СПОСОБ РАДИАЦИОННОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ Российский патент 2009 года по МПК G01N23/18 

Изобретение относится к области радиационных неразрушающих методов контроля, основанных на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения, и может быть применено для дефектоскопии сварных и паяных швов, отливок, проката и т.д.

Известны способы радиационного неразрушающего контроля, включающие возбуждение рентгеновского излучения, пропускание его через объект контроля и регистрацию прошедшего излучения (С.В.Румянцев. «Радиационная дефектоскопия», М.: Атомиздат, 1974 г.) - аналог.

Недостатком известного решения является то, что при низких напряжениях (≤50 кВ), необходимых для получения удовлетворительного результата дефектоскопии при просвечивании изделий из материалов с малым атомным номером при использовании рентгеновских трубок распространенных марок, получают излучение малой интенсивности, что приводит к снижению качества и эффективности контроля. В тоже время при использовании излучения более 50 кВ также снижается чувствительность контроля.

Известен способ радиационной дефектоскопии, заключающийся в том, что генерируют рентгеновское излучение, уменьшают его рассеивание путем пропускания через фильтр, установленный после источника излучения и до детектора, пропускают излучение через объект контроля и регистрируют его детектором (Н.П.Алешин, В.Г.Щербинский. Радиационная, ультразвуковая и магнитная дефектоскопия металлоизделий, М.: Высшая школа, 1991 г., с.75) - аналог.

Известно применение фильтра из свинцовой фольги или ленты. Например, в качестве фильтра используют фольгу из олова толщиной 0,025 мкм или из свинца - толщиной 0,076-0,152 мм.

Недостатком известного решения является то, что при использовании указанных фильтров невозможно обеспечить повышение качества дефектоскопии, в частности, чувствительности контроля при обеспечении высокой производительности процесса контроля.

Известен способ радиационной дефектоскопии, заключающийся в том, что генерируют рентгеновское излучение, уменьшают его рассеивание путем пропускания через фильтр, установленный после источника излучения и до детектора, пропускают излучение через объект контроля и регистрируют его детектором (С.В.Румянцев. Радиационная дефектоскопия. М.: Атомиздат, 1974, с.158-160) - прототип.

Известный способ используется при радиационном контроле крупных объектов из материалов с небольшой плотностью, практически - изделий толщиной 50-200 мм из сплавов на основе магния, алюминия и титана. Фильтр в данном случае служит для избирательного подавления мягкой составляющей спектра (с энергией <80 кэВ) и для ослабления мягкого рассеянного излучения.

Применение данного решения повышает контрастность снимка, но мало влияет на чувствительность к дефектам.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение чувствительности радиационного контроля при проведении радиационной дефектоскопии изделий малой толщины из материалов с малым атомным номером путем избирательного использования мягкой составляющей рентгеновского спектра при сохранении высокой производительности процесса контроля.

Указанный технический результат достигается тем, что при проведении радиационной дефектоскопии генерируют рентгеновское излучение, пропускают его через фильтр, установленный между источником излучения и детектором, и через объект контроля и регистрируют его детектором, причем в зависимости от материала и толщины объекта контроля толщину фильтра выбирают в диапазоне 0,04-0,2 мм, а его материал - исходя из условия, что скачок ослабления рентгеновских лучей для данного объекта контроля происходит в диапазоне уровня энергии излучения - 5-29 кэВ.

В способе в качестве материала объекта контроля могут использовать материалы с малым атомным номером.

В способе фильтр могут устанавливать между источником излучения и объектом контроля.

В способе фильтр могут устанавливать между объектом контроля и детектором.

В качестве фильтра могут быть использованы фольги (тонкие слои) одного из металлов, входящих в группу элементов с атомными номерами от 40 до 50 преимущественно: Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, In, Sn, или их сочетание, а также с атомными номерами от 24 до 29 преимущественно: Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn или их сочетание.

Скачок поглощения рентгеновских лучей у перечисленных веществ охватывает диапазон энергий Е_ск от 5 до 29 кэВ. Энергия, соответствующая скачку поглощения, растет с атомным номером. При минимальном напряжении 50-60 кВ, характерном для распространенных видов рентгеновских трубок, введение предлагаемых фильтров относительно мало влияет на интенсивность в области от Е_ск - 10 до Е_ск кэВ и резко уменьшает ее от Е_ск до Е_ск + 10 кэВ.

Выбор материалов фильтра обусловлен, с одной стороны, энергией электронных переходов в этих веществах (фотоэлектрическим эффектом). Значения энергий, соответствующих скачкам поглощения, для всех химических элементов хорошо известны с высокой точностью и содержатся в справочной и другой литературе (Я.С.Уманский. Рентгенография металлов и полупроводников. М.: Металлургия, 1969 г., с.18). С другой стороны, этот выбор обусловлен технологичностью (возможностью прокатки тонкой фольги) и долговечностью (коррозионной стойкостью). Элементы легче циркония (Y, Sr, Rb и др. вплоть до Ga, атомный №30) и тяжелее олова (Sb, Те, J и др. вплоть до Hf, ат. №72) нетехнологичны и/или имеют низкую коррозионную стойкость на воздухе. Вещества с более высокими атомными номерами чем Hf не могут быть использованы, поскольку имеют скачок поглощения в «неактуальной» области (при слишком малых или слишком больших энергиях).

Предлагаемые фильтры могут быть применены для радиационного контроля изделий малой толщины из материалов на основе легких элементов из группы с атомными номерами от 3 до 22, преимущественно: Li, Be, В, С, Mg, Al, Si. Критерием выбора фильтра и режима просвечивания является произведение коэффициента ослабления в контролируемом материале при напряжении, соответствующем скачку поглощения в фильтре, μ, 1/см, на толщину d объекта контроля, см: μ·d<1.5. Так, при просвечивании изделия толщиной 25 мм и менее из графита при напряжении на трубке 50 кВ фильтр из оловянной фольги эффективно повышает чувствительность контроля. При этом μ_29кВ=0.45/см, μ·d=1.1. Для магния, алюминия и титана коэффициенты ослабления при U=29 кВ равны соответственно 2, 3 и 25 1/см, а предельные толщины, при которых применение оловянного фильтра дает технический эффект, составляют соответственно 7.5, 5 и 0.6 мм.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-3, где

на фиг.1 - представлен график селективного ослабления рентгеновского излучения в случае использования оловянного фильтра,

на фиг.2 - влияние оловянного фильтра на характер рентгеновского спектра,

на фиг.3 - таблица относительной интенсивности «мягкой» компоненты рентгеновского излучения при прохождении фильтра из олова.

Заявителем были проведены теоретические и экспериментальные исследования, которые показали следующее.

Как известно, контраст оптической плотности на изображении дефекта (местное повышение или понижение оптической плотности) тем сильнее, чем больше ослабление рентгеновских лучей в материале, а последнее, в свою очередь, как правило, уменьшается с ростом напряжения на рентгеновской трубке. Поэтому для более надежного и эффективного выявления дефекта, контролируемые объекты просвечивают при возможно более низком напряжении (более низкой энергии рентгеновских лучей), однако, при низких напряжениях (≤50 кВ), необходимых для получения удовлетворительного результата дефектоскопии при просвечивании изделий из материалов с малым атомным номером при использовании распространенных типов рентгеновских трубок, получают излучение малой интенсивности, что приводит к снижению эффективности контроля. Однако следует отметить, что при использовании излучения 50 кВ и более также снижается чувствительность контроля.

Причина состоит в характере спектра излучения рентгеновских трубок: максимум интенсивности I_max их излучения соответствует энергиям, близким к максимальным: Е˜0.7·Е_max=Ue, т.е. 0.7 максимальной энергии рентгеновских квантов (здесь U - напряжение на трубке, е - заряд электрона). В результате в области энергии, «полезной» для просвечивания легких и тонких объектов ˜0.3-0.5·Е_max, интенсивность излучения мала по сравнению с интенсивностью в области больших энергией (0.6-0.9·Е_max), формирующей изображение на снимке.

Большинство рентгеновских аппаратов имеет ограниченные пределы регулирования напряжения.

Из формулы для расчета абсолютной чувствительности следует, что чем больше коэффициент линейного ослабления (μ), тем меньше размер дефекта, который удается обнаружить. В свою очередь коэффициент ослабления зависит от энергии излучения источника. Получение рентгеновского излучения той или иной энергии достигается регулированием напряжения на рентгеновской трубке, однако, известно, что чувствительность контроля тем выше, чем меньше энергия излучения.

Повысить чувствительность радиационного контроля можно, изменив характер спектра источника рентгеновского излучения. Этого можно достичь, получив спектр рентгеновского излучения с максимумом интенсивности, смещенным в сторону малых энергий за счет специального фильтра.

В заявляемом способе повышение чувствительности и происходит именно благодаря увеличению доли мягкой составляющей в спектре рентгеновского излучения. Это происходит благодаря тому, что параметры, характеризующие фильтр (материал и толщина), выбирают исходя из условия, что скачок коэффициента ослабления рентгеновских лучей для данного объекта контроля (с учетом его материала и толщины) происходит в определенном диапазоне уровня энергии излучения, а именно в диапазоне 5-29 кэВ, что можно рассматривать как условие, при котором край полосы поглощения (возбуждения) рентгеновского излучения в материале фильтра расположен в зоне верхней границы оптимального диапазона энергий излучения рентгеновской трубки.

При напряжении на трубке 50 кВ эффективный диапазон энергии излучения приходится на 30-35 кэВ. Для радиационного контроля изделий, например, из графита толщиной 5-10 мм диапазон энергии излучения, который позволяет достичь заявленный технический результат, составляет 20-25 кэВ. Край полосы поглощения К-линии рентгеновского спектра олова соответствует энергии примерно 28,8 кэВ. При энергиях в диапазоне 10-50 кэВ ослабление μ происходит немонотонно, составляя на границах диапазона 900-140 1/см и достигает минимума 90 1/см при 28,8 кэВ. В результате при общем снижении интенсивности доля мягкого излучения в пучке значительно возрастает, что и обеспечивает повышение чувствительности контроля. Как видно из фиг.1, при установке, например, оловянного фильтра «обрезаются» коротковолновая (с энергией >35 кэВ) и длинноволновая часть спектра (с энергией <10 кэВ), кроме того, следует отметить, что последняя не имеет практического значения, так как интенсивность излучения в этой зоне очень мала.

Для получения мягкого спектра рентгеновского излучения, необходимого для дефектоскопии объектов (изделий) с малым атомным номером, в качестве материалов фильтров могут эффективно быть использованы фольга из серебра, или индия, или циркония, или ниобия, или молибдена толщиной 0,04-0,2 мм и другие материалы, в которых скачок коэффициента поглощения соответствует диапазону 5-29 кэВ.

При использовании других материалов для фольги, не обеспечивающих скачок поглощения в указанном диапазоне уровня энергии излучения, в соответствии с вышеизложенным не достигается заявляемый технический результат.

Для фильтра могут быть также использованы комбинации разных материалов, например, сочетание фольги из молибдена и циркония специально подобранных толщин, в данном случае необходимым условием остается выполнение диапазона толщины фильтра и диапазона уровня энергии излучения в соответствии с заявляемой формулой.

Критерии практической полезности фильтра выглядят следующим образом: интенсивность рентгеновских лучей не должна снижаться более чем в 5 раз, а доля длинноволновой части излучения (с энергией<60% от максимальной) должна составлять не менее 40% общей интенсивности.

Исходя из первого критерия, толщина оловянного фильтра должна быть не более 0,2 мм, а исходя из второго - не менее 0,04. Известный из уровня техники оловянный фильтр толщиной 0,025 мм обеспечивает достаточную интенсивность рентгеновского пучка, однако, вклад длинноволнового излучения менее 40% и заявляемый технический результат достигаться в этом случае не будет.

Влияние фильтра, например, из олова на характер спектра рентгеновского излучения показано на фиг.2. Введение оловянного фильтра улучшает характеристику спектра рентгеновского излучения и соответственно повышает чувствительность рентгеноконтроля, но снижает интенсивность излучения. Однако последнее можно компенсировать увеличением тока трубки.

Как следует из фиг.2 с увеличением толщины фильтра возрастает доля мягкой составляющей спектра, что с одной стороны способствует повышению качества радиационного контроля, а с другой стороны, в то же время уменьшает интенсивность излучения, прошедшего через фильтр. Этим обусловлен выбор диапазона толщины фильтра: при толщине более 0,2 мм общая интенсивность излучения на объект контроля падает более чем в 15 раз, а при толщине 0,04 мм всего лишь в два раза, одновременно доля компоненты с энергией 20-25 кэВ возрастает от 0,34 в исходном пучке до соответственно 0,6 и 0,5 (см. фиг.3) и, кроме того, нижняя граница диапазона ограничена еще и технологическими условиями, т.е. иногда просто невозможно изготовить более тонкую фольгу из заявляемых материалов.

Пример конкретного выполнения.

Контролю подвергнута пластина графита толщиной 25 мм. В качестве эталона чувствительности использован канавочный эталон №21 из алюминия (ГОСТ 7512-82). Дефектоскопию осуществляли при напряжении 50 кВ на рентгенотелевизионном аппарате «АРТИКОН 305 ВУ». При обычном просвечивании (без фильтра) при токе на трубке 0,5 мА наблюдается пять канавок, минимальная глубина - 0,2 мм. Далее между источником и объектом контроля вводили фильтр толщиной 0,1 мм в виде ленты из олова. При просвечивании с фильтром при токе на трубке 5 мА наблюдаются шесть канавок, минимальная глубина - 0,1 мм.

Таким образом, использование фильтра позволило практически в два раза повысить чувствительность радиационной дефектоскопии при сохранении производительности процесса.

Использование: для радиационной дефектоскопии. Сущность: заключается в том, что генерируют рентгеновское излучение, пропускают его через фильтр, установленный после источника излучения и до детектора, и через объект контроля и регистрируют его детектором, при этом в зависимости от материала и толщины объекта контроля толщину фильтра выбирают в диапазоне 0,04-0,2 мм, а его материал - исходя из условия, что скачок ослабления рентгеновских лучей для данного объекта контроля происходит в диапазоне уровня энергии излучения - 5-29 кэВ. Технический результат: повышение чувствительности радиационного контроля при проведении радиационной дефектоскопии изделий малой толщины из материалов с малым атомным номером. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ радиационной дефектоскопии, заключающийся в том, что генерируют рентгеновское излучение, пропускают его через фильтр, установленный после источника излучения и до детектора, и через объект контроля и регистрируют его детектором, отличающийся тем, что в зависимости от материала и толщины объекта контроля толщину фильтра выбирают в диапазоне 0,04-0,2 мм, а его материал - исходя из условия, что скачок ослабления рентгеновских лучей для данного объекта контроля происходит в диапазоне уровня энергии излучения - 5-29 КэВ.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала объекта контроля используют материалы с малым атомным номером.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что фильтр устанавливают между источником излучения и объектом контроля.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что фильтр устанавливают между объектом контроля и детектором.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материалов фильтра используют серебро, или индий, или цирконий, или ниобий, или молибден, или марганец, или железо, или кобальт, или медь, или цинк, или никель.