиографического контроля".

Радиографический контроль осуществляется при наличии двустороннего доступа к контролируемому участку сварного шва изделия и возможности проведения контроля по схемам, обеспечивающим выполнение требований ГОСТ 7512-82.

Отношение толщины контролируемого сварного соединения в направлении просвечивания к общей суммарной толщине просвечиваемого металла для нахлесточных, тавровых и угловых сварных соединений, подлежащих радиографическому контролю, не должна быть менее 0,2.

Радиографическая пленка должна устанавливаться вплотную к контролируемому шву или на расстоянии от него не более 150 мм.

Угол между направлением просвечивания и нормалью к радиографической пленке в центре снимка должен быть минимальный и не превышать 45°.

Требования предъявляемые к инженерно-техническим работникам и дефектоскопистам выполняющим радиографический контроль должны соответствовать "Правилам аттестации персонала в области неразрушающего контроля" ПБ 03-440-02 или ПНАЭ Г-7-010-089.

Радиографический контроль проводится звеном, состоящим из двух дефектоскопистов, каждый из которых должен иметь документ на право проведения работ. Руководитель звена должен иметь второй или третий уровень квалификации по радиографическому контролю.

Класс сварного соединения назначается проектной организацией в соответствии с ГОСТ 23055-78 или действующей нормативно-технической документацией.

Для контроля изделий поднадзорных Ростехнадзору РФ должен быть разработан технологический процесс (технологическая карта) радиографического контроля.

Технологический процесс должен содержать:

· технологическую карту;

· перечень используемого оборудования, материалов, средств малой механизации;

· последовательность контроля;

· схему просвечивания сварного шва;

· требования к чувствительности контроля;

· нормы контроля;

· схемы зарядки кассет и т.д.;

· требования к технике безопасности.

10. Радиационная безопасность

Под действием ионизирующего излучения в биоткани человека происходят сложные физические, химические и биохимические процессы. Первичными процессами при этом являются ионизация и возбуждение атомов и молекул, что приводит к разрыву химических связей и образованию высокоактивных свободных радикалов.

В связи с тем, что основную массу организма человека составляет вода (около 75%), то большое значение имеет косвенное воздействие радиации через ионизацию молекул воды и механизм последующих реакций. В результате ионизации молекул воды образуется перекись водорода H2O2 и гидратный окисел водорода OH, которые взаимодействуя с молекулами органического вещества (в первую очередь с белками), приводят к разрушению клеток живой ткани и нарушению биохимических процессов.