Импульсные рентгеновские аппараты

Рентген аппарат – это высокотехнологичный комплекс, который решает две главные задачи: получение рентгеновского излучения и его использование. К наиболее важным узловым частям рентгеновского аппарата относится питающее устройство, излучатель и пульт управления.

Рентгеновским излучателем называют высоковольтное устройство, состоящее из двух главных компонентов: рентгеновской трубки и защитного кожуха, в который она помещена.

Рентгеновский аппарат работает на основе рентгеновского излучения, генерацию которых осуществляют рентгеновские трубки. В последнее время использование таких приборов становится повсеместным: с их помощью контролю могут быть подвергнуты стальные сооружения и конструкции, сварные соединений труб и др.

К наиболее важным характеристикам рентгеновского аппарата относится, во-первых, максимальное напряжение на трубке, а во-вторых, максимальная толщина стали, доступная для просвечивания данным прибором.

Рентген аппараты могут быть портативными и стационарными. Портативные приборы обладают важным преимуществом – компактностью. Многие версии приборов могут управляться дистанционно, посредством специального пульта.

Можно выделить два основных вида аппаратов для радиографии: аппараты постоянного потенциала и импульсные рентгеновские аппараты.

Импульсный рентгеновский аппарат

В основе рентгеновского аппарата постоянного потенциала лежит высоковольтный трансформатор, умножитель и моноблок, имеющий рентгеновскую трубку. Наиболее современные рентген аппараты постоянного потенциала оснащены также силовым электронным модулем, отвечающим за раскачивание напряжения на высоковольтном трансформаторе. Вследствие этого сокращаются высокочастотные помехи. Рентгеновский аппарат постоянного потенциала обеспечивает непрерывность контроля.

Импульсные рентгеновские аппараты, равно как и аппараты постоянного потенциала, генерируют рентгеновское излучение и фиксируют степень его поглощения материалом исследуемого изделия. На степень поглощения прямое воздействие оказывает атомное число материала, его плотность. В том случае, если материал имеет дефекты (шлаки, поры, инородные включения, трещины), то рентгеновские лучи будут неизбежно ослабевать. Рентгеновская трубка, которая, как уже было сказано, является частью рентгеновского аппарата, регистрирует интенсивность этих лучей. Ее изменения позволяют судить о наличии неоднородностей в структуре исследуемого материала.

В целом, контроль рентгеновскими аппаратами постоянного потенциала во многом схож с контролем импульсными аппаратами. Тем не менее, последний имеет ряд специфических черт.
Рентген аппарат постоянного потенциала, к примеру, обладает постоянным или пульсирующим напряжением на рентгеновской трубке, что позволяет генерировать непрерывный поток рентгеновских фотонов. Излучение импульсного рентгеновского аппарата имеет несколько иную форму: рентгеновские фотоны уплотнены в пачку. Такая концентрация фотонов предопределена тем, что для излучения накопленной энергии отводится всего 10−20 нс. Количество излучаемых в пачке фотонов составляет около 1010 . Поток, таким образом, имеет плотность, равную 1018 фотонов в секунду.

Для накопления энергии на новый импульс рентгеновскому аппарату требуется 0,1 с. Это сравнительно продолжительный промежуток. Благодаря этому суммарная и интегральная дозы импульсного аппарата достаточно малы. У рентген аппаратов постоянного потенциала аналогичные дозы имеют в десятки раз больший объем.

Импульсный рентгеновский аппарат характеризуется большими длинами волны и, соответственно, меньшей энергией. Аппараты с постоянным потенциалам, напротив, генерируют более «жесткое» излучение.

Для аппаратов импульсного действия, в отличие от аппаратов с постоянным потенциалом, не доступна регулировка тока и напряжения. С другой стороны, отсутствие такой возможности частично компенсируется возможностью выбора экспозиции (количества импульсов излучения).

Специфика рентгенографического контроля импульсными аппаратами

Рентгенографический контроль с применением импульсных аппаратов, в общем-то, во многом схож с прочими видами контроля, которые задействуют иные виды рентгеновского излучения. Тем не менее, использование портативных импульсных аппаратов обусловливает специфические черты, свойственные данному методу.

Так, излучение тех рентгеновских аппаратов, у которых постоянное или пульсирующее напряжение на рентгеновской трубке, является непрерывным потоком рентгеновских фотонов, который в незначительной степени был промодулирован формой напряжения и тока на трубке. Импульсные рентгеновские аппараты генерируют излучение в виде пачки рентгеновских фотонов, при этом их плотность в пачке крайне высока. Это обусловлено тем, что излучение накопленной энергии занимает не более 10-20 нс. Как правило, излучению в данном импульсе подвергается около 1010 рентгеновских фотонов. Плотность потока, таким образом, составляет около 1018 фотонов/с.

Чтобы накопить энергию на новый импульс, нужно примерно 0,1 с. Так как это достаточно значительный промежуток, объем суммарной и интегральной дозы в течение определенного периода достаточно мал: в десятки раз меньше, чем у тех препаратов, которые с тем же напряжением производят непрерывное излучение.

Одной из особенностей рентгеновской пленки в том, что в ней есть способность к запоминанию изменений, которые обусловлены действием излучения. Для результатов воздействия последнего не важно, в какой форме излучение попадает на пленку, будь то непрерывный поток фотонов или же импульсы, заряженные большим количеством фотонов. При первом варианте наблюдается линейное увеличение во времени плотности потемнения пленки. В случае же с импульсами потемнение происходит постепенно, «ступеньками».

Иначе говоря, для аппаратов с непрерывным излучением справедлива следующая формула:

D = Pt.

При этомD−доза излучения, накопленная за время t;
Р − мощность дозы излучения.

Для рентгеновских аппаратов импульсного типа подходит другая формула, а именно:

D = D1N, = D1ft.

При этомD1 − доза, полученная пленкой за один импульс,
N − число импульсов излучения за время t,
f − частота следования импульсов.К слову, произведением D1f является средняя мощность одной дозы излучения, исходящего от импульсных аппаратов.

Еще одной их особенностью служит спектр излучения – относительное содержание в излучении фотонов, принадлежащих тем или иным энергиям и длинам волн.

Важным условием, при котором происходит излучение импульсных аппаратов, является разряд источника высокого напряжения посредством рентгеновской трубки. Это приводит к тому, что между спектром излучения импульсных аппаратов и «классическим» излучением при постоянном напряжении существует ряд различий.

Спектр излучения импульсных аппаратов можно описать следующей формулой:

f(λ) = (λ-λ0)24.

Под λ0понимается коротковолновая граница, зависящая от напряжения на трубке.

Для эффективной длины волны излучения – максимума спектра адекватна следующая формула:

λM = 2λ0.

Для расчета эффективной энергии справедлива и другая формула:

Еэфф0/2.

При этом под Е0 подразумевается энергия, число которой равно числу амплитуды напряжения, сосредоточенного в трубке.

Для спектра аппаратов постоянного напряжения действует другая формула:

Еэфф = (2/З)Е0.

 Спектр излучения импульсных аппаратов и аппаратов с постоянным напряжением

На данном графике наглядно представлены спектры излучения, которыми обладают импульсные рентгеновские аппараты и аппараты с постоянным напряжением. Как видно из графика, имеет место сдвиг спектра импульсного аппарата ближе к большим длинам волн и, соответственно, меньшим энергиям. На основании этого можно утверждать, что импульсное излучение менее «жесткое» в сравнении с излучением постоянным.

Данное соотношение, кстати сказать, справедливо и для бетатронов.

Зависимость между рентгенографическими характеристиками и формой спектра описана в следующей формуле:

I=I0 * exp(-μd).

ПодI0 понимается интенсивность излучения, которое приходится на слой вещество (его толщина выражена параметром d). Под I понимается интенсивность излучения, которое прошло сквозь вещество. Наконец, под μ понимается коэффициент ослабления, на который влияет как энергия фотонов (длина волны), так и атомарный состав и плотность вещества, поглощающего излучение.

Увеличенная протяженность спектра выражается в том, что в нем присутствуют фотоны с энергиями, приближенными к приложенному напряжению (впрочем, допустимы и меньшие энергии). Практическим следствием этого служит то, что диапазон доступных для контроля плотностей и толщин материала расширяется при неизменном напряжении на трубке.

Импульсные рентгеновские аппараты, кроме того, не допускают регулировку напряжения и тока. А потому, прежде чем приступить к контролю различных материалов различных толщин, необходимо подобрать аппарат, разрядник-обостритель которого срабатывает с адекватным напряжением.

Невозможность регулировки напряжения компенсируется возможность выбора экспозиции, под которой понимается количество импульсов излучения.

Помимо всего прочего, следует создать прочие условия для рентгенографического контроля: выбрать пленки, экраны, определить фокусные расстояния. При этом нельзя забывать о том, что импульсные рентгеновские аппараты располагают сравнительно небольшой мощностью излучения, а значит, нужно придерживаться следующих рекомендаций.

  • Отдавать предпочтение стоит флуоресцентным и флуорометаллическим экранам.
  • Пленка должна обладать наибольшей чувствительностью. Высококонтрастные пленки подходят только для тех случаев, когда контролю будут подвергаться незначительные толщины или легкие материалы.
  • Фокусные расстояния нужно делать наименьшими. При их увеличении  возрастает и экспозиция, равная квадрату фокусного расстояния.
  • Рекомендуется также пользоваться теми методами съемки, которые способствовали бы сокращению просвечиваемой толщины и (или) фокусного расстояния. Так, панорамное просвечивание имеет преимущество перед направленным, так как просвечиванию подвергается всего одна стенка, причем фокусное расстояние равняется радиусу, а не диаметру.

В целом, данные рекомендации позволяют повысить производительность аппарата, более экономно его использовать, повысить эффективность контроля. Стоит оговориться, что выполнение данных рекомендаций зависит от конкретных требований к качеству снимку, количеству и характеру дефектов.

Об экранах следует сказать отдельно. Флуоресцентные экраны, как правило, в десятки раз уменьшают требуемую экспозицию. Наибольшим усилением в настоящее время располагают экраны серии ВП. При наибольшем размере зерна такие экраны обладают высокой контрастной чувствительностью. Флуорометаллические экраны, в свою очередь, позволяют достигать высокого качества контроля, причем экспозиции занимают всего несколько минут. В дополнение к металлическим усиливающим экранам могут применяться специальные пленки.

Толщина, к примеру, свинцовых экранов должна лежать в пределах 20-50 мм. Соблюдение этого условия добиться коэффициента сопротивления на уровне 1,2−1,5. На столько же сокращается экспозиция. Ни в коем случае нельзя применять свинцовые экраны, толщина которых превышает 100 мм. Использование таких массивных экранов приведет к увеличению экспозиции: эффект усиления окажется меньше фильтрующего (ослабляющего) действия.