Техника рентгенографирования импульсными аппаратами серии АРИНА
ТЕХНИКА РЕНТГЕНОГРАФИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСНЫМИ АППАРАТАМИ СЕРИИ АРИНА
В последнее время появилось большое количество рентгенографических аксессуаров (рентгеновских плёнок, усиливающих экранов, другой техники регистрации), как и большое количество фирм-изготовителей импульсных аппаратов. Это изобилие зачастую вызывает у потребителей проблемы, как с выбором аппарата, так и с выбором регистрирующих устройств.
Цель данной статьи - попытаться выработать некоторые конкретные рекомендации для выбора, как аппарата, так и типа плёнки и усиливающих экранов при использовании аппаратов серии АРИНА.
Прежде всего, несколько слов о методе рентгенографического контроля. Известно, что стандартная технология рентгенографического контроля подразумевает наличие источника проникающего излучения - рентгеновского аппарата с одной стороны объекта и рентгеновской плёнки с другой его стороны (рис. 1).
Рис.1 Принцип рентгенографического контроля
Формирование изображения объекта на плёнке подчиняется всем законам геометрической оптики, а также зависит от энергии излучателя и параметров плёнки. Качество полученной рентгенограммы оценивается рентгенографической чувствительностью
где d - минимальный размер дефекта, D - толщина контролируемого изделия
Чувствительность, равная 1% обозначает, что на толщине материала в 10 мм можно рассмотреть дефект размером 0,1 мм.
Рентгенографическая чувствительность зависит от множества факторов, которые условно можно разделить на две группы:
- Аппаратные факторы
- Факторы регистрации изображения
Аппаратные факторы
а. Энергия излучателя, от которой напрямую зависит так называемая рентгенографическая контрастность.
Совершенно очевидно, что для каждой толщины контролируемого изделия существует оптимальное напряжение, которое и определяет контрастность, то есть выявляемость дефектов вдоль пучка просвечивания. При меньшем напряжении снимок вуалируется за счёт рассеянного излучения. При большем - уменьшается поглощение, а стало быть, также вы- являемость. Итак, напряжение - это контрастность - выявляемость по глубине. б. Фокус рентгеновской трубки - непосредственно влияет на резкость изображения, то есть на выявляемость дефектов в направлении, перпендикулярном пучку излучения. Геометрическая нерезкость (рис. 2) является областью полутени от дефекта из-за конечного размера фокусного пятна. |
где Ф- размер фокусного пятна трубки d - толщина контролируемого изделия F - фокусное расстояние Следовательно, чем больше фокус и толщина, тем больше нерезкость, чем больше фокусное расстояние, тем меньше нерезкость.
Рис. 2 Фокусное пятно
в. Мощность излучения (мощность рентгеновской трубки) Из предыдущего видно, что, имея определённый источник излучения, единственный способ уменьшить нерезкость это увеличить фокусное расстояние. Однако увеличение расстояния - это уменьшение дозы излучения обратно пропорционально квадрату фокусного расстояния. Следовательно, большая мощность излучения позволяет работать при больших фокусных расстояниях, имея сравнительно небольшую экспозицию и хорошую резкость снимка, а, следовательно, хорошую рентгенографическую чувствительность.
Итак, напряжение, фокус, мощность - вот те аппаратные характеристики, от которых напрямую зависит рентгенографическая чувствительность контроля.
Факторы техники контроля (регистрация изображения)
К этим факторам прежде всего относятся рентгеновская плёнка и усиливающие экраны. Важнейшим свойством плёнки является зависимость между степенью потемнения и полученной дозой излучения (экспозицией). Эта зависимость достаточно сложна, но для всех плёнок существует участок, который называется областью нормальных экспозиций, где степень потемнения приблизительно пропорциональна логарифму экспозиции.
где P1 и Po - дозы (экспозиции), D1-Do - плотность потемнения
Коэффициент у называется коэффициентом контрастности плёнки. Он как правило, в зависимости от типа плёнки колеблется в пределах от 2 до 5 единиц. В соответствии с величиной этого коэффициента рентгеновские плёнки делятся на два класса.
Первый класс - высококонтрастные рентгеновские плёнки (у = 4^5).
Как правило, они используются без усиливающих экранов или в комбинации со свинцовыми экранами.
Обладая большим коэффициентом контрастности, данные плёнки имеют сравнительно низкую чувствительность. Чувствительность плёнок принято оценивать обратной величиной дозы излучения, необходимой для превышения оптической плотности почернения плёнки на 0,85 единиц над плотностью неэкспонированной плёнки (вуали).
Например, чувствительность плёнки в 100 единиц обозначает, что для превышения её плотности почернения над вуалью на 0,85 единиц необходима доза излучения 10 мР.
На сегодняшний день наибольшее распространение получили высококонтрастные плёнки
- отечественные: РТ-5, РТ-4М
- фирмы AGFA-GEVERT (Бельгия): Д5, Д7
- фирмы FUJI (Япония): FUJI 100
Все они имеют коэффициент контрастности порядка 5, а чувствительность от 2 до 12 обратных рентген.
Применяются такие плёнки, как правило, для контроля наиболее ответственных изделий в атомной энергетике, судостроении, машиностроении, при работе с мощными рентгеновскими аппаратами и острофокусными рентгеновскими трубками.
Использование маломощных аппаратов и, в частности, импульсных с данными плёнками возможно только при контроле лёгких металлов или стальных изделий небольшой толщины. Применять высококонтрастные плёнки с усиливающими экранами можно, но нецелесообразно, так как выигрыш в экспозиции при этом хотя и имеется, но незначительный, а рентгенографическая чувствительность из-за наличия экранов ухудшается.
Если нормами контроля разрешено применение усиливающих экранов, то лучше использовать плёнки второго класса - высокочувствительные. Они так и называются - экранные высокочувствительные плёнки.
Наиболее известны высокочувствительные плёнки
- отечественные РТ-1 РТ-2
- фирмы KODAK HS800
- фирмы AGFA-GEVERT (Бельгия) D8
Их чувствительность сама по себе составляет порядка 30 обратных рентген, а в комбинации с флуоресцентными экранами может достичь значений до 1000 обратных рентген и более. То есть их чувствительность в этом случае превышает чувствительность безэкранных высококонтрастных плёнок в 100 и боле раз. Это обстоятельство является решающим при работе с маломощными рентгеновскими аппаратами.
Флуоресцентные усиливающие экраны:
- отечественные УПВ-1, УПВ-2
- японские Куокко Super
- бельгийские NDT 1200
Все они имеют коэффициент усиления порядка 50-60. Естественно флуоресцентные усиливающие экраны ухудшают качество снимка. Так, если на безэкранной плёнке можно получить рентгенографическую чувствительность снимка порядка 1%, то на экранной плёнке она вряд ли может быть лучше 2%. В связи с этим, фирмы Японии и Бельгии разработали специальные флуорометаллические экраны, сочетающие слой свинцовой фольги с тонким слоем люминофора. Коэффициент усиления этих экранов ниже, чем чисто флуоресцентных экранов, но зато они почти не ухудшают качества снимка.
Бельгийские экраны этого типа называются RCF, а японские - Kyokko SMP 308.
Подытоживая вводную часть сообщения, можно констатировать - техника рентгенографирования заключается в получении рентгеновских снимков, обладающих для данных конкретных условий необходимой рентгенографической чувствительностью. Рентгенографическая чувствительность зависит от параметров аппарата (напряжение на рентгеновской трубке, размер фокусного пятна трубки, мощность её излучения) и от типа регистрирующих рентгеновских плёнок.
Рассмотрим особенности рентгенографического контроля с помощью импульсных аппаратов и, в частности, аппаратов типа АРИНА.
Главное отличие импульсных аппаратов от аппаратов непрерывного действия заключается в том, что их излучение имеет вид сгустков или пачек рентгеновских фотонов с огромной плотностью фотонов в пачке в течение 20 нсек. и сравнительно большим интервалом между пачками порядка 100 мсек. (рис. 3). Это определяется физическим принципом работы импульсного аппарата.
Второе - при напряжении, равном напряжении на трубке классических рентгеновских генераторов, импульсные аппараты имеют сравнительно маленькую среднюю мощность излучения.
Третье - в импульсных аппаратах ток и напряжение на трубке не регулируются.
Эти обстоятельства и предъявляют те специфические требования к рентгенографическому контролю при помощи импульсных приборов, которые обеспечивают, с одной стороны, нужное качество контроля, а с другой стороны, максимальный ресурс их работы.
Невозможность регулирования напряжения на трубке означает, что наибольшая контрастность снимка может быть получена только на одной конкретной толщине материала. В этом отношении импульсный аппарат, естественно, проигрывает классическому накальному моноблоку, где напряжение выбирается, исходя из толщины материала.
Вместо настройки напряжения в одном приборе пришлось создать целую гамму аппаратов с различным напряжением на трубке, от АРИНА-1 с напряжением 150 кВ до АРИНА-7 с напряжением 250 кВ.
Каждый вид прибора рассчитан для определенного диапазона толщин контролируемых изделий.
Маленькая мощность излучения создаёт дополнительные проблемы при использовании импульсных аппаратов. Как уже отмечалось, для получения хорошей резкости снимка необходимо увеличивать фокусное расстояние. Но с увеличением фокусного расстояния интенсивность излучения падает в квадрате. Не от хорошей жизни, а по необходимости приходится работать на малых фокусных расстояниях, а, следовательно, заведомо идти на ухудшение качества снимка.
Если невозможность настройки напряжения компенсируется подбором той или иной модели дефектоскопа с нужным рабочим напряжением , то нехватку мощности можно уравновесить использованием усиливающих экранов. Например, если киловаттный генератор на 200 кВ превосходит в 20-30 раз по мощности прибор АРИНА-5, то использовав плёнку AGFA D8 с экранами RCF вместо плёнки D7, получим примерно такую же экспозицию при одном и том же фокусном расстоянии, что и с классическим аппаратом. Можно конечно возразить, что плёнка Д8+ RCF не обеспечит то же качество снимка, как плёнка Д7+свинец , и это справедливо. Утешает в этом случае лишь одно, что при любой комбинации импульсный аппарат по качеству всегда проигрывает накальному аппарату. Важно только, чтобы чувствительность контроля при использовании импульсного аппарата и чувствительность плёнки с усиливающими экранами удовлетворяла требованиям, предъявляемым к качеству контроля в каждой конкретной отрасли.
В таблице 1 приведены рекомендуемые типы аппаратов при контроле стали различной толщины с использованием различных комбинаций «плёнка - усиливающий экран».
Таблица 1
|
Как правило, отечественные плёнки типа РТ-1, РТ-2 используются с отечественными экранами УПВ-1, УПВ-2. Чувствительность такой комбинации равняется примерно 1200-1500 обратных рентген, то есть примерно в 100 руз чувствительнее плёнки Д7 со свинцом. Плёнки Д8, F8, как правило, используются либо с флуорометаллическими экранами RCF (чувствительность такой комбинации равна 100-200), либо с флуоресцентными экранами NDT-1200, этом случае чувствительность эквивалентна отечественной комбинации РТ-1+УВП-2. И, наконец, плёнка HS800 обеспечивает с флуорометаллом SMP-308 чувствительность примерно равную 200-300, а с флуоресцентными экранами Kyokko Super порядка 1500. Приведённые данные, естественно, весьма приблизительны, они лишь показывают, что максимальную чувствительность обеспечивают высокочувствительные плёнки в комбинации с флуоресцентными экранами. Среднюю чувствительность создают те же плёнки, но с флуорометаллическими экранами. И, наконец, самые малочувствительные - это контрастные плёнки со свинцовыми экранами.
Выявляемость дефектов улучшается в обратном порядке. Наилучшую рентгенографическую чувствительность обеспечивают высококонтрастные плёнки со свинцом. Она может достигать значения 1%. Высокочувствительные плёнки с флуорометаллическими экранами обеспечивают рентгенографическую чувствительность 1,5-2%. Высокочувствительные плёнки с флуоресцентными экранами обеспечивают рентгенографическую чувствительность контроля 2-3%.
Очень часто путают чувствительность рентгеновской плёнки и чувствительность рентгенографического контроля, а это взаимообратные параметры. Высокую чувствительность контроля обеспечивают низкочувствительные контрастные плёнки, но за большое время экспозиции или при большой мощности излучателя. Высокочувствительные плёнки сокращают время экспозиции, позволяют работать с аппаратами малой мощности, но с худшим качеством (низкая рентгенографическая чувствительность).
Эти моменты особенно актуальны при работе с маломощными импульсными рентгеновскими аппаратами. При низких требованиях к контролю (установленная рентгенографическая чувствительность составляет 2-3%) целесообразно применять чувствительную плёнку с флуоресцентными экранами. В этом случае вы будете работать с малыми экспозициями, без перегрева прибора, что обеспечит его большой ресурс.
В случае запрета использования флуоресцентных экранов (такие случаи бывают) нужно постараться использовать флуорометаллические экраны. Экспозиция при этом увеличится на порядок, но качество снимка будет лучше. И только в крайнем случае можно прибегнуть к низкочувствительной контрастной плёнке со свинцовыми экранами. Это самый тяжёлый режим для работы аппарата - большие экспозиции, перегрев высоковольтного блока и, как следствие, очень маленький срок службы. Контрастные низкочувствительные плёнки РТ-5, D7, FUJI 100 пригодны только для малых толщин контролируемых изделий. На больших толщинах аппарат очень быстро выработает свой ресурс.
Мы рассмотрели зависимость рентгенографической чувствительности от параметров рентгеновского аппарата и от характеристик рентгеновских плёнок и усиливающих экранов. Эти характеристики являются наиболее важными, но не единственными. На рентгенографическую чувствительность влияет множество косвенных факторов, как то наличие рассеянного рентгеновского излучения, качество проявителя и фиксажа, время обработки экспонированной плёнки, наличие диафрагм, коллиматоров, защитных масок, уменьшающих рассеянное излучение и т.д. Эти факторы целиком зависят от искусства оператора и в данном докладе не рассматриваются.
Вместе с рентгенографической чувствительностью в технике контроля немаловажную роль играет выбор экспозиции просвечивания.
Экспозиция просвечивания (особенно это касается маломощных импульсных аппаратов) является второй составляющей контроля. Выбор экспозиции осуществляется при помощи номограмм, на которых показана зависимость толщины контролируемого материала от времени (числа импульсов). Номограммы для импульсных приборов значительно проще, чем для генераторов постоянного типа, так как в них не учитывается переменный параметр - напряжение на трубке. Такая зависимость, как правило, указана для всех трёх комбинаций контролирующих схем: плёнка/свинец, плёнка/флюорометалл, плёнка/люминофор с одним фокусным расстоянием и для одной степени потемнения плёнки. Например, на рис. 4 представлена номограмма экспозиций для аппарата АРИНА-3.
Рис. 4 Номограмма экспозиций
Пересчёт экспозиции для толщины материала, отличной от приведеной на номограмме, а также пересчёт для иной плотности потемнения снимка процедура довольно затруднительная. Необходимо помнить, что в рентгенографии нет линейных зависимостей. Зависимость экспозиции от толщины - экспонента, а зависимость плотности почернения снимка от экспозиции - это логарифм.
Плотность потемнения реальных снимков, как правило, колеблется в пределах примерно от 1 до 3. При плотности меньше 1 чувствительность снимка низкая из-за плохой различимости объекта на фоне вуали плёнки, а при плотности больше 3 снимок становится практически непрозрачным. Практический совет - для увеличения плотности на 1 единицу (скажем вы получили плотность снимка 1, а вам хотелось бы иметь 2) экспозиция должна бать увеличена примерно в 2 раза. Также в 2 раза она должна быть увеличена и при переходе от плотности 2 к 3. Собственно этим и ограничивается набор экспозиций для линейного участка логарифмической зависимости плотности от экспозиции для любой плёнки. Получили снимок бледный, плохо читаемый - увеличивайте экспозицию смело в 2 раза. Получили снимок чёрный, не читаемый - уменьшайте экспозицию опять же в 2 раза.
Никогда не следует изменять экспозицию на 5, 10%. То есть идти малыми шагами. Человеческий глаз вряд ли способен рассмотреть изменение плотности потемнения снимка больше, чем на 0,1.
Более сложная зависимость экспозиции от толщины материала. Как уже отмечалось, она описывается экспонентой, которая помимо толщины материала содержит ещё коэффициент ослабления излучения, просвечиваемым материалом. При практическом использовании этого алгоритма полезно помнить, что увеличение толщины контролируемой стали на 5 мм требует увеличения экспозиции в 2-2,5 раза. Увеличение же толщины на 10 мм требует увеличения экспозиции в 4-5 раз.
Для более точного определения экспозиции просвечивания при отсутствии номограмм можно пользоваться следующей методикой. С помощью любого дозиметра интегрального типа нужно измерить дозу за объектом за определённое количество импульсов n. Необходимое же число импульсов для просвечивания объекта
где I - интенсивность, измеренная дозиметром
К - чувствительность плёнки в обратных рентгенах
При этом плотность снимка будет где-то около 2.
И, наконец, зависимость экспозиции от фокусного расстояния для импульсного аппарата, как впрочем, и для любого другого выражается через квадрат. Увеличение расстояния в 2 раза требует увеличения экспозиции в 4 раза.
Итак, зависимость плотности снимка от экспозиции - это логарифм. Зависимость экспозиции от толщины материала - это экспонента. Зависимость экспозиции от фокусного расстояния - квадрат расстояния.
Как видно из сказанного, нигде нет линейных соотношений, любое изменение фокусного расстояния, толщины материала, плотности почернения снимка влечёт за собой непропорциональное изменение экспозиции в существенно большей степени.
В заключение немного о принципе работы импульсных аппаратов и об особенностях их конструкции.
На рис. 5 изображена принципиальная схема любого аппарата серии
Рис.5 Принцип работы импульсного рентгеновского аппарата
Она содержит рентгеновскую трубку Т, разрядник-обостритель Р, выходную ударную ёмкость С2, резонансный импульсный трансформатор Тр, первичный коммутатор К и первичный накопительный конденсатор С1. Собственно, это схема рентгеновского блока. В пульте управления расположены первичный источник питания, цепи управления и сигнализации. Выполнены они все по классическим схемам, содержат стандартный набор элементов и поэтому особого интереса для нас не представляют. Рассмотрим принцип работы рентгеновского блока.
Первичный конденсатор С1 заряжается от первичного источника напряжения в зависимости от типа аппарата до 10-15 кВ. При этом напряжении происходит срабатывание коммутатора К (в аппаратах АРИНА - это газовый разрядник Р-90) и разряд конденсатора С1 через первичную обмотку трансформатора Тр. В результате, во вторичной его обмотке возникает импульс высокого напряжения с амплитудой 200-300 кВ в зависимости от типа аппарата. Под действием этого импульса срабатывает разрядник-обостритель, который формирует на электродах рентгеновской трубки импульс высокого напряжения с длительностью фронта менее 1 нсек, происходит вакуумный пробой межэлектродного зазора трубки, сопровождающийся интенсивной рентгеновской вспышкой. Начальной стадией вакуумного пробоя является образование облака плазмы, которое и является источником электронов бомбардирующих анод рентгеновской трубки. Это явление было открыто и изучено в Советском Союзе академиком Месяцем Г.А. и получило название взрывной электронной эмиссии. На первый взгляд всё очень просто. На самом деле, в работе импульсного аппарата имеется огромное количество нюансов, на которые хочется обратить особое внимание.
Первое: Напряжение на рентгеновской трубке практически невозможно измерить. Поэтому в литературе и описаниях на аппарат, как правило, приводится не напряжение на трубке, а напряжение срабатывания разрядника- обострителя. При это подразумевается, что напряжение срабатывания разрядника это и есть напряжение на трубке. Но это справедливо только при определённом условии, а именно фронт напряжения на трубке должен быть короче времени запаздывания вакуумного пробоя. Практически этот фронт должен быть короче 1 нсек. Определяется это конструкцией разрядника-обострителя. Если разрядник-обостритель создаёт импульс напряжения короче 1 нсек., то трубка практически всегда сработает при напряжении пробоя разрядника. Вот почему совершенно очевидно утверждение, что сердцем импульсного аппарата является не трубка, а именно разрядник-обостритель.
В последнее время появилось несколько производителей импульсной техники, которые используют разрядники собственной конструкции. Не касаясь достоинств или недостатков приборов данных производителей хочется обратить внимание потребителей на тот факт, что если в аппарате применяется разрядник-обостритель с временем срабатывания, большим, чем указано выше, то это не означает, что трубка срабатывает при том же напряжении, что и разрядник. Иными словами, прибор нужно выбирать не по напряжению на трубке, указанному в его документации, а по наибольшей толщине просвечиваемой стали. В таблице 2 указаны характеристики всех выпускаемых дефектоскопов АРИНА, в том числе напряжение на трубке и максимальная толщина просвечиваемой стали. Для всех аппаратов серии АРИНА время коммутации разрядника-обострителя заведомо меньше времени запаздывания вакуумного пробоя в трубке.
Таблица 2
|
Второе: Импульсный трансформатор выдаёт на холостом ходу напряжение в виде нескольких полуволн, на фронте первой из которых должен обязательно сработать разрядник-обостритель. Если разрядник пропускает первую полуволну, то при перемене полярности происходит пробой импульсного трансформатора, а также и самого разрядника. Это означает, что напряжение срабатывания разрядника всегда должно быть меньше амплитуды первой полуволны импульсного трансформатора. Поскольку как разряд- ник-обостритель, так и первичный коммутатор имеют существенный разброс по напряжению срабатывания, они должны быть согласованы между собой, чтобы выполнялось указанное требование.
Третье: В качестве выходной ёмкости в высоковольтном блоке используется конструктивная ёмкость, образованная поверхностью разрядник- обострителя и корпусом блока. Поэтому замена разрядника на разрядник другой конструкции или замена корпуса блока могут привести к тем же последствиям, что и несогласованность по напряжению срабатывания разрядника-обострителя и первичного коммутатора.
И, наконец, четвёртое: Величина выходной ёмкости и частота следования рентгеновских импульсов должны быть также согласованы, поскольку именно они определяют среднюю мощность, выделяемую в трубке, а, следовательно, её нагрев. При перегреве трубка очень быстро выходит из строя. Общая компоновка высоковольтного блока всех аппаратов АРИНА приведены на рис. 6.
Рис. 6 Устройство импульсного рентгеновского аппарата
Как видно из рисунка, импульсный трансформатор (1), разрядник- обостритель (2) и рентгеновская трубка (3) образуют внутренний токопровод, а обратным токопроводом является корпус блока (4). Такая конструкция позволила снизить потери в высоковольтном контуре рентгеновского блока.
Резюме:
- Импульсные рентгеновские аппараты АРИНА на сегодняшний день являются самостоятельным классом рентгеновских дефектоскопов, которые, с точки зрения качества контроля, уступают классическим рентгеновским аппаратам непрерывного действия, но превосходят радиоактивные изотопы.
- Обладая малыми габаритами и весом, возможностью и направленного, и панорамного просвечивания, питанием как от сети переменного тока 220 В 50 Гц, так и от аккумулятора, импульсные аппараты широко используются при контроле качества сварки магистральных газо-нефтепроводов.
- При сравнительно малой мощности излучения, а также невозможности регулирования напряжения на рентгеновской трубке, импульсные аппараты требуют более тщательного подхода в выборе типа аппарата, рентгеновской плёнки и усиливающих экранов по сравнению с аппаратами постоянного действия.
- При соблюдении изложенных здесь рекомендаций, импульсные аппараты могут довольно долго эксплуатироваться потребителем, конечно при отсутствии форс-мажорных обстоятельств.