СПОСОБ РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01B15/02 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и конкретно касается способа радиометрического контроля материалов и изделий и устройства для его осуществления.

Известны способы радиометрического контроля, включающие операции установки контролируемого изделия на платформе управляемого механизма дискретного сканирования между источником ионизирующего излучения и детектором, подключенным к счетчику, измерении времени τ , в течение которого этот счетчик зарегистрирует заданное число n₀ электрических импульсов, обусловленных фотонами или частицами ионизирующего излучения, определения радиационной толщины hγ участка контролируемого изделия, соответствующего апертуре этого детектора, исходя из соотношения: где μ , ρ и h - соответственно массовый коэффициент ослабления излучения, плотность и линейная толщина материала для этого участка, k - счетная эффективность блока детектор-счетчик электрических импульсов, a N₀ - интенсивность загрузки детектора при отсутствии изделия, λ ₀ - скорость счета электрических импульсов счетчиком детектора при отсутствии контролируемого изделия, λ - скорость счета электрических импульсов счетчиком детектора при наличии контролируемого изделия, обнуление содержимого счетчика и перемещения контролируемого изделия в новую позицию и соответственно известны устройства для осуществления таких способов, содержащие источник ионизирующего излучения, детектор, который имеет на своем выходе счетчик электрических импульсов, задатчик числа n₀, таймер, цифровой компаратор, решающее устройство, датчик начала измерительного цикла и управляемый механизм дискретного сканирования с платформой для установки на ней контролируемого изделия [1].

В устройстве для осуществления таких способов выход детектора подключен к первому входу счетчика электрических импульсов, а выход датчика начала цикла измерения подключен к входу таймера и ко второму входу счетчика электрических импульсов; выход этого счетчика подключен к первому входу цифрового компаратора, выход задатчика числа n₀ - к его второму входу. Выход задатчика числа n₀ подключен также к первому входу решающего устройства, второй вход которого подключен к выходу таймера. Выход цифрового компаратора подключен к третьему входу счетчика электрических импульсов и к входу управления управляемого механизма дискретного сканирования. На платформе этого механизма зафиксировано контролируемое изделие так, что оно пересекает ось “источник ионизирующего излучения - детектор”. Решающее устройство настроено на решение формулы:

По сравнению со способами и реализующими их устройствами, основанными на задании постоянного отрезка времени τ ₀=const, в течение которого считается число зарегистрированных импульсов [2], такие способы радиационного контроля и реализующие их устройства при дискретном сканировании изделий с изменяющейся толщиной обеспечивают при постоянном значении статистической погрешности измерения максимально возможную производительность контроля, поскольку при уменьшении радиационной толщины hγ время τ соответственно уменьшается. Однако при использовании таких технических решений коэффициент использования пространственных характеристик источника ионизирующего излучения имеет малую величину.

Наиболее близким является способ радиометрического контроля, включающий установку контролируемого изделия на платформе управляемого механизма дискретного сканирования между источником ионизирующего излучения и блоком из m детекторов, каждый из которых имеет на своем выходе счетчик электрических импульсов, измерение времени τ _max, в течение которого счетчик одного из m детекторов, апертура которого соответствует участку зоны контролируемого изделия с максимальной поглощающей способностью, зарегистрирует заданное число n₀ электрических импульсов, обусловленных фотонами или частицами ионизирующего излучения, определение радиационной толщины hγ участка проконтролированной зоны изделия, соответствующего апертуре этого детектора, исходя из соотношения: где μ , ρ и h - соответственно значения массового коэффициента ослабления излучения, плотности и линейной толщины материала для этого участка, k - счетная эффективность блока детектор-счетчик электрических импульсов, а N₀ - интенсивность загрузки детектора при отсутствии изделия, n₀ - задаваемое число регистрируемых электрических импульсов, λ ₀ – скорость счета электрических импульсов счетчиком детектора при отсутствии контролируемого изделия, λ - скорость счета электрических импульсов счетчиком детектора при наличии контролируемого изделия, обнуление содержимого каждого из m счетчиков и перемещение контролируемого изделия в новую позицию тогда, когда время τ ≥ τ _max и соответственно устройство для его осуществления, содержащее источник ионизирующего излучения, блок из m детекторов, каждый из которых имеет на своем выходе счетчик электрических импульсов, задатчик числа n₀, таймер, m цифровых компараторов, решающее устройство, датчик начала измерительного цикла, управляемый механизм дискретного сканирования с платформой для установки на ней контролируемого изделия, m триггеров, имеющий m входов логический элемент “И”, причем выход каждого из m детекторов подключен к счетному входу соответствующего счетчика электрических импульсов, выход датчика начала цикла измерения подключен к первому входу управления каждого из m счетчиков электрических импульсов и к первому входу управления таймера, выход каждого из m счетчиков электрических импульсов подключен к первому входу соответствующего компаратора, выход задатчика числа n₀ подключен ко второму входу каждого из m цифровых компараторов, выход каждого из m компараторов подключен к первому входу соответствующего триггера, выход каждого из m триггеров подключен к соответствующему входу m-входового логического элемента “И”, выход m-входового логического элемента “И” подключен ко второму входу каждого из m триггеров и к управляющему входу механизма сканирования, выход таймера подключен к одному из входов решающего устройства [3].

При реализации такого способа обнуление всех счетчиков производится после регистрации каждым из них заданного числа n₀, а перемещение контролируемого изделия в новую позицию осуществляют при достижении времени τ _max. При этом о радиационной толщине каждого из участков проконтролированной зоны соответствующей апертуре i-того детектора судят исходя из соотношения: где τ _i - время набора числа n₀ i-тым счетчиком, причем одно из значений τ _i=τ _max, λ _0i - скорость счета электрических импульсов счетчиком i-того детектора при отсутствии контролируемого изделия, λ _i - скорость счета электрических импульсов счетчиком i-того детектора при наличии контролируемого изделия. Соответственно устройство для осуществления этого способа содержит m таймеров, первый вход каждого из которого подключен к первому входу датчика начала цикла измерения, второй вход к выходу каждого из компараторов, а выход к соответствующему входу решающего устройства.

Способ и устройство в соответствии с прототипом обеспечивает существенное повышение коэффициента использования пространственных характеристик источника ионизирующего излучения, однако недостаток прототипа проявляется в том, что не минимизируется статистический компонент погрешности измерения для зон с меньшей радиационной толщиной.

Задачей изобретения является разработка такого способа радиометрического контроля и устройства для его осуществления, в котором бы недостаток технического решения, выбранного в качестве прототипа, был бы устранен. Эта задача решается тем, что в способе радиометрического контроля, включающем установку контролируемого изделия на платформе управляемого механизма дискретного сканирования между источником ионизирующего излучения и блоком из m детекторов, каждый из которых имеет на своем выходе счетчик электрических импульсов, измерение времени τ _max, в течение которого счетчик одного из m детекторов, апертура которого соответствует участку зоны контролируемого изделия с максимальной поглощающей способностью, зарегистрирует заданное число n₀ электрических импульсов, обусловленных фотонами или частицами ионизирующего излучения, определение радиационной толщины hγ участка проконтролированной зоны изделия, соответствующего апертуре этого детектора, исходя из соотношения: где μ , ρ и h - соответственно значения массового коэффициента ослабления излучения, плотности и линейной толщины материала для этого участка, k - счетная эффективность блока детектор-счетчик электрических импульсов, а N₀ - интенсивность загрузки детектора при отсутствии изделия, n₀ - задаваемое число регистрируемых электрических импульсов, λ ₀ - скорость счета электрических импульсов счетчиком детектора при отсутствии контролируемого изделия, λ - скорость счета электрических импульсов счетчиком детектора при наличии контролируемого изделия, обнуление содержимого каждого из m счетчиков и перемещение контролируемого изделия в новую позицию тогда, когда время τ ≥ τ _max, счет электрических импульсов каждого из остальных m-1 детекторов прекращается в момент времени τ =τ _max, а значения радиационных толщин hγ _i каждого из остальных m-1 участков проконтролированной зоны изделия определяют исходя из соотношения: где μ _i, ρ _i, h_i - cоответственно значения массового коэффициента ослабления излучения, плотности и линейной толщины материала, характеризующие радиационную толщину участка контролируемого изделия, соответствующего апертуре i-того детектора из совокупности m-1 детекторов, k_i - счетная эффективность блока i-тый детектор - i-тый счетчик, N_0i - интенсивность загрузки на входе i-того детектора при отсутствии изделия, n - число электрических импульсов зарегистрированных счетчиком i-того детектора за время τ _max, λ _0i, - скорость счета электрических импульсов счетчиком i-того детектора при отсутствии контролируемого изделия, λ _i - скорость счета электрических импульсов счетчиком i-того детектора при наличии контролируемого изделия.

Соответственно устройство для осуществления радиометрического контроля, содержащее источник ионизирующего излучения, блок из m детекторов, каждый из которых имеет на своем выходе счетчик электрических импульсов, задатчик числа n₀, таймер, m цифровых компараторов, решающее устройство, датчик начала измерительного цикла, управляемый механизм дискретного сканирования с платформой для установки на ней контролируемого изделия, m триггеров, имеющий m входов логический элемент “И”, причем выход каждого из m детекторов подключен к счетному входу соответствующего счетчика электрических импульсов, выход датчика начала цикла измерения подключен к первому входу управления каждого из m счетчиков электрических импульсов и к первому входу управления таймера, выход каждого из m счетчиков электрических импульсов подключен к первому входу соответствующего компаратора, выход задатчика числа n₀ подключен ко второму входу каждого из m цифровых компараторов, выход каждого из m компараторов подключен к первому входу соответствующего триггера, выход каждого из m триггеров подключен к соответствующему входу m-входового логического элемента “И”, выход m-входового логического элемента “И” подключен ко второму входу каждого из m триггеров и к управляющему входу механизма сканирования, выход таймера подключен к одному из входов решающего устройства, выход m-входового логического элемента “И” подключен также ко второму управляющему входу таймера - входу остановки таймера и обнуления его содержимого и подключен ко второму управляющему входу каждого из m счетчиков электрических импульсов - входу остановки счета и обнуления содержимого, а выход каждого из счетчиков электрических импульсов подключен к соответствующему входу решающего устройства. Такое выполнение заявляемых технических решений обеспечивает решение поставленной задачи за счет того, что пока счетчик детектора, апертура которого соответствует участку контролируемого изделия с максимальной толщиной, не зарегистрирует число импульсов, равное заданному значению n₀, каждый из остальных счетчиков электрических импульсов из совокупности m-1 продолжает счет электрических импульсов и тем самым обеспечивается для каждого из соответствующих m-1 детекторов предельно низкое значение статистического компонента погрешности измерений излучения при заданном значении погрешности измерения для участка с наибольшей поглощающей способностью. Таким образом, заявляемому способу и устройству сообщается новое потребительское качество, состоящее в том, что улучшается надежность контроля без потери в производительности.

На чертеже изображена структурная схема устройства радиометрического контроля, поясняющая сущность изобретения.

Для упрощения рассмотрения содержательной части способа и устройства для его осуществления на чертеже представлены лишь два измерительных канала, апертурам детекторов которых соответствуют разные толщины контролируемого изделия. В соответствии с чертежом устройство содержит источник 1 ионизирующего излучения, конкретно ¹³⁷Cs активностью 1,85· 10¹¹ Бк, детекторы 2 и 3, каждый из которых состоит из оптически сочлененных монокристалла NaJ(Tl) и фотоумножителя, счетчики 4 и 5 электрических импульсов, компараторы 6 и 7, задатчик 8 числа n₀, триггеры 9 и 10, логический элемент 11 “И”, таймер 12, выполненного в виде совокупности генератора колебаний высокой частоты и счетчика числа импульсов, решающее устройство 13, управляемый механизм 14 дискретного сканирования с платформой 15, датчик 16 начала цикла измерения, на платформе 15 размещено контролируемое изделие, имеющее участки 17 и участок 18, так что радиационная толщина участка 17 по сравнению с участком 18 имеет в четыре раза меньшее сечение. Счетный вход счетчика 4 подключен к выходу детектора 2, аналогичный вход счетчика 5 - к выходу детектора 3, выход счетчика 4 подключен к первому входу компаратора 6, а выход счетчика 5 - к первому входу компаратора 7, второй вход как компаратора 6, так и компаратора 7 подключены к задатчику 8. Выход компаратора 6 подключен к первому входу триггера 9, а выход компаратора 7 - к первому входу триггера 10. Выход триггера 9 подключен к первому входу элемента 11, а выход триггера 10 - ко второму входу элемента 11. Датчик 16 информационно связан с механизмом 14. Выход этого датчика подключен к первому входу счетчика 4, к первому входу счетчика 5 и к первому входу таймера 12. Выход элемента 11 подключен ко второму входу таймера 12, к третьему входу счетчика 4, к третьему входу счетчика 5, ко второму входу триггера 9, ко второму входу триггера 10 и к входу управления механизма 14. Второй выход счетчика 4 подключен к первому входу блока 13, а второй выход счетчика 5 подключен ко второму входу блока 13. Выход таймера 12 подключен к третьему входу блока 13.

Работает устройство следующим образом. На первом этапе источник ионизирующего излучения ¹³⁷Cs из контейнера для хранения выводят в рабочее положение. На платформе 15 размещают эталонную пластину с известной толщиной и коэффициентом ослабления, например из меди. Производят измерение с целью определения скорости счета электрических импульсов λ _0i при отсутствии контролируемого изделия для каждого измерительного канала и вносят полученные значения в память блока 13. Затем источник излучения выводят из рабочего положения, эталонную пластину убирают, контролируемое изделие помещают на платформу 15. Источник излучения выводят в рабочее положение. После этого с выхода датчика 16 поступает управляющий сигнал начала цикла измерения на первый вход блока 4, первый вход блока 5 и первый вход блока 12, а с выхода блока 8 поступает управляющий сигнал как на второй вход компаратора 6, так и на второй вход компаратора 7, который задает число регистрируемых импульсов n₀. Прошедшие через участки 17 и 18 контролируемого изделия фотоны ионизирующего излучения поступают к детекторам 2 и 3 соответственно. Вследствие этого на выходе детектора 2 и выходе детектора 3 действуют электрические импульсы, соответствующие фотонам излучения. Электрические импульсы с выхода детектора 2 поступают на второй вход счетчика 4. Электрические импульсы с выхода детектора 3 поступают на второй вход счетчика 5. С первого выхода блока 4 сигнал, содержащий информацию о количестве зарегистрированных электрических импульсов, поступает на первый вход компаратора 6, где он сравнивается с заданным числом n₀. Аналогично, с первого выхода блока 5 сигнал, содержащий информацию о количестве зарегистрированных электрических импульсов, поступает на первый вход компаратора 7. Так как толщина участка 17 контролируемого изделия меньше толщины участка 18, то счетчик электрических импульсов 4 накопит заданное число импульсов n₀ быстрее, чем счетчик 5. Когда количество зарегистрированных электрических импульсов счетчиком 4 станет равным n₀, с выхода компаратора 6 подается управляющий сигнал на первый вход триггера 9, при этом счетчик 4 продолжает работу. С приходом управляющего сигнала на вход блока 9 с его выхода управляющий сигнал подается на первый вход логического элемента “И”. Затем, когда количество зарегистрированных электрических импульсов счетчиком 5 станет равным n₀, с выхода компаратора 7 подается управляющий сигнал на первый вход триггера 10. С приходом управляющего сигнала на вход блока 10 с его выхода управляющий сигнал подается на второй вход логического элемента “И”. Когда на первом и втором входе блока 11 появятся управляющие сигналы с триггера 9 и триггера 10 соответственно, с его выхода подается управляющий сигнал как на третий вход счетчика 4, так на третий вход счетчика 5, так и на второй вход таймера 12, который прекращает их работу. После прихода управляющего сигнала с блока 11 счетчики 4 и 5 электрических импульсов и таймер 12 передают информацию о количестве зарегистрированных частиц и времени измерения на решающее устройство 13. После того, как информация передана, счетчики 4 и 5 электрических импульсов и таймер 12 обнуляются. Также с выхода блока 11 управляющий сигнал подается как на второй вход блока 9, так и на второй вход блока 10, который возвращает соответствующие триггеры в исходное состояние. Также с выхода блока 11 управляющий сигнал подается на вход управляемого механизма 14, который переводит платформу 15 в следующее дискретное положение.

Эффективность заявляемого способа радиометрического контроля и устройства для его осуществления обоснована следующим. Пусть скорость счета электрических импульсов, действующих на выходе как детектора 2, так и детектора 3, одинакова и равна: λ ₀₁=λ ₀₂=λ ₀=10⁵. Материал участков 17 и 18 контролируемого изделия - бетон с массовым коэффициентом ослабления μ ₁=μ ₂=μ =0,074 и плотностью ρ ₁=ρ ₂=ρ =2,3 . Толщины участков 17 и 18 изделия в направлении просвечивания равны соответственно h₁=10 см и h₂=20 см. Заданное число регистрируемых электрических импульсов равно: n₀=10⁴. Площадь апертуры детектора 2 и детектора 3 равна 1 см². Скорость счета электрических импульсов счетчиком 4 будет равна λ ₁=λ ₀e^{-μ ρ h1}=1,8· 10⁴, а счетчиком 5 - . Время τ ₁, необходимое для набора заданного числа импульсов n₀ счетчиком 4, составит τ ₁==0,56 с, время τ ₂, необходимое для набора заданного числа импульсов n₀ счетчиком 5 - τ ₂==3 с. Время контроля в одной дискретной позиции будет равно max{τ ₁,τ ₂}, то есть 3 с. При этом статистический компонент относительной погрешности скорости счета, обусловленный квантовой природой излучения, определяется по формуле где λ _min - скорость счета электрических импульсов счетчиком, соответствующим детектору, апертура которого соответствует участку зоны контролируемого изделия с максимальной поглощающей способностью, λ _i - скорость счета i-того счетчика. Тогда статистический компонент относительной погрешности скорости счета для счетчика 4 будет равен а для счетчика При контроле изделия способом радиометрического контроля, выбранным в качестве прототипа, для счетчика 4 и для счетчика 5 статистический компонент относительной погрешности скорости счета, определяемый по формуле будет одинаков и равен δ ₁=δ ₂=0,01. При этом время контроля в одной дискретной позиции будет равно mаx{τ ₁, τ ₂}, то есть 3 с. Таким образом, при контроле участка 18 изделия заявляемым способом и способом, выбранным в качестве прототипа, статистический компонент относительной погрешности будет одинаков. При контроле участка 17 изделия заявляемым способом статистический компонент относительной погрешности будет в 2, 3 раза меньше, чем при контроле способом, выбранным в качестве прототипа. При этом производительность контроля будет одинакова.

В реальных условиях количество детекторов может достигать нескольких сотен, что не противоречит сущности заявляемого способа радиометрического контроля и устройства для его реализации.

Заявляемые технические решения могут быть реализованы на основе существующей элементной базы и методологии проведения радиометрического контроля.

Компьютерный эксперимент подтвердил полезное качество заявляемого способа и устройства радиометрического контроля. В настоящее время готовится техническая документация для изготовления опытного образца и испытания его в исследовательской лаборатории ГНУ “НИИ интроскопии при ТПУ”.

Использование: для радиометрического контроля материалов и изделий. Сущность: заключается в том, что в заявляемом способе радиометрического контроля и устройстве для его осуществления счет электрических импульсов всех детекторов одновременно прекращается как только каждый из детекторов зарегистрирует не менее задаваемого числа электрических импульсов, обусловленных ионизирующим излучением. Технический результат: повышение надежности радиометрического контроля. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ радиометрического контроля, включающий установку контролируемого изделия на платформе управляемого механизма дискретного сканирования между источником ионизирующего излучения и блоком из m детекторов, каждый из которых имеет на своем выходе счетчик электрических импульсов, измерение времени τ_mах, в течение которого счетчик одного из m детекторов, апертура которого соответствует участку зоны контролируемого изделия с максимальной поглощающей способностью, зарегистрирует заданное число n₀ электрических импульсов, обусловленных фотонами или частицами ионизирующего излучения, определение радиационной толщины hγ участка проконтролированной зоны изделия, соответствующего апертуре этого детектора, исходя из соотношения , где μ, ρ и h - соответственно значения массового коэффициента ослабления излучения, плотности и линейной толщины материала для этого участка, k - счетная эффективность блока детектор-счетчик электрических импульсов, a N₀ - интенсивность загрузки детектора при отсутствии изделия, n₀ - задаваемое число регистрируемых электрических импульсов, λ₀ - скорость счета электрических импульсов счетчиком детектора при отсутствии контролируемого изделия, λ - скорость счета электрических импульсов счетчиком детектора при наличии контролируемого изделия, обнуление содержимого каждого из m счетчиков и перемещение контролируемого изделия в новую позицию тогда, когда время τ≥τ_max, отличающийся тем, что счет электрических импульсов каждого из остальных m-1 детекторов прекращается в момент времени τ=τ_mах, а значения радиационных толщин hγ_i каждого из остальных m-1 участков проконтролированной зоны изделия определяют, исходя из соотношения , где μ_i, ρ_i, h_i - соответственно значения массового коэффициента ослабления излучения, плотности и линейной толщины материала, характеризующие радиационную толщину участка контролируемого изделия, соответствующего апертуре i-того детектора из совокупности m-1 детекторов, k_i - счетная эффективность блока i-тый детектор - i-тый счетчик, N_0i - интенсивность загрузки на входе i-того детектора при отсутствии изделия, n_i - число электрических импульсов, зарегистрированных счетчиком i-того детектора за время τ_mах, λ_0i - скорость счета электрических импульсов счетчиком i-того детектора при отсутствии контролируемого изделия, λ_i - скорость счета электрических импульсов счетчиком i-того детектора при наличии контролируемого изделия.2. Устройство для осуществления радиометрического контроля, содержащее источник ионизирующего излучения, блок из m детекторов, каждый из которых имеет на своем выходе счетчик электрических импульсов, задатчик числа n₀, таймер, m цифровых компараторов, решающее устройство, датчик начала измерительного цикла, управляемый механизм дискретного сканирования с платформой для установки на ней контролируемого изделия, m триггеров, имеющий m входов логический элемент “И”, причем выход каждого из m детекторов подключен к счетному входу соответствующего счетчика электрических импульсов, выход датчикa начала цикла измерения подключен к первому входу управления каждого из m счетчиков электрических импульсов и к первому входу управления таймера, выход каждого из m счетчиков электрических импульсов подключен к первому входу соответствующего компаратора, выход задатчика числа n₀ подключен ко второму входу каждого из m цифровых компараторов, выход каждого из m компараторов подключен к первому входу соответствующего триггера, выход каждого из m триггеров подключен к соответствующему входу m - входового логического элемента “И”, выход m - входового логического элемента “И” подключен ко второму входу каждого из m триггеров и к управляющему входу механизма сканирования, выход таймера подключен к одному из входов решающего устройства, отличающееся тем, что выход m-ходового логического элемента “И” подключен также ко второму управляющему входу таймера - входу остановки таймера и обнуления его содержимого и подключен ко второму управляющему входу каждого из m счетчиков электрических импульсов - входу остановки счета и обнуления содержимого, а выход каждого из счетчиков электрических импульсов подключен к соответствующему входу решающего устройства.