Применение ускорителей в радиационной дефектоскопии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательно учреждение

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Физико-технологический институт

Кафедра «Физические методы и приборы контроля качества»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к проекту по модулю

По теме: «Применение ускорителей в радиационной дефектоскопии»

Студент: Вострецова С.В.

Содержание

Введение

1. Дефектоскопия

1.1 Радиационная дефектоскопия

1.2 Радиографический контроль

1.3 Радиационная интроскопия

1.4 Радиометрический контроль

2. Ускорители

2.1 Линейные ускорители

2.2 Бетатрон

Заключение

Список используемых источников

Введение

В современном мире тяжело представить область, в которой не использовались бы дефектоскопы. Дефектоскопы используют в машиностроении, газопроводе, приборостроении. Изделия, используемые в таких отраслях, должны быть прочные и надежные, ведь это имеет большое значения. Из-за повреждений в детали или из-за неровностей в металле могут появиться серьезные проблемы.

Неразрушающий контроль в большинстве технологических процессов, а именно в числе сварных швов является незаменимой частью общего технологического процесса. Основное количество неразрушающего контроля приходится на сварные швы, для которых применяют разные методы, такие как радиографический, ультразвуковой, а также методы для определения поверхностных дефектов.

Целью исследования данной работы является изучение радиационной дефектоскопии, изучение работы бетатронов и линейных ускорителей и то, как они применяются в дефектоскопии.

1. Дефектоскопия

Дефектоскопия - комплекс мер и технологий по обнаружению поверхностных и внутренних изъянов в изделиях, материалах, конструкциях, сооружениях.

Неразрушающий контроль - контроль надёжности основных рабочих свойств и параметров объекта или отдельных его элементов/узлов, не требующий выведения объекта из работы либо его демонтажа.

Проведение неразрушающего контроля не нарушает целостность изделия, не деформирует его эксплуатационных характеристик. Другим преимуществом НК служит то, что он может быть механизирован и автоматизирован.

Технология неразрушающего контроля особенно актуальна для тех изделий и сооружений, к которым предъявляются самые строгие требования качества. Диагностика ставит своей целью обнаружение различных дефектов, к которым относятся трещины, пораженные коррозией участки, поры, пустоты, бреши и т.д. Кроме того, средства неразрушающего контроля могут выполнять измерительные процедуры: к примеру, определять толщину стенок того или иного оборудования, составлять тепловую карту объекта.

Проведение неразрушающего контроля, как уже было сказано, никоим образом не вмешивается в производственный и эксплуатационный процесс. Более того, данная процедура может носить непрерывный характер с тем, чтобы иметь возможность своевременно выявить и устранить дефект. До того, как он успеет привести к серьезным поломкам и повреждениям.

Можно выделить несколько основных методов неразрушающего контроля.

1. Ультразвуковой.

2. Рентгеновский.

3. Капиллярный.

4. Тепловой.

5. Вихретоковый.

6. Магнитно-порошковый.

7. Визуально-измерительный.

8. Вибродиагностика.

В данном проекте мы будем рассматривать подробнее радиационную дефектоскопию, разберем ее особенности и виды, какие излучения используются, принцип работы ускорителя

1.1 Радиационная дефектоскопия

Данный метод неразрушающего контроля используют для выявления трещин, непроваров, пор, шлаковых, вольфрамовых окисных и др. видов вкраплений в сварных соединениях.

Для проведения радиационного контроля используют как минимум 3 элемента:

1. Источник ионизирующего излучение;

2. Контролируемый объект;

3. Детектор, регистрирующий дефектоскопическую информацию

Излучение проходит сквозь контролируемый объект, там оно поглощается и рассеивается. Степень ослабления будет зависеть от толщины и плотности изделия, а также интенсивности и энергии потока излучения. Засветка детектора происходит больше в том месте, куда попало больше квантов излучение

Методы радиационного контроля классифицируют по типам фиксации дефектоскопической информации. Классификация отображена на рисунке 1.

При радиационной дефектоскопии в основном применяют тормозное (рентгеновское), нейтронное и гамма-излучения (рисунок 2). Тормозное и гамма-излучения представляют собой разновидность электромагнитных колебаний, которые, по сравнению с видимым светом и ультрафиолетовым излучением, имеют как общие волновые свойства, так и специфические особенности, связанные с их корпускулярными (квантовыми) свойствами. В частности, длина волны видимого света равна 10-⁹...4,10-⁷; рентгеновского излучения 6-10-¹³...10-⁸; гаммаизлучения 10-¹³...4,10-¹²м.

Рисунок 1 - Классификация методов

Рисунок 2 - Виды и источники излучения

Разница между рентгеновским и гамма-излучением заключается в механизме их возникновения: рентгеновское излучение - внеядерное происхождение, гамма-излучение - продукт распада ядер. Ионизирующие излучения по своей природе являются электромагнитными. Их проникающая способность определяется энергией, зависящей от длины волны. Чем меньше длина волны, тем выше энергия излучения и выше проникающая способность излучения. Выявление внутренних дефектов при просвечивании основано на способности ионизирующего излучения неодинаково проникать через различные материалы и поглощаться в них в зависимости от толщины, рода (плотности) материалов и энергии излучения. Для выявления дефектов в изделиях с одной стороны устанавливают источник излучения, с другой - детектор, регистрирующий информацию о внутреннем строении контролируемого объекта. Принцип работы радиационного контроля представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 - Принцип работы радиационного контроля: 1 - источник; 2 - контролируемый объект; 3 - раковина; 4 - шлаковое включение; 5 - эпюра интенсивности излучения за объектом

Самыми эффективными и удобными системами для обнаружения дефектов являются системы, которые используют ускорители электронов. По сравнению с радионуклидными источниками или рентгеновскими трубками они обладают более высокой энергией частиц, с большей интенсивностью и узконаправленностью пучка. Это обеспечивает контроль даже толстостенных изделий. Самым чувствительным методом является тот, в котором используют нейтронное излучение.

1.2 Радиографический контроль

Методика радиографии сварных швов помогает выявить дефекты на их ранней стадии развития. Таким образом, радиографический метод контроля сварных соединений представляет собой неразрушающий способ для проверки материалов на наличие скрытых дефектов. Такой вид проверки использует способность рентгеновских волн глубоко проникать в различные материалы. Рентгеновский метод неразрушающего контроля признан одним из наиболее точных и объективных способов подтверждения качества выполненных соединений металлических деталей и конструкций. С помощью рентгенографии можно выявить большинство серьезных дефектов, определить их характер и размеры.

Принцип рентгенографического контроля основан на исследовании образца в токе рентгеновских лучей (рисунок 4). С одной стороны расположен источник излучения, с другой - чувствительная плёнка или матрица. После прохождения через однородный материал получается одинаковая равномерная засветка. В случае нахождения в образце изъянов и неоднородностей, засветка на плёнке или матрице изменяется.

Рентгенографический метод контроля сварных соединений - один из самых достоверных методов неразрушающего контроля. Его применяют повсеместно в случаях, когда требуется высокий уровень качества и надёжности сварного шва соответствующего стандартам. Несмотря на несколько более высокую цену рентгеновского контроля, его применение обязательно для подтверждения годности ответственных изделий.

Метод контроля сварных соединений с помощью рентгеновского просвечивания, несмотря на несколько высокую стоимость, имеет ряд важных преимуществ:



Рисунок 4 - Принцип работы радиографического контроля

1. Возможность выявления видимых и невидимых дефектов сваривания;

2. Возможность определения внутренних изъянов и их локализации;

3. Быстрое получение результатов;

4. Большая точность и информативность;

5. Наглядность результатов;

6. Объективность результатов и возможность их регистрации.

У каждого метода неразрушающего контроля существуют недостатки. Рентгенография не исключение, однако, ее недостатков немного:

1. Сравнительно высокая цена исследований;

2. Нечувствительность к некоторым видам дефектов;

3. Опасность радиационного излучения для здоровья человека без специальной защиты;

4. Высокие требования к квалификации персонала, занятого в осуществлении процедур рентгенографического контроля.

1.3 Радиационная интроскопия

Радиоскопический метод основан на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в световое изображение на выходном экране электронно-оптического преобразователя.

При радиоскопическом методе неразрушающего контроля необходимо использовать следующие преобразователи излучения:

1. флюороскопический экран;

2. рентгеновский электронно-оптический преобразователь (РЭОП);

3. рентгенотелевизионную установку с флюоресцирующим экраном;

4. оптическим преобразователем (ЭОП).

В радиационной интроскопии неограниченная возможность интегрирования изображения. Это позволяет использовать в методе радиоактивные источники, в том числе и нейтронные. Класс радиационных электронно-оптических преобразователей изображения, т.е. устройств, предназначенных для преобразования радиационного изображения в световое, характеризуется огромным разнообразием типов приборов, их составом и технологией изготовления (рисунок 5). Так, уже существующие и разрабатываемые РЭОП основываются на явлениях рентгенолюминесценции, электрических и тепловых эффектах в жидких кристаллах, электрооптических эффектах в монокристаллах и керамических материалах, процессе вторичной эмиссии, генерировании света в твёрдых телах в результате электронной бомбардировки, инжекции носителей под влиянием электрических полей и т.п.

Если облучаемый образец неоднороден по плотности или имеет значительные вариации радиационной толщины, или же в целом не очень удобно анализировать отдельные детали, то для этого есть специальные подвижные фильтры, которые позволяют локально увеличивать или уменьшать плотность потока излучения энергии. Также можно облучать предмет несколько раз и разной длиной волны, что позволит изучить области объекта со слабым или же сильным поглощением. Этот метод позволяет обнаружить дефекты как в неподвижных, так и в движущихся объектах.

Рисунок 5 - Электронно-оптический преобразователь: 1 - высоковольтный генератор; 2 - рентгеновская трубка; 3 - катодный узел; 4 - нить накала; 5 - анодный узел; 6 - вольфрамовая мишень; 7 - контролируемый объект; 8 - дефект; 9 - радиационное изображение дефекта; 10 - входной экран; 11 - фотокатод; 12 - электрод; 13 - колба; 14 - выходной экран; 15 - магнитный экран; 16 - защитный экран; 17 - преобразователь свет-сигнал; 18 - телевизионный канал с цифровой системой интегрирования и обработки сигнала; 19 - кинескоп; 20 - световое изображение дефекта; 21 - зрительный анализатор.

1.4 Радиометрический контроль

Радиометрический метод контроля основан на измерении интенсивности прохождения гамма-лучей в исследуемом материале и сравнении ее с интенсивностью в эталонных образцах. Метод позволяет оценить плотность материала фундаментов и выявить дефекты в них. Принцип работы радиометрического контроля можно наблюдать на рис. 6.

Рисунок 6 - Принцип работы радиометрического контроля: 1 - источник излучение; 2 - коллиматоры; 3 - контролируемый объект; 4 - направление перемещения; 5 - кристалл; 6 - фотоэлектронный умножитель; 7 - усилитель; 8 - регистрирующий прибор

Радиометрический метод контроля состоит в преобразовании плотности потока прошедшего через контролируемое сварное соединение излучения в электрический сигнал и измерений тех или иных параметров этого сигнала. Различают среднетоковый и импульсный методы радиометрической дефектоскопии. При среднетоковом методе радиометрии выходной электрический сигнал формируется в виде постоянного тока, среднее значение которого зависит от размеров дефекта. При импульсном методе радиометрии выходной сигнал формируется в виде импульсов, частота следования которых зависит от размеров дефектов либо от спектра (интервала энергии) излучения, прошедшего через контролируемый объект. В качестве детекторов излучения при радиометрическом методе контроля используют в основном сцинтилляционные кристаллы с фотоэлектронными умножителями, а также полупроводниковые детекторы. К преимуществам радиометрического метода контроля относятся высокая чувствительность и большая производительность, а также простота автоматизации контроля. Однако этому методу присущи и существенные недостатки, основным из которых является его интегрирующее свойство, не позволяющее отличить сигналы от дефектов от сигналов, вызванных локальными изменениями толщины изделия, например, из-за поверхностных неровностей шва.

Еще одно преимущество метода- проведение непрерывного высокопроизводительного контроля качества изделия, обусловленное высоким быстродействием применяемой аппаратуры. При этом чувствительность метода не уступает радиографии. Практически широкое применение в радиометрической дефектоскопии нашли сцинтилляционные кристаллы.

К явным недостаткам радиометрического метода дефектоскопии относят регистрацию потока излучения, несущего информацию о наличии дефектов. Электрический сигнал, обрабатываемый в канале регистрации, пропорционален потоку, проинтегрированному по площади коллимационного окна. Размеры коллимационного окна, как правило, больше размеров дефекта, и существуют оптимальные их соотношения, нарушение которых приводит к потере чувствительности. Изменения потока, обусловленные локальными неоднородностями материала изделия, составляют незначительную часть регистрируемого потока, что ограничивает чувствительность метода. Изменения толщины на всей площади коллимационного окна дает сопутствующий сигнал значительно больший по величине, чем полезный. Для контроля всего изделия приходится проводить сканирование, что снижает производительность. При этом нельзя увеличить площадь коллимационного окна без потери производительности.

2. Ускорители

Ускоримтель зарямженных частимц -- класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий.

Первым делом частицы надо создать и затем разогнать до небольшой энергии. Всё это делается в маленьком предварительном ускорителе. Электроны и протоны добывают из обычного вещества, например, с помощью электрического поля или ионизации. Частицы «утягиваются» электрическим полем, ускоряются под его действием, а затем попадают в небольшой синхротрон, который называется «накопитель». В нём частицы накапливаются, и когда их станет достаточно много, они «впрыскиваются» в основной ускоритель. Там с ними начинаются эксперименты, а в предварительном ускорителе частицы вновь накапливаются с нуля. Каждый такой цикл занимает несколько часов. Все ускорители подразделяют:

1.Линейные ускорители

1.1 Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия)

1.2 Линейный индукционный ускоритель

1.3 Линейный резонансный ускоритель

2.Циклические ускорители

2.1 Бетатрон

2.2 Циклотрон

2.3 Микротрон

2.4 FFAG

2.5 Фазотрон (синхроциклотрон)

2.6 Синхрофазотрон

2.7 Синхротрон

2.8 Ускоритель-рекуператор

2.1 Линейные ускорители

Линейные ускорители - ускорители заряженных частиц, в которых частица движется по прямолинейной траектории. Линейные ускорители можно разбить на две категории - ускорители прямого действия и собственно линейные ускорители.

В ускорителе прямого действия пучок ускоряется высоким напряжением, которое может быть постоянным, или импульсным. Полученная энергия ограничивается электрическими пробоями при очень высоких напряжениях.

В линейных индукционных ускорителях ускорение происходит вихревым электрическим полем, которое создают ферромагнитные кольца с обмотками, установленные вдоль оси пучка.

В линейных резонансных ускорителях (рисунок 7) частица подвергается многократному ускорению, пролетая сквозь ряд цилиндрических трубок, присоединенных к электрическому генератору высокой частоты (используют радиочастотные генераторы). Пучок частиц двигается вдоль оси трубок. Внутри каждой трубки электрическое поле равно нулю. Соседние трубки имеют противоположную полярность. Таким образом, ускоряющее поле высокой частоты с напряжением порядка сотен кВ находится в зазорах между трубками. Частота генератора и размеры трубок подбираются так, чтобы сгусток ускоряемых частиц подходил к очередному зазору в тот момент, когда полярность трубок изменяется на противоположную.

Рассмотрим один из самых популярных видов ускорителей на рынке:

Линейный ускоритель электронов для радиационной дефектоскопии (УЭЛР) от производителя «Торий»

Предназначены для применения в качестве источников тормозного ионизирующего излучение в дефектоскопах для радиографического контроля при проведении неразрушающего контроля объекта. Такой ускоритель может помочь обнаружить раковины, трещины, непровары, полости, инородные включения. УЭЛР может работать с металлами толщиной от 50 мм до 500 мм

Рисунок 7-принцип ускорения электронов

Основные преимущества перед другими ускорителями:

1. Возможность независимого регулирования энергии ускоренных электронов и мощности дозы тормозного излучения

2. Малый размер фокусного пучка на мишени

3. Возможность выбора оптимальных параметров излучения в зависимости от характеристик контролируемого объекта

4. Получение качественных изображений с высоким пространственным разрешением

5. Возможность осуществления импульсного контроля мощности дозы и контроля накопленной дозы благодаря встроенной в излучатель ионизационной камере

6. После набора требуемой дозы контроллер ионизационной камеры вырабатывает сигнал выключения излучения

Излучатель обладает радиационной защитой. Мощность дозы тормозного излучения на расстоянии 1 метра снижается в 10000 раз. Имеется локальная радиационная защита, которая позволяет оптимизировать радиационную защиту рентгеновской камеры, снижая ее толщину вне рабочей зоны, а также повышает качество изображения, уменьшая количество засветки пленки паразитными излучениями. Блок излучателя снабжен системой лазерного наведения. Сама конструкция модуля может находится в любом положении. В состав ускорителя входит модуль охлаждения, который не позволяет аппарату перенагреваться. Оператор контролирует работу ускорителя с помощью панели управления, позволяющей осуществлять автоматизированное включение ускорителя, выбирать значение энергии, мощности дозы, включать и выключать излучение.

Сравним три ускорителя от данного производителя.

У УЭЛР-10-2Д одни из самых лучший показателей, но, к сожалению, такой усовершенствованный ускоритель не сможет проверить на наличие дефектов изделие толщиной меньше 100 мм. Также диапазон регулирования энергии варьируется от 5 до 10, что указывает на то, что на маленькие изделия с маленькой плотностью придется тратить такое же количество энергии как и на крупногабаритное. Данный ускоритель подойдет для проверки больших изделий сложной формы. Для проверки же небольших изделий будет достаточно УЭЛР-8-2Д, ведь он может просвечивать тонкие изделия и позволяет это сделать за счет меньшего количества энергии. Более подробная характеристика приведена в таблице:

2.2 Бетатрон

Бетатрон -- это индукционный ускоритель, в котором энергия электронов увеличивается за счет вихревого электрического поля, создаваемого изменяющимся магнитным потоком, направленным перпендикулярно к плоскости орбиты частиц. Электроны двигаются по круговой орбите постоянного радиуса в нарастающем во времени по синусоидальному закону магнитном поле (обычно промышленной частоты 50 Гц). Удержание электронов на орбите постоянного радиуса обеспечивается определенным образом подобранным соотношением между величинами магнитного поля на орбите и внутри неё. Рабочим циклом является первая (нарастающая) четверть периода магнитного поля.

Рисунок 8. Показаны вектора E и H напряженностей электрического и магнитного полей. 1 - электромагнит, 2 - вакуумная камера, 3 - орбита электрона, 4 - инжектор, 5 - тормозная мишень, 6 - тормозное излучение.

Бетатрон конструктивно представляет собой большой электромагнит, между полюсами которого расположена вакуумная камера (см. рисунок). Электромагнит создаёт в зазоре между полюсами переменное магнитное поле напряженностью H, которое в плоскости вакуумной камеры создаёт вихревое электрическое поле E (э.д.с. индукции). В вакуумную камеру с помощью инжектора (электронная пушка) в начале каждого периода нарастания магнитного поля (т.е. с частотой 50 Гц) впрыскиваются электроны, которые увлекаются вихревым электрическим полем E в процесс ускорения по круговой орбите. В момент, когда магнитное поле достигает максимального значения (в конце первой четверти каждого периода), процесс ускорения электронов прекращается и сменяется их замедлением, так как вихревое поле E меняет направление, а э.д.с. индукции - знак.

Основные характеристики некоторых известных моделей бетатронов для дефектоскопии представлены в таблице 1:

Таблица 1

Бетатроны преимущественно и используются как источники тормозного излучения. Благодаря простоте конструкции и управления, а также дешевизне бетатроны получили широкое применение в прикладных целях в диапазоне энергий 20-50 МэВ. Создание бетатронов на более высокие энергии сопряжено с необходимостью использования электромагнитов слишком большого размера и веса (магнитное поле приходится создавать не только на орбите, но и внутри неё).

Заключение

Радиационная дефектоскопия основана на зависимости поглощения излучения от толщины, плотности материала, а также от атомного номера элементов, которые есть в составе материала. Для создания этого излучения требуются ускорители электронов. В зависимости от метода обнаружения и регистрации, от вида излучения, который используется, выделяют три вида контроля: радиографический, радиоскопический, радиометрический

С помощью радиационного метода контроля выявляют трещины, непровары, неровности, углубления, поры. Результаты контроля подтверждаются документально (наглядно), поэтому при радиационном контроле легче обнаружить и подтвердить дефект.

В данной работе было изучено такое понятие как дефектоскопия. Были изучены виды неразрушающего контроля. Изучены достоинства и недостатки радиационного метода контроля, а также его виды: радиометрический, радиоскопический и радиографический, проанализированы их достоинства и недостатки, изучен принцип работы каждого метода. Изучена работа бетатронов и линейных ускорителей, проведено их сравнение.

радиационный дефектоскопия бетатрон ускоритель

Список использованных материалов

1. Основы радиационного неразрушающего контроля. Методическое пособие.

2. Журнал «Дефектоскопист»

3. Научно-производственное предприятие «Торий»

4. Ядерная физика в Интернете

5. Румянцев С.В. Радиационная дефектоскопия. Изд. 2-е, М., Атомиздат, 1974, 512 с

Размещено на Allbest.ru