Что ограничивает применение импульсных рентгеновских аппаратов
Принцип действия импульсных рентгеновских аппаратов
Принципиальная схема. В основе работы импульсного аппарат лежит принцип накопления энергии за сравнительно долгий промежуток времени и последующей ее реализации за существенно более короткий промежуток времени.
Все импульсные аппараты выполнены по одной принципиальной схеме (рис. 3.2):
Рисунок 3.2 – Принципиальная схема импульсных аппаратов (серии АРИНА)
При замыкании ключа К предварительно заряженный накопительный конденсатор С1 разряжается через первичную обмотку трансформатора Тр. При этом во вторичной его обмотке возникает импульс высокого напряжения длительностью порядка 10-6с, заряжающий выходную емкость С2 до напряжения 100-200 кВ в зависимости от типа аппарата.
Разрядник-обостритель Р преобразует энергию, накопленную в емкости С2, в импульс высокого напряжения длительностью 10-8с, который прикладывается к электродам рентгеновской трубки Т.
В аппаратах АРИНА используется не обычная рентгеновская трубка с на-кальным катодом, а так называемая трубка с взрывной электронной эмиссией.
В качестве катода в такой трубке используется вольфрамовая фольга толщиной в несколько микрон.
Под действием импульса высокого напряжения очень короткой длительности (который обеспечивается разрядником – обострителем) кромка вольфрамового катода взрывается, образуется облако плазмы, которая является источником электронов. Далее процесс ускорения электронов и возбуждения рентгеновского излучения протекает так же, как и в классических рентгеновских трубках с накальным катодом.
Итак, вместо термоэмиссии – плазменная эмиссия, вместо накаливаемого катода – холодный катод.
При этом необходимым и главным условием образования электронной плазмы является короткий импульс высокого напряжения.
Импульсный трансформатор, разрядник-обостритель и рентгеновская трубка располагаются в металлическом цилиндре, заполненном трансформаторным маслом. Этот цилиндр, в дальнейшем будем называть его высоковольтным блоком, является сердцем всего аппарата. Он определяет ресурс работы прибора, его габаритно-весовые и рентгеновские характеристики.
Рентгеновская трубка
В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются 2 типа импульсных рентгеновских трубок.
На рис. 3.3 изображен схематический разрез так называемой игольчатой трубки типа ИМА 5-320 Д, которая применяется в аппаратах АРИНА-3, АРИНА-5 и АРИНА-7.
Рисунок 3.3 – Конструкция импульсной рентгеновской трубки ИМА 5-320 Д
Максимальное рабочее напряжение ее составляет 320 кВ. Лезвийный катод 3 в виде шайбы изготовлен из вольфрамовой фольги толщиной 20 мкм. Внутренняя кромка шайбы и является взрывной кромкой, эмитирующей плазму.
Анод 2 выполнен из вольфрамового прутка диаметром 4 мм, заточенного на конус. Конец этого прутка является фокусным пятном трубки. Диаметр его примерно равен 2 мм.
Стальной экран 6, на котором непосредственно укреплен катод, жестко соединен с большим фланцем с помощью кольца 5. Основное назначение экрана препятствовать осаждению на стеклянный изолятор 8 паров вольфрама, образующихся при плазменном разряде.
Штенгель 10 служит для вакуумной откачки объема трубки при ее изготовлении.
В аппарате АРИНА-1 используется трубка прострельного типа ИМА 2-150 Д (рис. 3.4) с максимальным напряжением 150 кВ.
Рисунок 3.4 – Конструкция импульсной рентгеновской трубки PIMA 2-150 Д
Здесь катод 3 выполнен из вольфрамовой трубки диаметром 2 мм с толщиной стенки 0,2 мм, который установлен на грибовидный электрод 4. Данный электрод защищает стеклянный конический изолятор 6 от конденсации паров металла.
К металлическому цилиндрическому корпусу 5 припаяно выходное плоское окно 1 из ковара толщиной 0,2 мм.
Прострельный вольфрамовый анод 2 приварен непосредственно к выходному окну. Штенгель 7 предназначен для вакуумной откачки трубки.
В данной трубке электроны из плазмы, образующейся на кончике цилиндрического катода, бомбардируют плоский заземленный анод, а рентгеновские фотоны проходят сквозь него и выходное окно. Достоинством такой конструкции является возможность размещения исследуемого объекта вплотную у выходного окна трубки. Недостатком же является менее четкое фокусное пятно. К тому же оно имеет большие размеры по сравнению с игольчатой трубкой.
Как та, так и другая описанные рентгеновские трубки имеют существенно меньшие габариты по сравнению с классическими накальными трубками. Объясняется это тем, что при столь коротких воздействиях высокого напряжения (10-8 с) длина стеклянного изолятора сокращается в несколько раз по сравнению с изоляторами в трубках с постоянным напряжением. Длина же изолятора и определяет геометрические размеры любой трубки.
Разрядник-обостритель
Основным элементом высоковольтного блока, его «ахиллесовой пятой», определяющей срок службы аппарата является разрядник-обостритель. На рис. 3.5 изображен разрез разрядника-обострителя Р-43.
Именно он вырабатывает чрезвычайно короткий импульс высокого напряжения, обеспечивающий образование электронной плазмы в районе катода рентгеновской трубки.
Рисунок 3.5 – Разрядник-обостритель
Напряжение срабатывания разрядника-обострителя является рабочим напряжением рентгеновской трубки. Поэтому для данного конкретного разрядника оно всегда одно и то же и не может регулироваться.
Разрядник имеет два резьбовых вывода, с помощью которых он с одной стороны соединяется с импульсным трансформатором, а с другой – с рентгеновской трубкой.
Металлический корпус разрядника совместно с корпусом высоковольтного блока образуют конструктивную выходную емкость С2 (см. рис. в первой статье главы), которая разряжается через рентгеновскую трубку. Именно величина этой емкости определяет амплитуду импульса тока в трубке, а, следовательно, и интенсивность рентгеновской вспышки.
Многих потребителей вводит в заблуждение величина напряжения на трубке, указанная в ее паспорте. Следует иметь в виду, что это величина максимально допустимая для данного типа трубки.
Реальное же рабочее напряжение всегда определяется величиной напряжения срабатывания разрядника-обострителя. Так, например, в аппарате АРИНА-3 используется трубка ИМ А 5-320 Д с максимальным напряжением 320 кВ.
3.3. Особенности рентгенографического контроля импульсными аппаратами
Рентгенографический контроль импульсными аппаратами, в целом, аналогичен контролю, выполняющемуся с помощью других видов источников рентгеновского излучения. Вместе с тем, имеется и ряд характерных особенностей, обусловленных спецификой этого рода устройств.
В то время как излучение рентгеновских аппаратов с постоянным или пульсирующим напряжением на рентгеновской трубке представляет собой непрерывный поток рентгеновских фотонов, в той или иной степени лишь слегка промодулированный формой тока и напряжения на трубке, излучение импульсных рентгеновских аппаратов имеет вид пачек рентгеновских фотонов, с огромной плотностью фотонов в пачке. Это обусловлено тем, что, как указано в статье, вся накопленная энергия выделяется в виде излучения в течение 10-20 нс.
Поскольку в таком импульсе излучается порядка 1010 рентгеновских фотонов, то плотность потока составляет порядка 1018 фотонов/с.
Вместе с тем, время накопления энергии для следующего импульса достаточно велико, порядка 0,1с, поэтому суммарная или интегральная доза излучения за какое-то время достаточно мала.
Более того, она в несколько десятков раз меньше, чем у непрерывно излучающих аппаратов при том же напряжении.
Благодаря тому, что рентгеновская пленка имеет свойство накапливать изменения, происходящие в ней под действием излучения, результат его воздействия не зависит от того, попадает ли излучение на пленку в виде непрерывного потока фотонов или импульсов, несущих сразу большое их количество. В первом случае плотность потемнения пленки линейно растет во времени, тогда как в последнем это изменение происходит «ступеньками». Другими словами, если для непрерывно излучающих аппаратов справедлива формула:
(3.1)
где: – доза излучения, накопленная за время t;
Р – мощность дозы излучения,
то для импульсных рентгеновских аппаратов:
(3.3)
где D1 – доза, полученная пленкой за один импульс,
N – число импульсов излучения за время t
f – частота следования импульсов.
Таким образом D1f является средней мощностью дозы излучения для импульсных аппаратов.
Другая существенная особенность рассматриваемых аппаратов заключается в спектре их излучения, т.е. относительном содержании в составе излучения фотонов тех или иных энергий или длин волн.
Вследствие того, что излучение в импульсных аппаратах происходит при разряде источника высокого напряжения через рентгеновскую трубку, спектр излучения отличается от «классического», соответствующего постоянному напряжению на трубке и имеет вид:
(3.3)
где: λ0 – коротковолновая граница, определяемая напряжением на трубке. Максимум этого спектра, т.е. эффективная длина волны излучения
(3.4)
или соответственно эффективная энергия:
(3.5)
где: Е0 — энергия, численно равная амплитуде приложенного к трубке напряжения.
Напомним, что для аппаратов с постоянным напряжением
Спектр излучения импульсных аппаратов и аппаратов с постоянным напряжением показаны на рис. 3.6.
Наглядно видно, что спектр импульсного аппарата сдвинут в сторону больших длин волн, т.е. меньших энергий, иначе говоря, соответствует меньшей «жесткости» излучения. Интересно отметить, что соотношение выполняется также для бетатронов.
Зависимость рентгенографических характеристик от формы спектра излучения заложена в формуле
Рисунок 3.6 – Спектр излучения импульсных аппаратов и аппаратов с постоянным напряжением
Практическим следствием большой протяженности спектра, т.е. наличию в нем фотонов с энергиями как близкими к приложенному напряжению, так и с гораздо меньшими, является возможность контроля более широкого диапазона толщин и плотностей материала при одном напряжении на трубке.
Существенной особенностью импульсных рентгеновских аппаратов является отсутствие регулировки тока и напряжения.
Поэтому, решение задачи контроля заданных толщин и материалов должно начинаться с подбора аппарата с соответствующим напряжением срабатывания разрядника-обострителя.
Отсутствие регулировки тока перекрывается выбором экспозиции, т.е. количества импульсов излучения.
При определении условий рентгенографирования, т.е. при выборе пленок, экранов, фокусных расстояний и т.д. следует иметь в виду, что средняя мощность излучения импульсных аппаратов невелика и поэтому следует стараться (насколько это позволяют требования к выявляемое™ дефектов и качеству снимков в каждом конкретном случае) выбирать:
— съемку с флуоресцентными или флуорометаллическими экранами;
— съемку на пленку с наибольшей возможной чувствительностью. Применение высококонтрастных пленок оправдано лишь при контроле незначительных толщин или легких материалов;
— съемку при минимально допустимых фокусных расстояниях, поскольку экспозиция возрастает как квадрат фокусного расстояния;
— применение методов съемки, позволяющих сократить просвечиваемую толщину и/или фокусное расстояние. Например, панорамное просвечивание предпочтительнее направленного, т.к. просвечивается только одна стенка вместо двух и с фокусного расстояния равного радиусу вместо диаметра.
Выполнение этих рекомендаций не только повышает эффективность использования аппарата, но и экономит его ограниченный ресурс.
Применение флуоресцентных экранов желательно, т.к. существенно (в десятки раз) уменьшает необходимую экспозицию. Наибольшее усиление из выпускаемых в настоящее время имеют экраны серии ВП. Они, в то же время, имеют и наибольший размер зерна, т.е. обеспечивают только удовлетворительную контрастную чувствительность.
Применение флуорометалиических экранов в любом случае желательно, т.к. они обеспечивают достаточно высокое качество контроля при экспозициях не превышающих нескольких минут.
Металлические усиливающие экраны могут использоваться с соответствующими типами пленок. Следует, однако, иметь в виду, что толщины применяемых свинцовых экранов должна быть в пределах 20-50 мкм. В этом случае их коэффициент усиления, т.е. сокращение экспозиции при их применении составляет 1,2-1,5. Применение свинцовых экранов с толщиной 100 мкм и более категорически недопустимо, т.к. их фильтрующее (ослабляющее) действие превысит эффект усиления и вместо сокращения экспозиции приведет к ее увеличению.
Что ограничивает применение импульсных рентгеновских аппаратов
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.
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
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
а. Энергия излучателя, от которой напрямую зависит так называемая рентгенографическая контрастность.
Рис. 2 Фокусное пятно
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.
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.
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.
Наиболее известны высокочувствительные плёнки
— отечественные РТ-1 РТ-2
— 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.
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.
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.
Тип плёнки и усиливающих экранов
Безэкранная контрастная плёнка РТ-5, Д7, FUJI 100 плюс свинцовые экраны
Чувствительная плёнка Д8, F8, HS800, РТ-1, РТ-2 плюс флуорометалличе- ские экраны RCF, Kyokko SMP308
Чувствительная плёнка Д8, F8, HS800, РТ-1, РТ-2 плюс флуоресцентные экраны УПВ-1, УПВ-2 Kyokko Super, NDT 1200
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.
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.
Рис. 4 Номограмма экспозиций
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
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.
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.
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.