РАДИАЦИОННЫЕ КОНТРОЛЬ (РК)

Рис. 7.1. Система радиационного контроля: 1 - источник излучения; 2 - объект контроля; 3 - детектор излучения; 4 - средства расшифровки и оценки результатов контроля

Радиационный контроль - это вид НМК, основанный на взаимодействии проникающего ионизирующего излучения (ИИ) с контролируемым объектом (КО). Система радиационного конт­роля (РК) состоит из четырех основных элементов (рис. 7.1): источ­ника излучения, объекта контроля, детектора излучения, средства расшифровки и оценки результатов контроля. Свойства элементов системы контроля, которые влияют на результаты, называют характеристиками системы контроля или её параметрами.

К характеристикам источника излучения относятся энергия и интенсивность излучения, размер активной части излучателя; объект контроля характеризуется толщиной и плотностью мате­риала; характеристики детектора излучения - контрастность, чувствительность, эффективность и т.п.

Средства расшифровки и оценки результатов контроля обусловлены квалификацией и опытом дефектоскописта и совер­шенством технической документации. К параметрам системы РК относятся также величины, характеризующие взаимное располо­жение элементов системы контроля в пространстве и во времени, например, расстояние от источника излучения до детектора, время экспозиции и т. п.

Система РК в целом также характеризуется величиной де­фектов, выявляемых с заданной вероятностью и производитель­ностью контроля. Требования к этим основным характеристикам зависят от требований к качеству контролируемых изделий.

Классификация радиационных НМК. По используемым видам ионизирующего излучения РК подразделяется: 1) на рент­геновский контроль; 2) контроль моноэнергетическим в-излуче-нием; 3) контроль тормозным излучением ускорителей электронов; 4) контроль потоком тепловых нейтронов; 5) г-контроль; 6) конт­роль потоком протонов; 7) контроль немоноэнергетическим в-излучением радиоактивных изотопов; 8) контроль потоком позитронов.

В зависимости от задач, стоящих перед контролем, и вида изделия, наиболее эффективен тот или другой вид излучения. Так, для контроля сварных и паяных соединений эффективно исполь­зование 1-7-го видов излучений, для контроля слитков и отливок и обнаружения в них трещин, пор, рыхлот, ликваций - 1,3,5-й виды; неправильности формы внутренних закрытых полостей также уверенно обнаруживаются этими видами излучения. Микродетали, элементы электронной техники - дефекты пайки, обрывы и оплавление проводов обнаруживаются при применении 1,2,4,6-го видов, а усталость материала (контроль деталей и узлов, бывших в эксплуатации) - 8-м видом.

Способы регистрации радиационных изображений подраз­деляются на три группы: радиографические (фотографический, ксерорадиографический, строборадиографический и т.п.); радио-скопические (способы радиационной интроскопии: визуальные радиационные, т. е. видение радиационных изображений на экране преобразователя, радиотелевизионные, стереорадиоинтроскопческие); радиометрические (ионизационный; спектрометричес­кий; сцинцилляторный).

Наибольшее распространение получили рентгенография, рентгеноскопия и г-контроль.

Для создания ИИ используются рентгеновские аппараты (рентгеновские трубки); ускорители заряженных частиц; радио­активные изотопы.

Рентгеновские трубки служат источниками характеристичес­кого и тормозного излучений в широком диапазоне энергий (от 0,5 до 1000 кэВ). Их используют для просвечивания стальных листов, деталей до 120-160 мм.

Ускорители электронов являются источниками высоко­энергетического тормозного излучения (до 35 МэВ). Исполь­зуются для просвечивания стальных листов большой толщины (>450 мм). Они служат также источниками в-излучения большой энергии и генераторами нейтронного потока.

Радиоактивные изотопы являются источником рентгеновс­кого б-, в- и г-излучений, потоков нейтронов и позитронов, и используются для просвечивания стальных изделий толщиной до 200 мм.

7.1. Источники и свойства ионизирующего излучения

Для получения рентгеновского излучения используют рентгеновскую трубку, представляющую собой стеклянную колбу, из которой откачан воздух до 10^-4 - 10^-6 Па (рис. 7.2). В сосуд впаяны два электрода - катод 4 в виде спирали из толстой вольфрамовой проволоки и анод 5 из медного полого цилиндра («антикатод») с приваренной к нему мишенью из вольфрама.

К спирали катода подается низковольтное напряжение (2-12 В), а к электродам - высокое напряжение (более 10 кВ).

Рис. 7.2. Принципиальная схема (а) и блок-схема (б) рентгеновского аппарата-моноблока: 1 - трансформатор; 2 - рентгеновская трубка; 3 - стеклянная колба; 4 - катод; 5 - анод с мишенью; 6 - рентгеновское излучение; 7 - кожух

При накале спирали вследствие термоэлектронной эмиссии из неё вылетают электроны, которые специальным устройством фокусируются в узкий пучок и под действием электрического поля с большой скоростью движутся к аноду.

Проходящий через трубку ток измеряется миллиампермет­ром на пульте управления. Ток трубки регулируется изменением степени накала нити катода. Электроны, попадающие на мишень анода, тормозятся в ней и теряют скорость, а следовательно, и кине­тическую энергию. Частично кинетическая энергия электронов превращается в лучистую энергию, которая выделяется в виде фотонов тормозного излучения, используемого при дефектоскопии изделий, а часть переходит в тепловую.

Доля кинетической энергии R (%), превращенной в рент­геновское излучение, зависит от анодного напряжения U и поряд­кового номера материала мишени Z:

Для вольфрамовой мишени (Z = 74) при напряжении менее 100 кВ R » 0,01%, при U=100 кВ R = 1%, а при U=2 МВ - более 20%. Большая часть энергии превращается в тепло, которое необходимо отводить от анода охлаждающей средой (масло, вода, газ). В некоторых случаях для уменьшения разогрева анода его выполняют вращающимся.

Участок мишени анода, на котором фокусируется рент­геновское излучение, называется действительным фокусным пят ном трубки. Проекция его в направлении выхода лучей - эффектив­ным фокусным пятном.

Фокусные пятна могут быть линейными с соотношением сторон 1:1,25 или круглыми. Трубки с фокусным пятном от 100 мкм до 1 мм - острофокусные, с пятном менее 100 мкм - микро­фокусные.

Интенсивность излучения рентгеновской трубки можно регулировать анодным током и напряжением. При изменении тока (т.е. нагрева катода) меняется только интенсивность, а при измене­нии напряжения меняется и энергия излучения. Минимальная длина волны образующегося рентгеновского излучения соответст­вует максимальной энергии кванта. Энергия кванта тем больше, чем выше скорость электронов, которая определяется напряжением на трубке: где e - заряд электрона, равный

1,610^-19, Кл, U - напряжение на трубке, В, с - скорость света; л₀ -наименьшая длина волны излучения в спектре рентгеновского излучения трубки. Из формулы видно, что энергетический спектр тормозного излучения определяется величиной напряжения на трубке. Чем выше напряжение, тем больше скорость электронов, тем больше энергия излучения, тем меньше длина волны и тем больше проникающая способность излучения.

Поскольку электроны, испускаемые катодом, имеют непре­рывное распределение скоростей, энергетический спектр тормоз­ного излучения имеет непрерывный характер, т. е. в нем присутст­вуют кванты со всевозможными значениями энергий - от нуля до некоторого максимального значения, отвечающего максимальной кинетической энергии тормозящихся электронов.

Если энергия электрона настолько велика, что он выбивает электроны с внутренних оболочек атомов вещества мишени, на фоне непрерывного спектра тормозного излучения возникает линейча­тый спектр характеристического излучения (рис. 7.3). Подбирая материалы мишени, можно получать различные спектры.

На рис. 7.4 представлена спектральная интенсивность излу­чения трубки при различных напряжениях. Установлено, что длина

волны излучения максимальной интенсивности

Рис. 7.3. Сплошной (1) Рис. 7.4. Спектры тормозного

и линейчатый (2) спектры рентгеновского излучения при

рентгеновского излучения различных напряжениях

для мишени из молибдена при U=35rf5>

Ниже излучения не существует. Как видно из формул, энергия излучения зависит только от напряжения, от величины анодного тока она не зависит.

Существуют различные модификации конструкции рент­геновской трубки. Двухэлектродные трубки (с напряжением U _£ 200 - 300кВ) имеют электрическую фокусировку электронов, при которой размер фокусного пятна не изменяется во всем диа­пазоне регулировки анодного тока и напряжения. Трубки с выне­сенным анодом, используемые для панорамного просвечивания, имеют дополнительную магнитную фокусировку. При напряже­ниях от 300кВ до 2 МВ применяют секционированные (каскадные) трубки, которые имеют дополнительные промежуточные коль­цевые электроды, обеспечивающие выравнивание электрического поля по длине трубки. Магнитная фокусировка позволяет регули­ровать размер фокусного пятна. Современные рентгеновские трубки делают разборными; антикатоды съёмные

На рис. 7.5 представлено принципиальное устройство двухэлектродной рентгеновской трубки

Рис. 7.5. Принципиальное устройство двухэлектродной рентгеновской трубки: 1 - катод; 2 - фокусирующее устройство; 3 - анод; 4 - вольфрамовая мишень; 5 - чехол анода; 6 - патрубок для ввода охлаждающей жидкости

Рентгеновский аппарат состоит из электронной рентгеновской трубки, помещенной в защитный кожух, катодного и анодного генера­торных устройств, штатива, масляного насоса, пульта управления.

Бак генераторного устройства, кожух с трубкой и бак насоса заполнены трансформаторным маслом, служащим изолятором. Масло, прокачиваемое через защитный кожух, охлаждает анод трубки (это могут быть и вода или сжиженные газы). Защитный кожух выполняют из свинцового листа, объём заполняется маслом. Масло от насоса поступает сначала на полый анод трубки, а затем в защитный кожух. Для выхода излучения в кожухе имеется специальное окно, застеклённое материалом, слабо поглощающим излучение. В трубках, рассчитанных на мягкое излучение > 2А, U < 30 кВ, окна застеклены бериллием, хорошо про­пускающим такое излучение.

Бетатроны. Бетатрон - индукционный ускоритель электро­нов (рис. 7.6, 7.7) - состоит из электромагнита, рентгеновской бета-тронной камеры, блока питания и пульта управления. От остальных применяемых в дефектоскопии ускорителей он отличается порта­тивностью [10

Рис. 7.7. Схема бетатрона: 1- магнитопровод; 2 - камера; 3 - блок питания; 4 - пульт управления; 5 - катушка электромагнита; 6 - блок питания инжектора; 7 - инжектор

Рис. 7.6. Схема работы бетатрона: 1-катушка возбуждения; 2 - инжектор; 3 - мишень; Ф - магнитный поток

В один из патрубков бетатронной камеры вставлен инжектор (электронная пушка). Система инжекции смонтирована в отдель­ном блоке или под облицовочным кожухом электромагнита. Электромагнит предназначен для индуцирования в вакуумной камере бетатрона электрического поля, необходимого для ускоре­ния и управления движением электронов.

Стеклянная кольцевая камера расположена между полюсами электромагнита и является источником тормозного излучения. Блок питания подаёт на катушки переменный ток. Возникающий синусоидально-изменяющийся магнитный поток индуцирует в камере вихревое электрическое поле. Под действием этого поля электроны, введённые в камеру инжектором, движутся с ускоре­нием по окружности.

За каждый оборот электроны получают относительно не­большое приращение энергии, примерно 15-20 эВ, что объясняется небольшой напряжённостью электрического поля. Магнитное поле возрастает от нуля до максимального значения за четверть периода; направление вихревого электрического поля за этот промежуток времени не меняется. За этот промежуток времени электрон успе­вает сделать огромное (до нескольких миллионов) число оборотов. При этом электроны ускоряются до энергии нескольких десятков мегаэлектрон-вольт. Ускоренные электроны смещаются с равно­весной орбиты и направляются на мишень из платины или воль­фрама. В результате торможения электронов в материале мишени

возникает жесткое тормозное излучение ( < , обычно 0,2-2А).

Выход излучения сильно зависит от энергии ускоренных электронов. Максимальная энергия тормозного излучения лишь ненамного меньше максимальной энергии ускоренных электронов,

рассчитанной по формуле

E = 3 • 10 ² H₀r₀,- 0.511

где Е-энергия электронов, МэВ;

Н- напряжённость магнитного поля,

r₀ - радиус камеры, см.

В бетатронах с большим радиусом вакуумной камеры, в которых электроны приобретают большую энергию, получается более интенсивное тормозное излучение, чем в бетатронах с малым радиусом камеры. Эффективная энергия излучения составляет (0,3 - 0,5) Е _max

Фокусировка пучка электронов происходит в процессе их ускорения, в результате чего фокусное пятно бетатрона имеет маленькие размеры (0,1-0,01 мм). Из него выходит интенсивный и очень узкий пучок с углом раствора 5-6^о, благодаря чему обеспе­чивается высокая резкость снимков, что дает высокую чувстви­тельность методам просвечивания.

Серийно выпускаются бетатроны для дефектоскопии изде­лий из стали (до 450 мм толщины), алюминия (до 1800 мм), титана (до 880 мм). Бетатрон Б5М-25 применяется в медицинской прак­тике. Разработаны бетатроны как в стационарном исполнении, так и передвижные. Размеры электромагнита от 400, 520 мм до 1500, 1700 мм для больших камер (соответственно и вес от 100 кг до

5000 кг).

Линейные ускорители и микротроны. В линейных ускори­телях частицы однократно проходят электрическое поле с большой разницей потенциалов, т. е. ускоряются по прямому методу.

На рис. 7.8 представлена схема линейного ускорителя с бегу­щей волной.

Рис. 7.8. Схема линейного ускорителя: 1 - камера; 2 - электромагнит; 3 - генератор; 4 - волновод; 5 - электронная пушка; 6 - мишень; 7 - вакуумный насос

Электроны, генерируемые пушкой 5 импульсно с энергией 30-100 кэВ, ускоряются электрическим полем бегущей электро­магнитной волны, создаваемой высокочастотным генератором 3 в цилиндрическом волноводе 4 (на каждые 30 см пути в волноводе электронам сообщается энергия примерно 1 МэВ). Электрическое поле бегущей волны направлено по оси цилиндра. Ускоренные электроны попадают на мишень 6, в которой возникает тормозное излучение большой интенсивности. Так, линейные ускорители с энергией 10-25 МэВ создают тормозное излучение, мощность экспозиционной дозы которого на расстоянии 1 м от мишени состав­ляет 2000-25000 Р/мин, что позволяет использовать их для конт­роля сварных швов толщиной 400-500 мм.

Линейный ускоритель с секционированной ускоряющей трубкой состоит из большого числа промежуточных электродов. На каждый электрод подаётся увеличивающееся вдвое постоянное напряжение. Наибольшее напряжение достигает 1-2 МэВ и более при токе 0,2 мА. Диаметр фокусного пятна ~1 мм. Используется для контроля деталей толщиной 125-250 мм.

Линейный ускоритель со стоячей волной состоит из инжек­тора электронов, источника переменного напряжения и метал­лического резонатора, внутри которого расположены пролетные металлические трубки. Электроны из инжектора попадают в полость резонатора и проходят вдоль пролетных трубок. Под дейст­вием электрического поля в промежутках между трубками элект­роны ускоряются и в конце пути тормозятся на мишени, где и генерируется тормозное излучение.

Микротрон (рис. 7.9) - циклический резонансный ускори­тель

Рис. 7.9. Схема микротрона: 1 - камера; 2 - электромагнит; 3 - волновод; 4 - электронная пушка; 5 - мишень; 6 - резонатор; 7 - вакуумный насос

электронов с постоянным по времени и однородным магнит­ным полем. Электроны, запущенные в вакуумную камеру 1, дви­жутся по окружностям разного радиуса, имеющим общую точку касания в месте расположения резонатора, сверхвысокочастотное поле которого ускоряет электроны. Резонанс ускорения создается в результате кратного увеличения периода высокочастотного напряжения при каждом пересечении электронами ускоряющего зазора резонатора. Резонатор возбуждается через волновод 3 посредством мощной импульсной электронной пушки 4. Ваку­

умная камера находится под непрерывной откачкой с помощью насоса 7. Ускоренные электроны на последней орбите либо попа­дают на мишень 5, в которой возникает рентгеновское излучение, либо с помощью специального устройства выводятся из камеры. Электронный пучок микротрона в отличие других типов ускори­телей обладает высокой моноэнергетичностью. Микротрон позво­ляет ускорить электроны до энергии в несколько сотен МэВ. Эффективное фокусное пятно микротрона невелико (порядка 2-3 мм). Микротрон МД10 даёт излучение экспозиционной дозы на рас­стоянии 1 м от мишени и позволяет просвечивать детали толщиной до 500 мм. Время просвечивания детали толщиной 200 мм состав­ляет около 10 с.

Радиоизотопные источники г- и в-излучения. Источник излучения представляет собой закрытую ампулу (заваренную или завальцованную) из коррозионно-стойкой стали или сплавов алюминия и для герметичности сверху покрытую эпоксидным клеем. Внутри ампулы помещаются искусственные радионуклиды, получаемые в ядерных реакторах при облучении веществ в нейтронных потоках или при обработке продуктов распада, образующихся в реакторах.

К радиационно-физическим характеристикам радиоактив­ных источников излучения относятся период полураспада, спектр излучения, удельная активность, мощность экспозиционной дозы на расстоянии 1м от источника и геометрические размеры излучателя.

Внутренние размеры ампулы определяют размеры активной части источника. Проекция активной части ампулы в направлении просвечивания образует фокусное пятно источника.

Для гамма-дефектоскопии применяют изотопы с высокой удельной активностью, такие как кобальт ⁶⁰ Co = 100 — 200 (Ки/г), цезий ¹³⁷Cs — 25 (Ки/г), селен ⁷⁵Se, иридий ¹⁹²Ir, тулий ¹⁷⁰Tm, европий ¹⁵²Eu+¹⁵⁴Eu и другие (наибольшая удельная активность составляет у марганца ⁵⁴ Mn = 2000 Ки/г).

Энергетические спектры излучения применяемых источни­ков состоят из отдельных групп г-квантов и тормозного спектра, возникающего при торможении в-частиц. В спектрах большинства радионуклидов, используемых при дефектоскопии, интенсивность тормозного излучения пренебрежимо мала. Интенсивность отдель­ных линий дискретного спектра и соотношение между ними опре­деляются числом выхода г-квантов различных энергий на акт распада (в процентах).

В радиационной дефектоскопии применяют радионуклиды с периодом полураспада от нескольких дней до десятков лет. В табл. 7.1 приведены некоторые сведения о наиболее распростра­ненных радионуклидах.

Гамма-дефектоскоп состоит из следующих основных блоков: радиационная головка с источником излучения; устройство для безопасной зарядки прибора ампулами, пульт управления дистан­ционным перемещением ампул, выпуском и перекрытием гамма-излучения; штатив для крепления радиационной головки относи­тельно объекта контроля.

Т а б л и ц а 7.1

Основные характеристики некоторых радионуклидов, применяемых в дефектоскопии

Радиационные головки имеют свинцовую или вольфра­мовую защиту, обеспечивающую снижение мощности дозы излуче­ния на расстоянии 1м от источника, находящегося в положении хранения, до предельно допустимой дозы 2,8 мР/час (2,01 • 10 ¹⁰ А/_кг) и менее, а на расстоянии 0,1м - до 100 мР/час

(7,17 • 10 ⁹ А/кг) и менее. Конструктивно головки выполняют с перемещаемым и неподвижным источником излучения. Конструктивно все дефектоскопы радиационного контроля делятся на универсальные шланговые дефектоскопы и дефекто­скопы затворного типа

В универсальных шланговых дефектоскопах (рис. 7.10) источник излучения помещается в криволинейный канал -лабиринт и фиксируется в положении хранения специальным замком. После открытия замка источник может быть перемещён к выходному окну головки (фронтальное просвечивание конусным пучком излучения) или может подаваться в зону контроля из радиационной головки по гибкому ампулопроводу 6. В этом случае панорамный пучок излучения формируется с помощью сменных коллимирующих головок 7. Перемещение источника осуществ­ляется ручным или электроприводом с пульта управления 1. Расстояние между пультом и головкой у переносных приборов от 3,5 до 12 м; у передвижных - до 50 м.

Рис. 7.10. Схема гамма-дефектоскопа шлангового типа:

1 - привод управления; 2 - подающий трос; 3 - соединительный шланг; 4 - радиационная головка; 5 - держатель источника излучения; 6 - ампулопровод; 7 - коллимирующая головка

На рис. 7.11 представлена схема дефектоскопа затворного типа

Рис. 7.11. Схемы дефектоскопа затворного типа:

а - гамма-дефектоскоп с открыванием затвора; б - гамма-дефектоскоп с перемещением источника; в - гамма-дефектоскоп с выемным стаканом

предназначенного для работы в полевых, цеховых, монтаж­ных условиях. Существует несколько модификаций таких дефекто­скопов.

В приложении К приведены технические характеристики некоторых современных рентгеновских установок.

7.2. Чувствительность радиационного контроля

На рис. 7.12 приведена схема радиационного контроля изде­лия 1, внутри которого имеется дефект 2. Для определенности предположим, что 1 - металлическая деталь, а 2 - шлаковое вклю­чение или непроплав в ней

Рис. 7.12. К определению чувствительности методов РК

Источник радиационного излучения 3 (рентгеновская трубка, радиоактивный изотоп, источник b-частиц и т.п.) расположен в защитном экране 4. Регистратором дефектов является рентгеновс­кая пленка 5, расположенная под контролируемым изделием 1. Радиационное излучение, пройдя через контролируемое изделие 1 с дефектом 2, вызовет различное потемнение фотопленки 5: более сильное 6, соответствующее изображению дефекта 2, и более сла­бое 7, соответствующее изображению части детали 1 без дефектов. Это обстоятельство объясняется тем, что дефекты в металлических деталях, как правило, имеют плотность во много раз меньше, чем плотность самой детали. Эти дефекты - раковины, шлак, газовые полости и т. п. Такие неметаллические включения во много раз слабее поглощают радиационное излучение, чем бездефектный металл.

Далее предположим, что плотность почернения фотомате­риала пропорциональна интенсивности излучения J, падающего на фотопленку (область 7 на рис. 7.12). Если в области 6, изображаю­щей дефект, интенсивность радиационного излучения равна J то контрастность К изображения дефекта на фотопленке будет равна:

Для вычисления величины контрастности предположим, что коэффициент поглощения радиационного излучения в материале изделия равен a₁, а в материале дефекта - б₂. Толщина изделия и дефекты равны соответственно x и y (рис. 7.12). Пусть интенсив­ность источника излучения равна После прохождения безде­фектной части изделия интенсивность прошедшего излучения J будет равна

Под местом расположения дефекта интенсивность излучения

В этом выражении первое слагаемое в показателе степени экспоненты учитывает ослабление интенсивности излучения в

Подставив выражения (7.3) и (7.2) в формулу (7.1), получим контрастность изображения дефекта

Размеры дефекта у всегда ничтожно малы по сравнению с размерами х контролируемого материала, а коэффициент поглоще­ния a₂ в материале дефекта во много раз меньше коэффициента поглощения a₁ в контролируемом материале. Разлагая экспонен­циальную функцию в степенной ряд, из выражения (7.4) получим

Из выражения (7.5) следует, что контрастность изображения дефектов при РК, во-первых, пропорциональна толщине дефекта у и, во-вторых, пропорциональна разности коэффициентов погло­щения излучения в материалах изделия и дефекта a-a₁

Эти результаты естественно было ожидать исходя из пред­ставлений о физических процессах при радиационном контроле.

Более интересный вывод из формулы (7.5) можно получить, если ее упростить, учитывая, что всегда a₂<< a Тогда

Из выражения (7.6) следует, что контрастность изображения дефектов тем больше, чем больше коэффициент поглощения излу­чения в контролируемом материале. Этот вывод прямо противо­положен выводу, например, при контроле с помощью излучения ультразвуковых волн, когда четкость контроля понижается с ростом коэффициента поглощения волн.

Выражение (7.6) позволяет сделать практически важный вывод: контроль с помощью радиационного излучения наиболее эффективен для материалов с большими коэффициентами погло­щения. Это в основном металлы.

7.3. Способы регистрации радиационных изображений

Наибольшее распространение в радиационной дефекто­скопии получил радиографический контроль с использованием в качестве детектора излучения радиографической пленки. В ка­честве источников излучения при этом контроле используются все три типа источников излучения.

Разновидностью радиографического контроля является флюорографический метод, при котором распределение интенсив­ности ионизирующего излучения преобразуется в видимый свет на сцинцилляторном экране и затем регистрируется с помощью оптической системы на флюорографической плёнке (рис. 7.13, а, б).

Рис. 7.13. Схема радиографического контроля с использованием: а - радиографической пленки; б - флюорографической пленки;

1 - источник излучения; 2 - контролируемый объект; 3 - радиографическая пленка; 4 - монокристаллический экран; 5 - зеркало с поверхностным отражением; 6 - оптическая система; 7 - кассета с флюорографической пленкой

Наибольшее распространение в качестве детектора при радиографическом методе контроля получили радиографические плёнки. Радиографические пленки подразделяют на две группы: безэкранные для использования без флуоресцентных экранов или с металлическими усиливающими экранами, и экранные пленки, применяемые совместно с флуоресцентными экранами. Основными характеристиками пленок являются спектральная чувствитель­ность, контрастность и разрешающая способность. На рис. 7.14 представлена схема строения радиографической пленки.

Рис. 7.14. Схема строения радиографической пленки

Основой пленки служит гибкая прозрачная подложка 4 из негорючей пласт­массы - ацетилцеллюлозы. На подложку с двух сторон наносят чувствительную к излучению эмульсию 2, представляющую собой слой желатины толщиной 10-30 мкм, в которой равномерно распределены микрокристаллы бромистого серебра. Размеры микрокристаллов не превышают 3 мкм. Для увеличения прочности соединения между эмульсией и подложкой лежит слой специаль­ного клея 3, называемый подслоем. Снаружи на эмульсию наносят защитный слой 1 из задубленной желатины толщиной до 1 мкм для предохранения эмульсии от механических повреждений.

Под воздействием излучения бромистое и хромистое серебро разлагаются и выделяют серебро чёрного цвета. Двойной слой фотоэмульсии увеличивает чувствительность в два раза.

Чувствительность плёнки определяется оптической плот­ностью почернения

D₀ = lg(F₀ / F),

где F0 /F - непрозрачность пленки,

F₀, F - интенсивность светового потока, падающего на пленку и проходящего через нее. Плотность почернения совершенно проз­рачного снимка (F₀ = F) равна нулю. Плотность почернения пропорциональна экспозиции Н_Э, которая равна произведению времени выдержки на интенсивнос падающих лучей. На рис. 7.15 представлен примерный вид характеристической кривой пленки, являющийся зависимостью плотности почернения от логарифма экспозиции.

Рис. 7.15. Характеристическая кривая радиографической пленки

Начальный участок характеристической кривой соответст­вует отсутствию излучения. Он характеризует плотность вуали D₀₁ - величину плотности обработанной плёнки, не подвергнутой облучению. Её величина лежит в пределах 0,1 D01 0,3.

При длительном хранении D₀₁ увеличивается. Участок кри­вой АБ называют областью недодержек. В этой области почернение пленки с увеличением экспозиции незначительно. На участке БВ плотность почернения пропорциональна экспозиции. Эта область соответствует области рабочих экспозиций в радиографии. Тангенс угла наклона рабочего участка называют коэффициентом контраст­ности плёнки. Участок ВГ соответствует области передержек.

Чувствительность пленки измеряют величинами, обратными величине дозы излучения, необходимой для получения плотности, превышающей на 0,85 плотность вуали.

Случайно возникающие скопления и разряжения зерен серебра создают впечатление зернистости изображения и ухудшают выявляемость мелких дефектов при радиографическом контроле.

Зернистость называют также гранулярностью G. С увеличе­нием энергии излучения гранулярность возрастает. Большую гранулярность имеют изображения, полученные с применением усиливающих флуоресцентных экранов. Гранулярность радио­графических снимков, а также рассеяние излучения в эмульсии радиографических пленок приводит к тому, что скачкообразное изменение интенсивности излучения на границах дефекта регистрируется как плавное изменение плотности почернения радиографической пленки. Количественную характеристику величины размытия называют собственной нерезкостью радио­графических детекторов излучения и_п. Величина собственной нерезкости безэкранных радиографических пленок зависит от спектрального состава излучения и равна 0,4 мм при использова­нии в качестве источника излучения ⁶⁰Co, 0,28 мм при использова­нии ¹⁹²Ir и 0,1мм для ¹⁷⁰Tm. При использовании тормозного излучения с максимальной энергией в спектре от 150 до 250 КэВ величина собственной нерезкости изменяется от 0,1 до 0,17 мм.

Радиографические плёнки можно использовать в комбина­ции с экранами (металлическими или флуоресцентными).

Экранные радиографические пленки предназначены для регистрации излучения оптического диапазона, возникающего при воздействии ионизирующего излучения на флуоресцентные экраны. Они сенсибилизированы в оптическом диапазоне излучения, их спектральная чувствительность согласована со спектром излуче­ния флуоресцентных экранов.

По сравнению с безэкранными пленками экранные имеют большую чувствительность и меньший коэффициент контраст­ности. Собственная нерезкость экранных пленок при использова­нии тормозного излучения с максимальной энергией в спектре 150 - 250 кэВ составляет 0,6 мм.

Усиливающие металлические экраны применяют для сокра­щения времени просвечивания. Усиливающее действие метал­лических экранов основано на выбивании из них вторичных электронов под действием ионизирующего излучения. Выбитые электроны действуют на эмульсию пленки и вызывают дополни­тельную фотохимическую реакцию, усиливающую действие пер­вичного излучения.

Металлические экраны выполняют из тяжёлых элементов -свинца, меди, реже - из вольфрама и титана. Экраны устанавли­вают позади и впереди радиографической плёнки. Применение экранов приводит к сокращению экспозиции. Задний экран защи­щает плёнку от рассеянного излучения. Толщина экрана для раз­личных источников излучения приведена в табл. 7.2.

Флуоресцентные экраны изготовляют на основе люмино­форов. Усиливающее действие флуоресцентных экранов связано с дополнительным воздействием на пленку свечения, возникаю­щего в люминофоре под действием ионизирующего излучения. В качестве люминофоров используют смесь мелких кристаллов сульфида цинка и сульфида кадмия, активированных серебром

ZnS(Ag);CdS(Ag), а также CaWO₄; (Ba, Pb)SO₄; Gd₂O₂S(Tb).

Люминофор со связующим наносят на бумагу или картон. Радиографическую плёнку располагают между двумя флуоре­сцентными экранами, в случае использования односторонних радиографических пленок - один экран, расположенный с той стороны пленки, на которую нанесена эмульсия. При высоких энергиях излучения перед передним экраном или вместо него устанавливают металлический экран.

Основными характеристиками усиливающих флуоресцент­ных экранов являются коэффициент усиления и величина собст-

Т а б л и ц а 7.2

Характеристики металлических экранов

венной нерезкости. Коэффициент усиления - отношение времени экспозиции при использовании флуоресцирующих экранов, необходимого для получения снимка с заданной оптической плот­ностью, к времени экспозиции на той же пленке без усиливающих экранов. Величина коэффициента усиления зависит от энергии излучения.

Собственная нерезкость флуоресцентных экранов связана с рассеянием света в экранах и зависит от плотности упаковки зерен флуоресцентного вещества в э