Автор: Клюев В.В.
Теги: испытания материалов товароведение силовые станции общая энергетика техника и технические науки в целом строительство неразрушающий контроль дефектоскопия
ISBN: 5-217-03178-6
Год: 2003
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИКА
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИКА
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИКА Авторы: В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, А.В. Ковалев, В.Н. Филинов, В. Аертс, Л.С. Бабаджанов, В.Г. Бадалян, Н.Н. Блинов, Г. Бергер, Р. Боллен, А.С. Боровиков, Э.И. Горкунов, А.К. Гурвич, A.IL Дегтерев, И.Н. Ермолов, А.И. Евлампиев, Л.В. Зазинова, В.Г. Запускалов, В.И. Иванов, А.В. Избтов, Б.М. Кантер, А.А. Кеткович, Ю.А. Кон- дратьев, В.П. Козлов, В.Н. Кольцов, М.В. Королев, С.В. Клюев, В.П. Курозаев, Ю.В. Ланге, Б.И. Леонов, А.Н. Майоров, А.И. Мас- лов, И. Де Меестр, В.Ф. Мужицкий, В.И. Матвеев, И.Г. Матис, Ж.-К. Морэн, З.С. Никифорова, Н.А. Орлов, В.И. Петрович, А.А. По- ловинкин, К.В. Подмастерьев, К. Рис, Н. Ридьярд, В.Г. Рыгалин, В.В. Сухоруков, С.Г. Сажин, Ю.С. Степанов, Н.Д. Тюфяков, В.Г. Фед- чишин, М. Фарлей, Ю.К. Федосенко, М.В. Филинов, Д. Хенинг, Г. Хайт, Р. Хелмшоу, Л.А. Хватов, В.К. Шевалдыкин, В.Е. Щерби- нин, Дж. Нардони, В. Янсене ЗАО «НИИИН МНПО “СПЕКТР”»
шп?ол ь 1 двгаетжд МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО “МАШИНОСТРОЕНИЕ” 2003
УДК [681.518.54+620.19] (035) ББК 30.82-5я2 Н54 Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, Н54 А.В. Ковалев и др.; Под ред. В.В. Клюева. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение, 2003. 656 с., ил. Рассмотрены основные методы неразрушающего контроля и диагностики: радиационные, магнит- ные, вихретоковые, электрические, оптические, вибрационные, акустические, комплексные системы ка- чества продукции, методы и средства медицинской диагностики, промышленная рентгеновская вычисли- тельная томография, системы технического зрения, специальные методы экологической диагностики. Даны рекомендации по выбору и применению методов и средств НК и Д, технические характеристики отечественных и зарубежных приборов, технология эксплуатации приборов, передвижные средства кон- троля загрязнения окружающей среды. Для фирм и специалистов, сотрудничающих с иностранными партнерами, включена глава ’’На- циональные и международные нормы по аттестации специалистов НК”. Приведена также система атте- стации США. Полностью публикуется европейский стандарт по аттестации, являющийся обязательным для 18 стран Европы. Второе издание (1-е изд. 1995 г.) переработано и дополнено новыми материалами в соответствии с современным состоянием техники. Для инженеров-технологов, работников служб контроля, эксплуатации и ремонта объектов про- мышленных предприятий, а также для работников, обслуживающих медицинскую и таможенную техни- ку, может быть полезна преподавателям и студентам втузов. ББК 30.82-5я2 СПРАВОЧНОЕ ИЗДАНИЕ Владимир Владимирович Клюев, Феликс Рубенович Соснин, Алексей Васильевич Ковалев и др. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИКА Лицензия ИД № 05672 от 22.08.01 * Редакторы: И.Н. Жесткова, П.Е. Клейзер Художественный редактор Т.Н. Погорелова Корректоры: М.Я. Барская, А.П. Лебедева Инженеры по компьютерному макетированию: М.А. Евсейчева, Т.А. Сынкова, М.А. Филатова, И.В. Евсеева Сдано в набор 02.09.02. Подписано в печать 03.12.02. Формат 60x90 1/8 Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать офсетная Усл. печ. л. 82,0. Уч.-изд. л. 89.5 Тираж 2000 экз. Заказ 7387 ФГУП «Издательство «Машиностроение» 107076, Москва, Стромынский пер., 4 Отпечатано в ГУП ППП «Типография «Наука» РАН 121099, Москва, Шубинский пер., 6 ISBN 5-217-03178-6 © Издательство «Машиностроение», 2003 © ЗАО «НИИИН МНПО «Спектр», 2003
ВВЕДЕНИЕ После трагедии в Нью-Йорке 11 сентября 2001 года во всем мире резко изменилось отношение к Проблеме безопасности, защиты населения и окружающей среды от техногенных, природных, криминалистических и во- енных катастроф. Проблема безопасности официально объявлена главнейшей 1в организационном, научном, экономико-политическом плане. В соответствии с законом «под безопасностью Рос- сийской Федерации понимается качественное состояние общества и государства, при котором обеспечивается защита каждого человека, проживающего на территории Российской Федерации, его прав и гражданских свобод, а также надежность существования и устойчивость раз- вития страны, защита ее основных ценностей, матери- альных и духовных источников жизнедеятельности, кон- ституционного строя и государственного суверенитета, независимости и территориальной целостности от внут- ренних и внешних врагов». Основные причины роста числа аварий и катастроф: критический уровень износа оборудования, нарушения производственной и технологической дисциплины, ос- лабление роли государственных органов контроля и управления, а также недостаточный уровень правовой и экологической культуры. Неразрушающий контроль и диагностика (НК и Д) - начинающие и определяющие составные части пробле- мы безопасности. Контроль обозначает проверку соответствия пара- метров объекта установленным техническим требовани- ям, а неразрушающие методы контроля не должны на- рушать пригодность объекта к применению. Несоответ- ствие продукции установленным требованиям является дефектом, для обнаружения и поиска которого исполь- зуются теория, методы и средства технической диагно- стики. Обнаружение и поиск дефектов являются процес- сами определения технического состояния объекта и объединяются термином «диагностирование». Соответственно направлениям безопасности методы НК и Д подразделяют на экологические, медицинские, техногенные, оборонные, ресурсные и другие. Применительно к масштабам объектов исследова- ния НК и Д разделяют на объектовые, региональные, федеральные и планетарные. Для получения информации в НК и Д используют все виды физических полей и излучений, химических взаимодействий и процессов, мониторинг с помощью транспорта (автомобильного, воздушного, морского, же- лезнодорожного, космического), посты наблюдения (стационарные, передвижные), переносные приборы, большое количество компьютерных технологий обра- ботки информации. Итоговым результатом становится определение остаточного ресурса или риска эксплуата- ции объекта с помощью соответствующих инструкций, методик и стандартов. Средства НК и Д создаются аппаратными, про- граммными внешними и встроенными, ручными и авто- матизированными, специализированными или универ- сальными. Зарождение НК и Д обычно относят ко времени от- крытия в ноябре 1895 г. рентгеновских лучей, которые позволили обнаружить металлический предмет в закры- той деревянной коробке. Большая роль в развитии мето- дов неразрушающего контроля принадлежит Р.И. Янусу, Л.Г. Меркулову, С.Т. Назарову, А.С. Фалькевичу, Н.С. Акулову, М.Н. Михееву, Ю.И. Иоришу, Н.М. Роди- гину, Н.В. Химченко, С.В. Румянцеву, И.Н. Ермолову, Т.Я. Гораздовскому, В.Г. Герасимову, Ф. Ферсгеру, Р. Мак-Мастеру, Н. Крауткремеру, X. Бергеру, Р. Шарпу и многим другим ученым. Метод ультразвуковой дефектоскопии впервые был предложен в 1928 глпроф. С.Я. Соколовым. В 1952 г. С. Маховером и Ю. Усенко был предложен магнитогра- фический метод. В справочнике учтены развитие и совершенствова- ние технических методов и средств НК и Д за последние 20 лет. Появление современных крупномасштабных объек- тов - атомных электростанций, терминалов со сжижен- ным газом, морских буровых установок, больших хими- ческих комбинатов, крупных авиалайнеров - привело наряду с экономическими выгодами к большим негатив- ным последствиям в случае выхода их из строя. Челове- чество не может отказаться от таких сооружений, но оно может предотвратить катастрофы или уменьшить их по- следствия путем эффективного использования НК и Д. Известно, что развитые страны ежегодно теряют. 10 % своего национального дохода из-за низкого качест- ва выпускаемой продукции. Во всем мире ежегодно уве- личивается число крупных аварий и катастроф. Потери только от дефектов усталости металла в США составля- ют более 100 млрд. долл, в год, а от коррозии - более 200 млрд. долл, в год. Убытки от низкого качества мате- риалов и изделий в России значительно выше, а если учесть, что часть промышленной продукции не внедря- ется в производство, сравнительно быстро выходит из строя по различным техническим и организационным причинам, принять во внимание колоссальные объемы ремонта, нарушение экологии, то потери материального и морального порядка еще более возрастают, требуют тщательного учета, анализа и принятия кардинальных решений. Все усложняющиеся задачи по повышению качест- ва промышленной продукции, надежности объектов тре- буют дальнейшего совершенствования методов и средств НК и Д. Применение классических методов, да еще по отдельности, уже неэффективно. Ряд новых задач не поддается решению стандартными методами НК. Появились весьма сложные матричные системы детекти- рования физических полей в пространстве, различные
6 ВВЕДЕНИЕ комбинации методов, в обработку пошли группы физи- ческих параметров. Любое повышение безопасности достигается за счет необходимого дополнительного увеличения расходов. Возникает проблема определения оптимального уровня расходов, при котором технология и производство оста- ются рентабельными. Применение систем НК и Д удо- рожает продукцию при выпуске и эксплуатации, однако их использование на всех стадиях изготовления, поверки и эксплуатации существенно повышает надежность из- делий и объектов, обеспечивая в конце концов громад- ный в масштабе страны экономический выигрыш. К ос- новным особенностям современных систем НК и Д от- носятся значительное увеличение числа проверяемых параметров (многофункциональность) и повышение производительности контрольных операций. Ввиду необходимости получения огромных массивов информации при контроле многих изделий все шире вне- дряются автоматизированные и роботизированные систе- мы НК и Д. Особенно перспективны контрольно-диаг- ностические автоматы там, где человеку неудобно или опасно находиться, например при контроле очень боль- ших поверхностей, в условиях высокой радиации, повы- шенных температур, агрессивных сред, космоса и т.д. Точность работы таких систем зависит от чувстви- тельности и разрешающей способности входящих в них измерительных каналов и преобразователей информа- ции. Работа многих приборов основана на проведении относительных измерений: их погрешности зависят от воспроизводимости показаний и точности эталонов фи- зических величин, используемых при градуировке и ка- либровке измерительных схем. Автоматизация градуи- ровки и калибровки измерительных схем вместе со встроенной автодиагностикой получает все более широ- кое распространение в системах НК и Д. Следует отметить, что при работе ряда систем НК и Д с высокой степенью автоматизации функции операто- ра являются, с одной стороны, сложными, а с другой, во многом определяющими результат. До сих пор за опера- тором остается основная роль в расшифровке радиаци- онных изображений, принятии решений при возникно- вении нестандартных ситуаций, оценке явлений, обу- словленных несколькими слабокоррелированными при- чинами. Естественно, что достаточно полную объективную информацию о контролируемом объекте нельзя полу- чить, регистрируя только эффекты взаимодействия с объектом контроля физического поля одной природы (частоты). Например, использование рентгеновского из- лучения при контроле сварных швов не гарантирует вы- явления трещин, несплавлений и т.п. Только комбиниро- ванные, разные по принципу взаимодействия с вещест- вом методы контроля, такие как радиационно- оптический, электромагнитоакустический, магнитно- оптический и др., могут исключить недостатки исследо- вания, взаимно дополнить друг друга и обеспечить полу- чение достаточной информации о качестве промышлен- ной продукции. В этом направлении должна решаться задача совместимости информации, полученной разными методами. Необходимы количественная обработка данных ис- пользуемых методов НК и Д, выработка оптимальных алгоритмов интегральной количественной оценки каче- ства изделия и его остаточного ресурса. Существуют четыре важных направления развития НКиД. 1. ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ НК и Д. В настоящее время НК и Д исполь- зуют более 100 физических методов исследования, тыся- чи типов приборов с объемом продаж в десятки милли- ардов американских долларов. В основе решения диагностических задач лежит прежде всего оптимальный выбор физического явления, дающего наиболее объективную информацию о пара- метре диагностирования. Важнейшей проблемой стано- вится не фиксация дефекта как уже возникающего от- клонения от нормируемого параметра, а исследование и регистрация физических и других эффектов, предшест- вующих времени перехода материала или изделия в ’’де- фектное” состояние. Акустическая эмиссия, механоэмис- сия, возникающее при деформациях диэлектриков и ме- таллов электромагнитное излучение в диапазоне от ра- диоволнового до жесткого рентгеновского излучения, включая весь промежуточный диапазон видимого, ин- фракрасного и ультрафиолетового излучений, демонст- рируют далеко не использованные физические возмож- ности создания нового уровня интеллектуальных средств НК и Д. Интеллект диагностики начинается прежде всего с правильного выбора физического эквивалента, наиболее адекватного изучаемому явлению, характеризующему работоспособность объекта. На основе этого должна проектироваться диагностическая технология. Для ре- шения этой проблемы используются датчики на базе микроэлектронной технологии, построенные на основе самых различных физических явлений и химических преобразований. Широкая номенклатура преобразователей и сенсо- ров требует обоснованного выбора оптимального вари- анта использования их на практике, согласования с ис- следуемыми параметрами и функциями управления объ- ектов контроля. Интеллектуализация современных методов НК и Д связана с их интенсивной компьютеризацией, широким использованием встроенных процессоров, персональных и мини-ЭВМ, разработкой большого ряда программ, ал- горитмов тестового и функционального диагностирова- ния. Стали нормой перевод диагностической информа- ции в двух- и трехмерное изображение с последующей обработкой в реальном масштабе времени, амплитудо- фазочастотная обработка многомерного сигнала, рекон- структивная томография, томосинтез и т.д. Это потребо- вало введения в аппаратуру множества специальных процессоров и устройств. Переход на экспертные диагности- ческие системы, многомашинные испытательные комплексы для крупных промышленных объектов, по- зволяющие определять остаточный ресурс и риск экс- плуатации, - актуальнейшая проблема научно-техничес- кого прогресса (НТП).
ВВЕДЕНИЕ 7 2. РАЗРАБОТКА ЕДИНОЙ СИСТЕМЫ КОН- ТРОЛЯ КАЧЕСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. С увеличением масштаба НТП, постоянными стихийными бедствиями (землетря- сения, цунами, смерчи и т.п.), бурным ростом экологиче- ских проблем регионов все более необходимой стано- вится неразрывная взаимосвязь методов и средств опре- деления состояния крупных промышленных объектов и окружающей среды. Диагностирование объектов даже с приближенной точностью не может быть выполнено без исследования основных воздействующих факторов. Чем более крупное по масштабам событие ожидает- ся, тем более комплексной должна быть физическая ди- агностика с полным набором различных по сути и прин- ципам взаимодействия используемых полей и излучений. Нельзя ограничивать виброакустической диагностикой прогнозирование землетрясений. Изменение электромаг- нитных излучений, связанных с накоплением энергии Земли, исследование распределения теплового поля, уровня воды, газового анализа и многие другие сопутст- вующие (предшествующие) явления и геофизические поля должны быть изучены, зарегистрированы и сориен- тированы на принятие важнейшего заключения о досто- верности появляющейся аномалии окружающей среды. Постоянный или периодический выездной монито- ринг территории с помощью стационарных и передвиж- ных диагностических станций, лабораторий, спутников, аэрофотосъемки и т.д. должен накапливать статистиче- ский многофункциональный материал, после- математи- ческой обработки которого можно принимать оконча- тельные организационные решения по обеспечению безопасности людей и сооружений. Диагностика экологической обстановки территории должна стать неотъемлемой частью жизни и развития всех предприятий региона. Необходима прямая систем- ная ее связь с диагностикой оборудования и всех рабо- чих мест внутри предприятия. Очень важно признать, что многие измерительные каналы, алгоритмы диагностирования, методы и устрой- ства преобразования информации, используемые физи- ческие и химические эффекты и технические средства идентичны при диагностировании предприятия и окру- жающей среды. Они должны быть унифицированы и системно спроектированы для решения общей задачи обеспечения безопасности людей и работоспособности всех объектов производственного процесса. В то же время наглядно прослеживается развитие ди- агностических систем и устройств для исследования мик- рообъектов в связи с бурным развитием микроэлектрони- ки, биотехнологий и других направлений НТП. Микрото- мография, рентгенотелевизионная микроскопия, микро- томоскопия, микроэндоскопия и прочие важнейшие раз- делы интроскопии будут помогать проводить исследова- ния и создавать новые материалы и объекты на микро- уровне. Диапазон объектов контроля и диагностирования не ограничен ни по нижнему, ни по верхнему пределу геометрического размера, и это должно учитываться при создании единого оптимизированного и экономически обоснованного ряда приборов и систем НК и Д. 3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕ- СКИХ ТЕХНОЛОГИЙ. Технические средства НК и Д включают в себя аппаратурную часть, программное обеспечение и эксплуатационно-техническую докумен- тацию. К сожалению, разработкам необходимой техно- логической документации, методикам, исследованию оптимальных процедур НК и Д уделяется явно недоста- точное внимание. Контрольно-диагностические операции следует рассматривать как важнейший, обеспечивающий качест- во технологический передел со всеми вытекающими из этого выводами. От правильного выбора НК и Д в боль- шой степени зависит эффективность конечного резуль- тата - долговременная работоспособность объектов при минимальных затратах. В качестве примера можно при- вести применяющийся до сих пор метод испытания труб большого диаметра с помощью гидропрессов, для кото- рого необходимо строить специальные цехи и многотон- ное испытательное оборудование. В то же время автома- тизированный ультразвуковой дефектоскоп позволяет выявить дефекты с большей достоверностью, чем гидро- испытания, при этом затраты на контроль уменьшаются в сотни раз. Алгоритмы испытаний должна формировать диагностическая технология с тем, чтобы определить, что и как следует применять. Именно технология должна минимизировать диагностические параметры, методы и средства, обеспечивающие достоверность определения аномального события. .Можно утверждать, что нет ни одного безошибоч- ного метода контроля. Могут встречаться непредвиден- ные условия эксплуатации, поэтому диагностические технологии должны быть «избыточными» в отношении применения комплекса различных по физической сути методов и приемов НК, которые бы дополняли друг дру- га для обеспечения максимальной гарантии качества из- делия. Технология должна предусматривать спектр раз- личных конструкций контрольно-диагностических при- боров - от ручного до автоматизированного исполнения при рациональном сочетании их применения в процессах производства, испытаний и эксплуатации объектов. Она должна иметь библиотеку алгоритмов и программ диаг- ностирования, выполненных применительно к конкрет- ным изделиям, операциям и задачам обнаружения де- фектов. Самый важный момент - принятие решения о несоответствии изделия предъявляемым требовани- ям и прекращении его эксплуатации или функциони- рования - должен быть особо отмечен и научно обосно- ван в технологии. Фундаментом этого решения является предварительно набранный статистический материал. Диагностические технологии необходимо предва- рительно опробовать, они не могут содержать неразум- ных требований в виде "не допускаются никакие виды дефектов", должны работать только на опережение, на- дежно распознавать предаварийную ситуацию, никаким образом не допускать аварийной эксплуатации изделий. Главным становится не вычисление размеров дефектов (дефектометрия), а определение остаточного ресурса объекта контроля, степени риска его эксплуатации,
8 ВВЕДЕНИЕ создание соответствующих методик и стандартов по оп- ределению остаточного ресурса объектов. Должен быть осуществлен переход от диагностики к эксплуатации по состоянию объектов, созданию и вне- дрению Отраслевых систем диагностического обслужи- вания, предусматривающих сочетание диагностических обследований, оперативное устранение вскрытых дефек- тов и поддержание технического состояния объекта на должном уровне. 4. ОРГАНИЗАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НК И Д НА МЕЖДУНАРОДНОМ УРОВНЕ. В большин- стве стран мира НК и Д осуществляют и развивают спе- циалисты, работающие в университетах, институтах, на различных предприятиях государственного, муници- пального, акционерного и частного уровней. Эти специалисты и предприятия, использующие, эксплуатирующие и подготавливающие специалистов в области НК и Д, объединяются в массовые независимые общественные организации - национальные общества по НК и Д, которые организуют взаимодействие на ме- ждународном уровне, проводят конференции, выставки, специализированные совещания, создают международ- ные стандарты и т.п. 1- я международная конференция по НК и Д была проведена в Брюсселе в 1955 г. Национальная конферен- ция СССР по НК и Д состоялась в 1956 г. в Ленинграде. В 1960 г. создан Международный комитет по НК (МКНК), в 1998 г. - Европейская Федерация по НК (ЕФНК). В настоящее время Российское общество по не- разрушающему контролю и технической диагностике (РОНКТД) объединяет более сотни предприятий и ты- сячи специалистов по НК и Д, регулярно проводит кон- ференции, выставки, организует вместе с Госстандартом и Госгортехнадзором сертификацию специалистов, при- боров, методик и лабораторий, единых стандартов и тех- нологий. Наиболее важной задачей является переход на меж- дународный уровень выполнения всех научно- йсследовательских и опытно-конструкторских работ, стандартов, технологий, оборудования, обучения и атте- стации персонала с возможностью и готовностью прове- дения международного аудита и надзора. Единая между- народная политика развития и максимального примене- ния НК и Д во всех областях, осуществляемая РОНКТД совместно с ЕФНК и МКНК с учетом широчайшей но- менклатуры приборов, программ и систем разнообраз- ных компаний и организаций, является единственно воз- можной и целесообразной. Разработка новых машин не может не предусматри- вать затраты на их контрольно-диагностическое сопро- вождение. За технический уровень и качество отвечает главный конструктор изделия, который должен правиль- но сформулировать контрольно-диагностическую поли- тику и нести за нее ответственность. Однако слабая ос- ведомленность многих разработчиков в НК и Д приводит к созданию контроленепригодных изделий, изделий с избыточными массами и габаритными размерами и не- определенными показателями надежности. В результате этого значительно сокращается срок жизни изделий, воз- никают аварийные ситуации и необоснованно удорожа- ются конструкции машин. Необходимо предусматривать специальные матери- альные средства на контрольно-измерительное оборудо- вание с выделением на них как минимум 3 ... 7 % капи- тальных вложений при новом строительстве и реконст- рукции предприятий, а также при создании новых объек- тов. С целью проведения единой политики в области НК и Д для максимального использования научно-техни- ческих достижений и разработок во всех отраслях маши- ностроительного и других комплексов необходимо соз- дание межотраслевых и международных ассоциаций, которые могли бы объединить усилия различных ве- домств и фирм на создание современных контрольно- диагностических систем многофункционального приме- нения. Крайне важно организовать территориальные центры диагностики, оснащенные всем спектром совре- менной контрольно-диагностической аппаратуры (рент- геновскими вычислительными томографами, рентгено- телевизионными системами, тепловизорами, звуковизо- рами, телеэндоскопами и т.д.), которые могли бы квали- фицированно разрабатывать диагностические техноло- гии и осуществлять экспертный контроль качества сы- рья, промежуточных и целевых продуктов многих пред- приятий. Для создания средств НК и Д новых поколений не- обходимо повысить эффективность координации акаде- мической, вузовской и отраслевой науки, международно- го сотрудничества путем создания совместных научно- технических программ и проектов, а также проведения регулярных международных выставок и конференций. Должна быть внедрена единая международная система сертификации персонала и техники НК и Д, значительно увеличена роль РОНКТД и улучшено взаимодействие с ЕФНК и МКНК. Член-корреспондент РАН, профессор В. В. Клюев
Глава 1 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ 1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СРЕДСТВ НК И Д Классификация. К средствам НК и Д относят кон- трольно-измерительную аппаратуру, в которой исполь- зуют проникающие поля, излучения и вещества для по- лучения информации о качестве исследуемых материа- лов и объектов. НК подразделяют на девять видов: маг- нитный, электрический, вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический и проникающими веществами. Каждый вид НК осуществ- ляют методами, которые классифицируют по следую- щим признакам: • характеру взаимодействия физических полей или веществ с контролируемым объектом; • первичным информативным параметрам; • способам получения первичной информации. В классификаторе все средства НК и Д разделены на семь основных групп, причем оптические и тепловые приборы отнесены к одной группе. Первые четыре знака классификатора (табл. 1) определяют общие отраслевые признаки средств НК и Д, пятый знак обозначает основ- ной физический метод, на основе которого создан при- бор. Шестой знак определяет класс аппаратуры по ос- новным приборным признакам. По техническому исполнению средства контроля можно подразделить на три класса: 1 - автономные приборы для контроля одной или не- скольких взаимосвязанных качественных характеристик; 2 - комплексные системы, автоматические линии и роботы-контролеры, предназначенные для определения ряда основных параметров, характеризующих качество объекта; 3 - системы НК и Д для автоматического управле- ния технологическими процессами по качественным признакам. По видам контролируемых параметров средства НК и Д разделяют на приборы-дефектоскопы (приборы или установки), предназначенные: • для обнаружения дефектов типа нарушений сплошности (трещин, раковин, расслоений и т.д.); • для контроля геометрических характеристик (наружные и внутренние диаметры, толщина стенки, покрытий, слоев, степень износа, ширина и длина изде- лия и т.д.); • для измерения физико-механических и физико- химических характеристик (электрических, магнитных и структурных параметров, отклонений от заданного хими- ческого состава, измерения твердости, пластичности, ко- эрцитивной силы, контроля качества упрочненных слоев, содержания и распределения ферритной фазы и т.п.); 1. Классификация приборов неразрушающего контроля качества материалов и изделий Код Приборы неразрушающего контроля 42 7610 Акустические для контроля методом: 42 7611 теневым 42 7612 эхо-импульсным 42 7613 резонансным 42 7614 свободных колебаний 42 7615 эмиссионным 42 7616 импедансным 42 7617 велосиметрическим 42 7618 Прочие 42 7620 Капиллярные для контроля методом: 42 7621 цветным (хроматическим) 42 7622 яркостным (ахроматическим) 42 7623 люминесцентным 42 7624 люминесцентно-цветным 42 7625 фильтрующихся частиц 42 7626 комбинированным 42 7628 Прочие 42 7630 Магнитные для контроля методом: 42 7631 магнитопорошковым 42 7632 магнитографическим 42 7633 магнитоферрозондовым 42 7634 индукционным 42 7635 пондеромоторным 42 7636 магнитополупроводниковым 42 7638 Прочие 42 7640 Оптические и тепловые Оптические для контроля методом: 42 7641 прошедшего излучения 42 7642 отраженного излучения 42 7643 собственного излучения Тепловые для контроля методом: 42 7644 прошедшего излучения 42 7645 отраженного излучения 42 7646 собственного излучения 42 7648 Прочие 42 7650 Радиационные для контроля методом: 42 7651 рентгеновским 42 7652 гамма 42 7653 бета 42 7654 нейтронным 42 7655 позитронным
10 ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ Продолжение табл. 1 Код Приборы неразрушающего контроля 42 7658 Прочие 42 7660 Радиоволновые для контроля методом: 42 7661 прошедшего излучения 42 7662 отраженного излучения 42 7663 собственного излучения 42 7668 Прочие 42 7670 Электромагнитные (вихревых токов) и электрические для контроля электромагнит- ным методом с использованием преобразова- телей: 42 7671 проходных 42 7672 накладных 42 7673 экранных 42 7674 комбинированных 42 7675 для контроля электрическим методом 42 7678 Прочие • технической диагностики для определения со- стояния изделий, возникновения и развития различного рода дефектов, в том числе нарушений сплошности, из- менения размеров и физико-механических свойств изде- лий за период эксплуатации изделий. Контролируемые параметры и дефекты. Выбор метода и прибора неразрушающего контроля для реше- ния задач дефектоскопии, толщинометрии, структуро- скопии и технической диагностики зависит от парамет- ров контролируемого объекта и условий его обследова- ния. Ни один из методов и приборов не является универ- сальным и не может удовлетворить в полном объеме требования практики. В соответствии с назначением приборов измеряемые и определяемые параметры и де- фекты разделяют на четыре группы (табл. 2). В соответствии с ГОСТ дефекты разделяют на яв- ные и скрытые, а также критические, значительные и малозначительные. Такое разделение дефектов проводят для последующего выбора вида контроля качества про- дукции (выборочный или сплошной). При любом методе контроля о дефектах судят по косвенным признакам (ха- рактеристикам), свойственным данному методу. Некото- рые из этих признаков поддаются измерению. Результа- ты измерения характеризуют выявленные дефекты и ис- пользуются для их классификации. Дефекты типа нарушений сплошности металла яв- ляются следствием несовершенства его структуры и воз- никают на разных стадиях технологического процесса. К дефектам тонкой структуры относят дислокации - осо- бые зоны искажений атомной решетки. Прочность дета- лей резко падает при определенном числе дислокаций в единице объема кристалла. Субмикроскопические трещины (размером порядка нескольких микрометров) образуются в процессе обра- ботки детали (например, шлифования) и резко снижают ее прочность, особенно при работе в условиях сложного напряженного состояния или воздействия поверхностно- активных сред. Если поврежденный поверхностный слой удалить, например путем электролитического растворе- ния, то прочность детали существенно повышается. Наи- более грубыми дефектами являются макроскопические, в ряде случаев видимые невооруженным глазом дефекты, представляющие собой нарушения сплошности или од- нородности материала, особенно резко снижающие прочность детали. Эти дефекты образуются в металле вследствие несовершенства технологического процесса и низкой технологичности многокомпонентных сплавов, при обработке которых требуется особенно точно со- блюдать режимы технологического процесса на каждом этапе. Встречающиеся в металлических изделиях и полу- фабрикатах дефекты различают по размерам и располо- жению, а также по природе их происхождения. Они мо- гут образоваться в процессе: • плавки и литья (раковины, поры, зоны рыхлоты, включения, ликвационные зоны, горячие трещины, не- слитины и т.д.); • обработки давлением (внутренние и поверхност- ные трещины, расслоения, пресс-утяжины, рванины, за- ковы, закаты, плены, флокены и т.д.); • термической и химико-термической обработки (зоны грубозернистой структуры, перегрева и пережога, термические трещины, несоответствие заданному значе- нию толщины закаленного, цементованного, азотиро- ванного и других слоев, а также толщины слоя гальвани- ческого покрытия и т.д.); • механической обработки (шлифовочные трещины, прижоги); 2. Классификация контролируемых параметров и дефектов Группа Параметры и дефекты I Дефекты типа нарушения сплошности: раковины, трещины, расслоения, поры и др. II Отклонения размеров - длины, ширины, высоты, диаметра, толщины стенки, а также толщины по- крытия и глубины поверхностного слоя (закаленного, обезуглероженного и т.д.) III Удельная электрическая проводимость, магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, остаточная индукция, твердость, влажность, напряжение, структура, химический состав, предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, плотность и др. IV Эмиссия волн напряжения, развитие во времени трещин, увеличение напряжений, утонение стенки, увеличение зазора и т.д.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СРЕДСТВ НК И Д И • сварки, пайки, склеивания (непровар, трещины, непропай, непроклей); • хранения и эксплуатации (коррозионные пораже- ния, усталостные трещины, трещины термической уста- лости, ползучести) и т.д. Для указанных дефектов характерен один общий признак: они вызывают изменение физических характе- ристик материала, таких как удельная электрическая проводимость, магнитная проницаемость, коэффициент затухания упругих колебаний, плотность, коэффициент ослабления излучений и т.д. В табл. 3 приведены виды дефектов металла и ре- комендуемые для их выявления виды НК и Д. Оценка выявляемое™ каждого типа дефекта дана по пятибалль- ной системе. 3. Оценка выявляемое™ дефектов в металле различными видами НК и Д Вид дефекта Вид НК и Д Оптический Радиационный Магнитный Капиллярный Вихретоковый Акустический Включения неметалличе- ские, шлаковые, флюсовые 0 4 0 0 2 4 Вмятины 4 0 0 0 2 0 Волосовины 0 0 5 0 3 0 Г рубозернистость околошовной зоны 0 0 0 0 2 4 Закаты 2 0 0 2 3 3 Заковы 2 0 2 2 3 3 Заливины Коррозия: 4 0 0 0 2 0 атмосферная 3 0 0 3 4 4 межкристаллитная атмосферная 4 0 0 4 4 0 поверхностная газовая 3 0 0 4 4 4 высокотемпературная межкристаллитная 3 0 0 4 4 4 поверхностная Ликвация: 3 0 0 4. 4 0 дендритная 0 2 0 0 0 0 зональная 0 2 0 0 0 0 по плотности 0 2 0 0 0 0 Металлургические дефек- ты сварного шва Нарушение диффузионного 0 4 3 0 2 4 сцепления 0 0 0 0 0 4 Науглероживание 0 0 4 0 4 0 Непровар 0 3 3 0 0 4 Непроклей 0 0 0 0 0 4 Непропай 0 3 0 0 0 4 Неслитины Несоответствие заданной 2 2 0 0 2 3 структуре 0 0 3 0 4 0 Продолжение табл. 3 Вид дефекта Вид НК и Д Оптический Радиационный Магнитный Капиллярный Вихретоковый Акустический Несоответствие толщины закаленного слоя при обработке ТВЧ Несоответствие заданному 0 0 4 0 4 4 значению толщины цемен- тированного, азотирован- ного, оксидированного и других слоев То же, для гальванического 0 0 3 0 4 3 покрытия 0 0 4 0 4 0 Обезуглероживание 0 0 4 0 4 0 Окислы, плены, корочки 0 0 0 2 2 3 Перегрев 0 0 3 0 3 3 Пережог 0 0 3 0 3 3 Плены Механические 3 0 0 0 0 0 повреждения поверхности 4 0 0 0 0 0 Газовая пористость 0 4 2 2 4 3 Пресс-утяжины 0 4 0 0 0 5 Прижоги 0 0 5 0 3 0 Пузыри газовые 0 0 0 0 0 3 Пятна мягкие 0 0 0 0 4 0 Разнотолщинность (листов) Разностенность прессован- ных или тянутых полуфабри- 0 3 3 0 3 5 катов в поперечном сечении То же, для труб, полок, профилей в продольном 0 3 3 0 3 5 направлении 0 1 3 0 3 5 Разрывы внутренние 0 1 0 0 0 4 Раковины усадочные 0 4 0 0 0 4 Расслоения 0 0 0 0 0 4 Рыхлота усадочная Расслоения: 0 4 0 2 0 3 деформационные 0 0 0 0 0 4 продольного шва 0 0 0 0 4 4 Растрескивание коррози- онное под напряжением Растрескивание 0 0 3 4 4 4 при хранении 3 0 4 4 4 4 Рванины 5 0 0 4 4 4 Риски 4 0 0 4 4 2 «Скворечники» 2 4 0 0 2 4 Структура грубозернистая 0 0 3 0 3 3
12 ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ Продолжение табл. 3 Вид НК и Д «5 3 «в «8 S J3 «5 3 1 X Вид дефекта X о <и х о X X О. е; о X о CJ У X с О э X S CU X св £ е; X X св X. S о. X X со X & < Трещины: водородные 0 0 5 5 5 5 горячие 0 3 0 2 2 4 клепаных соединений 0 3 2 0 4 4 контактные 3 0 3 0 3 3 отделочные 0 0 4 4 4 4 отслаивания 0 0 3 3 2 4 поверхностные, внутренние 2 2 2 2 2 4 ползучести рихтовочные, 3 0 3 4 4 4 монтажные 0 4 4 5 5 5 сварочные 0 4 3 0 2 5 термические (в том числе закалочные) 0 0 4 4 4 4 термической усталости 3 0 0 4 4 4 усталостные 3 3 4 4 4 4 холодные 2 3 0 2 2 4 шлифовочные 0 0 5 5 4 0 Микротрещины закалочные 0 0 0 3 3 1 Флокены 0 0 4 0 0 4 Примечание. Оценка видов НК и Д: 5 - отличная; 4 - хорошая; 3 - удовлетворительная; 2 - нерекомендуемый вид НК и Д; 0 - неудовлетворительная. Вид проводимого контроля может зависеть от вида технологического процесса. В табл. 4 приведены реко- мендуемые виды НК и Д для технологических операций, выполняемых при изготовлении электронных приборов. При контроле для каждого дефекта независимо от его вида или типа может быть определен конкретный характеристический размер. При радиографии и элек- тромагнитных методах контроля характеристическим размером является отношение глубины дефекта к тол- щине металла (безразмерная величина); при ультразву- ковом контроле - эквивалентная площадь дефекта (мм2) или условный коэффициент выявляемое™ дефекта (без- размерная величина). Для изделий одного типа характеристические раз- меры дефектов изменяются в определенном интерва- ле и обусловлены большим числом случайных факторов. Если их значения подчиняются нормальному закону с плотностью вероятности Ф*,(Я)= (Sfa-S*,)2 1 2а?. ~г=-------е V2jtCTw 4. Оценка выявляемое™ дефектов различными видами НК и Д при выполнении технологических операций (производство электронных приборов) Т ехнологическая операция Вид НК и Д Вихретоковый Радиационный Акустический Капиллярный Магнитный Радиоволновой Тепловой Оптический Пайка 4 4 0 0 0 0 3 0 Протягивание 0 4 0 2 0 3 0 3 Сварка 4 4 0 2 3 0 3 0 Опрессовка 0 3 3 2 2 2 2 0 Откачка 0 0 0 4 0 4 0 0 Удаление частиц 0 2 0 0 0 0 0 3 Юстировка 0 3 0 0 0 2 2 4 Регулировка в допуск 0 3 0 0 0 2 0 4 (здесь Ski- центр рассеяния - среднее значение харак- теристического размера дефекта типа к и вида /; - среднее квадратическое отклонение характеристи- ческого размера дефекта типа к и вида /), то вероятность Pki(Ski > So) того, что значения характеристического раз- мера дефектов Ski превышают заданное 5о, составит Pki($ki > ^0) - (Sti-Su)2 е 2°« dSh.. 1 Величина характеризует различие в выявляемо- сти однотипных и равновеликих дефектов. При нераз- рушающем контроле в зависимости от условий контроля и размеров дефект может быть выявлен или не выявлен. Минимальное значение характеристического размера дефекта изделия, фиксируемого при контроле с вероят- ностью более 0,99, определяет предельную чувствитель- ность прибора НК и Д. При радиографическом методе чувствительность определяют по изображению на снимке проволочного, канавочного или пластинчатого эталона с помощью формул и выражают в миллиметрах или процентах. Предельная чувствительность дефектоскопа харак- теризуется минимальным размером дефекта, который еще может быть обнаружен с заданной вероятностью в данном изделии при данной настройке аппаратуры. Каж- дому варианту контроля может соответствовать своя предельная чувствительность для одного и того же изде- лия. При одной и той же настройке аппаратуры при кон- троле разных изделий, например из различных материа- лов, прибор имеет разные значения предельной чувстви- тельности. Под надежностью понимают свойство объекта со- хранять во времени в установленных пределах значения
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СРЕДСТВ НК И Д 13 всех параметров, характеризующих способность выпол- нять требуемые функции в заданных режимах и услови- ях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Надежность прибора повышается в результате систематических проверок ос- новных его параметров, а в случае автоматизированного процесса контроля - при введении блоков автоконтроля. Надежность оператора характеризуется вероятно- стью точного выполнения в течение времени возложен- ных на него функций контроля данного изделия в задан- ных условиях. Повышению надежности оператора спо- собствует введение в алгоритм работы оператора опера- ций самоконтроля, а также введение в систему контроля изделий инспекционного контроля. За показатель надежности комплекса «прибор - оператор» можно принимать вероятность осуществле- ния возложенных на комплекс «прибор - оператор» функций контроля в заданных условиях контроля. В рассматриваемом комплексе плохое состояние аппаратуры отрицательно влияет на работоспособность оператора, а низкая надежность работы оператора уско- ряет износ аппаратуры. Поэтому в общем случае показа- тель надежности комплекса не может являться произве- дением показателей надежности прибора и оператора. Вероятность образования дефектов с учетом их по- тенциальной опасности характеризует надежность тех- нологического процесса производства изделия. Чем ниже надежность технологического процесса производства, тем больше должна быть надежность применяемых средств контроля. Вероятность образования дефектов, их потенциаль- ная опасность и вероятность выявления отдельными ме- тодами, обусловливающие выбор эффективных средств контроля качества изделий, могут быть установлены только на основе обработки статистических данных контроля. Применение средств НК и Д на различных ста- диях производства. Эффективность применения средств НК и Д определяется сокращением суммарных расходов на разработку, производство и эксплуатацию промыш- ленной продукции. Назначение вновь создаваемого изделия во многом предопределяет конструкцию, технологию изготовления, требования к надежности, долговечности, стоимости, а также объемы применения методов и средств контроля на всех этапах изготовления и эксплуатации. На стадии научно-исследовательских и опытно- конструкторских работ по созданию изделий средства НК и Д применяют: • для получения необходимых данных, подтвер- ждающих правильность выбранных решений; • для сокращения времени и объемов необходимых исследований; • для отбора материалов, компонентов и оборудо- вания, обеспечивающих получение продукции необхо- димого качества с минимальными материальными и тру- довыми затратами. На этом этапе выбирают оптимальные методы и средства контроля, разрабатывают основные техниче- ские требования к эталонам и критерии приемки деталей. На этапе производства и испытаний опытной пар- тии деталей средства НК и Д используют для отработки технологических процессов и конструкций, а также при испытаниях изделий. По результатам контроля вносят изменения в конструкцию и технологические процессы с целью снижения материалоемкости и трудоемкости про- изводства, повышения надежности и долговечности про- дукции. На этом этапе устанавливают необходимые тех- нические требования к НК и Д качества изделия. При производстве, испытаниях и гарантийном об- служивании серийной продукции средства НК и Д ис- пользуют: • для выявления соответствия материалов, полу- фабрикатов и готовых изделий заданным техническим требованиям (пассивный контроль); • для целей управления и регулирования техноло- гических процессов (активный контроль). При эксплуатации и ремонте изделий и оборудова- ния с помощью средств НК и Д предотвращаются по- ломки и аварии, сокращаются простои и эксплуатацион- ные расходы, увеличиваются сроки эксплуатации и меж- ремонтных периодов, а также сокращаются продолжи- тельность и стоимость ремонтов. На основании резуль- татов НК и Д изделие может быть изъято из эксплуата- ции. Эффективность применения НК и Д определяется его принципиальными преимуществами по сравнению с визуальным осмотром и разрушающими испытаниями изделий. Методы контроля, основанные на визуальном ос- мотре поверхности изделий, просты, не требуют высокой квалификации контролеров и применения сложной доро- гостоящей аппаратуры. В то же время они малопроизводительны, не могут быть полностью автоматизированы и являются субъек- тивными, так как достоверность результатов зависит от самочувствия, опыта и добросовестности контролеров. Дефекты многих видов не имеют выхода на поверхность или не видны даже при просмотре с увеличением. К преимуществам разрушающих испытаний следует отнести то, что в процессе испытаний можно измерить разрушающие нагрузки или другие характеристики, оп- ределяющие эксплуатационную надежность изделия. Принципиальным недостатком разрушающих испы- таний является то, что они проводятся выборочно, т.е. только на части изделий партии. Поскольку испытывае- мые материалы и изделия разрушаются в процессе кон- троля, достоверность разрушающих методов зависит от однородности исследуемых свойств в образцах и издели- ях, а также от сходства условий испытаний с условиями эксплуатации. По сравнению с НК и Д разрушающие испытания, как правило, более трудоемки, менее произ- водительны и труднее поддаются автоматизации. Одной из современных тенденций в использовании испытательной техники является стремление сочетать разрушающие и неразрушающие методы контроля. С помощью НК и Д изделия сортируют по различ- ным группам качества. Разрушающие испытания образ- цов, взятых из каждой группы, позволяют установить соответствие эксплуатационных характеристик изделия измеренным. Если эти связи установлены достаточно
14 ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ точно, то НК и Д позволяет резко сократить объем и пе- риодичность разрушающих испытаний. В этом случае разрушающие испытания проводятся в основном для периодической проверки результатов НК и Д. Во многих случаях применения средств НК и Д не удается точно оценить экономический эффект, получен- ный при эксплуатации проконтролированной продукции, особенно когда контроль направлен на обеспечение не- обходимой безопасности, надежности и долговечности работы сложных машин и агрегатов. В этих случаях кри- терии приемки материалов и изделий непосредственно связаны с желаемым уровнем качества, который, в свою очередь, зависит от того, насколько важную роль играет данный компонент или узел в изделии. В зависимости от связи между этими факторами могут быть установлены следующие уровни качества: • первый - для критических компонентов, т.е. для таких конструктивных элементов, отказ которых приво- дит к отказу всей системы или даже к аварии (например, двигатель или шасси самолета); • второй - для некритических компонентов, т.е. для конструктивных элементов, отказ которых не приводит к аварии, но может нарушить нормальную работу системы или объекта. Такие компоненты требуют плановых ос- мотра и ремонта (например, лонжерон или тяга управле- ния самолета); • третий - для неответственных конструктивных элементов, отказ которых может привести к некоторым неудобствам (например, осветительные приборы, преду- предительные надписи установок и т.д.). Установление и определение требуемого уровня ка- чества изделия являются одной из наиболее сложных про- блем, которая часто не имеет математического решения. Для определения приемлемых уровней качества ис- пользуют теоретические исследования нагрузок и стати- стический анализ экспериментальных данных. В резуль- тате эксперимента должны быть выявлены корреляцион- ные или другие виды связи между результатами нераз- рушающих и разрушающих испытаний. Наиболее часто уровень качества устанавливают, сравнивая деталь с аналогичными, успешно применявшимися ранее. В случае трудности получения информации при теоретических расчетах и статистических экспериментах источником данных для установления уровня качества может служить предшествующий опыт. При этом имеет- ся гарантия того, что материалы или компоненты будут удовлетворительно выполнять свои функции. Кроме то- го, такой подход является наиболее приемлемым с эко- номической точки зрения. Практика показывает, что нельзя устанавливать уровень качества детали ниже того, который был достигнут для аналогичных изделий. При разработке методик по НК и Д и установлении уровней качества новых конструкций и материалов изго- товляют опытные партии деталей, которые подвергают неразрушающим испытаниям для обнаружения внешних и внутренних дефектов. При этом регистрируют частоту появления и характер всех обнаруженных дефектов. Де- тали с наихудшим качеством по результатам НК и Д подвергают разрушающим испытаниям и ускоренным испытаниям на долговечность. В случае обнаружения отказов испытывают следующую деталь с худшим каче- ством. Этот процесс продолжается до тех пор, пока одна из деталей не пройдет все виды испытаний. Уровень ка- чества этой детали принимают за минимальный уровень разбраковки. Если позволяет время, то детали испытывают на долговечность для подтверждения факта, что отказ не вызван перегрузкой или усталостью от циклических на- грузок. При испытании на долговечность детали следует периодически осматривать и подвергать НК и Д, чтобы определить, как увеличиваются размеры первоначальных неоднородностей и какие из них приводят к раннему выходу из строя всего изделия. Средства НК и Д применяют во всех отраслях на- родного хозяйства. С их помощью контролируют качест- во деталей и конструкций различных размеров, изготов- ленных из разнообразных материалов. Примеры приме- нения основных методов неразрушающего контроля на- рушения сплошности, размеров и физико-механических свойств изделий приведены в табл. 5 - 7. В качестве объ- ектов контроля выбраны наиболее массовые изделия из ферромагнитных и неферромагнитных металлов, а также диэлектриков. Каждый метод контроля качества оцени- вается по пятибалльной системе. При изготовлении, эксплуатации и ремонте в объек- те могут образоваться дефекты различного типа к (рако- вины, трещины, непровары, металлические и неметалли- ческие включения, зоны крупнозернистой структуры, несоответствия заданному значению толщины стенок, закаленного слоя, гальванического покрытия и др.), где к = 1, kQ . В общем случае дефект потенциально опасен и может привести к возникновению в объекте аварийной ситуации, т.е. такого состояния объекта, когда его даль- нейшее использование по прямому назначению невоз- можно или небезопасно. В соответствии с этим потенциальную опасность (вид) дефекта характеризуют вероятностью Р(А) воз- никновения аварийной ситуации в объекте из-за дефекта при регламентированных режимах и условиях его экс- плуатации в течение заданного периода времени, если в объекте этот дефект единственный. В объекте могут быть дефекты различного вида f, где i = 1, z0 . При этом каждому дефекту вида i независимо от типа к соответст- вует своя потенциальная опасность Р(А^ Для дефектов вида «критические» Р(А^ —> 1, для дефектов вида «ма- лозначительные» P(JM) —> 0. Дефекты одного типа к и размеров в зависимости от места расположения и условий работы объекта могут быть отнесены к различным видам /, в то же время де- фекты различного типа к могут принадлежать к единому виду z. При любом методе НК о дефектах судят по косвен- ным признакам (характеристикам). Характеристики, из- меряемые при выявлении дефекта данным методом и в совокупности позволяющие с определенной достоверно- стью оценить образ дефектов и идентифицировать их по типам и видам в соответствии с заданными граничными значениями этих характеристик, образуют измеряемые
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СРЕДСТВ НК И Д 15 5. Оценка выявляемости дефектов типа нарушения сплошности различными видами НК и Д Объекты контроля Вид НК и Д Радиа- цион- ный Аку- стиче- ский Вихре- токо- вый Маг- нитный Капиллярный (проникающими веществами) Теп- ловой Опти- ческий Радио- вол- новой Неферромагнитные материалы Проволока диаметром, мм: 0,01 - 1 0 5 5 0 0 3 4 0 1-14 4 5 5 0 0 0 4 0 Прутки диаметром, мм: 3-40 5 5 5 0 0 0 4 0 30-100 5 5 5 0 0 0 4 0 Трубы диаметром, мм: 3-30 4 5 5 0 0 0 4 0 30-156 5 5 5 0 0 0 4 0 156-1000 5 5 5 0 0 0 4 0 Листы, плиты толщиной, мм: 0,1-1 4 5 5 0 4 3 4 3 0,1-3,9 5 5 5 0 4 0 4 0 4 - 10 и более 5 5 5 0 4 0 4 0 Сортовой прокат 5 5 4 0 4 0 4 0 Отливки 5 4 3 0 5 0 4 0 Металлургические заготовки (слябы, слитки) 5 4 0 0 5 3 4 0 Ферромагнитные материалы Проволока 4 5 5 5 0 3 4 0 Прутки диаметром, мм: 3-40 5 5 5 5 0 0 4 0 30-100 5 5 5 5 0 0 . 5 0 Трубы сварные диаметром, мм: 3-30 4 5 5 5 4 0 4 0 30-156 5 5 5 5 4 0 4 0 156-1000 5 5 5 5 4 0 4 0 Листы, плиты толщиной, мм: 0,1-1 5 5 5 5 4 3 4 3 0,1 -3,9 5 5 5 5 4 0 4 0 4 - 10 и более 5 5 5 4 4 0 4 0 Сортовой прокат 5 5 4 5 4 0 4 0 Отливки 5 4 0 4 4 0 4 0 Металлургические заготовки (слябы, слитки) 5 4 4 3 4 4 4 0 Диэлектрики Резина 5 4 0 0 4 0 4 5 Керамика, металлокерамика 5 4 0 0 4 3 4 5 Бетон, железобетон 5 3 0 0 4 0 4 5 Монокристаллы 3 4 0 0 0 5 4 5 Многослойные материалы 4 5 0 0 0 3 0 5 Стекло 3 4 0 0 0 3 5 3 Стеклопластики 3 4 0 0 5 5 5 5 Соединения Сварные 5 5 3 5 4 3 0 0 Клееные 3 5 0 0 4 4 4 5 Паяные 5 5 3 0 3 3 0 0 Резьбовые 0 0 3 5 4 0 0 0 Детали и изделия Железнодорожные рельсы 3 5 3 4 3 0 0 0 Многослойные конструкции из пластиков и стеклопластиков 3 4 3 0 0 3 0 4 Радиоэлектронные схемы и детали 4 0 0 0 0 5 3 4 Электровакуумные приборы 4 0 0 0 0 3 3 3 Котлы и радиаторы 5 4 4 3 4 3 4 0 Примечание. Оценка вида НК и Д: 5 - отличная; 4 - хорошая; 3 - удовлетворительная; 0 - неудовлетворительная.
16 ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ 6. Оценка применяемости видов НК и Д при определении размеров Объекты контроля Вид НК и Д Вихре- токо- вый Маг- нитный Тепло- вой Опти- ческий Радио- волно- вой Радиа- цион- ный Аку- стиче- ский Неферромагнитные материалы Проволока диаметром, мм: 0,01 - 1 4 0 3 5 4 3 0 1-14 3 0 3 5 3 5 4 Прутки диаметром, мм: 3-40 3 0 3 5 . 4 5 5 30-100 3 0 3 5 4 5 5 Трубы диаметром, мм: 3-30(/ = 0,1... 10) 3 0 3 5 4 4 5 30- 156 (1 = 0,1 ... 52) 3 0 3 5 4 4 5 156-1000(/ = 3 ... 300) 4 0 3 5 4 4 5 Листы, плиты толщиной, мм: 0,01 - 1 5 0 3 5 4 5 5 0,1-3,9 4 0 3 5 4 5 5 4 - 10 и более 3 0 3 5 4 5 5 Сортовой прокат 0 0 3 5 3 5 5 Отливки 0 0 3 5 0 4 4 Металлургические заготовки (слябы, слитки) 0 0 3 5 0 5 4 Ферромагнитные материалы Проволока диаметром, мм: 1-14 4 3 3 5 3 3 4 Прутки диаметром, мм: 3-40 3 3 3 5 4 5 5 30-100 3 3 3 5 4 5 5 Трубы сварные диаметром, мм: 3 - 30 (/ = 0,1 ... 10) 3 5 3 5 3 3 5 30- 156 (Г = 0,1 ...52) 3 5 3 5 3 3 5 156- 1000 (Г = 3 ...300) 3 4 3 5 3 3 5 Листы, плиты толщиной, мм: 0,01 - 1 5 5 3 5 4 5 5 1-3,9 4 5 3 5 4 5 5 4 - 10 и более 3 3 3 5 4 5 5 Сортовой прокат 0 0 3 5 3 5 5 Отливки 0 0 3 5 0 3 4 Металлургические заготовки (слябы, слитки) 0 0 3 5 0 5 4 Диэлектрики Резина, полимеры 0 0 4 5 4 3 3,4 Керамика, металлокерамика 0 0 4 5 4 3 4 Бетон, железобетон 0 0 0 5 4 3 5 Монокристаллы 0 0 4 5 0 3 5 Многослойные материалы 0 0 4 5 4 3 3 Стекло 0 0 3 4 3 3 4 Стеклопластики 0 0 4 5 5 3 4 Покрытия на основе ферромагнитной: токопроводящие 3 5 0 0 0 5 0 нетокопроводящие 5 5 0 0 4 5 0 неферромагнитной: токопроводящие 4 0 0 0 0 5 0 нетокопроводящие 5 0 • 0 0 4 5 0 токопроводящие на немагнитной нетокопроводящей основе 5 0 0 0 0 5 0 Детали и узлы Детали машин и аппаратов ферромагнитные 3 4 3 4 0 3 4 Детали машин и аппаратов неферромагнитные 3 0 3 4 0 3 4 Многослойные конструкции из пластика и стеклопластика 0 0 4 0 4 3 3,4 Примечания: 1. г - толщина стенки трубы. 2. Оценка вида НК и Д: 5 - отличная; 4 - хорошая; 3 - удовлетворительная; 0 - неудовлетворительная.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СРЕДСТВ НК И Д 17 7. Оценка применимости различных видов НК и Д при определении физико-механических свойств Объект контроля Вихре- токовый Магнит- ный Тепло- вой Оптиче- ский Радио- волно- вой Акусти- ческий Неферромагнитные материалы Проволока диаметром, мм: 0,01 - 1 5 0 3 0 3 4 1-14 5 0 3 0 3 4 Прутки диаметром, мм: 3-40 5 0 3 0 3 4 30- 100 4 0 3 0 3 4 Трубы диаметром, мм: 3-30 4 0 0 0 0 4 30- 156 4 0 0 0 0 5 156-1000 4 0 0 0 0 5 Листы, плиты толщиной, мм: 0,01 - 1 4 0 3 0 3 4 0,1-3,9 4 0 0 0 3 5 4 - 10 и более 4 0 0 0 3 5 Сортовой прокат 3 0 3 0 3 4 Отливки 3 0 0 0 3 4 Металлургические заготовки (слябы, слитки) 3 0 0 0 3 4 Ферромагнитные материалы Проволока диаметром, мм: 1-14 5 5 3 0 3 4 Прутки диаметром, мм: 3-40 3 5 3 0 3 4 30-100 3 5 3 0 3 4 Трубы сварные диаметром, мм: 3-30 3 4 3 0 3 4 30-156 3 4 3 0 3 5 156- 1000 3 4 3 0 3 5 Листы, плиты толщиной, мм: 0,01 - 1 5 5 3 0 3 4 0,1-3,9 3 5 3 0 3 5 4- 10 и более 3 4 3 0 3 5 Сортовой прокат 3 4 3 0 0 4 Металлургические заготовки (слябы, слитки) 3 4 3 0 0 4 Диэлектрики Резина, полимеры 0 0 3 0 5 0 Керамика, металлокерамика 0 0 4 0 5 4 Бетон, железобетон 0 0 0 0 4 5 Монокристаллы 0 0 4 0 4 4 Многослойные материалы 0 0 5 5 4 4 Стекло 0 0 3 5 3 4 Стеклопластики 0 0 5 5 4 4 Соединения Сварные 3 3 3 0 0 3 Паяные 3 3 3 0 0 3 Клеевые 0 0 3 0 3 3 Покрытия на основе ферромагнитной: токопроводящие 3 0 3 0 0 0 нетокопроводящие 0 0 3 0 5 0 неферромагнитной: токопроводящие 3 0 3 0 0 0 нетокопроводящие 0 0 3 0 5 0 токопроводящие на немагнитной нетокопроводящей основе 3 0 4 0 0 0 Детали и изделия Железнодорожные рельсы 3 4 0 0 0 5 Многослойные конструкции из пластика и стеклопластика 0 0 3 0 4 4 Примечание. Оценка вида НК и Д: 5 - отличная; 4 - хорошая; 3 - удовлетворительная; 0 - - неудовлетворительная.
18 ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ характеристики дефектов. Измеряемую характеристику дефекта, по значению которой при данном методе НК и Д принимают решение об отсутствии или о возможном обнаружении дефекта, называют главной измеряемой характеристикой. 1.2. СТАНДАРТИЗАЦИЯ НК И Д В соответствии с международным стандартом ИСО 8402:1994 «качество - совокупность характеристик объекта, которые придают ему способность удовле- творять установленные и предполагаемые потребно- сти». Объектами являются продукция, процесс, услуга, деятельность, система и т.д., и каждый из них описыва- ется совокупностью характеристик и параметров, кото- рые подлежат нормированию и оценке путем измерений, контроля либо испытаний. Надлежащее качество определяется результатом со- вокупной деятельности стандартизации, метрологии и оценки соответствия (сертификации). Учитывая важную роль каждого из этих видов деятельности, в Российской Федерации приняты законы «О стандартизации», «Об обеспечении единства измерений» и «О сертификации продукции и услуг». Закон «О стандартизации» установил правовые ос- новы стандартизации в стране, обязательные для всех юридических и физических лиц, и определил меры госу- дарственной защиты интересов потребителей и государ- ства посредством применения нормативных документов по стандартизации. В этом законе сформулировано определение поня- тия: «стандартизация - это деятельность по установле- нию норм, правил и характеристик в целях обеспечения: безопасности продукции, работ и услуг для окружающей среды, жизни, здоровья и имущества; технической и ин- формационной совместимости, а также взаимозаменяе- мости продукции; качества продукции, работ и услуг в соответствии с уровнем развития науки, техники и тех- нологии; единства измерений; экономии всех видов ре- сурсов; безопасности хозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катаст- роф и других чрезвычайных ситуаций; обороноспособ- ности и мобилизационной готовности страны». Неразрушающий контроль, обеспечивая возмож- ность проверки характеристик и параметров изделий, процессов и услуг, является одним из основных способов достижения цели стандартизации и качества в широком смысле. Государственное управление стандартизацией в Российской Федерации осуществляет Госстандарт Рос- сии путем планирования разработки стандартов и их ут- верждения. В соответствии с существующим определением «стандарт - это нормативно-технический документ по стандартизации, устанавливающий комплекс норм, пра- вил, требований к объекту стандартизации и утвержден- ный компетентным органом». К нормативным документам по стандартизации от- носятся: а) государственные стандарты Российской Федера- ции (далее - государственные стандарты); применяемые в установленном порядке международные (региональ- ные) стандарты, правила, нормы и рекомендации по стандартизации; общероссийские классификаторы тех- нико-экономической информации; б) стандарты отраслей промышленности; стандарты предприятий; стандарты научно-технических, инженер- ных обществ и других общественных объединений. В области НК и Д к объектам стандартизации отно- сятся: термины и определения; технические условия и технические требования к средствам НК и Д, устройст- вам и образцам; параметры и размеры; типы и марки; конструкции приборов и образцов; правила приемки, методы испытаний (контроля, анализа, измерений); ме- тоды и средства поверки мер и измерительных приборов; правила эксплуатации и ремонта; правила маркировки, упаковки, транспортирования и хранения; нормы точно- сти и т.п. В Российской Федерации действует государствен- ная система стандартизации (ГСС), содержащая ком- плекс государственных стандартов, которая определяет организационные, методические и практические основы стандартизации и в целом является основой деятельно- сти по стандартизации в области НК и Д. Стандартизация в области НК и Д руководствуется в основном помимо ГСС также системами стандартов ГСИ (государственная система обеспечения единства измерений), ЕССП (единая система стандартов приборо- строения), ЕСКД (единая система конструкторской до- кументации). Непосредственно для НК и Д существует система стандартов «Контроль неразрушающий», кото- рая охватывает основные этапы функционирования и жизненного цикла методов и средств НК. Стандарты ГСС устанавливают требования к еди- ницам физических величин и их эталонам, поверочным схемам, метрологическим характеристикам средств из- мерений, методам обработки результатов наблюдений, классам точности средств измерений, нормальным усло- виям измерений при поверке, методикам выполнения измерений, стандартным образцам состава и свойств веществ и материалов, государственному надзору и ве- домственному контролю за средствами измерений и т.д. Очевидно, что руководство требованиями стандартов ГСС способствует созданию нормативных документов для обеспечения единства измерений в области НК и Д. В настоящее время разработаны основополагающие стандарты в области НК и Д. В частности, стандартизованы термины и определе- ния, которые применяют для таких объектов НК, как аппаратура для рентгеноструктурного и рентгеноспек- трального анализа; узлы и устройства гамма-аппаратов; средства рентгенорадиометрического анализа; приборы для определения физико-химических свойств и состава веществ; приборы рентгеновские; техническая диагно- стика; контроль акустический, радиационный, вихрето- ковый, магнитный, оптический, капиллярный, радиовол- новой, тепловой, электрический, течеискание; в областях измерений толщины покрытий и шероховатости поверх-
СТАНДАРТИЗАЦИЯ НК И Д 19 ности; дефекты огнеупорных изделий; машины для оп- ределения механических свойств материалов. Стандартизованы классификация видов НК и ос- новные методы НК следующих дефектов: • нарушения сплошности (методы - радиографиче- ский, ультразвуковые, капиллярные, акустические, ра- диационные, феррозондовый, магнитопорошковый, оп- тические, радиоволновые, тепловые, магнитографиче- ский, люминесцентный, рентгенотелевизионный, элек- трографический, масс-спектрометрический, на герме- тичность); • толщины покрытий, листов и стенок труб (мето- ды - радиационный, магнитный, ультразвуковой); • состава и свойств материалов (методы - рентге- нофлюоресцентный, радиоизотопный, ультразвуковой, вихретоковый, магнитный, механические); • шероховатости поверхности (методы - оптиче- ский, интерференционный, профилографический). Разработаны государственные стандарты на техниче- ские условия и технические требования к приборам и ме- рам, применяемым в НК и Д (толщиномеры радиоизотоп- ные, меры поверхностной плотности для радиоизотопных толщиномеров, меры поверхностной плотности и толщи- ны для радиоизотопных толщиномеров проката черных металлов, толщиномеры ультразвуковые, комплект стан- дартных образцов для ультразвукового контроля изделий из алюминиевых сплавов, гамма-дефектоскопы, аппараты рентгеновские для промышленной дефектоскопии, де- фектоскопы на базе ускорителей заряженных частиц, приборы радиоволновые, преобразователи ультразвуко- вые, дефектоскопы рентгенотелевизионные с рентгенов- скими электронно-оптическими преобразователями, де- фектоскопы электрорентгенографические, образцы шеро- ховатости поверхности (сравнения), плотномеры радио- изотопные жидких сред и пульп, влагомеры-плотномеры радиоизотопные переносные для бетонов и грунтов, об- лучатели ультрафиолетовые, диагностика и контроле- пригодность). Стандартизованы номенклатура показателей, типы, основные параметры и размеры приборов, принадлежно- стей и устройств, применяемых в НК и Д (видиконы рентгеновские, аппараты рентгеновские, приборы опти- ческие и профилографы-профилометры для контроля шероховатости поверхности, приборы для контроля ка- чества материалов). Группа стандартов предназначена для измерений параметров ультразвуковых дефектоскопов и преобразо- вателей и их испытаний, а также измерений характери- стик материалов. Стандартизованы и включены в ГСИ вопросы мет- рологического обеспечения приборов НК и Д. Разрабо- таны стандарты и нормативные документы по метроло- гии на государственные поверочные схемы для средств измерений толщины покрытий, поверхностной плотно- сти покрытий, шероховатости поверхности, на методы и средства испытаний и поверки толщиномеров покрытий, толщиномеров ультразвуковых, электромагнитных и ультразвуковых дефектоскопов, рентгенорадиометриче- ских приборов, ультразвуковых преобразователей, мер толщины покрытий, стандартных образцов толщины, образцов шероховатости и т.п. Все средства НК и Д, прошедшие испытания и включенные в Государственный реестр средств измере- ний, обеспечиваются стандартизованными методиками поверки. Применение принципов агрегатирования и унифи- кации при стандартизации в области НК позволило обеспечить конструктивную, энергетическую, метроло- гическую и методическую совместимость приборов НК и Д благодаря установлению параметрических рядов ха- рактеристик и размеров отдельных элементов и узлов, напряжения питания, входных и выходных электриче- ских сигналов, частот преобразователей, программного обеспечения, параметров окружающей среды, нормаль- ных условий измерений и поверки. Стандартами установлены группы исполнений приборов в зависимости от температуры и влажности окружающей среды: Bl, В2, ВЗ, ВХ, В4, Cl, С2, СХ, СЗ,С4,Д1,Д2, ДХ, Д4. Кроме того, в зависимости от условий эксплуата- ции установлены следующие исполнения приборов НК и Д: обыкновенное, пылезащищенное, водозащи- щенное, защищенное от агрессивной среды, взрывобезо- пасное, защищенное от других внешних воздействий. Стандартизованы пределы значений входных и выходных аналоговых сигналов: • постоянного тока 0 ... 15 мА (при нагрузке 0 ... 250 кОм) и 0 ... 20 мА (при нагрузке 0 ... 1 кОм); • напряжения постоянного тока 0 ... 1 В (в зависи- мости от ТЗ) и 0 ... 10 В (при нагрузке более 2 кОм). Для входных и выходных импульсных сигналов установлен следующий ряд номинальных значений: • амплитуды импульсов, В: 1,2; 8; 24; НО с допус- ками ± 10 и ±20 %; • длительности импульсов, активные длительности фронтов и спадов, промежутки между импульсами, с: (1; 2; 2,5; 4,5; 8) Юл , где п - любое число (положитель- ное или отрицательное) или ноль; • электрическое питание приборов НК и Д должно соответствовать принятым стандартным значениям на- пряжений сети с допусками + 10 и - 15 % и частотами 50 ± 1 Гц и 400 ± 12 Гц. Стандартизованы показатели надежности и их нор- мируемые численные значения. По устойчивости к механическим воздействиям стандартами предусмотрены обыкновенные и вибро- устойчивые исполнения средств НК и Д для определен- ных частот и амплитуд механических колебаний. Установлены требования к воздействию на приборы внешних постоянных и переменных магнитных полей с частотой 50 Гц и напряженностью до 400 А/м. Содержание, построение и оформление технических условий и других эксплуатационных документов на при- боры НК и Д должны соответствовать требованиям стандартов ЕСКД. Действующие в настоящее время в области НК и Д стандарты можно условно разбить на следующие основ- ные группы.
20 ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ 1. Термины и определения. 2. Методы неразрушающего контроля. 3. Измерение и контроль дефектов типа нарушения сплошности. 4. Измерение свойств материалов. 5. Измерение толщины покрытий, листовых мате- риалов и изделий. 6. Измерение шероховатости поверхности. Ниже приведен перечень отечественных стандар- тов, применяемых в НК и Д, который изложен в соответ- ствии с вышеперечисленными группами. С учетом важности качества продукции и услуг большое внимание уделяется развитию НК и стандарти- зации в этой области в таких развитых странах, как США, Германия, Великобритания, Франция, Италия и другие страны мира. В каждой из этих стран имеются свои национальные стандарты в области НК и Д. На основе национальных стандартов в сотрудниче- стве специалистов разных стран получили развитие ме- ждународная (ISO) и региональная европейская (EN) стандартизации. В стандартах ISO и EN особое внимание уделено вопросу квалификации и аттестации персонала, занятого в области НК, установлены классификация уровней ква- лификации специалистов и требования к ним. Стандартизованы методы НК (радиографический контроль рентгеновским и гамма-излучением, магнито- порошковый, капиллярный, ультразвуковой, визуаль- ный), требования к уровням приемки сварных соедине- ний, качеству материалов, применяемых для НК, и т.п. Участие в мировом рынке продукции и услуг требу- ет выработки единых критериев для оценки качества продукции, выпускаемой разными фирмами, и, соответ- ственно, единообразных методов и средств контроля и оценки результатов. Национальные и международные стандарты в неко- торых случаях предъявляют различные требования к характеристикам приборов НК и Д и критериям оценки погрешностей результатов измерений, что осложняет экономические и торговые связи, поэтому в настоящее время весьма актуальным стал вопрос гармонизации этих стандартов, и такая работа проводится в рамках международного сотрудничества. Существуют два направления применения в Рос- сийской Федерации международных и региональных стандартов. Первое - национальный стандарт соответст- вует международному либо международному стандарту присваивается статус национального. Второе - предпо- лагает частичное принятие международного стандарта и его применение в другом нормативном документе. В качестве национальных стандартов Российской Федерации в области НК и Д уже приняты международ- ные стандарты ИСО на ультразвуковые методы контроля сплошности, расслоений и толщины стальных бесшов- ных труб. Гармонизированы подходы к подготовке и повышению квалификации персонала. Наряду с государственными стандартами и норма- тивными документами существует большое число отрас- левых и ведомственных стандартов и нормативных до- кументов, которые развивают и конкретизируют основ- ные положения государственных стандартов с учетом условий применения приборов НК и Д на данном уровне. В совокупности более 125 государственных стандар- тов и 130 нормативных документов в ранге правил и ре- комендаций по метрологии действуют в области НК и Д. Можно считать, что в Российской Федерации стан- дартизованы наиболее массовые области применения НК и Д, что способствует обеспечению безопасности, на- дежности и качества продукции и услуг. Перечень отечественных стандартов в области НК и Д 1. Термины и определения ГОСТ 15484-81. Излучения ионизирующие и их измерения. Термины и определения. ГОСТ 16865-79. Аппаратура для рентгеноструктур- ного и рентгеноспектрального анализа. Термины и опре- деления. ГОСТ 17064-71. Основные функциональные узлы, принадлежности и вспомогательные устройства гамма- аппаратов. Термины и определения. ГОСТ 19647-74. Методы и средства рентгенора- диометрического анализа. Термины и определения ГОСТ 19892-74. Приборы акустические для опре- деления физико-химических свойств и состава веществ. Термины и определения. ГОСТ 20337-74. Приборы рентгеновские. Термины и определения. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Терми- ны и определения. ГОСТ 23829-85. Контроль неразрушающий акусти- ческий. Термины и определения. ГОСТ 24034-80. Контроль неразрушающий радиа- ционный. Термины и определения. ГОСТ 24289-80. Контроль неразрушающий вихре- токовый. Термины и определения. ГОСТ 24450-80. Контроль неразрушающий маг- нитный. Термины и определения. ГОСТ 24521-80. Контроль неразрушающий оптиче- ский. Термины и определения. ГОСТ 24522-80. Контроль неразрушающий капил- лярный. Термины и определения. ГОСТ 25313-82. Контроль неразрушающий радио- волновой. Термины и определения. ГОСТ 25314-82. Контроль неразрушающий тепло- вой. Термины и определения. ГОСТ 25315-82. Контроль неразрушающий элек- трический. Термины и определения. ГОСТ 26790-85. Техника течеискания. Термины и определения. ГОСТ 27655-88. Акустическая эмиссия. Термины, определения и обозначения. ГОСТ 28833-90. Дефекты огнеупорных изделий. Термины и определения.
СТАНДАРТИЗАЦИЯ НК И Д 21 2. Методы неразрушающего контроля ГОСТ 3242-79. Соединения сварные. Методы кон- троля качества. ГОСТ 7512-82. Контроль неразрушающий. Соеди- нения сварные. Радиографический метод. ГОСТ 12503-75. Сталь. Методы ультразвукового контроля. Общие требования. ГОСТ 14782-86. Контроль неразрушающий. Соеди- нения сварные. Методы ультразвуковые. ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Клас- сификация видов и методов. ГОСТ 18442-80. Контроль неразрушающий. Капил- лярные методы. Общие требования. ГОСТ 18576—96. Контроль неразрушающий. Рельсы железнодорожные. Методы ультразвуковые. ГОСТ 20415-82. Контроль неразрушающий. Мето- ды акустические. Общие положения. ГОСТ 20426-82. Контроль неразрушающий. Мето- ды дефектоскопии радиационные. ГОСТ 21104-75. Контроль неразрушающий. Ферро- зондовый метод. ГОСТ 21105-87. Контроль неразрушающий. Маг- нитопорошковый метод. ГОСТ 23055-78. Контроль неразрушающий. Сварка металлов плавлением. Классификация сварных соедине- ний по результатам радиографического контроля. ГОСТ 23479-79. Контроль неразрушающий. Мето- ды оптического вида. Общие требования. ГОСТ 23480-79. Контроль неразрушающий. Мето- ды радиоволнового вида. Общие требования. ГОСТ 23483-79. Контроль неразрушающий. Мето- ды теплового вида. Общие требования. ГОСТ 24507-80. Контроль неразрушающий. Поков- ки из черных и цветных металлов. Методы ультразвуко- вой дефектоскопии. ГОСТ 25225-82. Контроль неразрушающий. Швы сварных соединений трубопроводов. Магнитографиче- ский метод. ГОСТ 26182-84. Контроль неразрушающий. Люми- несцентный метод течеискания. ГОСТ 26656-85. Техническая диагностика. Контро- лепригодность. Общие требования. ГОСТ 27947-88. Контроль неразрушающий. Рент- генотелевизионный метод. Общие требования. ГОСТ 28277-89. Контроль неразрушающий. Соеди- нения сварные. Электрографический метод. Общие тре- бования. ГОСТ 28517-90. Контроль неразрушающий. Масс- спектрометрический метод течеискания. Общие требо- вания. ГОСТ Р 51780-2001. Контроль неразрушающий. Методы и средства испытаний на герметичность. Поря- док и критерии выбора. 3. Измерение и контроль дефектов типа нарушения сплошности ГОСТ 8.283-78. ГСП. Дефектоскопы электромаг- нитные. Методы и средства поверки. ГОСТ 8.452-82. ГСП. Приборы рентгенорадиомет- рические. Методы и средства поверки. ГОСТ 1759.2-82. Болты, винты и шпильки. Дефек- ты поверхности и методы контроля. ГОСТ 1759.3-83. Гайки. Дефекты поверхности и методы контроля. ГОСТ 9865-76. Установки ультразвуковые. Ряд но- минальных электрических мощностей. ГОСТ 15843-79. Принадлежности для промышлен- ной радиографии. Основные размеры. ГОСТ 17410-78. Контроль неразрушающий. Трубы металлические бесшовные цилиндрические. Методы ультразвуковой дефектоскопии. ГОСТ 17489-72. Видиконы рентгеновские. Основ- ные параметры и размеры. ГОСТ 21120-75. Прутки и заготовки круглого и прямоугольного сечений. Методы ультразвуковой де- фектоскопии. ГОСТ 21397-81. Контроль неразрушающий. Ком- плект стандартных образцов для ультразвукового кон- троля полуфабрикатов и изделий из алюминиевых спла- вов. Технические условия. ГОСТ 22727-88. Прокат листовой. Методы ультра- звукового контроля. ГОСТ 23667-85. Контроль неразрушающий. Дефек- тоскопы ультразвуковые. Методы измерения основных параметров. ГОСТ 23702-90. Контроль неразрушающий. Преоб- разователи ультразвуковые. Методы испытаний. ГОСТ 23764-79. Гамма-дефектоскопы. Общие тех- нические условия. ГОСТ 24507-80. Контроль неразрушающий. Поков- ки из черных и цветных металлов. Методы ультразвуко- вой дефектоскопии. ГОСТ 25113-86. Контроль неразрушающий. Аппа- раты рентгеновские для промышленной дефектоскопии. Общие технические условия. ГОСТ 25997-83. Сварка металлов плавлением. Ста- тистическая оценка качества по результатам неразру- шающего контроля. ГОСТ 26114-84. Контроль неразрушающий. Дефек- тоскопы на базе ускорителей заряженных частиц. Ос- новные параметры и общие технические требования. ГОСТ 26126-84. Контроль неразрушающий. Соеди- нения паяные. Ультразвуковые методы контроля качества. ГОСТ 26170-84. Контроль неразрушающий. При- боры радиоволновые. Общие технические требования. ГОСТ 26266-90. Контроль неразрушающий. Преоб- разователи ультразвуковые. Общие технические требо- вания. ГОСТ 28033-89. Сталь. Метод рентгенофлюорес- центного анализа. ГОСТ 28831-90. Прокат толстолистовой. Методы ультразвукового контроля. ГОСТ 29025-91. Контроль неразрушающий. Дефек- тоскопы рентгенотелевизионные с рентгеновскими элек- тронно-оптическими преобразователями и электрорент- генографические. Общие технические требования.
22 ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ГОСТ Р ИСО 10124-99. Трубы стальные напорные бесшовные и сварные (кроме труб, изготовленных дуго- вой сваркой под флюсом). Ультразвуковой метод кон- троля расслоений. ГОСТ Р ИСО 10332-99. Трубы стальные напорные бесшовные и сварные (кроме труб, изготовленных дуго- вой сваркой под флюсом). Ультразвуковой метод кон- троля сплошности. 4. Измерение свойств материалов ГОСТ 4.177-85. СПКП. Приборы неразрушающего контроля качества материалов и изделий. Номенклатура показателей (в части радиоволновых приборов отменен). ГОСТ 4.198-85. СПКП. Аппараты рентгеновские аналитические. Номенклатура показателей. ГОСТ 8.268-77. ГСИ. Методика выполнения изме- рений при определении статических магнитных характе- ристик магнитотвердых материалов. - Взамен ГОСТ 13601-68. ГОСТ 8.518-84. ГСИ. Ферритометры для сталей ау- стенитного класса. Методика поверки. ГОСТ 14766-69. Машины и приборы для определе- ния механических свойств материалов. Термины и опре- деления. ГОСТ 17623-87. Бетоны. Радиоизотопный метод определения средней плотности. ГОСТ 17624-87. Бетоны. Ультразвуковой метод оп- ределения прочности. ГОСТ 20180-91. Плотномеры радиоизотопные жид- ких сред и пульп. Общие технические условия. ГОСТ 22690-88. Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля. ГОСТ 24332-88. Кирпич и камни силикатные. Ульт- развуковой метод определения прочности при сжатии. ГОСТ 25932-83. Влагомеры-плотномеры радиоизо- топные переносные для бетонов и грунтов. Общие тех- нические условия. ГОСТ 26134-84. Бетоны. Ультразвуковой метод оп- ределения морозостойкости. ГОСТ 26364-90. Ферритометры для сталей аусте- нитного класса. Общие технические условия. ГОСТ 27333-87. Контроль неразрушающий. Изме- рение удельной электрической проводимости цветных металлов вихретоковым методом. ГОСТ 28369-89. Контроль неразрушающий. Облу- чатели ультрафиолетовые. Общие технические требова- ния и методы испытаний. ГОСТ 30415-96. Сталь. Неразрушающий контроль механических свойств и микроструктуры металлопро- дукции магнитным методом. ГОСТ Р 51751-2001. Контроль неразрушающий. Контроль неразрушающий состояния материала ответст- венных высоконагруженных элементов технических сис- тем, подвергаемых интенсивным термосиловым воздей- ствиям. Общие требования к порядку выбора методов. 5. Измерение толщины покрытий, листовых материалов и изделий из листовых материалов ГОСТ 8.171-75. ГСИ. Меры поверхностной плотно- сти для радиоизотопных толщиномеров. Общие техниче- ские условия. ГОСТ 8.362-79. ГСИ. Измерение толщины покры- тий. Термины и определения. ГОСТ 8.495-83. ГСИ. Толщиномеры ультразвуко- вые контактные. Методы и средства поверки. ГОСТ 8.502-84. ГСИ. Толщиномеры покрытий. Ме- тоды и средства поверки. ГОСТ 8.537-85. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений поверхностной плотности покрытий в диапазоне 0,01 * 1,000 кг/м2. ГОСТ 17625-83. Конструкции и изделия железобе- тонные. Радиационный метод определения толщины за- щитного слоя бетона, размеров и расположения арматуры. ГОСТ 18061-90. Толщиномеры радиоизотопные. Общие технические условия. ГОСТ 22238-76. Контроль неразрушающий. Меры образцовые для поверки толщиномеров покрытий. Об- щие положения. ГОСТ 22904-93. Конструкции железобетонные. Магнитный метод определения толщины защитного слоя бетона и расположения арматуры. ГОСТ 25858-83. Меры поверхностной плотности и толщины для радиоизотопных толщиномеров проката черных металлов. Общие технические условия. ГОСТ 27750-88. Контроль неразрушающий. По- крытия восстановительные. Методы контроля толщины покрытий. ГОСТ 28702-90. Контроль неразрушающий. Толщи- номеры ультразвуковые. Общие технические требования. ГОСТ Р 51694-00. Материалы лакокрасочные. Оп- ределение толщины покрытия. ГОСТ Р ИСО 10543-99. Трубы стальные напорные бесшовные и сварные горячетянутые. Метод ультразву- ковой толщинометрии. 6. Измерение шероховатости поверхности ГОСТ 8.296-78. ГСИ. Государственный специаль- ный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений шероховатости RmSLK и Rz в диапазоне 0,025 - 1600 мкм. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Пара- метры и характеристики. ГОСТ 9378-93. Образцы шероховатости поверхно- сти (сравнения). Общие технические требования. ГОСТ 9847-79. Приборы оптические для измерения параметров, шероховатости поверхности. Типы и основ- ные параметры. ГОСТ 19300-86. Средства измерений шероховатости профильным методом. Профилографы-профилометры контактные. Типы и основные параметры. ГОСТ 25142-82. Шероховатость поверхности. Тер- мины и определения.
АВТОМАТИЗАЦИЯ СРЕДСТВ НК И Д (СНК И Д) 23 1.3. АВТОМАТИЗАЦИЯ СРЕДСТВ НК И Д (СНК И Д) Основные механизмы автоматизированных ма- шиностроительных СНК и Д. В механизированных машиностроительных средствах НК и Д автоматизиро- ван процесс сканирования преобразователем контроли- руемой поверхности изделия, а подачу и рассортировку продукции выполняет обслуживающий персонал. В по- луавтоматических средствах автоматизированы процес- сы загрузки, сканирования и рассортировки продукции, однако команда на механизмы рассортировки подается оператором после получения соответствующей инфор- мации от прибора. В автоматизированных средствах контроля все процессы загрузки, контроля и рассорти- ровки изделий выполняются автоматически, без участия оператора. В состав автоматизированных средств НК и Д вхо- дят приводные рольганги, транспортирующие контроли- руемое изделие, устройства стабилизации положения изделия в процессе контроля, загрузочные и разгрузоч- ные устройства, сбрасыватели, перекрыватели, карманы годной и забракованной продукции, системы механиче- ского сканирования преобразователем поверхности из- делия, подъемные столы для установки основных и ре- зервных блоков преобразователей приборов, связующие элементы электрических исполнительных устройств, сис- тема сопровождения проконтролированной продукции, дефектоотметчики, блокировочные устройства и т.д. Как правило, стоимость и объем работ по созданию механизмов автоматизированных СНК и Д значительно превышают затраты на приборную часть. Работа всех входящих в них устройств должна быть тщательно со- гласована с работой основного технологического обору- дования. Они должны создаваться организациями- разработчиками основного технологического оборудова- ния с учетом всех особенностей производственного про- цесса (климатических условий, производительности, вибрации, загрязнений, ударных нагрузок, износостой- кости и т.д.). Процесс разработки и проектирования автоматизи- рованных СНК не должен отдаляться во времени от про- цесса разработки основного оборудования для производ- ства. СНК и Д, предназначенные для работы в полевых условиях, также должны иметь механические приспо- собления, увеличивающие их производительность и обеспечивающие удобство их эксплуатации. Такими ме- ханическими приспособлениями являются устройства для правильной установки изделия и преобразователя относительно друг друга, для перемещения (сканирова- ния) преобразователя по поверхности изделия и др. Ав- томатизированные СНК и Д могут использоваться как самостоятельные устройства для входного, выходного или послеоперационного контроля продукции. Для повышения надежности СНК и Д и быстрейше- го устранения неполадок они обеспечиваются системой автоконтроля в процессе эксплуатации. В случае выхода из строя одного из элементов автоматизированные СНК и Д останавливают операцию контроля и сигнализируют о возникшей неисправности. Наибольший экономиче- ский эффект достигается, когда СНК и Д непосредствен- но управляют технологическим процессом. Например, работа системы автоматического регулирования толщи- ны стальной полосы основана на непрерывном измере- нии рентгеновским толщиномером толщины прокаты- ваемой между клетями стана полосы и обеспечении об- ратной регулируемой связи между показаниями толщи- номера и усилием обжатия валков стана. Такие методы, как радиографический, рентгеноте- левизионный, магнитопорошковый, капиллярный и дру- гие, результаты которых оператор оценивает визуально по изображению дефекта, автоматизированы не полно- стью. Создание автоматизированных систем обработки изображения (АСОИЗ) для указанных методов - наибо- лее актуальная задача. Существуют механизмы и устройства, предохра- няющие наиболее ненадежные элементы автоматизиро- ванных СНК и Д - входные преобразователи от прежде- временного износа, ударов и поломок (например, защит- ные кожуха и приспособления, твердосплавные элементы, контактирующие с объектом контроля, предохраняющие рычаги и втулки, разводные направляющие и т.д.). Наиболее трудоемкими и наименее надежными ме- ханизмами автоматизированных СНК, как правило, яв- ляются устройства сканирования. В процессе сканирова- ния должен поддерживаться постоянный зазор между преобразователем, источником поля и контролируемым изделием. Движение преобразователя и контролируемо- го изделия относительно друг друга может быть посту- пательным, вращательным, сложным возвратно- поступательным и т.п. Особенностью систем сканирова- ния СНК и Д является высокая точность их изготовле- ния. Они могут быть электронными, электромеханиче- скими, гидравлическими, пневматическими и т.д. Дополнительно к механическим устройствам стаби- лизации зазора применяют электронные измерительные устройства, которые сигнализируют о выходе зазора за пределы допустимых значений и регулируют коэффици- ент усиления измерительного тракта в функции величи- ны зазора, поддерживая неизменной чувствительность прибора к основному контролируемому параметру. Различают многоэлементные и одноэлементные системы сканирования. Многоэлементные системы со- стоят из ряда неподвижных входных преобразователей, расположенных относительно друг друга линейно, мат- рично и т.д. Информация с многоэлементной входной системы снимается путем предварительного усиления сигнала каждого преобразователя и последующего коммутирова- ния всех входных сигналов электронным коммутатором для дальнейшей вторичной обработки. Подобного рода системы входных преобразователей отличаются боль- шой скоростью получения информации с определенной площади контролируемого объекта. В ряде случаев они также требуют перемещения относительно контроли- руемого объекта. Недостатками многоэлементных систем являются их громоздкость, пониженные чувствительность и раз- решающая способность при обнаружении дефектов типа
24 ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ нарушения сплошности. Объясняется это тем, что дефек- ты нарушения сплошности имеют малые размеры (от микрометров до миллиметров) и для получения необхо- димой информации с помощью ряда неподвижных пре- образователей требуется, чтобы размеры преобразовате- ля или зона его контроля была значительно меньше, чем размеры дефекта. Для дефектоскопического контроля это часто трудноосуществимая задача. Более простыми, надежными и более чувствитель- ными являются одноэлементные системы сканирования. Они содержат один или несколько (до десяти) преобра- зователей, перемещающихся относительно контроли- руемой поверхности объекта. Каждый преобразователь контролирует определенную часть поверхности объекта. Размеры и параметры преобразователя выбирают так, чтобы получить максимальные чувствительность и раз- решающую способность контроля. За счет перемещения преобразователя информация о дефекте является непре- рывной функцией в отличие от дискретных ее значений, получаемых от неподвижных рядом расположенных преобразователей. Таким образом снимается максималь- ный объем информации о качестве контролируемой по- верхности. Недостатком одноэлементных систем является их малая производительность. Поэтому в промышленности при высокопроизводительном контроле все шире ис- пользуют многоканальные приборы и системы сканиро- вания. Особую сложность представляют системы сканиро- вания СНК и Д, применяющиеся в особо ответственных агрегатах, таких, как атомные электростанции, изделия авиационной и космической техники, где невозможна разборка конструкции и затруднен подход к контроли- руемой поверхности сложной конфигурации. В этих слу- чаях приходится создавать специализированные само- ходные установки, способные следить за изменением профиля контролируемой поверхности и перемещаться внутри агрегата или по его поверхности. В качестве главного элемента систем сканирования автоматизированных СНК и Д могут использоваться ро- боты-манипуляторы. На этой основе создаются разнооб- разные роботизированные технологические комплексы неразрушающего контроля (РТК НК и Д). В основу соз- дания РТК НК и Д положена совокупность приборов неразрушающего контроля, промышленных роботов, выполняющих функции перемещения датчика прибора относительно объекта контроля и разбраковки изделий, а также специализированных устройств связи прибора, робота и объекта контроля между собой. В качестве средств представления информации ши- рокое применение получили вычислительные устройст- ва, которые позволяют строить двух- и трехмерные изо- бражения объекта контроля в требуемом масштабе, вы- явить на изображении точки локализации дефектов и обозначить яркостным или цветным способом участки с наибольшими градиентами полей и излучений, характе- ризующие наличие дефектов или напряженные состоя- ния. Эти устройства позволяют строить сечения объек- тов, наносить цифровые данные о размерах и локализа- ции дефектов, а также изоконтуры - эквипотенциальные линии вторичных полей, характеризующих дефекты. Они обеспечивают файловую систему хранения резуль- татов. При использовании полутоновых дисплеев появля- ется возможность совместно с изображением объекта строить эпюры распределения потока сил, напряжений, нагрузок, температуры и т.п. 1.4. ЭКСПЕРТНЫЕ СИСТЕМЫ (ЭС) Современный этап в разработке и использовании средств неразрушающего контроля и диагностики харак- теризуется интенсивной компьютеризацией. Применение современной вычислительной техники, прежде всего высокопроизводительных, относительно недорогих пер- сональных компьютеров, сделало возможным появление качественно нового поколения приборов и систем НК и Д. Отличительной особенностью устройств данного по- коления является наличие у них развитых систем ком- пьютерной обработки информации, использующих эври- стические и формальные методы. Проявляемый к ЭС высокий интерес объясняется прежде всего следующими причинами. Во-первых, ЭС ориентированы на решение широкого класса неформали- зованных задач. Во-вторых, ЭС при решении практиче- ских задач обеспечивают результаты, не уступающие по качеству тем, которые может получить эксперт-человек. Неформализованные задачи обладают одной или не- сколькими из следующих характеристик: • задачи не могут быть заданы в числовой форме; • цели не могут быть выражены в терминах точно определенной целевой функции; • не существует алгоритмического решения или оно существует, но его нельзя использовать из-за имеющих- ся ограничений. Как правило, неформализованные задачи отлича- ются: • неоднозначностью, неполнотой и противоречиво- стью исходных данных; • неоднозначностью, неполнотой и противоречиво- стью знаний о проблемной области и решаемой задаче; • большой размерностью пространства возможных решений; • динамически изменяющимися данными и знаниями. Неформализованные задачи представляют собой большой и очень важный класс задач НК и Д. Все многообразие неформализованных задач в об- ласти НК и Д можно условно разбить на два больших класса: задачи, связанные с исследованиями, проектиро- ванием, разработкой средств НК и Д, и задачи обработки и анализа информации средств (в средствах) НК и Д об объектах с целью принятия решений. Задачи первого класса включают вопросы построе- ния (синтеза) и исследования моделей процессов, моде- лей объектов контроля и диагностики, диагностических моделей, синтеза и оптимизации архитектуры средств НК и Д, выбора эффективных методов отстройки от ме- шающих факторов, методов обработки и анализа инфор-
ЭКСПЕРТНЫЕ СИСТЕМЫ 25 мации, синтеза и оптимизации аппаратного и програм- много обеспечений и т.д. Несмотря на определенные достижения в последние годы в области создания раз- личных моделирующих, оптимизирующих программ, САПРов и т.д., успешное решение перечисленных задач по-прежнему во многом зависит от опыта и знаний раз- работчика. В то же время число квалифицйрованных специали- стов (ученых, разработчиков) ограничено, их знания, как правило, имеют личностный характер, представляют собой набор различных эвристик. Несомненно, что именно системы, основанные на знаниях, предназначен- ные для обработки эвристических знаний, позволяют успешно решать указанные задачи. Применение ЭС в данных приложениях позволит обеспечить новые ре- зультаты при фундаментальных и прикладных исследо- ваниях в области НК и Д, а также повышение техниче- ского уровня разрабатываемых устройств за счет исполь- зования знаний первоклассных экспертов. Задачи второго класса непосредственным образом связаны с решением проблем технической диагностики, дефектоскопии конкретных объектов. В силу различных причин, например сложности объектов, многообразия диагностических признаков и дефектов, специфичных условий контроля качества и т.д. для широкого круга практических задач НК и Д алгоритмического решения не существует или оно существует, но не обеспечивает в реальных условиях удовлетворительных результатов, и окончательное решение принимает человек. В данных случаях определяющую роль в успешном решении зада- чи играют опыт и эвристические знания конкретного специалиста. Очевидно, что это обстоятельство вносит субъективный фактор в результаты полученных реше- ний: опыт и знания у каждого специалиста различны, на результатах также сказывается психофизическое состоя- ние человека. Кроме того, не для всех приложений воз- можно участие человека в процессе контроля (или диаг- ностики), как, например, при наличии вредных и агрес- сивных сред. Применение ЭС для решения задач этого класса по- зволяет в ряде случаев полностью исключить участие человека в процессе принятия окончательных решений, не снижая (а иногда и повышая) качество контроля (ди- агностики). В других же случаях использование ЭС по- вышает уровень компетентности человека, что также положительно сказывается на качестве диагностики. Требования, предъявляемые к ЭС, решающим зада- чи первого и второго классов, различны. Эти различия в первую очередь касаются содержания баз знаний ЭС. ЭС первого типа (предназначенные для решения задач первого класса) должны обладать мощными базами раз- личных знаний о предметной области: о данных (или аналогичных) объектах контроля (диагностики), процес- сах, используемых формальных и эвристических методах и алгоритмах решения подобных (или аналогичных) за- дач и т.д. Как правило, данные ЭС не являются система- ми реального времени и не функционируют в комплексе с измерительной аппаратурой. ЭС второго типа обладают базами знаний меньшего объема, содержание их более конкретно. Это могут быть знания о данном объекте, режимах его функционирова- ния, условиях контроля (диагностики), возможных де- фектах и неисправностях объекта (его узлов), действиях в случае возникновения тех или иных ситуаций и т.д. ЭС второго типа могут быть как системами реального вре- мени, функционировать в комплексе с измерительной аппаратурой, так и системами интерактивного типа. Для данных ЭС характерно, что информация, полученная с помощью измерительной аппаратуры, является для них исходной (входной). Примерами систем этого класса могут служить ЭС SUPER и EXTRACSION. ЭС SUPER (разработчик - University of Technology of Compiegne) ориентирована на выявление и идентифи- кацию дефектов парогенераторов. Система обрабатывает и анализирует информацию, полученную с помощью многоканальной измерительной аппаратуры, реализую- щей мультичастотный вихретоковый метод контроля. В основу организации ЭС SUPER положена система пра- вил - продукций. База знаний ЭС содержит исчерпы- вающую информацию, касающуюся вихретокового ме- тода контроля, особенностей контроля рассматриваемого объекта, возможных дефектов и т.д. В процессе функ- ционирования SUPER полностью воспроизводит ход рассуждений дефектоскописта. ЭС SUPER позволяет определить тип и глубину дефектов. Возможности ЭС SUPER обеспечивают выявление как единичных сим- метричных (асимметричных), так и множественных симметричных (асимметричных) дефектов труб пароге- нераторов. ЭС EXTRACSION CdF предназначена для диагно- стики состояния труб парогенераторов в атомной про- мышленности. По мощности и составу своей базы зна- ний, своим возможностям данная ЭС приближается к ЭС первого типа. Как и в системе SUPER, при измерени- ях используется вихретоковый метод контроля. Органи- зация базы знаний ЭС представляет собой иерархию раз- личных уровней и типов знаний. Основу ЭС EXTRAC- SION составляют априорные знания, так как возможные дефекты и адекватные методы их выявления обычно из- вестны. Априорные знания включают в себя: знания об организации сигналов, об обработке сигналов, интерпре- тации и диагностике. Априорные знания разбиты на три большие группы. В их числе: • структура металла исследуемой конструкции, ее возможные модификации, методы измерений, примени- мые для решения задачи; • базовые структуры сигналов и их возможные мо- дификации с учетом модификаций структуры металла; • выбор адекватных методов выявления, распозна- вания, сегментации. В EXTRACSION определены два интеллектуальных уровня. На верхнем интеллектуальном уровне решаются задачи проверки соответствия методов третьей группы (их применимости) возникающим модификациям (изме- нениям) знаний первой группы, которые, в свою очередь, определяют модификации во второй группе. На низшем интеллектуальном уровне ЭС реализуется построение умозаключений с целью конечной диагностики состоя- ния объекта.
26 ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ Кроме рассмотренных классов задач имеется еще одно важное применение ЭС в области НК и Д. Это обу- чение (переобучение, повышение квалификации) спе- циалистов. Очевидно, насколько актуальна эта задача в настоящее время. Одной из эффективных форм обуче- ния, которую можно реализовать с помощью ЭС, являет- ся обучение путем решения типовых задач. В процессе решения задачи ЭС с помощью своей объяснительной компоненты позволяет обучаемому понять логику рас- суждений высококлассных экспертов, освоить их прие- мы и подходы к решению подобных задач, получить доступ к эвристическим знаниям о рассматриваемой проблеме. Анализ разрабатываемых и существующих ЭС НК и Д позволяет выявить некоторые тенденции в их построе- нии. Базы правил данных ЭС в среднем насчитывают око- ло 300 правил, хотя встречаются ЭС, содержащие 20 - 25 тысяч правил. Наиболее часто в основу ЭС бывают положены системы правил типа «если..., то...». Это объ- ясняется большей наглядностью такого представления знаний по сравнению с представлениями, основанными на использовании фреймов, семантических сетей и т.д. В реализации механизма вывода ЭС чаще используются прямые цепочки рассуждений, несколько реже обратные. Разработка ЭС представляет собой длительный и трудоемкий процесс. Он является итеративным, причем часто на той или иной стадии приходится начинать раз- работку практически сначала. Одним из путей, который в известной степени по- зволяет решить перечисленные проблемы, является ис- пользование, по крайней мере на начальном этапе, «пус- той» ЭС (ЭС, не содержащей никаких знаний о предмет- ной области). Подобные ЭС обладают возможностями организации и редактирования баз знаний, встроенным механизмом вывода, объяснительной компонентой и т.д. Такой подход позволяет довольно быстро получить ответ на ряд важных вопросов: насколько применимы ЭС для решения конкретной задачи, насколько эффективна для решения задачи выбранная ЭС и т.д. При благоприятном исходе удается создать первый прототип ЭС, возможно- сти которого в дальнейшем будут наращиваться. Рассмотренная концепция «быстрого» прототипа была положена в основу системы вибродиагностики су- довых турбоагрегатов. В качестве измерительной аппа- ратуры в системе применяются комплексы многоканаль- ной контрольно-сигнальной аппаратуры, позволяющие измерять, контролировать относительные и абсолютные вибрации паровых и газовых судовых турбин. В связи с известными трудностями формализации задачи анализ информации об уровнях вибрации турбин осуществлятся с помощью ЭС. В качестве базы для построения ЭС вибродиагно- стики была выбрана готовая «пустая» ЭС, представление знаний в которой основано на системе правил типа «если..., то...», механизм вывода использует прямую цепочку рассуждений. Основные трудности разработки ЭС связаны прежде всего с недостатком статистического материала, неполнотой информации об объекте диагно- стики. 1.5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СНК ИД Общие вопросы технико-экономического анали- за. На всех стадиях создания и внедрения СНК и Д необ- ходимо проводить технико-экономический анализ и оп- ределять эффективность их применения. Необходимость расчетов на всех стадиях обуслов- ливается тем, что на каждой последующей стадии проек- тирования и внедрения уточняют представления о созда- ваемом приборе. Так, например, на стадии НИР рассчи- тывают предварительный эффект, который является ос- новой для выбора наилучшего варианта. На стадии пла- нирования производства новой техники рассчитывают ожидаемый эффект, который отражают в нормативных и плановых показателях. На стадии внедрения рассчиты- вают фактический эффект новой техники, который «уточняет» расчетный эффект, масштабы внедрения, определяет условия стимулирования новой техники. Технико-экономический анализ позволяет: • обосновать наиболее рациональные направления и очередность развития или внедрения тех или иных СНК и Д; • выбрать наиболее экономичные варианты созда- ния новых изделий, оборудования, производственных процессов, режимов эксплуатации оборудования; • определить оптимальные объемы производства новых СНК и Д и области их рационального примене- ния; • определить социальный эффект от внедрения СНК и Д. Технико-экономическое обоснование должно со- держать краткое описание поставленной задачи и вари- анты ее возможных решений, оценку технической эф- фективности применения НК и Д, возможность повыше- ния надежности проконтролированных изделий. В основу формирования эффективных систем НК и Д должен быть положен учет полезного результата при- менения системы и затрат на нее. За меру полезного ре- зультата может быть принято приращение надежности контролируемого объекта, обязанное устранению дефек- тов, выявленных данной системой. Затраты на систему должны учитывать не только стоимость собственно кон- троля и сопутствующих операций, но и убытки, связан- ные с возможной перебраковкой. Изложенное понятие эффективности системы НК и Д отображается интегральным критерием эффективности Qj, характеризующим соотношение меры Gj соответст- вия системы Gj упомянутой цели (техническая эффек- тивность) и указанных затрат символическая запись которого - Qj-Gj/Э^. Ддя расчета величины Gj как приращения АН, веро- ятности невозникновения аварийной ситуации относи- тельно исходного значения HQ необходимо знать: типы и виды дефектов которые могут встретиться в объекте, и их потенциальную опасность Р (Л^); распределения fki (т) числа т дефектов Dki в объекте; вероятности
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СНК И Д 27 Рд on (Bki / М) обнаружения дефектов Dkt вариантами Мь входящими в систему. В практике возможно возникновение одной или од- новременно нескольких ситуаций. 1. Неизвестны распределения fyim). При этом fkityi) заменяется двумя значениями/&(0) и , где т - наи- более вероятное для данного объекта число дефектов 2. Неизвестны точные значения потенциальных опасностей Р (Aki), но известны коэффициенты опасно- сти г. При этом P(Aki) заменяется приближенными зна- чениями Р (Ам): Р*{Ак1) = Р\Ат)^-, Г 'max где гк - значение коэффициента опасности для дефектов Dki, rmax - то же, для дефекта с максимальной потенци- альной опасностью Р (Ат). 3. Неизвестны Р (А^) и г*/; все дефекты условно распределены на два вида: допустимые и недопустимые. При этом первым приписывается Р (Ад) = 0, а вторым Р(ЯН)«1. 4. Отсутствуют значения вероятностей Рд.оп(5ь7 М) для рассматриваемых объектов и им аналогичным. Тогда величины Рдоп для каждого метода должны быть уста- новлены экспериментально. Формулы для расчета Gj с учетом изложенных си- туаций приведены в табл. 8. Затраты на систему С7 контроля определяются суммой стоимостей контроля (Э*7), вспомогательных операций, сопутствующих контролю (ЭВ7), и убытка из- за перебраковки (Эп/), т.е. Эе7 = 3kj + 3Bj + Эп/. В особых случаях учитывают также убытки ЭН7 из- за недобраковки объекта. Затраты Э„7 возникают при: • случайной перебраковке объекта, не содержащего никаких дефектов, из-за недостаточной помехозащи- щенности системы контроля; вероятность перебраковки Р(П'); • вынужденной перебраковке объекта, содержащего допустимые дефекты, которые, однако, по данным сис- темы контроля не могут быть однозначно отнесены к допустимым. При этом вероятность перебраковки Р(Пу) определяется вероятностью образования таких дефектов в объекте. Вероятности Р(Пу), Р(П1/?) могут быть установ- лены статистической обработкой данных контроля и ме- таллографического анализа. При средней стоимости ремонта объекта F (стоимо- сти всего объекта, если дефекты в нем неустранимы), в котором обнаружен недопустимый дефект, ЭП7. =г{1-[1-Р(П'.)][1-Р(П")]}. При средней стоимости J аварийной ситуации ЭН7.=/(1-Ну) = /[1-(Яо+АЯ7)], где Hj- вероятность невозникновения аварийной си- туации в объекте после устранения в нем дефектов, вы- явленных системой Cj (см. формулы в табл. 8). Интегральный критерий используют при решении следующих конкретных классов задач выбора и форми- рования эффективных систем НК. 1. Возникновение аварийной ситуации в объекте со- провождается катастрофой или убытками, несопоставимы- ми с убытками от перебраковки, т.е. задано некоторое, в настоящее время технико-экономически приемлемое зна- чение Эе*. В этом случае величина Эн неизвестна, посколь- ку неизвестны убытки J. Решение сводится к максимизации технической эффективности при ограниченных затратах Э£ = Эк + Эв + Эп; АЯрац = max АЯ; (Эд. + Эв + Эп )рац < ЭЕ«. 2. В связи с особой ответственностью объектов за- дано некоторое минимальное значение //*, вероятности безаварийной работы объекта. При такой постановке затраты Эн постоянны и задача решается минимизацией функции э„.=л7.+эВ7.+эП7. при технической эффективности не ниже заданного уровня: Э1рац = min(3A. + Эв + Эп); АЯрац > - Но. 3. Убытки Эн от возникновения аварийной ситуации в объектах соизмеримы с убытками Эп от перебраковки объекта. Из систем НК и Д с равными или близкими мини- мальными значениями /?, = ЭТ,+ЭЫ, оптимальной бу- .1 Ч п/ J дет система с максимальной технической эффективно- стью Таким образом, 7?рац = min(3z + Эн) и далее АНрац=тахАЯ, R « Ярац . К рассматриваемому классу задач относится также задача оптимизации параметров конкретного метода, когда затраты (Эк + Эв ) не критичны к значениям па- раметров. При этом допустимо ограничиться минимиза- цией функции R = Эп 4- Эн . Может оказаться, что изложенным условиям удов- летворяют две или более систем. Тогда для выбора оп- тимальной из них следует воспользоваться дополнитель- ными экспертными оценками, например показателем обобщенной функции желательности.
28 ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ 8. Формулы для расчета технической эффективности системы Исходные данные Расчетные формулы Примечания Потенциальные вероятно- сти Р(Ак) дефектов типа к, где к = 1, кц. Распределения числа т дефектов fk(m), где т = 0, mkQ . Априорные вероятности Ра оп (Вк / Mt) выявления дефекта типа к методами Мь входящими в систему С/, где t = 1, /0 Gj=AHj=Hj-H0, Hi = П Z {l-P(A)[l-^.on(^/C7)]r fk(m) , k~} [ш=0 J kQ mkQ Я0 = П £[1-Р(А)Г/*(/») .где m=0 Рд,п(5,/С/) = 1-П[1-Рд,п(^/Л/()] Hj - вероятность невоз- никновения аварийной ситуации в объекте после устранения дефектов, выявленных системой HQ - то же до контроля; Л.оп (вк/сi) - априорная вероятность выявления дефекта типа к системой Q Коэффициенты гк опасности дефекта типа к, где к = 1, kQ, РД..ОП {Вк/ t = 1, tQ , т = 0, тк0 Hj =Hj при замене Р(Ак) на Р (Ак), HQ =Hq при замене Р(Ак) на Р (Ак), где P*UJ = -^P*(Jmax), Р*(Ятах) = 0,99 ... 0,99999 г 'max Hj - вероятность невоз- никновения условной аварийной ситуации по- сле устранения дефектов, выявленных системой С,; Нц - то же до контроля; Р (Ак) - вероятность возникновения условной аварийной ситуации из- за дефекта типа к, если он один в объекте гк, к = 1, к0, Рд оп (В к / Mt), fk(V) и fk(mk)’ <?7=дя;=я*-я0*, я* = п{/до)+Л(^){1-р’(4)[1-рдоп(^/с7)]й}. Н*о = П {fk(0) + fk(тк )[1 - Р\Ак)]} К = \ тк - вероятное число дефектов типа к в объек- те Потенциальные вероятно- сти Р (Ад) = 0 допустимых (к = д) и Р*(АН) » 0,9 недопустимых (к = н) де- фектов с распределением /н(отн)> т« =1, РД.ОП (РН 1 Mf), t — 1, Zq Gj=^Hj=H*-H*0, ""но Н*= П {1-Р (Д1)[1-Рд,п(5н/С7)]}'”"/н(^н). 7 т„=1 " J т»о н0 = п [1-Р (ЛГ^н^н) тн=1 - Потенциальные вероятно- сти недопустимого дефекта Р*(Ан) = 0,9 ..., причем тп = 0, 1. Известны/^!) и ^д.оп (Вн/ Mt), t = l, Iq (?7=/ш;=я;-я0‘, я;=1-/н(1)[1-р,оп(рн/с7)], Н*о =1-4(1) - В каждом объекте возни- кает один недопустимый дефект, т.е. У^(1) = 1; тп = 1;Р’(Лн) = 0,9 ... Известны также Рд.Оп(Вц/ Mt), t = 1, Iq (?7=ДЯ*=Я*-Я0*={1-[1-Рдоп(Вн/Су)]}-0, Gj^P^iBJCj) Техническая эффектив- ность системы Cj опре- деляется априорной ве- роятностью выявления системой недопустимых дефектов в объекте
ЛИТЕРАТУРА 29 Технико-экономический анализ дает обобщенную оценку в денежном выражении разнообразных досто- инств и недостатков СНК конкретного типа. Экономиче- ский эффект СНК является обобщающим показателем, характеризующим целесообразность всего комплекса мероприятий по их созданию и внедрению. Отдельные технические и эксплуатационные показатели, характери- зующие эффективность использования того или иного устройства, могут быть противоречивы или могут не поддаваться количественной оценке. Экономические показатели едины и применимы ко всем случаям исполь- зования СНК. Таким образом, при применении СНК для целей пас- сивного производственного контроля суммарный годовой экономический эффект определяется последовательным учетом изменяющихся статей расходов на всех этапах единого цикла создания и эксплуатации продукции. ЛИТЕРАТУРА 1. Приборы для неразрушающего контроля мате- риалов и изделий: Справочник в 2-х кн. 2-е издание / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1986. Кн. 1 - 396 с., кн. 2-326 с. 2. Измерение, контроль, качество. Неразрушающий контроль: Справочник. М.: ИПК. Издательство стандар- тов, 2002. 708 с. 3. Исаев Л.К., Малинский В.Д. Обеспечение каче- ства: стандартизация, единство измерений, оценка соот- ветствия. М.: ИПК. Издательство стандартов, 2001. 276 с. 4. Измерение, контроль, испытания, диагностика. Том Ш-7. Энциклопедия «Машиностроение» / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение. 2001.462 с. 5. Надежность машин. Том IV-3. Энциклопедия «Машиностроение» / Под ред. В.В. Клюева, А.П. Гусен- кова. М.: Машиностроение. 2001. 592 с.
Глава 2. НАЦИОНАЛЬНЫЕ И МЕЖДУНАРОДНЫЕ НОРМЫ ПО АТТЕСТАЦИИ СПЕЦИАЛИСТОВ НК 2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Американские нормы (инструкция SNT-TC-1A) бы- ли сформулированы в конце 60-х годов XX в. и в на- стоящее время широко используются в США, Европе и азиатских странах. С середины 80-х годов начата работа по созданию международного стандарта ИСО 9712 по аттестации специалистов НК, редакция которого была окончательно принята в 1991 г. Новый европейский стандарт EN 473, описывающий систему аттестации пер- сонала, проводящего НК, включил в себя большую часть содержания ИСО 9712. Его нормы в области подготовки и аттестации специалистов являются обязательными для 18 стран Европы. Развитие рыночных отношений в мире и, в частно- сти, между США, странами ЕС и Российской Федераци- ей требуют гармонизации аттестационных критериев по отношению к квалификации специалистов НК, и поэто- му знание указанных выше норм полезно специалистам предприятий, вступающих в рыночные отношения с иностранными партнерами. Ниже приводится ряд определений, принятых в инструкции SNT-TC-1A:1996, стандартах ИСО 9712 и EN 473:2000. Квалификация - это подтверждение образования, специальных знаний, навыков, опыта и физической при- годности, позволяющих персоналу технически грамотно проводить НК. Аттестация {сертификация) на соответствие - процесс, который служит для подтверждения квалифи- кации специалистов по НК при работе их в определен- ном секторе промышленности, который завершается вы- дачей удостоверения компетентности (сертификата, сви- детельства). Система аттестации - система, которая имеет свои собственные правила технологического процесса по осуществлению аттестации на соответствие. Удостоверение {сертификат) - документ, выдан- ный в соответствии с нормами аттестационной системы и удостоверяющий, что данный человек является компе- тентным в выполнении определенных работ. Кандидат на аттестацию - это лицо, ходатайст- вующее об аттестации и работающее под контролем ат- тестованного персонала с целью накопления опыта по данной квалификации. Кандидаты могут работать само- стоятельно. Независимый аттестационный орган (сертифици- рующая инстанция) - орган, который проводит аттеста- цию персонала на соответствие. Уполномоченный орган - орган, который уполномо- чен независимым аттестационным органом подготавли- вать и проводить экзамены по квалификации персонала. Экзаменационный центр - центр, который признан непосредственно независимым аттестационным органом или через уполномоченный орган и предназначен для проведения квалификационных экзаменов. Экзаменаци- онный центр может находиться в ведении работодателя (предприятие, в котором работает кандидат). Квалификационный экзамен - экзамен, которым ру- ководит независимый аттестационный орган или уполно- моченный орган и который выявляет общие и специаль- ные знания, а также практические навыки кандидатов. Промышленный сектор - это определенная отрасль промышленности или вид техники, где используются специалисты по НК. Промышленный сектор может отно- ситься к объекту контроля {ОК) (сварное соединение, отливка и. т.п.) или отрасли промышленности (авиация, нефтехимия). Лица, аттестуемые согласно американским и евро- пейским нормам, должны получить в соответствии со своей квалификацией один из трех уровней (разрядов). I уровень. Лицо, аттестуемое по 1 уровню, должно иметь квалификацию, позволяющую проводить НК по инструкции под контролем персонала II и III уровней. Специалист этого уровня должен уметь: а) настраивать и регулировать приборы; б) проводить НК; в) записывать результаты контроля и проводить их оценку на основа- нии заданных оценочных критериев; г) составлять отчет о полученных результатах. Этот специалист не может отвечать ни за выбор ме- тода и средств НК, ни за оценку результатов НК. II уровень. Специалист, аттестованный по II уров- ню, должен иметь квалификацию, позволяющую руко- водить НК по утвержденным инструкциям. Он должен: а) правильно выбрать средства для проведения НК; б) знать возможности того или иного метода НК; в) по- нимать стандарты по НК и правила контроля (специфи- кации), относящиеся к практике его работы; г) налажи- вать приборы; д) осуществлять контроль и наблюдение за ним; е) представлять результаты НК и проводить их оценку по стандартам, другим нормативным документам и правилам контроля (ПК); ж) составлять письменные инструкции по НК; з) выполнять и контролировать всю работу специалистов I уровня; и) документировать ре- зультаты НК. Здесь и далее под инструкцией понимается пись- менное описание последовательных этапов проведения НК согласно нормативным документам, а под ПК {спе- цификацией) - письменное описание всех основных па- раметров и операций, которых необходимо придержи- ваться при выполнении НК, соблюдая нормативы и стандарты.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 31 III уровень. Специалист, аттестованный по III уровню, должен уметь управлять любой работой в НК. Он, в частности, несет ответственность за персонал и выбор средств для проведения НК, использование и совершенствование этих средств, за разработку стандар- тов, спецификаций и инструкций. Специалист этого уровня должен уметь: а) давать правильную оценку и интерпретацию результатов НК; б) знать возможности различных методов НК и использовать их для контроля продукции; в) руководить работой персонала с уровнями ниже III; г) иметь достаточный практический опыт рабо- ты с используемыми в современном производстве мате- риалами и технологиями изготовления изделий с тем, чтобы правильно выбрать метод НК, усовершенствовать технику и содействовать составлению критериев годно- сти продукции. Указанные выше национальные и международные нормы по аттестации персонала в НК определяют квали- фикацию специалиста с помощью пяти признаков: 1) профессионального обучения; 2) практического опыта работы в НК; 3) физической пригодности; 4) прохождения курса обучения; 5) сдачи квалификационных экзаменов. Для каждого из этих признаков в отношении метода проверки и уровня квалификации устанавливаются ми- нимальные требования, например, в продолжительности практической работы по конкретному виду НК, сроку обучения для I и II уровней, минимальному количеству вопросов на квалификационном экзамене и минималь- ному результату, который необходимо достичь на экза- мене. Если специалист выполнил все условия, то он мо- жет рассчитывать на подтверждение достигнутой квали- фикации. Все известные важнейшие нормы по аттестации персонала практически совпадают по требованиям к признакам квалификации, но расходятся в определении сертифицирующей инстанции. Американские нормы согласно инструкции SNT-TC-1A определяют для лица (кандидата), подлежа- щего аттестации, предприятие1 (работодателя) в качестве сертифицирующей инстанции. Европейские нормы по EN 473 и международный стандарт ИСО 9712 в качестве сертифицирующей ин- станции определяют внепроизводственный аттестацион- ный орган. Аттестация предприятием имеет наибольшее рас- пространение в мире, и соглашения по ней до настояще- го времени осуществляются по контрактам между изго- товителем и заказчиком в таких отраслях промышленно- сти, как авиационная, машиностроительная и т.п. Это обусловлено следующими причинами. 1. Для предприятий, у которых заказчик требует ат- тестаты на персонал, проще и дешевле осуществить его аттестацию непосредственно на предприятии. 2. Аттестация на предприятии тесно связана с прак- тической работой специалиста на конкретном рабочем 1 Предприятие (работодатель) - общество, частные или общественные организации, предоставляющие персоналу зар- плату, пособие, содержание, гонорар или осуществляющие другие виды социальных услуг за проделанную работу. месте. Например, если просвечивание объектов контроля осуществляется на предприятии только с использовани- ем рентгеновской техники, нет необходимости обучать персонал работе с гамма-дефектоскопами. К предприятию (работодателю) как к сертифици- рующей инстанции предъявляются два важнейших тре- бования. Оно должно: 1) письменно изложить свою программу сертифи- кации, т.е. составить так называемое «written practice»; 2) располагать знающим свое дело персоналом для проведения сертификации, т.е. иметь по крайней мере одного экзаменатора с уровнем квалификации III. Сертифицирующая инстанция согласно Евростан- дарту должна иметь руководителя и компетентный пер- сонал для выполнения своих задач. Она должна описать свою собственную систему аттестации в своем стандарте (вместо «written practice») и располагать документиро- ванной системой обеспечения качества, которая излага- ется в Руководстве по обеспечению качества. Хотя согласно EN 473 выдача сертификата осуще- ствляется вне предприятия, отнюдь не верно заключение, что работодатель исключается из процесса сертифика- ции. Чтобы выдать компетентное заключение, сертифи- цирующей инстанции приходится сотрудничать с рабо- тодателем, который, по меньшей мере, должен дать под- тверждение о профессиональном опыте и физической пригодности кандидата. Кроме того, сертификат, полу- ченный вне предприятия, автоматически не дает права использовать специалиста на предприятии по соответст- вующему профилю, что имеет место при сертификации работодателем. Предприятие должно «специализиро- вать» контролера для проведения им конкретного вида деятельности по НК. Для подобной специализации могут потребоваться последующие производственные квалификационные мероприятия, если подтверждение сертифицирующей инстанции недостаточно для работодателя (очень специ- фичные виды продукции, техника проверки, аппаратура, требования клиента). Тем самым для европейского стан- дарта EN 473 характерно тесное сотрудничество между сертифицирующей инстанцией и работодателем. По евростандарту самой сертифицирующей ин- станции в принципе нужно провести только завершаю- щий процесс сертификации. Все остальные виды дея- тельности она может делегировать, т.е. поручать другим инстанциям. Прямо или косвенно многие аттестацион- ные мероприятия могут, таким образом, проводиться работодателем. Но, если даже работодатель в последую- щем оставляет в своих руках значительную долю видов деятельности по аттестации, сертифицирующая инстан- ция остается ответственной за все аттестационные меро- приятия. Так, она должна убедиться в надлежащем выполне- нии делегированных предприятию видов деятельности, вести всю подшивку документов по проходящим серти- фикацию лицам, выдавать сертификаты и разрешать дея- тельность этих инстанций (делегирование полномочий). Делегированные полномочия даются экзаменационным центрам и уполномоченным по приему экзаменов (экза- менаторам).
32 НАЦИОНАЛЬНЫЕ И МЕЖДУНАРОДНЫЕ НОРМЫ ПО АТТЕСТАЦИИ СПЕЦИАЛИСТОВ НК 2.2. КВАЛИФИКАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К СПЕЦИАЛИСТАМ I И II УРОВНЕЙ Минимальные требования к продолжительности практической работы по конкретному виду НК и сроку обучения представлены в табл. 1 и 2. Все международные сборники регламентирующих актов по квалификации персонала по НК разделяют ква- лификационные экзамены на три вида: общие, специаль- ные и практические, включающие, как правило, один определенный вид НК, используемый в одном или не- скольких промышленных секторах. Общие и специальные экзамены сдаются в пись- менной форме. Практический экзамен по своей продол- жительности, степени сложности и объему должен вы- явить способность кандидата применить на практике свои навыки в выполнении конкретного вида НК. Общий экзамен включает вопросы, отобранные по случайному принципу из актуальных задач, утвержден- ных аттестационным органом. Специальный экзамен - вопросы на знание оборудо- вания, действующих методик НК, с которыми может встретиться специалист при работе в данном промыш- ленном секторе. 1. Минимальные требования к продолжительности практической работы (в месяцах) по конкретному виду НК для специалистов I и II уровней Вид контроля Обозначение Уровень I Уровень II по нормам SNT-TC-1A EN 473 SNT-TC-1A EN473 Акустико-эмиссионный АТ 3 6 9 12 Вихретоковый ЕТ 3 3 9 9 Капиллярный РТ 1 1 2 3 Магнитопорошковый мт 1 1 3 3 Радиационный RT 3 3 9 9 Ультразвуковой ит 3 3 9 9 Течеискание LT 1 3 2 9 Визуальный VT 1 1 2 3 Примечание. Здесь под продолжительностью практической работы понимается работа под руководством специали- ста с более высоким уровнем квалификации. 2. Минимальные требования к специалистам I и II уровней к сроку обучения (в часах) Вид контроля Уровень I Уровень II по нормам SNT-TC-1A1* EN 4732’ SNT-TC-1A1’ EN 4732* АТ 40 40 40 64 ЕТ 48 40 24 40 РТ 4 16 8 24 МТ 12 16 8 24 RT 39 40 ’ 40 80 ит 40 40 40 80 LT 40 40 24 80 VT 8 16 16 24 Программа обучения должна соответствовать требованиям работодателя. 2* Программа обучения должна соответствовать требованиям независимого аттестационного органа.
КВАЛИФИКАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К СПЕЦИАЛИСТАМ III УРОВНЯ 33 3. Минимальное число вопросов на общем и специальном экзаменах Уровень I Уровень II Вид контроля по нормам SNT-TC-1A EN 473 SNT-TC-1A EN 473 Общий экзамен АТ 40 40 40 40 ЕТ 40 40 40 40 РТ 30 30 30 30 мт 30 30 30 30 RT 40 40 40 40 ит 40 40 40 40 LT 30 30 30 30 VT 30 30 30 30 Специальный экзамен АТ 20 20 20 20 ЕТ 20 20 20 20 РТ 20 20 20 20 МТ 20 20 20 20 RT 20 20 20 20 ит 20 20 20 20 LT 20 20 20 20 VT 20 20 20 20 Примечание. Если специальный экзамен сдается в рамках двух и более промышленных секторов, то число вопро- сов для каждого следующего сектора возрастает на 5. Вопросы по случайному принципу выбирает атте- стационный орган. Минимальное число вопросов к кан- дидату на общем и специальном экзаменах дано в табл. 3. Общий экзамен оценивается отдельно от специаль- ного, поэтому для аттестации в другом промышленном секторе кандидат не сдает заново общий экзамен. Отсю- да следует, что оценки общего экзамена сохраняются для всех промышленных секторов. Общая оценка квалификационного экзамена рас- считывается по формуле АГ = 0,25л£+ 0,25л5 + 0,5ло, где ng - оценка общего экзамена; ns - оценка специаль- ного экзамена; пр - оценка практического экзамена. Для аттестации кандидат должен на каждом экзаме- не получить по меньшей мере 70 % и общую оценку N по меньшей мере 80 %. 2.3. КВАЛИФИКАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К СПЕЦИАЛИСТАМ III УРОВНЯ В табл. 4 указаны минимальные требования, предъ- являемые к срокам приобретения опыта кандидатами на III уровень в зависимости от их образования. Все кандидаты на III уровень по тому или иному виду НК должны успешно (с оценкой не менее 70 %) сдать практический экзамен по II уровню этого вида контроля. Согласно EN 473 подготовка к сдаче квалификаци- онного экзамена на III уровень может происходить по- разному: от самостоятельного изучения учебных мате- риалов и пособий и специальной периодики до усвоения нужного материала на тех или иных курсах. По EN 473 квалификационные экзамены на III уровень, как и на другие уровни, должны состоять из базового (проверка основополагающих знаний в области НК), специального (проверка знаний основного вида НК) и практического экзаменов и включать, как правило, один определенный вид НК, используемый в одном или нескольких промышленных секторах. Все экзамены на III уровень выполняются в письменной форме. 4. Минимальные требования, предъявляемые к срокам приобретения опыта кандидатами на III уровень Уровень общего образования Опыт работы, месяцы Допуск канди- дата, имеюще- го II уровень квалификации, к III уровню Успешное окончание (присвое- ние степени) или по меньшей мере 3 года обучения в научном или техническом высшем учеб- ном заведении или университете 12 Окончание техникума или по меньшей мере 2 года обучения в научном или техническом высшем учебном заведении 24 Отсутствие упомянутого выше образования 48 Прямой допуск к III уровню. Кандидат должен сдать практический экзамен по указанному методу по II уровню Окончание (присвоение степе- ни) или по меньшей мере 3 года обучения в научном или техни- ческом высшем учебном заве- дении или университете 48 Окончание техникума или по меньшей мере 2 года обучения в научном или техническом высшем учебном заведении или университете 48 Отсутствие указанного выше образования 72 3 — 7387
34 НАЦИОНАЛЬНЫЕ И МЕЖДУНАРОДНЫЕ НОРМЫ ПО АТТЕСТАЦИИ СПЕЦИАЛИСТОВ НК Цель базового экзамена состоит в том, чтобы по- казать, что кандидат: 1) владеет техническими знаниями в области мате- риаловедения; 2) знает квалификационную и аттестационную сис- темы, определяемые евростандартом и/или американ- скими нормами; 3) обладает знаниями в рамках специалиста II уров- ня по меньшей мере по четырем видам НК, перечислен- ным в табл. 1. В эти четыре вида в обязательном порядке включается вид, по которому аттестуется кандидат, а также радиационный (RT) или ультразвуковой (UT) виды НК. В соответствии с нормами EN 473 и SNT-TC-1A по стандартам некоторых аттестационных органов экзамены по проверке основополагающих знаний состоят из части А, которая содержит нормы по квалификации персонала в НК и вопросы по материаловедению, обработке материа- лов и дефектности продукции, и части В (табл. 5), которая содержит вопросы из сборника вопросов для общего эк- замена на II уровень по всем видам НК, перечисленным в табл. 1. Примеры вопросов по частям А1 и В даны в При- ложении. Все вопросы базового экзамена имеют выбо- рочные ответы, и экзаменующиеся должны отличить (отметить) правильный ответ. Специальный экзамен (С) содержит вопросы по проверке (табл. 6): а) основных знаний по виду НК, по которому аттестуется кандидат; б) знаний по использо- ванию данного вида НК в конкретном промышленном секторе. Вопросы по части С1 и половины части С2 должны иметь выборочный ответ. Остальные вопросы части С2 могут иметь свободно формулируемый письменный ответ. 5. Структура базового экзамена по частям А и В Часть Тема Число вопросов А1 Технические знания по материало- ведению и технологии 25 А2 Знание системы квалификации и сертификации сертифицирующего органа, основанной на данном стандарте. На этом экзамене до- пустимо пользоваться вспомога- тельными материалами 10 В Общие знания по меньшей мере четырех методов, как это требуется для уровня И, по выбору претен- дента. По меньшей мере один из четырех методов должен быть ультразвуковым или радиографи- ческим 15 для каж- дого метода (в сумме 60) 6. Структура специального (разделы С1 и С2) и практического экзаменов (СЗ) на III уровень квалификации по какому-либо виду НК Часть Тема Число вопросов С1 Знания по уровню III по выбран- ному методу контроля 30 С2 Применение метода НК по соот- ветствующему промышленному сектору, включая используемые стандарты, нормы и технические условия. На этом экзамене допус- тимо использование таких вспомо- гательных материалов, как стан- дарты, нормы и технические усло- вия 20 СЗ Проект описания одного или не- скольких методов НК по соответ- ствующему промышленному сек- тору. Применяемые стандарты, нормы и технические условия должны быть в распоряжении пре- тендента - Для сдачи практического экзамена необходимо разработать правила контроля (ПК) (спецификацию), включающие письменное описание всех основных пара- метров и операций, которые выполняются при использо- вании техники НК для контроля объектов, относящихся к данному промышленному сектору согласно установ- ленным нормативам и стандартам. Оценка по проверке основополагающих знаний и знаний основного метода проводится раздельно. Общая оценка по проверке основополагающих знаний рас- считывается по формуле NB = 0,5пА + 0,5лд, где пА - оценка за часть А \ пв - оценка за часть В. Для успешной сдачи этих экзаменов кандидат дол- жен получить по меньшей мере 70 % за любую часть и общую оценку Ns по меньшей мере 80 %. Общая оценка NE по проверке знаний основного вида НК рассчитывается по формуле № = (ЛгС1+Лгс2 + АГсз)/3, где NCb Nc2, М?з - оценки соответственно за части С1, С2иСЗ. Для успешной сдачи этого экзамена кандидат дол- жен получить по меньшей мере 70 % за каждую часть и общую оценку не менее 80 %. Для аттестации кандидат должен успешно сдать оба экзамена по проверке основополагающих знаний и зна- ний основного вида НК. Если не были получены необходимые положитель- ные результаты по отдельным частям экзамена или если в целом не был получен общий положительный резуль-
ПРИЛОЖЕНИЕ 35 тат, то в соответствии с решением экзаменатора сдачу экзамена можно пройти повторно полностью или час- тично с учетом требований по EN 473. Между первой и повторной сдачей экзамена должно пройти не менее 30 дней. Если на повторном экзамене кандидату не удалось достичь требуемого результата или с его стороны после- довало какое-либо нарушение порядка проведения экза- мена, необходимы срок ожидания 12 месяцев и полная сдача всего экзамена. 2.4. ПРЕИМУЩЕСТВА НОВОЙ ЕВРОПЕЙСКОЙ СИСТЕМЫ АТТЕСТАЦИИ EN 473 содержит ряд усовершенствований для пользователей системы, т.е. для промышленности и лиц, которые должны пройти сертификацию. Ниже дан их неполный перечень: • Для экзаменов 1 и II уровней были установлены так называемые факторы важности, благодаря которым прак- тическая часть экзамена имеет большой вес в общем ре- зультате. Практическая часть в соответствии с этим входит в общий результат с долей в 50 %, т.е. имеет такое же зна- чение, как и письменные части экзамена. Это дает значи- тельное преимущество дефектоскопистам-практикам. • Если не выдержан квалификационный экзамен, то при известных обстоятельствах нет необходимости в полной его повторной сдаче. При известных условиях повторная сдача может быть выполнена по частям - там, где не был достигнут положительный результат. • Для специалистов I и II уровней не обязательно обновлять сертификат каждые три года, так как для спе- циалистов всех уровней действителен 5-летний срок действия сертификата, по истечении которого следует переаттестация (см. табл. 7). • Для повторной полной аттестации спустя 10 лет после аттестации (см. табл. 8) необходима новая сдача экзамена, который может быть значительно сокращен по объему. Так, для специалистов I и II уровней достаточна сдача практического экзамена. • Сертификат в значительной степени защищен от подделки, так как он изготавливается в виде удостовере- ния с фотографией. • Сфера действия сертификата распространяется не только на вид НК и уровень квалификации, но и на сек- тор промышленности. При смене рабочего места в пре- делах сектора промышленности сертификат сохраняет свое действие. Если новое рабочее место находится в секторе промышленности вне сферы системы сертифи- ката, необходима повторная сдача только специального и практического экзаменов. 7. Сроки действия сертификатов (лет) Нормы. Уровень I или II Уровень III SNT-TC-1A 3 5 EN 473 5 5 8. Нормы обновления сертификатов Нормы I период 11 период SNT-TC-1A Е или Р Е или Р EN473 Е Р Примечания. 1. Под периодом подразумевается интервал времени в течение 3 или 5 лет (см. табл. 7). 2. Символом Е обозначена переаттестация специалиста, т.е. обновление сертификата на основании только подтвер- ждения деятельности в данном виде НК. 3. Символом Р обозначена повторная переаттестация, т.е. обновление сертификата на основании нового экзамена. 2.5. ПРИЛОЖЕНИЕ Перечень примерных вопросов по части А1 квалификационного экзамена на III уровень 1. Рванины в металлопродукции могут возникать вследствие: А - пониженной пластичности материала при де- формации; В - малой теплопроводности материала; С - вдавливания подреза; D - напряжений, вызванных структурными превращениями в твердом или хрупком металле. 2. Закаты в металлопродукции могут возникать вследствие: А - вдавливания подреза или уса; В - направленной подачи металла в калибр; С - напряжений, вызванных структурными превращениями в твердом или хрупком металле; D - раскатки заливок или брызг на поверхности слитка или литой заготовки. 3. Флокены - это: А - полости, незаполненные металлом; В - каналы в литом металле; С - тонкие разветвленные трещины раз- личных размеров; D - группа мелких пор. 4. Почти все операции термической обработки ста- ли связаны с нагревом до температур, при которых сталь полностью или частично переходит в состояние: А - перлита; В - цементита; С - аустенита; D - ле- дебурита. 5. Отпуск ОК из стали проводят при температуре выше: А - 1050 °C; В - 930 °C; С - 450 °C; D - 330 °C. 6. Чугун - сплав железо - углерод с содержанием углерода: А-1 ...2%;В-2 ... 3%;С-3 ... 4,5 %; D-4,5 ... 6%. 7. По внешнему виду холодная и горячая трещины в отливках: А - не отличаются; В - холодная трещина - светлая в изломе, горячая - темная; С - холодная трещина - тем- ная в изломе, а горячая - светлая; D - ни одно из пере- численного выше.
36 НАЦИОНАЛЬНЫЕ И МЕЖДУНАРОДНЫЕ НОРМЫ ПО АТТЕСТАЦИИ СПЕЦИАЛИСТОВ НК 8. Способ литья по выплавляемым моделям обычно используют при изготовлении: А - лопаток турбин; В - труб; С - корпусов; D - колес. 9. К основным операциям ковки относят: А - осадку; В - протяжку; С - прошивку; D - все перечисленное. 10. Отклонение формы поверхности при отношении где S - шаг неровностей; Н - высота неровностей, назы- вают: А - макрогеометрическим отклонением; В - шеро- ховатостью поверхности; С - волнистостью поверхно- сти; D - ни одним из перечисленного. Перечень примерных вопросов по части В квалификационного экзамена на III уровень BL Радиационный контроль (RT) 1. Монохроматическим пучком рентгеновского из- лучения называется: А - узкий пучок излучения; В - широкий пучок из- лучения; С - пучок излучения в узком диапазоне длин волн; D - пучок характеристического излучения. 2. Для радиографии стального ОК толщиной около 175 мм в качестве радиационного источника, вероятнее всего, был бы взят: А - тулий-170; В - иридий-192; С - цезий-137; D - кобальт-60. 3. Удельная активность радионуклидного источника измеряется в: А - распадах/мин; В - МэВ; С - Р/ч; D - Ки/ч. 4. При взаимодействии с мишенью ускоренных электронов кинетическая энергия их трансформируется главным образом в энергию: А - первичного рентгеновского излучения; В - тор- мозного излучения; С - характеристического излучения; D - тепловую. 5. Гамма-постоянная источника на основе кобальта- 60 равна 13,5 (Р • см2)/(мКи • ч). Чему равна мощность экспозиционной дозы на расстоянии 1 м от источника на основе этого радионуклида активностью 2 Ки ? А - 0,27 Р/ч; В - 2,7 Р/ч; С - 27 Р/ч: D - 270 Р/ч. 6. В непосредственной близости от окна рентгенов- ской трубки иногда устанавливаются фильтры. Это при- водит к следующему: А - поглощению в основном мягкой компоненты рабочего пучка излучения; В - повышению интенсивно- сти потока фотонов в рабочем пучке за счет вторичного излучения; С - поглощению в основном жесткой компо- ненты рабочего пучка излучения; D - уменьшению сред- ней энергии первичных фотонов в рабочем пучке излу- чения. 7. Рентгеновские пленки, содержащие зерна галоге- нида серебра достаточно малых размеров, по сравнению с пленками, содержащими крупные зерна, имеют: А - более высокую светочувствительность; В - меньшую нерезкость преобразования; С - большую зер- нистость; D - более высокую плотность почернения при одной и той же экспозиции. 8. Наиболее резкое изменение поглощающей спо- собности ОК вызывает изменение: А - толщины ОК; В - плотности ОК; С - атомного номера материала OK; D - модуля Юнга материала ОК. 9. Увеличение энергии фотонного излучения: А - значительно снижает средний градиент характе- ристической кривой; В - значительно повышает средний градиент характеристической кривой; С - увеличивает крутизну характеристической кривой; D - оказывает не- значительное влияние на форму характеристической кривой. 10. Максимальная практическая скорость переме- щения ОК при рентгенотелевизионном контроле оцени- вается значением: А - 18 м/с; В - 10 см/с; С - 30 см/с; D - 1 см/с. В2. Магнитопорошковый контроль (МТ) 1. Магнитопорошковый метод НК не гарантирует выявление несплошностей, направление которых состав- ляет угол более ..., с направлением намагничивающего поля: А - 30°; В - 45°; С - 60°; D - 90°. 2. Какой способ намагничивания выполняется с ис- пользованием соленоида? А - продольное намагничивание; В - циркулярное намагничивание; С - комбинированное намагничивание; D - ни один из упомянутых. 3. Что из перечисленного ниже может привести к ложным индикаторным следам? А - переход одного сечения ОК в другое; В - со- единение разнородных материалов; С - контакт с други- ми ферромагнитными материалами; D - все перечислен- ное выше. 4. Индикации в виде широких групп мелких и па- раллельных осаждений вызваны: А - переходом одного сечения ОК в другое; В - со- единением разнородных металлов; С - контактом с дру- гими ферромагнитными материалами или магнитом; D - избыточным намагничивающим полем. 5. Максимальная сила поля при намагничивании трубы с помощью центрального проводника достигается: А - на концах трубы; В - на внешней поверхности трубы; С - на внутренней поверхности трубы; D - в се- редине стенки трубы. 6. Содержание углерода в стали влияет на магнит- ные свойства материала. Повышение углерода способст- вует: А - повышению магнитной проницаемости и коэр- цитивных сил; В - снижению магнитной проницаемости
ПРИЛОЖЕНИЕ 37 и коэрцитивных сил; С - повышению магнитной прони- цаемости и снижению коэрцитивных сил; D - повыше- нию магнитной проницаемости и повышению коэрци- тивных сил. 7. Для магнитной восприимчивости материалов от- носительная магнитная проницаемость является основ- ным параметром. ОК можно контролировать с использо- ванием магнитопорошкового метода, если их относи- тельная магнитная проницаемость не менее: А - 1; В - 10 ... 30; С - 40 ... 100; D - 1000. 8. Какие трещины могут быть идентифицированы оптимально при условии использования магнитного по- рошка с размером частиц около 100 мкм? А - широкие трещины на поверхности; В - очень узкие трещины на поверхности; С - узкие трещины вблизи поверхности; D - пора размером около 2 мм под поверхностью. 9. Какая последовательность действий оптимальна при контроле магнитопорошковым методом круглых сплошных объектов? А - циркулярное намагничивание - продольное размагничивание с использованием соленоида и тока частотой 10 Гц; В - циркулярное намагничивание - про- дольное размагничивание с использованием соленоида и тока частотой 50 Гц; С - продольное намагничивание - циркулярное размагничивание с использованием тока частотой 10 Гц; D - продольное намагничивание - цир- кулярное размагничивание с использованием тока часто- той 50 Гц. 10. Как называются материалы, которые слабо от- талкиваются от магнита? А - парамагнитными; В - ферромагнитными; С - диамагнитными; D - немагнитными. ВЗ. Ультразвуковой контроль (UT) 1. Метод измерения толщины ОК, при котором ис- пользуются ультразвуковые волны с изменяющейся час- тотой, называется: А - эхо-методом; В - магнитострикционным мето- дом; С - резонансным методом; D - теневым методом. 2. Какой тип ультразвуковых колебаний имеет наи- меньшую длину волны при условии равенства частоты и идентичности материала? А - продольные волны; В - поперечные волны; С - поверхностные волны; D - нормальные волны. 3. Поперечные волны чаще всего используются для: А - обнаружения дефектов в тонких листах; В - об- наружения дефектов в сварных швах; С - обнаружения дефектов в литых OK; D - измерения толщины ОК. 4. Большинство портативных эхо-дефектоскопов используют для индикации развертки типа: А - Л ; В - В; С - С; D - никакого из перечисленных. 5. Угол падения ультразвуковой волны, при кото- ром угол преломления составляет 90°, называется: А - первым углом падения; В - критическим углом падения; С - углом минимального отражения; D - вто- рым углом падения. 6. По мере увеличения частоты ультразвука угол, характеризующий раскрытие основного лепестка диа- граммы направленности: А - монотонно уменьшается; В - остается неизмен- ным; С - монотонно увеличивается; D - значение угла нерегулярно. 7. Из пьезоматериалов наиболее часто используется: А - кварц; В - цирконат-титанат свинца; С - ниобат лития; D - литан-ниобат свинца. 8. В каком материале скорость распространения ультразвука будет наибольшей? А - воде; В - железе; С - алюминии; D - стекле. 9. На сколько нужно поднять чувствительность де- фектоскопа, если диаметр дефекта типа тонкого диска и его глубина в ОК увеличились в два раза? А - на 0 дБ; В - на 6 дБ; С - на 9 дБ; D - на 12 дБ. 10. На сколько нужно поднять чувствительность дефектоскопа, если диаметр дефекта типа линейной про- тяженной поры и его глубина в ОК увеличились в два раза? А - на 3 дБ; В - на 6 дБ; С - на 9 дБ; D - на 12 дБ. В4. Капиллярный контроль (РТ) 1. Какой тип дефекта нельзя обнаружить, используя капиллярный вид контроля? А - межкристаллическую коррозию; В - внутрен- ние ковочные разрывы; С - поверхностные трещины; D - поверхностные закаты. 2. Какой из перечисленных ниже факторов влияет на скорость и объем внедрения пенетранта в трещины и другие мелкие дефекты? А - твердость ОК; В - состояние поверхности ОК; С - цвет пенетранта; D - проводимость ОК. 3. Если на поверхности ОК появилась округлая ин- дикация, то в ОК имеется: А - усталостная трещина; В - пора; С - горячая трещина; D - закат. 4. Что из перечисленного ниже может вызвать лож- ную индикацию? А - избыточная промывка; В - неправильное нане- сение проявителя; С - грязь; D - слишком холодный ОК. 5. Проявитель способствует лучшему обнаружению цветной индикации за счет: А - его сушки; В - формирования цветового кон- трастного фона; С - эмульгирования извлекаемого пе- нетранта; D - формирования яркостного контрастного фона. 6. При выполнении капиллярного контроля объек- тов из аустенитных сталей в дефектоскопических мате- риалах не должно содержаться больших количеств: А - углерода; В - масла; С - хлора; D - люминес- центных веществ. 7. Поверхностная трещина обычно проявляется в виде: А - округлой индикации; В - непрерывной прямой или ломаной линии; С - пятен произвольной формы; D - ничего из перечисленного.
38 НАЦИОНАЛЬНЫЕ И МЕЖДУНАРОДНЫЕ НОРМЫ ПО АТТЕСТАЦИИ СПЕЦИАЛИСТОВ НК 8. Пенетрант, нанесенный на поверхность ОК: А - втягивается в несплошности за счет сил поверх- ностного натяжения; В - втягивается в несплошности за счет создания избыточного давления на поверхность ОК; С - вдавливается в несплошность; D - проникает в не- сплошности под действием гравитационных сил. 9. Промежуток времени между окончанием подго- товки ОК к контролю и нанесением индикаторного пе- нетранта не должен превышать: А - 10 мин; В - 30 мин; С - 1 ч; D - 2 ч. 10. Пенетрант выдерживают на поверхности ОК не менее: А - 1 мин; В - 5 мин; С - 15 мин; D - 30 мин. В5. Вихретоковый контроль (ЕТ) 1. Понижение проводимости материала ОК эквива- лентно: А - повышению магнитной проницаемости; В - по- вышению удельного сопротивления; С - понижению удельного сопротивления; D - понижению магнитной проницаемости. 2. Импеданс катушки обычно изображают в виде суммы векторов: А - индуктивного сопротивления и активного со- противления; В - емкостного сопротивления и активного сопротивления; С - индуктивного сопротивления и емко- стного сопротивления; D - индуктивного сопротивления, емкостного сопротивления и активного сопротивления. 3. Если ток в катушке изменит свое направление, то направление вихревых токов в ОК: А - останется неизменным; В - изменит направле- ние на обратное; С - будет сдвинуто на 90° от первона- чального; D - будет сдвинуто на 60° от первоначального. 4. Объектами вихретокового контроля не могут быть: А - металлы; В - полупроводники; С - сплавы; D - диэлектрики. 5. Влияние толщины ОК на точность оценки прово- димости его материала можно понизить: А - увеличением частоты зондирующего ОК элек- тромагнитного поля; В - уменьшением частоты зонди- рующего ОК электромагнитного поля; С - уменьшением коэффициента заполнения; D - В и С. 6. Если пруток диаметром 12 мм контролируется с использованием катушки диаметром 17 мм, то коэффи- циент заполнения равен: А - 0,4; В - 0,5; С - 0,6; D - 0,8. 7. Амплитудный способ выделения информации при вихретоковом контроле целесообразно применять при: А - оценке диаметра прутков; В - оценке толщины диэлектрических покрытий; С - контроле удельной элек- трической проводимости; D - А и В. 8. Повысить отношение сигнал/шум при контроле дефектности ферромагнитных ОК можно: А - поместив ОК в сильное электрическое поле; В - поместив ОК в сильное магнитное поле; С - вариа- цией рабочей частоты вихретокового преобразователя (ВТП); D - вариацией зазора между ОК и ВТП. 9. Порог чувствительности вихретоковых дефекто- скопов оценивают размером дефекта заданной формы при отношении сигнал/шум, равном: А - 1; В-2; С - 3; D - 4. 10. При измерении толщины диэлектрика на прово- дящем основании целесообразно: А - частоту ВТП выбирать в пределах менее 1 МГц; В - частоту ВТП выбирать в пределах 1 ... 20 МГц; С - в качестве информационного параметра сигнала ВТП использовать амплитуды напряжений; D - В и С. Вб, Течеискание (LT) 1. Степень герметичности: А - качественная характеристика герметичности; В - количественная характеристика герметичности; С - параметр геометрии канала, нарушающий герметич- ность; D - это понятие не имеет физического смысла. 2. При молекулярном режиме течения газа число Кнудсена: А - менее 0,001; В - менее 0,01; С - лежит в преде- лах от 0,01 до 0,1; D - более 1. 3. Проводимость - это отношение потока газа к: А - разности давлений, измеряемых у выхода и входа в канал; В - разности квадратов давлений, изме- ряемых у выхода и входа в канал; С - квадрату давлений; D - давлению у входа в канал. 4. Проводимость измеряется в: А - м3 • Па/с; В - м3/с; С - Вт/Па; D - В и С. 5. Пробное вещество - это: А - только гелий; В - только аргон; С - только воз- дух; D - вещество, проникновение которого через течь обнаруживается в процессе контроля. 6. При молекулярном режиме течения проводи- мость: А - не зависит от разности давлений, измеряемых у выхода и входа в канал; В - прямо пропорциональна разности давлений, измеряемых у выхода и входа в ка- нал; С - прямо пропорциональна квадрату разности дав- лений, измеряемых у выхода и входа в канал; D - обрат- но пропорциональна разности давлений, измеряемых у выхода и входа в канал. 7. При вязкостном режиме течения проводимость: А - прямо пропорциональна сумме давлений, изме- ряемых у выхода и входа в канал; В - прямо пропорцио- нальна разности давлений, измеряемых у выхода и входа в канал; С - прямо пропорциональна разности квадратов давлений, измеряемых у выхода и входа в канал; D - прямо пропорциональна квадрату разности давлений, измеряемых у выхода и входа в канал. 8. Кипение жидкостей в капиллярах происходит: А - при той же температуре, что и в нормальных условиях; В - при более низких температурах, чем в
ЛИТЕРАТУРА 39 нормальных условиях; С - при более высокой темпера- туре, чем в нормальных условиях; D - не происходит кипения. 9. Предельный порог чувствительности (м3 • Па/с) галогенного метода контроля герметичности около: А - 1 • 10'4; В - 1 • 10'6; С - 1 • IO’8; D - 1 • 1О'10. 10. Давление выше 104 Па измеряют с помощью: А - механических манометров; В - термоэлектриче- ских манометров; С - ионизационных манометров; D - В и С. В7. Визуальный контроль (VT) 1. Когерентные волны - это волны: А - с постоянной разностью фаз; В - с одинаковой интенсивностью; С - с одинаковой частотой. 2. Явления, обусловленные зависимостью показате- лей преломления вещества от длины волны света, назы- ваются: А - дифракцией; В - интерференцией; С - диспер- сией; D - монохроматизацией. 3. При длине волны света 550 нм монохромати- ческий лучистый поток 1 Вт эквивалентен световому потоку: А - 433 лм; В - 683 лм; С - 874 лм; D - 1008 лм. 4. Наиболее часто характер отражения света от по- верхностей объектов контроля можно оценить как: А - зеркальный; В - направленно-рассеянный; С - диффузный; D - А или С. 5. При наблюдении объектов контроля через лупу центр зрачка расположен: А - между лупой и ее задним фокусом; В-в заднем фокусе; С - между первым задним фокусом и вторым; D - в любой точке за лупой. 6. Геометрическая глубина резкости лупы зависит от: А - диаметра зрачка глаза; В - фокусного расстоя- ния лупы; С - произведения видимого увеличения лупы на фокусное расстояние; D - А и В. 7. Если глаз разрешает половину угловой минуты, то острота зрения равна: А - 0,5; В - 1,0; С - 2,0; D - 4,0. 8. Главными недостатками вольфрамовых ламп на- каливания являются низкая световая отдача (... лм/Вт); невысокая продолжительность горения (не более ... часов). А - 1 - 70 лм/Вт, ... 1000 ч; В - 10 - 20, ... 2000 ч; С-20-30, ... 3000 ч; D - 30-40, ...4000 ч. 9. При повороте зеркала на угол ф падающее на не- го оптическое излучение поворачивается на угол: А - ф/2; В - ф; С - 2ф; D - 4ф. 10. Электрическая безопасность светового прибора определяется: А - классом защиты от поражения электрическим током; В - степенью защиты от соприкосновения с токо- ведущими частями; С - электрической прочностью изо- ляции; D - всем перечисленным. ЛИТЕРАТУРА 1. Европейский стандарт EN 473:2000. Неразру- шающий контроль. Квалификация и сертификация пер- сонала неразрушающего контроля. Основные принципы. 2. Международный стандарт ISO/DIS 9712:1998. Неразрушающий контроль. Квалификация и сертифика- ция персонала. 3. Американское общество неразрушающего кон- троля ASNT. Практические рекомендации SNT-TC- 1А:1996. 4. ПБ 03-440-02. Правила аттестации персонала в области неразрушающего контроля. Госгортехнадзор России. 2002.
Глава 3. ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ 3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ При радиационном контроле используют как мини- мум три основных элемента (рис. 1): • источник ионизирующего излучения; • контролируемый объект; • детектор, регистрирующий дефектоскопическую информацию. При прохождении через изделие ионизирующее из- лучение ослабляется - поглощается и рассеивается. Сте- пень ослабления зависит от толщины 5 и плотности р контролируемого объекта, а также от интенсивности М и энергии Е излучения. При наличии в веществе внутрен- них дефектов размером Д8 изменяются интенсивность и энергия пучка излучения. Методы радиационного контроля различаются спо- собами детектирования дефектоскопической информа- ции (рис. 2) и, соответственно, делятся на радиографиче- ские, радиоскопические и радиометрические. Изделия просвечивают с использованием различ- ных видов ионизирующих излучений, классификация которых приведена на рис. 3. Рис. 1. Схема просвечивания: 1 - источник; 2 - изделие; 3 - детектор Радиографические методы радиационного НК ос- нованы на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в радиографический снимок или запись этого изображения на запоминающем устрой- стве с последующим преобразованием в световое изо- бражение. На практике этот метод наиболее широко рас- пространен в связи с его простотой и документальным подтверждением получаемых результатов. Рис. 2. Классификация методов радиационного контроля Рис. 3. Классификация источников ионизирующих излучений
РЕНТГЕНОВСКИЕ АППАРАТЫ 41 В зависимости от используемых детекторов разли- чают пленочную радиографию и ксерорадиографию (электрорадиографию). В первом случае детектором скрытого изображения и регистратором статического видимого изображения служит фоточувствительная пленка, во втором - полупроводниковая пластина, а в качестве регистратора используют обычную бумагу. В зависимости от используемого излучения разли- чают несколько разновидностей промышленной радио- графии: рентгенографию, гамма-графию, ускорительную и нейтронную радиографии. Каждый из перечисленных методов имеет свою сферу использования. Этими мето- дами можно просвечивать стальные изделия толщиной от 1 до 700 мм. Радиационная интроскопия - метод радиационно- го НК, основанный на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в световое изо- бражение на выходном экране радиационно-оптического преобразователя, причем анализ полученного изображе- ния проводится в процессе контроля. Чувствительность этого метода несколько меньше, чем радиографии, но его преимуществами являются по- вышенная достоверность получаемых результатов бла- годаря возможности стереоскопического видения дефек- тов и рассмотрения изделий под разными углами, «экс- прессность» и непрерывность контроля. Радиометрическая дефектоскопия - метод полу- чения информации о внутреннем состоянии контроли- руемого изделия, просвечиваемого ионизирующим излу- чением, в виде электрических сигналов (различной вели- чины, длительности или количества). Этот метод обеспечивает наибольшие возможности автоматизации процесса контроля и осуществления ав- томатической обратной связи контроля и технологиче- ского процесса изготовления изделия. Преимуществом метода является возможность проведения непрерывного высокопроизводительного контроля качества изделия, обусловленная высоким быстродействием применения аппаратуры. По чувствительности этот метод не уступа- ет радиографии. 3.2. РЕНТГЕНОВСКИЕ АППАРАТЫ Рентгеновским аппаратом называют совокупность технических средств, предназначенных для получения и использования рентгеновского излучения. В общем слу- чае рентгеновский аппарат состоит из трех основных частей: • рентгеновского излучателя, включающего рентге- новскую трубку, являющуюся высоковольтным электро- вакуумным прибором, заключенную в защитный кожух; • рентгеновского питающего устройства, имеющего высоковольтный генератор и пульт управления; • устройства для применения рентгеновского излу- чения, служащего для приведения в рабочее положение излучателя. Высоковольтный генератор преобразует напряже- ние сети в напряжение питания рентгеновской трубки. Высоковольтный генератор имеет: преобразователи пе- ременного тока в постоянный (кенотроны, диоды), кон- денсаторы для фильтрации и удваивания напряжения, трансформаторы накала рентгеновской трубки, транс- форматоры накала кенотронов, выключатели и защитные устройства. Контрольно-измерительная часть представляет со- бой группу приборов, которые служат для измерения и регулирования времени, тока, напряжения и частоты (ре- ле времени, измерительные приборы, прерыватели, се- лекторы, защитные приборы и т.п.). Рентгеновский излучатель (рис. 4) состоит из рент- геновской трубки и защитного кожуха, заполненного изолирующей средой: трансформаторным маслом, воз- духом или газом под давлением. Оболочка трубки пред- ставляет собой запаянный стеклянный баллон или вы- полнена по металлокерамической технологии. В рентгеновских трубках напряжением до 60 кВ только 0,1 % энергии электронного пучка преобразуется в энергию рентгеновского излучения. При напряжении 100 кВ КПД трубки увеличивается до 1 %; при 2 МэВ он достигает 10 %; при 15 МэВ - более 50 %. Рис. 4. Схема рентгеновских излучателей: а - двухполюсного; б - однополюсного
42 ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ Рис. 5. Зависимость лучевой отдачи рентгеновской трубки Рт от максимального напряжения С/тах на расстоянии 1 м от анода при токе 1 мА Лучевая отдача трубки зависит в основном от уско- ряющего напряжения и предварительной фильтрации излучения. Пользуясь графиком на рис. 5, можно под- считать мощность Р экспозиционной дозы и экспозици- онную дозу х излучения, создаваемые рентгеновской трубкой на расстоянии F от ее анода, по формулам F2 ’ Рт it • 3,6 • 107 х = —-------------- F2 где Pj - лучевая отдача трубки при напряжении t/max на расстоянии 1 м от анода; i - ток трубки, мА; t - время ра- боты трубки, ч; F - фокусное расстояние от анода труб- ки до детектора, см. С увеличением тока трубки при постоянном напря- жении увеличивается интенсивность излучения (рис. 6, а). Увеличение ускоряющего напряжения при заданном анодном токе изменяет спектр излучения со смещением максимума излучения в сторону коротких волн (рис. 6, б). Электрические свойства рентгеновской трубки ха- рактеризуются ускоряющим напряжением U, анодным током i и током накала zH (рис. 7). Рис. 6. Зависимость интенсивности рентгеновского излучения оттока (а) и напряжения (б): / - малый ток; 2 - большой ток; 3 - низкое напряжение; 4 - высокое ускоряющее напряжение Рис. 7. Электрические характеристики рентгенов- ской трубки Рис. 8. Схема формирования фокусного пятна рентгеновской трубки: 1 - сечение электронного пучка; 2 - фокальное пятно; 3 - оптический фокус; 4 - анод; 5 - сечение фокального пятна Оптические свойства рентгеновской трубки опреде- ляются формой и размерами оптического фокуса трубки. Как правило, применяют трубки с круглым или прямо- угольным (линейным) фокусом. В рентгеновских труб- ках с линейным фокусом размеры зоны, в которой элек- троны взаимодействуют с мишенью, не соответствуют размерам кажущегося фокусного пятна. Эта зона пред- ставляет собой прямоугольник, тогда как кажущееся фо- кусное пятно является квадратом (рис. 8). В радиационной дефектоскопии применяют рентге- новские трубки обычной двухэлектродной конструкции двух- и однополярные (рис. 4, а, б); специализированных конструкций: с вынесенным полым анодом (рис. 9) и с вращающимся анодом (рис. 10); импульсные (рис. 11) и высоковольтные (рис. 12). Рис. 9. Трубка с вынесенным полым анодом Рис. 10. Рентгеновская трубка с вращающимся анодом: 1 - анод; 2 - стержень анода; 3 - ротор; 4 - катод; 5 - баллон Рис. 11. Импульсная трубка: а - продольный разрез трубки; б - поперечный разрез трубки в катод- ной части; в - крепле- ние многоигольчатого анода
РЕНТГЕНОВСКИЕ АППАРАТЫ 43 Рис. 12. Высоковольтная секционированная рентгеновская трубка с полым анодом: / - катод; 2 - промежуточный электрод; 3 - полый анод; 4 - вольфрамовое зеркало; 5 - водяная рубашка; 6 - свинцовый чехол; 7 - фокусирующая катушка Импульсные рентгеновские трубки предназначены для исследования быстропротекающих процессов. Дли- тельность импульсов ~20 нс. В этих трубках за короткий промежуток времени создается ток 103 ... 105 А. Совре- менные паяные двух- и трехэлектродные импульсные трубки с холодным катодом работают по принципу ва- куумного пробоя, который развивается под действием автоэмиссии электронов, получаемых из острых краев катода под действием сильного электрического поля. Анод в таких трубках выполняется в виде вольфрамовой иглы, а катод - в виде кольца или диска. Трубки работа- ют при разрежении 10’5 ... 10‘6 мм рт. ст. Высоковольтные рентгеновские трубки не могут быть двухэлектродными, так как при высоком ускоряю- щем поле более 400 кВ наблюдаются автоэлектронная эмиссия, электрические пробои, рассеяние и отражение электронов. Поэтому высоковольтные рентгеновские трубки делают секционными, состоящими из катода, промежуточных электродов и полого анода. Полый анод почти полностью улавливает отраженные электроны. Трубки эффективны при просвечивании в течение не более 5 с. Высоковольтный рентгеновский кабель (рис. 14). Диаметр кабеля на напряжения 50 ... 100 кВ составляет 20 ... 30 мм. В центре находятся две или три концентри- ческие жилы, по которым передаются анодный ток и ток накала рентгеновской трубки. Высоковольтный рентге- новский кабель рассчитан на пульсирующее напряжение 150... 200 кВ. Длина кабельных выводов обычно 5 ... 15 м. Для дефектоскопии материалов и изделий широко используют рентгеновские аппараты с напряжением 10 ... 400 кВ. Контроль легких материалов, пластмасс обеспечивается мягким излучением, а толстостенных стальных изделий и материалов - жестким излучением 300... 400 кВ. В общем виде рентгеновский аппарат состоит из пульта управления, высоковольтного генератора и рент- геновской трубки в защитном кожухе. Схема простейше- го рентгеновского аппарата приведена на рис. 15. Рис. 13. Различные виды излучающих частей полого анода О) Возможность высоковольтного вакуумного пробоя ис- ключена благодаря большому расстоянию между анодом и катодом. В зависимости от конструкции конечной части по- лого анода могут использоваться различные пучки излу- чения (рис. 13). Если излучающая часть анода является массивным медным телом с впаянным медным зеркалом, то пучок излучения может быть или панорамным, или направлен- ным. Если эта часть представляет собой тонкую медную стенку, то излучение получается торцевым. Рентгеновские трубки с вращающимся анодом предназначены для кратковременной нагрузки большой мощности (до 100 кВт в течение 0,1 с) при малых (до 0,3 х 0,3 мм) размерах оптического фокуса. Это достигается интенсивным охлаждением дискового анода при враще- нии его автономным двигателем (п = 3000 ... 7000 об/мин). Рис. 14. Высоковольтный рентгеновский кабель: /, 2 - токопроводящие жилы; 3 - основная резиновая изоляция; 4 - противокоронный слой; 5 - металлическая защитная оболочка; 6 - внешняя оболочка Питающее напряжение (127, 220 или 380 В) через предохранители Пр1, Пр2 и выключатель сети ВС посту- пает на автотрансформатор Л Г. Так как напряжение в сети колеблется, то для его выравнивания в цепь автотранс-
44 ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ Рис. 15. Принципиальная схема простейшего рентгеновского аппарата форматора включен корректор грубой регулировки на- пряжения КГ1. Плавная регулировка напряжения произ- водится с помощью реостата R1 и измеряется вольтмет- ром К Корректором КГ2 регулируется напряжение на рентгеновской трубке. Снимаемое с автотрансформатора напряжение через контакты К1 и К2 и реле Р поступает на первичную обмотку высоковольтного трансформато- ра ВВТр. Вторичная обмотка имеет две секции, последо- вательно соединенные через миллиамперметр mA. Внешние концы высоковольтной обмотки соединены с анодом и катодом рентгеновской трубки. Во вторичной обмотке возникает переменное высо- кое напряжение. Ток через трубку проходит в течение положительных полу периодов. Генерирование излуче- ния происходит импульсами, частота которых равна час- тоте напряжения сети. Нить накала рентгеновской трубки подключена ко вторичной обмотке трансформатора накала ТрН. Пер- вичная обмотка накального трансформатора подключена одним концом непосредственно к сети, а другим через предохранитель ПрЗ к переключателю режимов ПР, ко- торый имеет пять положений. В положении 3 цепь накала разомкнута. В положе- нии 5 в цепь накала включается реостат R2, позволяю- щий плавно изменять ток накала и, соответственно, ток через трубку. В положении 7 в цепь накала включается реостат R3, с которого снимаются напряжения двух фик- сированных значений, и переключатель тока ПТ под- ключает одну из них в первичную обмотку трансформа- тора накала. В положениях 2 и 4 цепь накала замкнута. Вследствие этого нить накала рентгеновской трубки ра- зогревается до включения высокого напряжения. Для подготовки к включению высокого напряжения пере- ключатель режимов переводят в положение 5. Высокое напряжение можно включить переключателем режимов, для этого его надо перевести в положение 1. При этом катушка электромагнитного реле подключается к авто- трансформатору через контакты реле времени РВ. По истечении установленного времени экспозиции цепь реле размыкается и высокое напряжение выключается. При включении аппарата в сеть зажигается зеленая сигнальная лампа Л1, подключенная к автотрансформа- тору. При включении высокого напряжения зажигается красная лампа Л2, которая включается через контакт КЗ. Рентгеновские аппараты разрабатывают по различным электрическим схемам питания трубки (рис. 16, а - ж). В связи с этим различают: 1) аппараты без выпрямителей (рис. 16, а); 2) полуволновые кенотронные аппараты, имеющие в схеме один или два кенотрона, включенные последова- тельно с трубкой (рис. 16, б и в); 3) аппараты, работающие по схемам удваивания на- пряжения с двумя кенотронами и двумя конденсаторами (рис. 16, д, е); 4) аппараты, работающие по схеме удваивания на- пряжения с одним кенотроном, где для повышения на- пряжения используют два конденсатора (рис. 16, г); 5) схему генерирования импульсов анодного напря- жения импульсом рентгеновского аппарата (рис. 16, ж).
РЕНТГЕНОВСКИЕ АППАРАТЫ 45 Рис. 16. Типовые схемы рентгеновских аппаратов: РТ - рентгеновская трубка; Тр - трансформатор; К - кенотрон; С - конденсатор; R - резистор; ИТ - импульсный трансформатор; Г-тиратрон По напряжению или энергии излучения применяе- мые в промышленности рентгеновские аппараты можно условно разделить на следующие группы: 1) с напряжением до 100 кВ (для дефектоскопии из- делий малой плотности); 2) с напряжением 100 ... 400 кВ (для дефектоскопи- ческих изделий из стали и тяжелых сплавов средней толщины: 5 ... 120 мм); 3) с напряжением 1 и 2 МэВ (для изделий из стали и тяжелых сплавов толщиной до 150 ... 200 мм). По форме анодного напряжения на трубке различают: 1) рентгеновскую аппаратуру с полуволновой (од- нополупериодной) безвентильной схемой питания рент- геновской трубки (портативные переносные рентгенов- ские аппараты с блок-трансформаторами); 2) с полуволновой (однополупериодной) схемой пи- тания рентгеновской трубки с вентилем во вторичной цепи (передвижная и стационарная рентгеновская аппа- ратура для промышленного просвечивания); 3) с выпрямленным (постоянным) анодным напря- жением трубки (передвижные кабельные рентгеновские аппараты); 4) с импульсным анодным напряжением рентгенов- ской трубки (переносные импульсные рентгеновские аппараты для выборочного рентгеновского контроля промышленных изделий в лабораторных или цеховых условиях). По виду высоковольтной электрической изоляции рентгеновской трубки в защитном кожухе или блок- трансформаторе (моноблоке) рентгеновская промыш- ленная аппаратура подразделяется на рентгеновскую аппаратуру: 1) с масляной высоковольтной изоляцией (приме- няют трансформаторное масло, обработанное дополни- тельно на фильтр-прессе и в вакуумной камере, а также специальное синтетическое масло); 2) с высоковольтной газовой изоляцией под давле- нием (применяют фреон или шестифтористую серу под давлением 300 кПа); 3) с воздушной высоковольтной изоляцией рентге- новской трубки в защитном кожухе. Аппараты, в которых в качестве высоковольтной изоляции используют атмосферный воздух, встречаются редко. По геометрии рабочего пучка рентгеновского излу- чения блок-трансформаторы (защитные кожухи) с рент- геновскими трубками подразделяются на следующие основные типы: • рентгеновские блок-трансформаторы (защитные кожухи) с направленным выходом рентгеновского излу- чения, например, в форме конуса с углом при вершине 30 ... 60° (рис. 17); • рентгеновские блок-трансформаторы (защитные кожухи) с панорамным (круговым) выходом рентгенов- ского излучения (рис. 18). Рис. 17. Схема анода и выходного окна труб- ки с направленным выходом излучения Рис. 18. Схема анода и выходного окна труб- ки с панорамным вы- ходом излучения
46 ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ В рентгеновской аппаратуре с анодным напряжени- ем в диапазоне 0,4 ... 2,0 МВ, когда генерируемое на аноде тормозное излучение «просвечивает» само зеркало анода, различают отраженный пучок излучения и прохо- дящий. Излучение проходящего пучка обладает значитель- но большей энергией, чем излучение отраженного пучка (за счет фильтрации мягкой составляющей тормозного излучения в материале анода рентгеновской трубки). 3.3. РЕНТГЕНОВСКАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОСВЕЧИВАНИЯ 3.3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ По конструктивному использованию рентгеновские аппараты подразделяют на кабельные и моноблочные. Кабельные аппараты используют однополюсные (высокое напряжение не более 225 кВ) и двухполюсные (высокое напряжение не более 500 кВ) трубки и могут быть передвижными или стационарными. Особенностью моноблочной рентгеновской аппа- ратуры является наличие следующих основных частей: 1 ) переносного (транспортабельного) блок- трансформатора (моноблок) с рентгеновской трубкой; 2 ) переносного пульта управления чемоданного типа; 3 ) комплекта соединительных низковольтных кабе- лей (и водопроводных шлангов для охлаждения блок- трансформатора). Современную переносную (портативную) рентге- новскую аппаратуру разрабатывают и изготовляют еди- ными сериями с учетом возможности просвечивания материалов в широком диапазоне толщин. За базу по- строения такой серии аппаратов принимают анодное напряжение рентгеновской трубки. Большинство ведущих иностранных фирм принимают следующий базовый ряд наибольшего напряжения рентге- новской трубки, кВ: 10 ... 80; 50 ... 140; 50 ... 200 (220); 80 ... 300; 35 ... 160; 60 ... 250; 100 ... 400. Импульсная рентгеновская аппаратура. К разря- ду переносной аппаратуры для промышленного просве- чивания можно отнести и импульсную рентгеновскую аппаратуру с анодными напряжениями до 0,5 МВ. Прин- цип действия такой аппаратуры основан на явлении воз- никновения кратковременной (0,1 ... 0,2 мс) вспышки тормозного рентгеновского излучения при электриче- ском пробое вакуума в двухэлектродной рентгеновской трубке (с холодным катодом) под действием импульса анодного высокого напряжения (220 ... 280 кВ), возни- кающего на вторичной обмотке высоковольтного транс- форматора при разряде накопительной емкости (Up = = 7,5 ... 10 кВ) через первичную обмотку высоковольт- ного трансформатора. Передвижная (разборная) рентгеновская аппаратура для промышленного просвечивания предназначена для работы в лабораторных условиях. Она позволяет обору- довать временные (передвижные) и стационарные рент- генодефектоскопические установки. Источники гамма-излучения. При распаде искус- ственных или естественных радионуклидных изотопов возникает у-излучение. Одновременно с у-квантами могут образоваться а-частицы (ядра гелия - _2Не’4) и 0-частицы (электроны - _|0°). у-кванты обладают сущест- венно большей проникающей способностью по сравне- нию с а- и 0-частицами, поэтому их преимущественно и используют при контроле качества изделий. Искусственные радионуклиды получают: • облучением неактивных заготовок в нейтронных потоках ядерных ректоров (например, 60Со, ,921г); • разделением остаточных продуктов деления го- рючего ядерного реактора (например, l37Cs, 90Sr); • облучением неактивных заготовок - мишеней на циклотронах (например, 55Fe, 54Мп). Естественные радионуклиды (226Ra и 232Th) для ра- диационного контроля не применяют. Радионуклиды являются активной частью источни- ка излучения. Их помещают в герметизированные ампу- лы. Ампулы могут быть заваренными, завальцованными и на резьбе (рис. 19 и 20). Способ герметизации, матери- ал и число ампул зависят от мощности экспозиционной дозы (МЭД) излучения, физического состояния и свойств нуклидов. Характеристики радионуклидов представлены в табл. 1. Рис. 19. Конструкция радионуклидных дефектоскопиче- ских источников отечественного производства: а, б - заваренные; в - завальцованный; 1 - наружная ампула; 2,5- крышки; 3 - активная часть; 4 - внутренняя ампула Рис. 20. Конструкция радионуклидных дефектоскопиче- ских источников на резьбе и сварного: 1 - наружная ампула; 2, 5 - крышки; 3 - активная часть; 4 - внутренняя ампула; 6 - баллон
РЕНТГЕНОВСКАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОСВЕЧИВАНИЯ 47 1. Характеристики радионуклидных источников Наименование характеристики Радионуклид Кобальт-60 Цезий-137 Иридий-192 Тулий-170 Период полураспада 5,27 года 30,1 года 74,3 сут. 129 сут. Плотность, г/см3 8,9 3,5 22,4 4 Энергия фотонов у-излучения, МэВ 1,17 и 1,33 0,66 0,31; 0,47; 0,6 0,052 и 0,084 Число фотонов у-излучения на распад 1,0 и 1,0 0,92 1,47; 0,67; 0,27 0,03 и 0,05 Энергия частиц 0-излученйя, МэВ 0,31 0,5 0,6 1,0 Полевая постоянная, аГрм2/(с-Бк) 2 0,5 0,8 0,005 Активность, ТБк 1 3 4 2 Удельная активность, ТБк/г 2 1 13 37 Объемная активность, ТБк/мл 17 3,5 300 150 Диаметр, мм 3 10 3 3 Диаметр урановой защиты, см 33 20 15 5 Типичная масса защиты, кг 225 54 20 1 Основными радиационно-дефектоскопическими ха- рактеристиками источников радионуклидного излучения являются: • энергия Е (спектральный состав) излучения, кото- рая определяет проникающую способность излучения и выявляемое™ дефектов в контролируемых материалах различных толщины и плотности; • мощность Р экспозиционной дозы (МЭД) излуче- ния, которая определяет производительность контроля, а также требования к технике безопасности и конструкции защитных устройств; • удельная активность источника, которая опреде- ляет размеры активной части, а следовательно, геомет- рию контроля, нерезкость изображения и выявляемое™ дефектов; • наличие радионуклидных примесей в источнике излучения, которые существенно ухудшают выявляе- мое™ дефектов при использовании источников низко- энергетического излучения; • период полураспада Г1/2, который определяет пе- риодичность замены источников и затраты на их приоб- ретение и захоронение. В процессе радионуклидного распада нуклида МЭД излучение постоянно уменьшается (рис. 21). Радионуклидные источники у-излучения представ- ляют собой ампулы, заполненные у-активным нуклидом. Источники можно разделить на следующие группы: • высокоэнергетические (54Мп, 60Со и другие источ- ники с эффективной £эф > 0,8 МэВ); • среднеэнергетические (l92Ir, ,37Cs и др., 0,3 < £эф < < 0,8 МэВ); • низкоэнергетические (l70Tm, 75Se и др., Еэф < < 0,3 МэВ). В промышленности наиболее широко применяют источники: 24,Am, l69Yb, ,70Тт, 75Se, ,92Ir, l37Cs и 60Со. Реже ,45Sm, l55Eu, ,53Gd и др. в связи с их высокой стои- мостью, сложностью получения исходного сырья и трудностью отделения сопутствующих примесей. Спектр излучения одного из источников дан на рис. 22. Радионуклидные источники тормозного излучения представляют собой ампулы, заполненные 0-активным нуклидом и материалом мишени. Испускаемое нуклидом 0-излучение взаимодействует с мишенью и возбуждает тормозное излучение с непрерывным спектром (рис. 23). В качестве мишени от одного и того же источника мож- но получить тормозное излучение с различной макси- мальной энергией непрерывного спектра.
48 ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ Рис. 22. Типичный аппаратурный спектр источника ,79Тш Энергия, кэВ Рис. 23. Типичные аппаратурные спек- тры тормозного излу- чения p-источников с бериллиевыми мише- нями 3.3.2. РАДИОНУКЛИДНЫЕ ИСТОЧНИКИ БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ Ядра некоторых радионуклидов при распаде испус- кают а-частицы или у-кванты с энергией, превышающей порог реакций (а, п) и (у, п) на некоторых легких элемен- тах. На основе таких нуклидов можно создавать доста- точно простые и компактные источники нейтронов. Энергия а-частиц, испускаемых а-радионуклидами (210Ро, 227Ас, 242Ст), обычно равна 5 ... 6 МэВ. Под воз- действием таких частиц реакция (а, п) с относительно большой вероятностью осуществима лишь на ядрах не- которых легких элементов (бериллий, бор, фтор, литий), которые в основном и используются в качестве мишеней в рассматриваемых источниках. В зависимости от энергии а-частиц максимальная энергия нейтронов, возникающих в реакции (а, п) на бериллии, боре и фторе, не превышает соответственно 10 ... 12, ~6 и ~3 МэВ, а средняя энергия нейтронов для этих источников соответственно равна 3,5 ... 4,5; 2,5 ... 3 и 1 ... 1,5 МэВ. Сравнивая энергию у-излучения радионуклидов с энергией связи нейтронов в различных атомных ядрах, видим, что при создании фотонейтронных источников в качестве источников у-излучения можно использовать ограниченное число радионуклидов, а в качестве мише- ней только бериллий и дейтерий, у которых энергия связи нейтронов в ядрах равна соответственно 1,665 и 2,226 МэВ. Реакцию (у, п) могут вызвать лишь у-кванты, энергия которых превышает указанную энергию связи нейтрона. Конструктивно фотонейтронные источники обычно представляют собой блок из бериллия или тяжелой воды с линейными размерами в несколько сантиметров, внут- ри которого размещается в герметичной ампуле источ- ник у-излучения. Из различных фотонейтронных источников наибо- лее широко применяют (,24Sb + Ве)-источник, что объяс- няется относительно большим периодом полураспада ,24Sb (60 дней) и возможностью получения высокой удельной активности сурьмы. Существенным недостатком всех активных фото- нейтронных источников являются малые периоды полу- распада пригодных радионуклидов, сложность получе- ния требуемых активностей и высокий фон у-излучения. Например, для создания (124Sb + Ве)-источника с выхо- дом нейтронов 109 с'1 необходим источник у-излучения 124Sb активностью около 37 ГБк. Количество у-квантов по отношению к нейтронам для (у, и)-источников состав- ляет 103 ... 105 квантов/нейтрон. Среди радионуклидных источников нейтронов осо- бое место занимают источники 238Pu, 239Pu, 242Ст, 244Ст, 252Cf, основанные на спонтанном (самопроизвольном) делении ядер. Наиболее предпочтительным для изготовления яв- ляется 252Cf (рис. 24). Так как при радиационном контроле используют в основном тепловые нейтроны, то быстрые нейтроны, выходящие из радионуклидного источника, пропускают через замедлитель, выполненный из легких элементов. При этом поток тепловых нейтронов становится в 103 раз меньше потока быстрых нейтронов, выходящих из ис- точника. При просвечивании изделий в случае использования геометрии узкого пучка излучения (отношение длины коллиматора к его ширине не менее 10 : 1) степень ос- лабления потока быстрых нейтронов из источника в по- ток тепловых нейтронов в месте установки детектора составляет 10'6. Таким образом, если необходима плот- ность потока тепловых нейтронов 104 с1 • см'2, то соот- ветствующий выход быстрых нейтронов из источника должен составлять 1О10 с'1 см'2. Рис. 24. Энергетический спектр нейтронов радио- нуклидного источника 252Cf Энергия нейтронов, МэВ
РЕНТГЕНОВСКАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОСВЕЧИВАНИЯ 49 3.3.3. ГАММА-ДЕФЕКТОСКОПЫ Радионуклиды, заключенные в герметичные метал- лические ампулы, помещают в защитные блоки дефекто- скопов. Выпуск и перекрытие пучка излучения осуществ- ляется с помощью дистанционных приводов управления. Дефектоскопы в основном используют в полевых и монтажных условиях при отсутствии источников элек- тропитания, контроле изделий, расположенных в труд- нодоступных местах. Гамма-дефектоскопы выпускаются двух видов: 1) универсальные шлангового типа, у которых ис- точник излучения подается к месту просвечивания по шлангу-ампулопроводу; 2) для фронтального и панорамного просвечивания, у которых источник излучения не выходит за пределы радиационной головки. В аппаратах шлангового типа пучок излучения фор- мируется с помощью сменных коллимирующих головок. Защитные блоки радиационных головок, контейне- ров и коллиматоров дефектоскопов изготовляют из свинца, сплавов на основе вольфрама, обедненного урана или их комбинаций. Толщина защиты в первом прибли- жении может быть определена с помощью графиков (рис. 25). Кратность ослабления вычисляют по формуле К ~ Р0 / Рдоп » где Ро - МЭД у-излучения источника; Рдоп - предельно допустимая МЭД у-излучения, ослабленная защитой. Согласно требованиям нормативных документов Рдоп < 2,8 мР/ч на расстоянии 1 м от источника излуче- ния, находящегося в защите; Рдоп 100 мР/ч на расстоя- нии 0,1 м от поверхности защитного блока. Шланговые гаммы-дефектоскопы (рис. 26) ши- роко применяют в промышленности в связи с тем, что они обеспечивают подачу источника излучения из ра- диационной головки 2 по шлангу-ампулопроводу 3 в коллимирующую головку на расстояние 5 ... 12 м. Их используют для контроля качества изделий, располо- женных в труднодоступных местах. Рис. 25. Зависимость кратности ослабления излучения от толщины защиты: / - свинец; 2 - ВНМЗ-2; 3 - уран (^Со - сплошные линии; ,37Cs - штриховые линии; ,921г - штрихпунктирные линии) Рис. 26. Схема универсального шлангового гамма- дефектоскопа: / - коллимирующая головка; 2 - радиационная головка; 3 - ампулопровод; 4 - пленка; 5 - привод; 6 - тележка Рис. 27. Штативы для промышленной радиографии: а, в- магнитные; б, д - цепные; г-на струбцинах; е - клещевого типа; ж - штатив-стойка; з - штатив для труб 4 - 7387
50 ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ Рис. 28. Гамма-дефектоскоп для контроля внутри трубо- проводов: / - труба; 2 - привод тележки; 3 - привод источника; 4 - радиационная головка; 5 - датчик с коллиматором; 6 - блок автоматики; 7 - реперный контейнер; 8 - пленка В этих аппаратах источник излучения подается по ампулопроводу с помощью гибкого троса, находящегося в зацеплении с зубчатым приводным колесом. Гамма-дефектоскопы снабжены набором источников у-излучения с различными размерами активной части и МЭД у-излучения. Набор источников размещается в мага- зине-контейнере, что позволяет просвечивать изделия различной толщины на различных фокусных расстояниях. Радиационная головка и магазин-контейнер гамма- дефектоскопов согласно требованиям МАГАТЭ1 снаб- жены комплектом, предназначенным для перевозки и выдерживающим воздействие крупной аварии (пожар при 800 °C, падение с высоты 9 м на бетонное основание и с высоты 1 м на стальной штырь). Некоторые аппараты снабжены гамма-экспономет- рами для автоматической выдержки времени просвечи- вания. Шланговые гамма-дефектоскопы типа «Гаммарид» выполнены из унифицированных блоков. Они снабжены комплектом разнообразных штативов (рис. 27), сущест- венно расширяющих технологические возможности де- фектоскопов. Гамма-дефектоскопы для фронтального и пано- рамного просвечивания. Аппараты этого типа предна- значены для использования в полевых, монтажных и стапельных условиях в тех случаях, когда применение шланговых аппаратов невозможно из-за ограниченных размеров радиационно-защитных зон. Гамма-дефектоскоп (рис. 28) предназначен для кон- троля сварных стыков магистральных трубопроводов. 3.4. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ НА БАЗЕ УСКОРИТЕЛЕЙ Ввиду низкой энергии у-квантов рентгеновских ис- точников излучения и радионуклидных источников пре- дел толщины просвечиваемых деталей ограничен, так как при их использовании нерационально возрастает время просвечивания. 1 Международное агентство по атомной энергии. Для источников с определенной энергией излучения существует предельная толщина контролируемого изде- лия, выше которой контроль практически невозможен. Для дефектоскопии изделий большой толщины и сложной формы применяют источники тормозного излу- чения с энергией до нескольких десятков МэВ. Такими источниками излучения являются электростатические генераторы, ускорители прямого действия, бетатроны, линейные ускорители, микротроны. Бетатрон - циклический ускоритель электронов. Действие его основано на законе электромагнитной ин- дукции, согласно которому вокруг изменяющегося во времени магнитного потока образуется вихревое элек- трическое поле, напряженность которого определяется скоростью изменения магнитного потока (рис. 29, б). Электроны в бетатроне ускоряются по замкнутой орбите постоянного радиуса под действием силы элек- трического поля. Совершив полный оборот, они приоб- ретают энергию, равную произведению напряженности электрического поля на заряд электрона и длину траек- тории. Энергия электрона увеличивается до тех пор, пока электрическое вихревое поле не изменит своего направ- ления. Для сохранения постоянства радиуса орбиты, по ко- торой движутся электроны в процессе ускорения, необ- ходимо, чтобы скорость электронов увеличивалась про- порционально увеличению напряженности магнитного поля. Это условие выполняется в том случае, если на- Рис. 29. Схемы ускорителей: а - линейный ускоритель; б - бетатрон; в - микротрон; 1 - камера; 2 - электромагнит; 3 - генератор; 4 - волновод; 5 - электронная пушка; 6 - мишень; 7 - резонатор; 8 - вакуумный насос
ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ НА БАЗЕ УСКОРИТЕЛЕЙ 51 пряженность магнитного поля на орбите в любой момент времени меньше средней напряженности магнитного поля внутри орбиты. Поле в области движения электро- нов делают спадающим по радиусу, что обеспечивает вертикальную фокусировку электронов. По способу создания магнитного поля бетатроны могут быть: 1) с магнитопроводом из пластин трансформатор- ной стали; 2) безжелезные, в которых магнитный поток созда- ется системой соленоидов или витков с током без при- менения ферромагнитных материалов; 3) полубезжелезные, в которых магнитный поток лишь на отдельных участках проходит по магнитопрово- ду из ферромагнитного материала. На практике широко применяют бетатроны первых двух типов. По условиям применения бетатроны подразделяют на транспортабельные (передвижные и переносные) и стационарные. Передвижные и переносные бетатроны предна- значены для радиографического контроля качества раз- личных промышленных изделий и сварных соединений непосредственно в заводских цехах и на строительных площадках. Стационарные бетатроны предназначены для ра- боты в специально оборудованных лабораториях радиа- ционного контроля и отличаются от транспортабельных бетатронов повышенными мощностью дозы и энергией тормозного излучения, а также большими массой и габа- ритами отдельных узлов и блоков ускорителя. При эксплуатации стационарных установок в де- фектоскопических лабораториях излучатель монтируют либо на неподвижном основании, либо на мостовом кра- не, либо на специальном механизме перемещения. Особую группу стационарных бетатронов пред- ставляют сильноточные бетатроны и стереобетатроны непрерывного и импульсного действий. Сильноточные бетатроны используют для высоко- производительного контроля качества изделий большой толщины, а импульсные установки применяют для де- фектоскопии движущихся объектов и съемки быстро- протекающих процессов. Например, при просвечивании стальных изделий толщиной 200 и 510 мм тормозным излучением сильноточного бетатрона время просвечива- ния составило 3 с и 40 мин соответственно. Излучение бетатрона, как и тормозное излучение ускорителей элек- тронов других типов, характеризуется немонохроматич- ностью спектра (рис. 30). Максимальная энергия в спектре тормозного излу- чения лишь немного меньше максимальной энергии ус- коренных в бетатроне электронов, но квантов с такой энергией в спектре излучения очень мало. Эффективная энергия излучения зависит от максимальной и составля- ет обычно 0,3 ... 0,5 этой величины. Важными характеристиками ускорителя являются размеры фокусного пятна'и пространственное распреде- ление мощности экспозиционной дозы излучения в ра- бочем пучке. Рис. 30. Спектральное распределение тормозного излучения бетатрона (16 МэВ): 1 - число фотонов; 2 - интенсивность тормозного излучения (в относительных единицах) Размеры фокусного пятна определяют геометриче- скую нерезкость. В отличие от рентгеновских аппаратов, линейных ускорителей и микротронов размеры фокусно- го пятна на мишени бетатрона малы и составляют доли квадратного миллиметра. Угловое распределение мощности дозы тормозного излучения в рабочем пучке бетатрона для энергии 35 МэВ приведено на рис. 31. Половинный угол конуса ф (рад), в который испус- кается тормозное излучение ускорителя, с достаточной точностью может быть определен по формуле ф = 0,511 / Umax, где Umax - максимальная энергия тормозного излучения, МэВ. Благодаря наличию квантов высокой энергии бета- тронами можно проводить радиографический контроль изделий сложной конфигурации без применения специ- альных компенсаторов. Основные преимущества бетатрона перед другими устройствами - простота и надежность в эксплуата- ции. Кроме того, можно плавно изменять энергию МЭД Рис. 31. Угловое распределение относительной интенсивно- сти тормозного излучения бетатрона (35 МэВ) в пучке: 1 - без выравнивающего фильтра; 2 - с выравнивающим фильтром
52 ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ Рис. 32. Зависимость мощности дозы тормоз- ного излучения бетатрона (35 МэВ) от энергии излучения, для каждого конкретного случая выбрать ре- жим работы ускорителя (энергию излучения) и добиться более высокой выявляемое™ дефектов (рис. 32). Применяя в качестве источника проникающего из- лучения бетатроны, можно контролировать качество стальных изделий толщиной до 600 мм с использованием методов и средств промышленной радиографии и радио- метрической дефектоскопии. Принцип действия линейного ускорителя элек- тронов основан на том, что электроны, введенные с не- которой начальной скоростью вдоль оси цилиндрическо- го волновода, в котором возбуждается бегущая электро- магнитная волна с предельной компонентой электриче- ского поля, попадая в ускоряющую полуволну, ускоря- ются под действием электрического поля. Для непре- рывного увеличения энергии электронов необходимо, чтобы электромагнитная волна двигалась вдоль волно- вода с такой скоростью, при которой электрон не выхо- дит за пределы ускоряющей полуволны. С целью полу- чения необходимой для ускорения электронов скорости электромагнитной волны внутри волновода устанавли- вают диафрагмы. Таким образом, диафрагмированный волновод является основным узлом линейного ускорите- ля электронов. Преимущество линейных ускорителей состоит в большой интенсивности тормозного излучения. Так, ли- нейные ускорители с энергией 10 ... 25 МэВ создают тормозное излучение, мощность экспозиционной дозы которого составляет 2000 ... 25 000 Р/мин на расстоянии 1 м от мишени. В России создан ряд ускорителей с энергией 6 ... 25 МэВ для промышленной дефектоскопии и радиаци- онных процессов. За рубежом линейные ускорители широко приме- няют при радиационном контроле. Так, фирма «Вари- нассошиэйшн» (США) разработала около 30 линейных ускорителей промышленного применения. Отечественные линейные ускорители ЛУЭ-10/1 и ЛУЭ-10-2Д предназначены для контроля стальных изде- лий толщиной 400 ... 500 мм в промышленных условиях. Ускорители представляют собой компактные установки, Рис. 33. Угловое распределение мощности дозы тормозного излучения в рабочем пучке линейного ускорителя состоящие из излучателя и блоков электропитания, теп- лообменников и управления. Излучатель снабжен рент- геновской головкой, позволяющей получить равномер- ное по интенсивности поле тормозного излучения. При просвечивании стальных изделий толщиной 400 мм ускорителем ЛУЭ-10-2 экспозиция составляет примерно 7 мин при относительной чувствительности 1 %. На рис. 33 представлено угловое распределение мощности дозы тормозного излучения в рабочих пучках линейных ускорителей на 4 и 8 МэВ. Микротрон - циклический ускоритель с перемен- ной кратностью ускорения. В микротроне частицы дви- жутся в постоянном и однородном магнитном поле. Ус- корение происходит под действием переменного элек- трического поля постоянной частоты. Электроны, нахо- дящиеся в вакуумной камере, движутся по орбитам - окружностям, имеющим общую точку касания. В этом месте расположен резонатор, сверхвысокочастотное поле которого ускоряет электроны. Резонатор возбуждается импульсным магнетроном. При прохождении через резонатор электроны при- обретают определенную энергию Д£ и начинают дви- гаться по следующей орбите. При достижении последней орбиты электроны либо попадают на мишень, либо через канал выводятся из камеры (см. рис. 29, в). В России первый эффективный ускоритель такого типа создан в 1958 г. (малый микротрон). Основное преимущество микротрона заключается в его большей интенсивности излучения. Так, при 12 МэВ интенсивность пучка тормозного излучения от малого микротрона составляет 3000 Р/мин. Техническая характеристика микротрона Число орбит................................. 17 Энергия ускоренных электронов на 17-й орбите, МэВ.......................................... 18 Средний ток электронов, мкА................. 50 Ток в импульсе, мА ......................... 50 Длительность импульса, мкс.................. 2,5 Частота повторений импульсов, Гц............ 400 Диаметр полюсов, мм......................... 750 Масса магнита, кг........................... 900 Интенсивность пучка излучения, Р/(м мин).... 3000 Диаметр фокусного пятна на мишени, мм....... 3
ЛИТЕРАТУРА 53 В сильноточных ускорителях прямого действия ус- коряемые частицы движутся в постоянном электриче- ском поле, причем их конечная энергия в электрон-воль- тах равна электрическому напряжению установки в вольтах. В ускорителях всех типов имеется ускоритель- ная трубка. Многообразие ускорителей прямого действия обу- словлено многообразием типов и 'систем генераторов высокого напряжения, в качестве которых используют каскадные электрические и роторные генераторы, а так- же высоковольтные трансформаторы. Ускорители-трансформаторы наиболее эффективны и экономичны в диапазоне энергий 0,5 ... 5,0 МэВ. Для промышленного облучения материалов разра- ботан ускоритель, названный капатроном. Источником высокого напряжения в капатроне является каскадный генератор. Ускорители заряженных частиц. Для получения нейтронов используют ядерные реакции под действием заряженных частиц (обычно дейтронов, протонов и а-частиц), а также фотонейтронные реакции под дейст- вием тормозного (рентгеновского) излучения. Эффек- тивное сечение таких реакций зависит от энергии ука- занных частиц и электростатического барьера ядра- мишени. Энергетический спектр возникающих нейтро- нов и их угловое распределение определяются видом и энергией частиц, а также характеристиками облучаемых ядер и толщиной мишени (рис. 34). Рис. 34. Зависимость от энергии частиц Ег максимальной (сплошные линии) и минимальной (штриховые линии) энергии нейтронов Еп, возникающих при реакциях: / - (а, л); 2 - 2Н(а, л); 3 - 3Н(р, я); 4 - ’zi(p, и) При получении нейтронов с помощью ускоренных протонов, дейтронов и а-частиц в качестве мишеней обыч- но применяют вещества, имеющие ядра с малым заря- дом, такие как дейтерий, тритий, бериллий и некоторые другие. При получении нейтронов с помощью фотоядер- ных реакций в качестве мишеней используют тяжелые металлы (уран, висмут, свинец). ЛИТЕРАТУРА 1. Румянцев С.В. Радиационная дефектоскопия. М.: Атомиздат, 1968. 559 с. 2. Румянцев С.В., Добромыслов В.А. Радиацион- ная интроскопия. М.: Атомиздат, 1972. 352 с. 3. Румянцев С.В., Кулиш Е., Борисов О.И. Источ- ники низкоэнергетического излучения в неразрушающем контроле. М.: Атомиздат, 1976. 128 с. 4. Румянцев С.В., Штань А.С., Гольцев В.А. Справочник по радиационным методам неразрушающего контроля. М.: Энергоиздат, 1982. 240 с. 5. Вавилов С.П., Горбунов В.И. Импульсное рент- геновское излучение в дефектоскопии. М.: Энергоатом- издат, 1985. 80 с. 6. Блинов Н.Н. Рентгеновские питающие устройст- ва. М.: Энергия, 1980. 200 с. 7. Раков В.И. Электронные рентгеновские трубки. М.: Госэнергоиздат, 1952. 8. Иванов С.А., Щукин Г.А. Рентгеновские трубки технического назначения. Л.: Энергоатомиздат, 1989. 200 с. 9. Капица С.П., Мелехин В.Н. Микротрон. М.: Наука, 1969.211 с. 10. Москалев В.А. Бетатроны. М.: Энергоиздат, 1981. 11. Комар Е.Г. Основы ускорительной техники. М.: Атомиздат, 1975. 12. Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн. Кн. 1 / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В. Артес и др.; Под общ. ред. В.В. Клюева. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машинострое- ние, 1992. 480 с. 13. Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн. Кн. 2 / А.А. Алтухов, К.В. Анисович, X. Бергер и др.; Под общ. ред. В.В. Клюева. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машино- строение, 1992. 386 с. 14. Клюев В.В., Соснин Ф.Р. Теория и практика радиационного контроля. М.: Машиностроение, 1998. 170 с. 15. Неразрушающий контроль с источниками вы- соких энергий / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, Е.А. Гусев и др. М.: Энергоатомиздат, 1989. 176 с.
Глава 4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ РАДИОГРАФИИ 4.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА РАДИОГРАФИИ В зависимости от способа регистрации и типа де- тектора различают два основных метода радиографии - прямой экспозиции и переноса изображения (табл. 1, рис. 1). Метод прямой экспозиции является наиболее рас- пространенным методом промышленной радиографии, при котором используются источники ионизирующего излучения практически всех видов. Просвечивание изде- лий производится на радиографическую пленку. Метод переноса изображения применяют при ней- тронной радиографии и ксерорадиографии (электрора- диографии). В первом случае скрытое изображение по- лучают на промежуточном металлическом активируемом экране, размещенном за изделием в нейтронном потоке. После этого скрытое изображение переносят на радио- графическую пленку, прикладывая ее к металлическому экрану. При электрорадиографии в качестве промежуточно- го носителя скрытого изображения используют электри- чески заряженные полупроводниковые пластины, поме- щаемые за объектом в пучке ионизирующего излучения, а в качестве регистратора видимого изображения приме- няют обычную бумагу, на которой изображения прояв- ляются с помощью сухих красящих веществ. 4.2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РАДИОГРАФИИ Результаты контроля качества изделий, просвечи- ваемых тормозным (рентгеновским) и у-излучениями, определяются суммарным воздействием ряда парамет- ров, зависящих от природы и свойств используемых ис- точников, детектора и контролируемого изделия (рис. 2). Энергетический спектр (энергия) Е излучения оп- ределяет его проникающую способность и выявляемость дефектов в контролируемом изделии. Мощность Р экспозиционной дозы (МЭД) излу- чения определяет производительность контроля, а также требования техники радиационной безопасности. Плотность р и атомный номер Z контролируемо- го материала определяют необходимую МЭД и энергию излучения, обеспечивающие получение требуемой про- изводительности контроля и выявляемости дефектов. Линейный коэффициент ослабления ц излучения в материале контролируемого изделия (табл. 2) опреде- ляет проникающие свойства излучения и выявляемость дефектов. Для выявления дефектов минимальных разме- ров, т.е. для получения высокой чувствительности, сле- дует использовать низкоэнергетическое рентгеновское излучение, у-излучение и высокоэнергетическое тормоз- ное излучение ускорителей с большими значениями ц. Рис. 1. Классификация методов промышленной радиографии
1. Сравнительные характеристики методов промышленной радиографии Методы радиографии Источники излучения Детекторы Объекты контроля Преимущества Недостатки Методы прямой экспозиции Рентгенография Рентгеновские ап- параты с U< 1000 кВ, /<25 мА Черно-белые и цветные радиогра- фические пленки с усиливающими металлическими и флюоресцентны- ми экранами Паяные и сварные соединения, литье, поковки, штамповки и прочие изделия из металлов, их сплавов, пластмасс, керамики и т.п. Регулирование энергии и интенсив- ности излучения в зависимости от толщины и плотности материала. Малые размеры фокусного пятна. Высокая интенсивность излучения. Высокая чувствительность контроля Необходимость охлаждения и пи- тания от внешних источников. Большие габариты аппаратуры. Малая маневренность. Малая тол- щина просвечиваемого материала (для стальных деталей не более 100 мм) Радиография с ис- пользованием уско- рителей (бетатронов, микротронов, линей- ных ускорителей) Ускорители с £<50 МэВ То же, большая толщина просвечи- ваемого материала (например, тол- щина стальных деталей до 500 мм) То же, необходимость мощной защиты, уменьшение углового распределения интенсивности из- лучения с увеличением энергии, т.е. малые поля облучения Радиография с ис- пользованием ра- диоактивных ис- точников Радиоактивные ис- точники с Е < 1,33 МэВ Независимость результатов контро- ля от внешних источников питания. Портативность и маневренность ап- паратуры. Возможность контроля стальных изделий толщиной до 250 мм. Проведение контроля в труднодоступных местах Использование набора источников излучения для контроля изделий различных толщины и плотности. Изменение МЭД излучения вслед- ствие радиоактивного распада. Ограниченная чувствительность Методы переноса изображения Нейтронная радио- графия Ядерные реакторы, генераторы нейтро- нов, радиоактивные источники Активируемые эк- раны-преобразова- тели и радиогра- фические пленки Радиоактивные изде- лия. Изделия из лег- ких материалов, рас- положенные за обо- лочками из тяжелых металлов. Компози- ционные материалы Нечувствительность метода к сопут- ствующему излучению, источником которого является изделие или ок- ружающие предметы. Возможность обнаруживать различные изотопы одного и того же элемента. ’’Про- зрачность" для нейтронов тяжелых металлов и "непрозрачность" легких материалов Г ромоздкость радиографического оборудования при использовании выведенного из ядерного реактора потока нейтронов. Малая плот- ность потока нейтронов у генера- торов, что ограничивает создание передвижных устройств Ксерорадиография (электрорадиогра- фия) Рентгеновские ап- параты, радиоак- тивные источники излучения Полупроводнико- вые пластины и бумага Быстрота получения электрорадио- граммы. Отсутствие необходимости в фотолабораториях. Сокращение расходов за счет исключения фото- обработки и сушки снимков, а также за счет возможности многократного использования полупроводниковых пластин Возникновение на поверхности полупроводниковых пластин раз- личных повреждений, которые при расшифровке снимка трудно отли- чить от дефекта контролируемого изделия. Отсутствие гибких полу- проводниковых пластин. Отсутст- вие автоматического оборудования для ксерорадиографии ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РАДИОГРАФИИ
56 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ РАДИОГРАФИИ Рис. 2. Основные параметры промышленной радиографии В этом случае наличие в контролируемом объекте внутреннего дефекта приводит к изменению интенсив- ности излучения, достигающего детектора. П£и стремлении обеспечить высокую производи- тельность следует применять высокоэнергетическое рентгеновское и у-излучения и низкоэнергетическое тормозное излучение ускорителей с малыми значениями ц и большими длинами свободного пробега квантов в веществе. Такие излучения имеют лучшие проникающие свойства и поглощаются веществом существенно мень- ше, чем излучения с большими значениями ц. Вследствие этого интенсивность излучения, достигающая детектора, изменяется мало. Коэффициент накопления В (табл. 3) характери- зует рассеяние излучения в материале изделия в зависи- мости от коэффициента ослабления ц и толщины контро- лируемого изделия 8 и оказывает заметное влияние на вы- являемость дефектов. Он определяется отношением суммы интенсивностей нерассеянного Мп и рассеянного Мр излу- чений к интенсивности нерассеянного излучения: п 4,+Мр 2. Линейные коэффициенты ослабления р. (см1) Энергия квантов Е Алюминий (2=13) Железо (Z=26) Вольфрам (2=74) Свинец (Z=82) Уран (Z = 92) Дж МэВ 1,6- 10” 0,01 69,440 1328,3 1908,6 1406,6 3366,0 1,6 • 10” 0,1 0,421 2,617 80,87 60,35 91,88 1,06 10” 0,661* 0,194 0,573 1,835 1,213 2,850 1,6 • 10” 1,0 0,165 0,467 1,227 0,771 1,709 2,0 • 10” 1,25** 0,150 0,424 1,087 0,674 1,471 6,4 • 10” 4 0,084 0,260 0,748 0,472 0,992 1,6 Ю” 10 0,062 0,234 0,897 0,554 1,166 * l37Cs. ♦♦ “Со.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РАДИОГРАФИИ 57 3. Коэффициенты накопления для точечного источника в бесконечной среде Энергия квантов Е Алюминий Железо Дж МэВ Значения В при цб 1 4 15 1 4 15 8,0 • 10 й 1,06 • 10’13 1,6 • 10” 2,0 • 10” 6,4 • 10” 1,6 ю” 0,5 0,661* 1,0 1,25** 4 10 2,37 2,18 2,02 1,92 1,53 1,28 9,47 8,16 6,57 5,90 3,22 2,12 80,8 66,4 37,9 29,8 10,1 5,63 1,98 1,94 1,87 1,84 1,45 1,20 5,98 5,83 5,39 5,05 3,03 1,95 35,4 35,4 28,3 24,8 11,2 7,54 Энергия квантов Е Вольфрам Свинец Уран Дж МэВ Значения В при цб 1 4 15 1 4 15 1 4 15 - 8,0-10” 1,06 • 10” 1,6 • 10” 2,0 • 10” 6,4 • 10” 1,6 • 10” * ,37Cs. ♦» мСо. 0,5 0,661* 1-,0 1,25** 4 10 1,28 1,44 1,29 1,11 1,84 2,57 2,41 1,64 3,12 6,25 12,0 14,0 1,24 1,33 1,37 1,38 1,27 1,11 1,69 1,92 2,26 2,41 2,25 1,58 2,65 3,42 4,81 5,4 9,8 12,5 1,17 1,31 1,24 1,09 1,48 1,98 2,09 1,51 2,08 3,67 8,01 10,5 В результате рассеяния рентгеновского и у-излуче- ний в контролируемом изделии вторичные электроны и кванты, образованные в процессе фотоэлектрического взаимодействия (фотоэффекта) и комптоновского рас- сеяния, в значительной мере отклоняются от направле- ния первичного пучка излучения, что ухудшает выяв- ляемость дефектов. При использовании ускорителей об- разующиеся в изделии пары электрон - позитрон суще- ственно меньше отклоняются от направления пучка из- лучения. Такое рассеянное излучение способствует обра- зованию скрытого изображения и незначительно ухуд- шает чувствительность. Обратнорассеянное излучение (альбедо излуче- ния) возникает при многократном рассеянии квантов в контролируемом объекте и поглотителе, расположенном за объектом. При этом часть рассеянного излучения вы- ходит из поглотителя и воздействует на обслуживающий персонал и детектор. С увеличением атомного номера Z вещества отра- жающей среды количество обратнорассеянного излуче- ния уменьшается примерно пропорционально Z2. Оно также возрастает при косом падении излучения на объ- ект примерно пропорционально 1/cos 0, где 0 - угол па- дения излучения. Именно поэтому при радиационной дефектоскопии не следует просвечивать изделия, распо- ложенные на основаниях из легких материалов (бетон, алюминий и т.п.). Это приводит к существенному ухудше- нию чувствительности контроля и увеличивает интенсив- ность излучения, воздействующего на персонал. При использовании в цехах защитных камер без до- полнительных потолков обратнорассеянное излучение может создать фон на смежных участках. Эффективность регистрации Q детектора опреде- ляет его способность реагировать на воздействие иони- зирующего излучения в определенном диапазоне энер- гии и МЭД излучения. В частности, эффективность регистрации радиогра- фических пленок характеризуют их спектральной чувст- вительностью, которая определяет способность пленки получать различную плотность почернения после ее об- лучения одинаковыми экспозиционными дозами ионизи- рующего излучения различной энергии. Эффективность регистрации радиоскопических и радиометрических детекторов определяется отношением числа зарегистрированных квантов излучения, прошед- ших контролируемый объект, к общему числу квантов, падающих на этот объект. Разрешающая способность R детектора определя- ет его способность регистрировать рядом расположен- ные дефектные и бездефектные участки контролируемо- го изделия и характеризуется предельным числом линий, равномерно расположенных на единице длины тест- объекта. Абсолютная чувствительность (мм) опреде- ляет размер минимально выявляемого дефекта или эле- мента эталона чувствительности. Относительная чувствительность определя- ется отношением размера АЗ минимально выявляемого
58 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ РАДИОГРАФИИ дефекта или элемента эталона чувствительности к тол- щине 8 контролируемого изделия и выражается в про- центах. Зависимость относительной чувствительности ра- диографии от основных параметров просвечивания оп- ределяется уравнением ^отн = —100 100 %, 3 Удц3 где AZ)min - минимальная разность плотностей почерне- ния, различаемая глазом (прибором); В - коэффициент накопления излучения; yD - контрастность радиографи- ческой пленки; ц - линейный коэффициент ослабления излучения; 8 - толщина изделия. Минимальная выявляемая разность плотностей почернения AZ)min между изображением дефекта и ос- новным фоном снимка определяется рядом факторов, к числу которых относятся степень совершенства глаза оператора, яркость экрана расшифровочного оборудова- ния и условия расшифровки, а также размеры и форма изображения дефекта. Установлено, что глаз является наиболее чувствитель- ным для яркости более 30 кд/м2. В этих условиях можно различать разницу яркости около 0,14 кд/м2, что обеспечи- вает обнаружение минимальной разности плотностей по- чернения AZ)min = 0,006. При яркости экрана расшифро- вочного оборудования 30 кд/м2 ADmin = 0,006 ... 0,02 (расстояние от глаза до экрана составляет 25 см). Мень- шие значения соответствуют большим дефектам и ма- лым отношениям длины дефекта к его ширине (до 20), а большие значения - малым дефектам и большим отно- шениям длины дефекта к его ширине (до 70). Общая нерезкость изображения и (мм) характери- зуется размытием краев изображения на снимке. Вели- чина нерезкости при просвечивании зависит от следую- щих ее составляющих. Геометрическая нерезкость (рис. 3, а, б) опреде- ляется соотношением d8 иг =-------. r (Г-5) Внутренняя нерезкость ив для рентгеновского излу- чения и флюоресцентных экранов равна 0,1 ... 0,5 мм; • для рентгеновского излучения и экранов из свинца ив = 0,025 ... 0,1 мм; • для у-излучения и экранов из свинца ив = 0,17 ... 0,5 мм. Значения ив зависят от энергии излучения, в частности для 1921г ив = 0,17 ... 0,20 мм, для 137Cs ив = 0,27 ... 0,3 мм, для 60Со ив = 0,36 ... 0,5 мм. Нерезкость рассеяния Wp=WBS5> где 8 - толщина просвечиваемого материала, см; g - ко- эффициент пропорциональности. Рис. 3. Схемы образования геометрической нерезкости при ступенчатом (а) и овальном (б) дефектах Для рентгеновского излучения g = 1,25, для I92Ir g = 1,15, для I37Csg= 1,09, для60Со g = 1,04. Нерезкость смещения, определяемая колебаниями источника, объекта и детектора, в реальных условиях просвечивания обычно устраняется за счет применения жестких штативных устройств держателей источников и детекторов. Общая нерезкость изображения зависит от характера распределения геометрической нерезкости, связанной с формой дефекта или элемента эталона чувствительности. Для канавочных эталонов чувствительности и де- фектов ступенчатого типа (непровары, трещины и т.п.) и = 3^и2+и3. Для проволочных эталонов чувствительности и де- фектов овального типа (пор, раковин и т.п.) и — иг 2и, 1-ехр - к 2^ При определении общей нерезкости в случае про- свечивания толстостенных изделий в это уравнение вме- сто ив подставляют значение ир. С увеличением общей нерезкости ухудшается чувствительность: W _ 2,3AZ)min2?^ u отн урИ8 I ЛЬ/ где AZ? - ширина канавок, мм. Контраст изображения Си определяет наряду с разрешающей способностью выявляемость дефектов. Он зависит не только от яркостей дефектного £д и безде- фектного L участков изображения, но и от ширины де- фекта AZ? и нерезкости и: ' =£д Lfl + —1100 %. " L I Дбу Зависимость контраста Си от Ай показана на рис. 4. Из анализа кривых следует, что с увеличением &Ь и L обнаруживаются дефекты с существенно меньшим зна- чением Си, при этом наименьшие значения контраста изображения не превышают 1,4 ... 2 %.
СРЕДСТВА И ТЕХНИКА РАДИОГРАФИИ 59 Рис. 4. Зависимость контраста изображения от ширины наименьшего видимого дефекта при различной яркости экрана негатоскопа Выявляемость дефектов и производительность кон- троля определяются суммарным воздействием перечис- ленных параметров. 4.3. СРЕДСТВА И ТЕХНИКА РАДИОГРАФИИ Для организации и проведения на предприятии радиографических работ по контролю качества изделий необходимо оборудование, перечень которого приведен в табл. 4. Источники ионизирующего излучения и штативы для них описаны в гл. 3. В ответственных случаях контроля применяют схему двойной зарядки, когда в одну кассету помещают две вышеописанные комбинации экран - пленка - экран. Радиографические пленки регистрируют на прошед- шее через объект излучения. В процессе экспонирования изменяются параметры чувствительного слоя, обеспечи- вая регистрацию изменения интенсивности излучения. Пленки обладают интегрирующей способностью регист- рировать чрезвычайно низкие потоки излучения за дли- тельное время просвечивания в широком диапазоне энергий. Фотографическая эмульсия содержит чувствитель- ную к излучению галоидную соль серебра (обычно бро- мистое серебро с небольшой примесью йодистого), рав- номерно в виде зерен распределенную в тонком слое желатины. Эмульсию наносят на подложку (целлюлозу, стекло, бумагу и т.д.) с обеих сторон. При облучении пленки проникающим излучением в кристаллах броми- стого серебра происходят изменения, приводящие к то- му, что кристалл становится способным к проявлению, т.е. восстановлению, металлического серебра под дейст- вием проявителя. Пленочная система - это комбинация пленки, свин- цовой фольги и процесса химико-фотографической об- работки пленки, которая выполняется в соответствии с инструкцией изготовителя пленки и/или изготовителя химикатов для ее обработки. Экспонирование пленок для оценки их характе- ристик. Пленки должны экспонироваться излучением, генерируемым рентгеновской трубкой с вольфрамовой мишенью при анодном напряжении около 220 кВ, или же приложенное к трубке анодное напряжение должно соот- ветствовать слою половинчатого ослабления (3,5 ± 0,2) мм. Самоэкранирование окна трубки и дополнительный мед- ный фильтр в сумме должны давать фильтрацию, экви- валентную (8 ± 0,05) мм. Должны быть использованы передние и задние свинцовые усиливающие экраны тол- щиной 0,02 ... 0,04 мм. 4. Оборудование для промышленной радиографии Этапы радиографиче- ского процесса Состав оборудования основного вспомогательного Просвечивание из- делий Рентгеновские аппараты, гамма-дефекто- скопы, линейные и циклические ускорите- ли, источники нейтронов (реакторы, гене- раторы), пленки радиографические, экраны усиливающие Штативные устройства, эталоны чувствительности, знаки маркировочные, кассеты гибкие и жесткие, держатели кассет, приспособления для резки пле- нок Фотообработка ра- диографических снимков Кюветы, баки-танки, автоматы для фото- обработки, сушильные шкафы Фонари неактиничного света, оборудование для приготовления растворов (весы, баки, мешалки, фильтры, дистилляторы), оборудование для отде- ления серебра, рамки и кассеты для проявления пленок, лабораторная мебель (стеллажи, шкафы, столы) Расшифровка ра- диографических снимков Негатоскопы, денситометры, микрофото- метры, мерительные лупы, автоматы для считывания снимков Эталоны плотностей почернения, атласы радио- графических снимков дефектных изделий, лабора- торная мебель (столы, шкафы для архива пленок)
60 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ РАДИОГРАФИИ Рис. 5. Характеристическая кривая радиографической пленки Коэффициент пропускания радиографической пленки т есть отношение светового потока Ф, прошед- шего через почернения пленки на прозрачной основе, к световому потоку Фо, падающему на нее: т = Ф/Фо. Оптическая плотность почернения D радиогра- фической пленки характеризует радиографическое изображение и определяется как десятичный логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания D = log(l/T). Максимальная оптическая плотность почернения на радиографических пленках может достигать 10 ... 11. В радиационном контроле оптическая плотность состав- ляет, как правило, 2 ... 4. Эту характеристику обычно измеряют на элементах снимка размером 1 ... 3 мм с по- мощью денситометров, а на элементах снимка площадью до 0,01 мм2 - с помощью микроденситометров и микро- фотометров. Экспозиция излучения Ks - дозированное количе- ство средней энергии, переданное излучением веществу в элементарном объеме, к массе вещества в этом объеме. Единица в системе СИ - Гр = Дж/кг. Характеристическая кривая пленки представляет графическую зависимость оптической плотности почер- нения от логарифма экспозиции. Чтобы получить досто- верную кривую, необходимо сделать по крайней мере 12 снимков, оптическая плотность которых равномерно распределена в диапазоне 1,0 ... 5, без учета составляю- щей плотности, вызванной наличием вуали и подложки пленки Do- Чувствительность (число чувствительности) S оп- ределяют как величину, обратную дозе К5 (Гр), 5 = VKS9 которая требуется для определенной плотности Р. На- пример, при Р = 2 без учета составляющей плотности, вызванной наличием вуали и подложки пленки Do- Градиент характеристической кривой (рис. 5) - это производная оптической плотности по десятичному логарифму экспозиции: dD _ К dP PXog^K 0,43 dK' где К - доза (Гр), требуемая для плотности D - Do [Do - оптическая плотность неэкспонированной обработанной пленки, включая подложку (вуали и подложки)]; G из- меряется с погрешностью не более 5 % при доверитель- ной вероятности 0,95. Гранулярность Ср - это флюктуации оптической плотности равномерно экспонированного и проявленно- го фотоматериала, оцениваемого инструментальными методами, например с помощью микроденситометра. Оптическая плотность пленки при оценке ее струк- турометрических характеристик должна составлять D = (2,00 ± 0,05) + Do, длина сканирования по линейной мере 100 мм, диаметр диафрагмы микроденситометра (100 ± 5) мкм. Данные с выхода микроденситометра должны быть отфильтрованы фильтрами верхних частот с предельной частотой 0,1 пары линии/мм. Погрешность измерения Ср не более 10 % при доверительной вероятности 0,95. Должно быть оценено Ср не менее чем на 6 пленках. С увеличением размеров зерен фотоэмульсии, энер- гии ионизирующих частиц и времени проявления грану- лярность повышается. Отношение градиент/шум - это частное от деле- ния градиента G на Ор. Достаточно низкое значение это- го отношения для промышленных пленок является необ- ходимым следствием требования низкой плотности вуа- ли при длительном хранении пленок. Класс пленочных систем по EN 584-1 зависит от предельных значений таких величин, как градиент G - местная (локальная) крутизна характеристической кри- вой пленки; гранулярность Ср - среднее квадратическое отклонение оптической плотности и отношения G/<3D (см. табл.5). Взаимосвязь EN 584-1 с другими классификаци- онными системами. В табл. 6 - 10 приводится информация об условном (приближенном) соответствии широко известных в мире классификационных классов пленочных систем. 5. Класс пленочных систем Класс пле- ночных систем Минимум градиен- та Gmin при Минимум отношения (C^Z))min при D = 2 выше Do Максимум гранулярности (G/O^max при D = 2 выше Do D = 2 выше Do D = 4 выше Do С1 4,5 7,5 300 0,018 С2 4,3 7,4 270 0,018 СЗ 4,1 6,8 180 0,023 С4 4,1 6,8 150 0,028 С5 3,8 6,4 120 0,032 С6 3,5 5,0 100 0,039 D - определенная оптическая плотность; Do ~ оптическая плотность вуали.
СРЕДСТВА И ТЕХНИКА РАДИОГРАФИИ 61 6. Классификационная эквивалентность пленочных систем фирм AGFA, FUJI, DU PONT, FOMA и России и систем no EN 584-1 Фирма (страна) Тип Ручная обработка пленки Машинная обработка пленки Россия FUJI AGFA FUJI AGFA DU PONT FOMA AGFA D2 Cl С1 D3 С2 С2 D4 СЗ СЗ D5 С4 С4 D7 С5 С5 D8 С6 С6 FUJI IX 25 сз С1 С1 IX 29 С5 С5 С5 IX 50 С2 С2 С2 IX 59 С6 С6 С6 IX 80 СЗ СЗ сз IX 100 С4 С5 С5 IX 150 С6 С5 С6 DU PONT NDT 35 NDT 45 Cl NDT 55 сз NDT 65 С4 NDT 70 С4 NDT 75 Россия PT-5 сз PT-4M С4 PT-3; PHTM С5 PT-1; PT-2; РТ-СШ С6 FOMA R5 С4 R7 С5 R8 С6 R8 + ФМЭ С6 7. Классификационная эквивалентность пленочных систем фирм AGFA, DU PONT, KODAK и систем по DIN 541 Класс по DIN 541 Фирмы-производители AGFA DU PONT KODAK GI D2, D3 NDT 45 R GII D4, D5 NDT 55, NDT 65 M, MX, T GUI D7 NDT 70 AX, AA
62 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ РАДИОГРАФИИ 8. Классификационная эквивалентность по стандартам CEN, ISO и ASTM CEN DRAFT ISO ASTM С6 T1 TYPE3 С5 Т2 TYPE 2 С4 ТЗ TYPE 1 СЗ С2 Т4 SPECIAL С1 В США разработан новый стандарт ASTM Е07-01, в котором качество радиографических промышленных пленок классифицируется в зависимости от значений их сенситометрических и структурометрических парамет- ров. Классификация пленок по этому стандарту основы- вается на значениях величин, используемых в евростан- дарте EN 584-1 и ISO CD (см. табл. 8). Выбор рентгеновских пленок. Выбор специали- стом той или иной пленки определяется необходимостью получения рентгеновского снимка с определенной кон- трастностью и четкостью изображения. Контрастность пленки, ее чувствительность и гранулярность взаимосвя- заны, высокочувствительные пленки имеют крупные зерна и низкий предел разрешения, а низкочувствитель- ные - мелкие зерна и высокий предел разрешения. По- этому, хотя с экономической точки зрения желательно, чтобы время экспонирования пленки было как можно короче, использование высокочувствительной пленки ограничивается ее зернистостью, которая в значительной мере определяет качество изображения мелких дефектов. Заводы-изготовители пленок выпускают их с достаточно широким диапазоном по чувствительности, контрастно- сти и гранулярности (см. табл. 5 - 8). На основании табл. 5 для пленок можно составить качественную классификационную таблицу (табл. 9) с учетом того, что чувствительность пленок хотя и не яв- ляется классификационным параметром, но непосредст- венно зависит от значений G, а, (7/а. 9. Качественная классификация рентгенографических пленок Класс Тип зернистости Качество снимка Тип чувстви- тельности C1;C2 C3;C4 C5 C6 Очень мелкодис- персная Мелкозернистая Средняя Крупнозернистая Очень высокое Высокое Среднее Низкое Очень низкая Низкая Средняя Высокая 10. Коэффициенты относительной экспозиционной эквивалентности для пленок по EN 584-1 Класс Источники излучения 100 кВ 200 кВ 1г-192 Со-60 LINAC/8 Me V С1 10,6 8,7 9,0 10,0 10,0 С2 4,1 4,2 5,0 5,1 5,1 СЗ 3,1 2,6 3,0 3,1 3,1 С4 1,8 1,6 1,5 1,5 1,5 С5 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 С6 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 Относительная чувствительность пленочных систем со свинцовыми усиливающими экранами различных классов по EN 584-1 представлена в табл. 10. В этой таб- лице за стандартную пленку выбрана пленка класса С5. Для других пленок значение экспозиции оценивают про- изведением экспозиции для пленки класса С5 на указан- ный в таблице коэффициент. Выбор пленок и металлических экранов для просве- чивания сварных швов объектов контроля (ОК) из спла- вов на основе железа, меди и никеля Европейский коми- тет по стандартизации (EN 444) рекомендует делать в соответствии с табл. 11, а при контроле ОК из сплавов на основе алюминия и титана использовать пленки соответ- ственно класса СЗ (см. табл. 12). Большинство табличного и графического материа- лов, используемых при подготовке технологических до- кументов для проведения эффективного контроля, дается для ОК, выполненных из сплавов на основе алюминия и железа. Коэффициенты радиографической эквивалент- ности для ОК из других широко используемых материа- лов приведены в табл. 13. В этой таблице при напряжениях на рентгеновских трубках 100 кВ и ниже за стандартный материал прини- мается алюминий, а при более высоких напряжениях и при использовании гамма-излучения - сталь. Значение эквивалентной толщины оценивают произведением тол- щины ОК на указанный в табл. 13 коэффициент. Собственная нерезкость изображений дефектов на пленках определяется микроструктурой пленки (экрана) и физикой взаимодействия фотонов первичного излуче- ния с веществом пленки (экрана). На нерезкость преобразования влияет не только средний размер зерна пленки, но и энергия фотонов, по- скольку она определяет длину пробега электронов в эмульсии. В табл. 14 представлены усредненные по экспери- ментальным данным значения нерезкости преобразова- ния Uf для мелкозернистых и крупнозернистых пленок при различных энергиях фотонов.
СРЕДСТВА И ТЕХНИКА РАДИОГРАФИИ 63 И. Классы пленок и типы металлических усиливающих экранов для радиографии стали и сплавов на основе меди и никеля Источник излучения Просвечиваемая толщина d Классы пленок1* Тип и толщина металлических экранов Рентгеновское излучение при напряжении на трубке Менее 100 кВ • сз Без экранов или с передним и задним экранами из свинца толщиной менее 0,03 мм От 100 до 150 кВ Передний и задний экраны из свинца толщиной менее 0,15 мм (шах) От 150 до 250 кВ С4 Передний и задний экраны из свинца толщиной от 0,02 до 0,15 мм Yb-169 d < 5 мм СЗ Без экранов или с передним и задним экранами из свинца толщиной менее 0,03 мм Tm-170 d > 5 мм С4 Передний и задний экраны из свинца толщиной от 0,02 до 0,15 мм Рентгеновское излучение при напряжении на трубке от 250 кВ до 500 кВ d < 50 мм С4 Передний и задний экраны из свинца толщиной от 0,02 до 0,2 мм d > 50 мм Передний экран из свинца толщиной от 0,1 до 0,2 мм1* Se-75 С4 Передний экран из свинца толщиной от 0,1 до 0,2 мм2* Ir-192 С4 Передний экран из свинца толщиной от 0,1 до 0,2 мм2* Задние экраны из свинца толщиной от 0,02 до 0,2 мм Co-60 d < 100 мм С4 Передний и задний экраны из стали или меди тол- щиной от 0,25 до 0,7 мм3* d > 100мм С5 Ускоритель электронов на энер- гии от 1 МэВ до 4 МэВ d < 100мм сз Передний и задний экраны из стали или меди тол- щиной от 0,25 до 0,7 мм3* d > 100мм С5 Ускоритель электронов на энер- гии от 4 МэВ до 12 МэВ d < 300 мм С4 Передний экран из меди, стали или тантала тол- щиной менее 1 мм (max). Задний экран из меди или стали толщиной менее 0,5 мм4* d > 300 мм С5 Ускоритель электронов на энер- гии более 12 МэВ d < 300 мм С4 Передний экран из тантала толщиной менее 1 мм5* Задний экран из тантала толщиной менее 0,5 мм d > 300 мм С5 ’♦ Могут быть использованы и лучшие классы пленок. 2* Могут быть использованы готовые упаковки пленок с передним экраном толщиной менее 0,03 мм, если между объектом контроля и пленкой размещен дополнительный свинцовый экран толщиной около 1 мм. 3* Могут быть также использованы экраны из свинца толщиной от 0,1 до 0,5 мм. 4* Могут быть также использованы свинцовые экраны толщиной от 0,5 до 1 мм. 5* Могут быть использованы экраны из вольфрама. 12. Классы и типы металлических усиливающих экранов для радиографии алюминия и титана 13. Коэффициенты радиографической эквивалентности Источник излучения Классы пленок1 Типы и толщина усиливающих экранов Рентге- новское излуче- ние при напря- жении на трубке Менее 150 кВ СЗ Без экранов или с передним эк- раном из свинца толщиной менее 0,03 мм и задним экраном из свинца толщиной менее 0,15 мм Гтах) От 150 до 250 кВ Передний и задний экраны из свин- ца толщиной от 0,02 до 0,15 мм От 250 до 500 кВ Передний и задний экраны из свин- ца толщиной от 0,1 до 0,2 мм Yb-169 СЗ Передний и задний экраны из свин- ца толщиной от 0,02 до 0,15 мм Se-75 СЗ Передний и задний экраны из свин- ца толщиной от 0,1 до 0,2 мм 1 Могут быть использованы и лучшие классы пленок. Материал Рентгеновское излучение Гамма-излучение 100 кВ 200 кВ 4-25 МэВ Ir-192 Со-60 Магний 0,6 0,08 — — — Алюминий 1,0 0,18 — 0,35 0,35 Титан 8,0 0,35 — — — Сталь 12,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Медь 18,0 1,4 1,3 1,1 1,0 Цинк — 1,3 1,2 1,1 1,0 Латунь — 1,3 1,1 1,1 1,1 Цирконий — 2,0 - - — Свинец — 12,0 3,0 4,0 2,3 Уран - 25,0 3,9 12,6 3,4
64 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ РАДИОГРАФИИ 14. Зависимость собственной нерезкости преобразования пленочных систем от энергии фотонного излучения Энергия излучения, кэВ, или тип источника Нерезкость Су, мм Мелкозернистая пленка Крупнозернистая пленка 50 - 0,03 0,05 100 0,05 0,1 200 0,09 0,12 300 0,12 0,15 400 0,15 0,2 1000 0,24 0,3 2000 0,32 0,45 8000 0,6 0,7 31 000 1,0 1,2 Ir-192 0,13 0,2 Cs-137 0,28 0,3 Co-60 0,35 0,5 Изображение на рентгеновских снимках характери- зуется: • высоким пространственным разрешением - собст- венная нерезкость 30 ... 400 мкм; высоким отношением сигнал/шум - отношение DIgd « 50 ... 100; G/gd » 100 ... 300, где D - оптическая плотность; Пр - среднее квадра- тическое отклонение оптической плотности; G - гради- ент характеристической кривой пленки; • высокой чувствительностью радиационного кон- троля ~ 0,8 ... 2 %; • диапазоном оптических плотностей 0 ... 4,5 (5), цифровой динамический диапазон > 12 бит. Радиографический снимок для его оцифровки мо- жет сканироваться лазером и преобразовываться с по- мощью телевизионных систем или другой техники. Обо- рудование для оцифровки снимков предлагается подраз- делить на два класса: DB и DA, в зависимости от его пространственного разрешения (размера элемента изо- бражения). Подготовка изделия к просвечиванию заключает- ся в его предварительном осмотре и очистке от шлака, масла и других загрязнений. Все наружные дефекты должны быть удалены, так как их изображение на сним- ках может помешать обнаружению изображений внут- ренних дефектов. При зарядке кассет радиографическую пленку по- мещают в кассету с использованием следующих схем зарядки: 1) без экранов; 2) между двумя металлическими экранами; 3) между двумя флюоресцентными экранами; 4) между парами экранов, каждая из которых состоит из одного металлического и одного флюоресцентного экра- нов. В последнем случае к пленке прикладывается флюоресцентный экран. В ответственных случаях контроля применяют схе- му двойной зарядки, когда в одну кассету помещают две вышеописанные комбинации экран - пленка - экран. Изделие разбивают на участки и маркируют с при- менением маркировочных свинцовых знаков. Размеры знаков выбирают в зависимости от толщины объекта. Маркировочные знаки (свинцовые буквы, цифры, стрелки и тире) поставляют в коробках в комплекте с пинцетами и пеналами для набора маркировки (рис. 6). Пеналы помещают в карманы, специально предусмот- ренные на гибких кассетах, изготовляемых из светоне- проницаемых материалов - пластиков, дерматина, бума- ги и т.п. (рис. 7). Свинцовые знаки размещают на изделии или кассете, после просвечивания их изображения отпечатываются на снимке. В случае невозможности применения знаков производят разметку снимков, нанося надписи мягким графитовым карандашом непосредственно на пленке. В ряде случаев помечают черной тушью флюоресцент- ные экраны, что обеспечивает получение на снимке чет- кого отпечатка цифровой маркировки. Обычно кассеты и заряженные в них пленки маркируются в том же поряд- ке, что и контролируемые участки изделия. Энергия фотонов, сформиро- вавших снимок (радионуклид) Класс DB Класс DA 5 100 кВ 15 мкм 50 мкм < 200 кВ 30 мкм 50 мкм <450 кВ 60 мкм 75 мкм Se-75, Ir-192 100 мкм 150 мкм Co-60 200 мкм 250 мкм 1 А А а 2 В И Ч J в н ш 4 Г о Щ 5 П Ь 6 Е Р Л 7 Ж С 8 3 т ъ 9 И У 3 о к ф ю Я □□□□□□□□□□а □□□□□□□□□а ийгг 3 4 Рис. 6. Набор маркировочных знаков: I - коробка; 2 - пинцет; 3 - ячейка со знаками; 4 - пеналы
СРЕДСТВА И ТЕХНИКА РАДИОГРАФИИ 65 Рис. 7. Гибкая кассета: / - место для маркировки размеров; 2 - карман для маркировочных знаков и эталонов чувствительности; 3 - наружный чехол; 4 - внутренний чехол; 5 - вкладыш Эталон чувствительности размещают на изделии со стороны источника излучения. В случаях, когда его не- возможно так установить, например при просвечивании труб через две стенки, разрешается располагать эталон со стороны детектора. Для этого на кассете предусмат- ривают дополнительный карман. Типы и размеры эталонов чувствительности регла- ментированы ГОСТ 7512 (табл. 15). Предусмотрены ка- навочные, проволочные и пластинчатые эталоны чувст- вительности нескольких типоразмеров каждый. На кана- вочном эталоне имеется шесть канавок, глубина которых различная. Проволочный эталон представляет собой пла- стиковый чехол с установленными в нем семью прово- локами различного диаметра (различаются в 1,25 раза). Материал эталона или его проволок должен быть анало- гичен материалу контролируемого изделия. Проволоч- ные эталоны маркируют свинцовыми буквами и цифра- ми высотой 5 мм и толщиной 1 мм. Буквы обозначают материал эталона, цифры - его номер (например, Fe 1, Си 2, А1 3, Ti 4). Пластинчатые эталоны выполнены в виде пластин с двумя отверстиями, диаметр одного из которых равен толщине, а другого удвоенной толщине эталона. Гибкие кассеты, заряженные радиографической пленкой и экранами, устанавливают на ферромагнитных материалах с помощью магнитных держателей. Каждый держатель обеспечивает усилие прижатия кассеты к плоской стальной плите не менее 49 Н. На немагнитных материалах кассеты крепят с помощью резиновых полос и ремней. Иногда применяют специальные пояса с кар- манами под гибкие кассеты, снабженные застежками и натяжными ремнями. 15. Эталоны чувствительности, применяемые в промышленной радиографии и радиоскопии Тип эталона Эскиз Чувствительность (в %) для 5 = Ю ... 50 мм Страны Проволочный1 I Европейские страны, Англия, Япония I L 1 1 1 - Г" Г 1- -Ul-* *“+ Канавочный с канавками2 постоянной ширины и переменной глубины ЛЬ 0,5 Европейские страны <► S ф <3 Н-1 Канавочный с канавками переменных ширины и глубины I РФ Пластинчатый с отвер- стиями 1,5 ... 2,0 США, ASME Code, РФ L . I I. ч Ступенчатый с отвер- стиями 1 Геометрический ряд знг 2 Арифметический ряд зь 1чений d с основанием 1,25. 1ачений Д5. 2,0 ... 2,5 Международный институт сварки (МИС) 5 — 7387
66 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ РАДИОГРАФИИ Рис. 8. Схема просвечивания плоского изделия При промышленной радиографии в основном ис- пользуют схемы просвечивания (рис. 8 - 10), обеспечи- вающие контроль качества шва по участкам как плоских протяжных изделий, так и изделий типа полых тел вра- щения. Анализ приведенных на рис. 9 схем показывает, что только при кольцевом просвечивании фокусное рас- стояние и толщина стенки являются постоянными вели- чинами, при всех остальных способах контроля их зна- чения меняются от центра к краю контролируемого уча- стка. Суммарное воздействие этих двух факторов оказы- вает существенное воздействие на получаемые результа- ты. В частности, радиографический снимок имеет, как правило, различные контрастности yD плотности почер- нения D, общие нерезкости изображения и и, как следст- вие, различные значения относительной чувствительно- сти контроля FF0TH по центру и краю снимка. Рис. 9. Схемы просвечивания изделий типа полых тел вращения (F-MC, 6-ЕС,г-ОА - OK, F9 - МА, -А) Рис. 10. Схемы просвечивания сварных конструкций
СРЕДСТВА И ТЕХНИКА РАДИОГРАФИИ 67 Таким образом, основным ограничением при ис- пользовании в промышленной радиографии любой из схем просвечивания является получение: 1) допустимой разности плотностей почернения и допустимых общих нерезкостей изображения по центру и краю снимка; 2) требуемой правилами контроля относительной чувствительности просвечивания fF0TH по центру и краю снимка; 3) экономически оправданной производительности контроля. При просвечивании по схеме рис. 9 (F-MC) магист- ральных трубопроводов целесообразно использовать самоходные устройства (кроулеры). Рис. 11. Зависимость относительной чувствительности от толщины стали для рентгеновского и у-излучений Основные характеристики кроулера фирмы JME Источник излучения... панорамные рентгеновские трубки на напряжение 120 ... 300 кВ или радионуклид иридий-192 2,5 0...30 136 ... 356 240 ... 1500 12 Фокусное пятно, мм... Время экспозиции, с ... Диаметр труб, мм... Скорость, м/мин.... Максимальный угол . подъема, % (град.).... 45(27°) Температурный ре- жим, °C Рис. 12. Зависимость относительной чувствительности от толщины стали для тормозного излучения бетатронов 560... 1828 до 10 до 18 30° -20 ... +70 или -40 ... +70 Допустимая разность плотностей почернения AZ? между центром и краем снимка для безэкранных пленок определяется ограниченными возможностями расшиф- ровочного оборудования (негатоскопов), позволяющего просматривать снимки с предельной плотностью почер- нения Dn, для экранных пленок - получением макси- мальной контрастности при предельных значениях плот- ности почернения снимка Dn = 1,8 ... 2,2. Кроме того, необходимо учитывать установленные правилами кон- троля нижние пределы минимальной плотности почер- нения снимка (обычно = 1,3 ... 1,8). В общем виде AD = Dn - jDmin. Соответствующее уравнение имеет вид Д/) = 0,87у Рис. 13. Зависимость абсолютной чувствительности от толщины стали для различных источников излучения F -F (5 2 —+ 0,5ц§ — -1 + I5 В -В <р Bv + B где F<p, 5Ф, - фокусное расстояние, толщина просве- чивания и коэффициент накопления по краю снимка; F, 5,В- значения тех же величин по центру снимка. Чувствительность радиографии зависит как от энер- гии излучения Е (рис. 11 - 13), так и от контрастности снимка yD, общей нерезкости изображения и, воздейст- вия рассеянного излучения, достигающего пленки и оп- ределяемого коэффициентом накопления. Поэтому при просвечивании изделий по участкам, когда все перечис- ленные параметры меняются от центра к краю снимка, чувствительность контроля также изменяется. На рис. 14 приведены графики зависимости относи- тельной чувствительности от угла ф при просвечивании Рис. 14. Изменение относительной чувствительности от угла <р при просвечивании плоских стальных изделий (сплошные линии - пленка РТ-5, штриховые - пленка РТ-1) (источник 137Cs, D = 1,5): 1 - цб = 1, F= 35 см; 2 - цб = 2, F- 58 см; 3 - цб = 4, F = 83 см; 4 - цб = 6, Г= 94 см 5*
68 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ РАДИОГРАФИИ плоских изделий различной толщины с использованием канавочных дефектометров. Фокусное расстояние выби- рали из условия иг < wp. Снимки расшифровывали на негатоскопе с яркостью экрана 30 кд/м2, при этом рас- стояние от глаза наблюдателя до экрана составляло 25 см. Из графиков следует, что с увеличением угла ф чувствительность контроля существенно изменяется от центра к краю снимка, причем большее отклонение получа- ется при радиографии с использованием пленки РТ-5. При контроле изделий с протяженными швами или со швами сложной конфигурации их разбивают на уча- стки таким образом, чтобы схемы просвечивания соот- ветствовали схемам, приведенным на рис. 8 - 10. Во всех случаях необходимо устранять взаимные колебания и вибрации изделия, дефектоскопического оборудования и детекторов во избежание увеличения нерезкости изо- бражения дефектов. При просвечивании через две стенки сварных со- единений труб малого диаметра (рис. 15) во избежание наложения изображения участка шва, обращенного к источнику излучения, на изображение участка шва, об- ращенного к пленке, источник сдвигают из плоскости сварного соединения на расстояние а, зависящее от ра- диуса трубы г, ширины шва Ь и фокусного расстояния F: a =—(F-\,5r\ Рис. 15. Схема просвечивания трубы через две стенки со смещением источника В этом случае расстояние между внутренними краями изображения шва на снимке равно его ширине Ь. Изделия типа полых тел вращения просвечивают (рис. 16) по схемам, которые обеспечивают существен- ное уменьшение затрат вспомогательного времени. Это достигается за счет развертки всего изображения изделия на одном снимке. Такие схемы просвечивания применя- ют при контроле качества тонкостенных труб малого диаметра через одну стенку (а), а также поворотных и неповоротных сварных швов трубопроводов через две стенки (б и в). При контроле по схемам а и б изделие и радиографическая пленка синхронно перемещаются, в то время как источник излучения остается неподвижным. Неповоротные изделия контролируют по схеме в, при этом источник и пленка перемещаются через интервалы времени г, необходимые для получения на пленке задан- ной плотности почернения. Общие затраты времени на просвечивание трубы по всему периметру 2кг где г - внешний радиус трубы;/- ширина коллимацион- ной щели; - вспомогательное время. При контроле по схеме а изображение любого кон- тролируемого элемента трубы несколько увеличенное. Это увеличение равно где 5 - толщина стенки трубы. С целью увеличения производительности контроля схема а может быть использована при многокомпозици- онном контроле однотипных труб методом панорамного просвечивания (схема г). При контроле изделий с резкими перепадами тол- щины (рис. 17) для выравнивания плотности почернения по всему снимку применяют твердые, жидкие и порош- ковые компенсаторы из материала, имеющего такую же плотность и по возможности тот же атомный номер, что и контролируемый объект. В качестве компенсаторов используют сухие или жидкие соли тяжелых элементов, опилки, дробь и т.п. Рис. 16. Схемы просвечивания изделий типа полых тел вращения с разверткой изображения на снимке: а, г - просвечивание через одну стенку; б, в - просвечивание через две стенки; I - радиационная головка; 2 - щелевая диафрагма; 3 - изделие; 4 - пленка; 5 - суппорт
СРЕДСТВА И ТЕХНИКА РАДИОГРАФИИ 69 Рис. 17. Схема просвечивания с использованием компенсаторов: 1 - источник излучения; 2 - изделие; 3 - компенсатор; 4 - пленка От правильного выбора источника излучения, ра- диографической пленки и усиливающего экрана зависят чувствительность просвечивания и производительность контроля. Общие рекомендации по выбору источников, пленок и экранов приведены в табл. 16, а также на рис. 18. Для получения высокой чувствительности следует использовать низкоэнергетические источники излучения и высококонтрастные мелкозернистые безэкранные пленки с металлическими усиливающими экранами. Для полу- чения высокой производительности следует применять источники высокой энергии и высокочувствительные безэкранные пленки с усиливающими экранами или эк- ранные пленки с флюоресцентными усиливающими эк- ранами. Для получения высокой производительности следу- ет применять источники высокой энергии и высокочув- ствительные безэкранные пленки с усиливающими экра- нами или экранные пленки с флюоресцентными усили- вающими экранами. Фокусное расстояние F следует выбирать в зави- симости от заданной толщины объекта 5 и размеров фо- кусного пятна (активной части) d по уравнению F = 5 Геометрическую нерезкость wr определяют из усло- вия uv < иъ при просвечивании тонкостенных изделий; иг < ир при просвечивании изделий большой толщины, когда рассеянное излучение существенным образом ухудшает выявляемость. В этом случае общая нерезкость изображения при иг = wp равна и = ^и3 + и3 = 1,25мр, для ступенчатых дефектов и для овальных дефектов. При иг = ив общая нерезкость составляет соответственно и = l,25wB и и = l,43wB. 16. Области применения источников ионизирующего излучения в промышленной радиографии Толщина контролируемого металла, мм Радионуклидные источники Напряжение рентгеновских аппаратов, кВ Энергия ускорителей, МэВ Fe Ti А1 Mg До 4 До 8 До 50 До 80 |47Рт/Ве, 241 Ат 60-120 - 1-20 2-40 4-120 10-200 204Т1/Ве, |70Тт 120-200 - 2-40 4-70 10-200 25 - 250 ^Sr/Be, 75Se 150-300 — 7-80 15-120 40 - 250 70-450 192Ir 200-400 — 10-120 20-150 50-350 100-500 137Cs 300-1000 3-6 30-200 60-300 200 - 500 300-700 “Co >400 6-15 100-500 175 - 800 280 - 1400 450-2000 - — 15-50 а) б) Рис. 18. Область применения радиографических пленок при просвечивании стали (а) и алюминия (0)
70 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ РАДИОГРАФИИ Напряжение на трубке, кВ Рис. 20. Универсальная номограмма для определения времени просвечивания стали и алюминия на пленку РТ-1 (D = 1,5) у-излучением 170Тш (экран свинцовый, 8 = 0,1 ... 0,2 мм) Рис. 19. Номограмма экспозиций при рентгенографии стали (пленка РТ-1, Р = 1,5, экран свинцовый, 8 = 0,05 мм, F= 75 см) Время просвечивания выбирают либо по номограм- мам экспозиции, либо с помощью автоматических экс- понометров, измеряющих и задающих необходимую до- зу облучения для детектора. Номограммы экспозиций составляют с учетом тол- щины и плотности материала контролируемого объекта, МЭД и энергии излучения, фокусного расстояния и вы- бранных комбинаций пленок и экранов. На рис. 19-21 приведены номограммы экспозиций при использовании рентгеновских аппаратов, радионук- лидных источников и ускорителей. Для рентгеновских аппаратов экспозиция X определяется как произведение силы тока I трубки на время t для выбранного значения напряжения U на трубке и заданной толщины 8 контро- лируемого материала. Если значение фокусного расстоя- ния F отличается от той величины, для которой построе- на номограмма, то полученную по номограмме экспози- цию Хн пересчитывают по формуле Для радионуклидных источников излучения по но- мограмме для заданных значений МЭД излучения Р, толщины 3 материала, типа источника и выбранного фо- кусного расстояния F определяют во время просвечива- ния t. Ключ номограммы Р5п - nFt. Для ускорителей по номограммам для заданных значений толщины 8 мате- риала, выбранной энергии Е ускорителя определяют экспозицию Хп(Р) на расстоянии 1 м от мишени. Зная МЭД излучения Р на расстоянии 1 м, вычисляют время просвечивания: При использовании радиографических пленок не тех типов, для которых построена номограмма, время просвечивания t пересчитывают с учетом переходного коэффициента кП (табл. 17): Z — tnkn • Рис. 21. Номограмма экспозиций при просвечивании стали тормозным излучением бетатронов: а - экраны свинцовые; б - экраны свинцовые и флюоресцентные (D = 1,7, F = 2 м; пленка РТ-2)
СРЕДСТВА И ТЕХНИКА РАДИОГРАФИИ 71 17. Переходные коэффициенты kn для различных радиографических пленок и усиливающих экранов при D = 1,5, Е = 50 кэВ (U = 80 кВ) Экран Значения kn для пленок РТ-1 РТ-3 РТ-4М РТ-5 РТ-2 Без экрана 1,0 1,8 5,0 15,0 2,0 Свинцовый 0,5 0,9 2,5 7,5 1,0 Флюоресцент- ный стандарт 0,75 0,6 1,5 7,0 0,15 СБ, УФДМ 0,2 0,35 0,85 4,0 0,09 УС 0,25 0,2 0,5 2,4 0,05 ВП-1 0,38 0,3 0,75 3,5 0,08 ВП-2 0,30 0,25 0,6 2,8 0,06 УФД 0,25 0,2 0,5 4,0 0,05 Примечание. Значение kn равно отношению времени просвечивания при использовании комбинации пленки и эк- рана и времени просвечивания для пленки РТ-1 без экрана. Рис. 22. Зависимость угла коллимации от толщины изделия (в длинах свободного пробега) при просвечивании изделий конусным пучком излучения Размеры участка, контролируемого за одну экспо- зицию, при просвечивании плоских протяженных изде- лий выбирают с помощью графика, приведенного на рис. 22, где ф - половина угла коллимации (рис. 8). Рекомендуемое число снимков при контроле изде- лий типа полых тел вращения приведено в табл. 18-20. По истечении экспозиции пленка подвергается фо- тообработке. От условий химической обработки пленки (фотооб- работки) зависит качество рентгенограммы, поэтому следует соблюдать оптимальные условия фотообработ- ки. Процесс химической обработки пленки состоит из следующих операций: проявления, промежуточной про- мывки, фиксирования изображения, окончательной про- мывки, сушки пленки. Обработку пленки проводят в специальных фотолабораториях в полной темноте или при неактиничном освещении. Способ приготовления проявителя для рентгенов- ской пленки и время проявления ее в данном проявителе указаны в сопроводительной документации на пленку. Свежий проявитель обладает повышенной вуалирующей 18. Число снимков при просвечивании тел вращения /1 11 и- J Схема просвечивания F/R Число снимков при 5/7?, не менее 0,5 0,4 о,з 0,2 о,1 До 1,2 16 14 13 12 11 1,2-1,5 15 13 12 11 10 1,5-: 1 14 12 11 10 9 2-4 13 11 10 9 8 4 - 2( ) 12 10 9 8 7 >20 11 9 8 7 6 19. Число снимков при просвечивании тел вращения Схема просвечивания F/R Число снимков при 5/7?, не менее До 0,3 Св. 0,3 2-2,5 2,5-5 5-40 >40 4 5 6 7 3 4 5 6 20. Число снимков при просвечивании тел вращения Схема просвечивания 5/7? Число снимков, не менее При 1= 2(RS) j 8 0,5-0,4 0,4 - 0,25 6 5 R 0,25-0,1 До 0,1 4 3 0,5 - 0,4 0,4-0,1 До 0,1 4 3 2
72 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ РАДИОГРАФИИ 21. Значения коэффициентов корреляции времени проявления в зависимости от температуры проявителя и количества проявленной пленки Количество пленки, проявленной в 1 л проявителя, м2 Коэффициент корреляции при температуре проявителя, °C 16 18 20 22 24 0 1,3 1,о 0,8 0,7 0,6 0,6 1,6 1,2 1,0 0,9 0,8 0,9 1,8 1,4 1,2 1,1 1,0 1,2 2,0 1,6 1.3 1,2 1.1 1,4 Проявитель непригоден Примечание: Время проявления в свежем проявителе при 18 °C принято за единицу. способностью, и пользоваться им следует не раньше, чем через 8 ... 10 ч после приготовления. Для поддержания постоянной температуры проявителя требуется сложная аппаратура. С изменением температуры проявителя ак- тивность его меняется, поэтому время проявления целе- сообразно корректировать в соответствии с температу- рой проявителя. Коэффициенты корреляции приведены в табл. 21. При большом объеме работ по проявлению пленки проявитель истощается и время проявления необходимо корректировать. Для этих целей обычно применяют кор- реляцию по так называемому методу индукции. Кассету с рентгеновской пленкой закрывают наполовину свинцо- вой полоской по ее длине и экспонируют таким образом, чтобы при нормальном времени проявления оптическая плотность проэкспонированного излучением участка пленки составляла 1,0 ... 2,5. Затем пленку разрезают (поперек) на узкие полоски. Одну из полосок проявляют в свежем проявителе, и фиксируют время (в с) до прояв- ления первых следов изображения, соответствующих периоду индукции. Коэффициент индукции Р = Zo/^i, где /0 - время про- явления в свежем проявителе, определяемое в зависимо- сти от температуры по табл. 21; - время до появления первых следов изображения в свежем проявителе, т.е. период индукции. Остальные полоски рентгеновской пленки исполь- зуют для определения времени проявления в истощен- ном проявителе. Нормальное время проявления t - /2Р» где t2 - время, зафиксированное при проявлении в исто- щенном проявителе в момент появления первых следов изображения; Р - коэффициент индукции. Указанную операцию периодически повторяют до тех пор, пока время проявления при данной температуре не увеличится в 1,5 раза; это означает, что проявитель пришел в негодность. Время проявления не рекомендуется корректиро- вать с целью компенсации неправильных экспозиций, так как это приводит к ухудшению качества рентгено- граммы. Проявление пленок может проводиться как вруч- ную (в кюветах или танках), так и автоматически (в спе- циальных машинах для проявления). В автоматических машинах для проявления происходит обычно полный процесс обработки пленки: проявление, остановка про- явления, фиксирование, промывка и сушка. Приведем дополнительные практические сведения по фотообработке снимков. Хотя в наши дни пленка все больше обрабатывается в автоматическом режиме, тем не менее будет полезно провести подробное описание ручной обработки, т.к. это дает более полную картину общих принципов (которые, конечно, применяются и при автоматической фотообработке). Все этапы фотооб- работки должны проводиться в темноте. Темная комната должна быть расположена по воз- можности близко от места, где рентгеновская пленка экспонируется, но вне пределов досягаемости воздейст- вия излучения. Вход в темную комнату обычно выпол- няется в виде «ловушки для света», например в виде вращающейся двери или лабиринта. В большинстве слу- чаев используется лабиринт, хотя он и занимает доволь- но много места. Стены прохода окрашивают в матовый цвет, а на уровне глаз проводят белую полосу для облег- чения ориентировки. Стены темной комнаты предпочти- тельно окрашивать в светлый тон, так как их легче очи- щать и они лучше отражают красный цвет фонаря. Темную комнату необходимо снабдить принуди- тельной вентиляцией, хорошо очищенным воздухом. Это очень важно, так как наружный воздух может быть за- грязнен пылью, песком и другими частицами. Рекомен- дуемая влажность воздуха 40 ... 70 %. Пленки должны обрабатываться при неактиничном свете, в частности рентгеновскую пленку типа Структу- рикс обрабатывают при оранжево-красном или зеленом свете. Расстояние между пленкой и красным фонарем и выдержка зависят от чувствительности применяемой пленки. Как правило, красный фонарь проверяют экспо- нированием частично закрытой пленки самой высокой чувствительности с такой выдержкой, длительность ко- торой равна общему времени обработки пленки в темной комнате. После этого пленку проявляют в обычном ре- жиме и становится очевидным, насколько безопасен красный фонарь и сколько времени пленка может под- вергаться воздействию этого фонаря. В комнате необхо- димо предусмотреть «сухую» и «мокрую» секции. В «сухой» секции пленка загружается и вынимается из кассеты и, если необходимо, вставляется в проявочную рамку. В этой секции не должно быть повышенной влажности, но должны быть в наличии устройства для подвешивания пленок и светозащитный контейнер для пленки. При ручном проявлении пленки обрабатываются в различных бачках. Для повышения эффективности и улучшения качества обработки рекомендуется приме- нять автоматический контроль температуры растворов. Бачки, в которых пленка устанавливается в верти- кальной рамке (танки-баки), должны изготовляться из материала, стойкого к коррозии. Часто такие бачки де- лают из коррозионно-стойкой стали, хотя возможно применение и пластмассовых бачков. Размеры бачков
СРЕДСТВА И ТЕХНИКА РАДИОГРАФИИ 73 должны подходить для используемых пленок и одновре- менно обрабатываемых пленок с обеспечением мини- мального зазора 2 мм между пленками и стенками бачка. Верхняя кромка пленок должна быть на 2 мм ниже по- верхности растворов. Расположение бачков рекоменду- ется следующее: проявочный бачок, стоп-ванна или ба- чок для промывки, бачок с фиксажем, бачок окончатель- ной промывки, бачок с осушающим раствором. Обрабатывающие растворы предпочтительно гото- вить в индивидуальных бачках, которые не должны при- меняться для других растворов. При использовании хи- микатов в виде порошков они не должны смешиваться в самом бачке. Такие химикаты поставляются в упаковке различного объема, а порядок их растворения необходи- мо строго соблюдать, в противном случае возможно по- явление осадка и активность полученного раствора мо- жет оказаться пониженной. При наличии концентрированных растворов прояви- теля и фиксажа их нормальные растворы можно получать непосредственно в обрабатывающих бачках. В случае ав- томатизированной обработки необходимые растворы раз- мещают в сосудах с освежающими растворами. При проявлении в бачках экспонированная пленка помещается в держателе, на подвеске или в рамке (в слу- чае подвески пленка сначала закрепляется в нижних за- жимах, а затем - в верхних). Это позволяет погружать пленку в растворы на строго определенное время. Во время обработки рентгеновские пленки необходимо час- то перемещать, с тем чтобы не происходило локального истощения раствора в районе контакта с эмульсией. В противном случае снижаются скорость и равномерность обработки пленки. Рекомендуемое время проявления пленок типа Структурикс в проявителе Г128 составляет 5 мин при 20 °C. Повышение температуры проявителя ускоряет про- цесс проявления, но при этом происходит ускоренное окисление раствора. Если не представляется возможным выдерживать температуру 20 °C, то рекомендуется следующая зави- симость времени проявления от температуры раствора: Г, °C 18 20 22 24 26 28 30 Г, мин 6 5 4 3,5 3 2,5 2 Ускоренное проявление при повышенной темпера- туре хотя и не рекомендуется, но целесообразно для по- нижения вуали и зернистости изображения. Слишком высокая температура может привести к ретикуляции, отслоению или расплавлению эмульсионного слоя. Если же температура падает ниже 18 °C, то гидрохинон, влияющий в основном на контактность, становится ме- нее активным. Для предотвращения разбухания эмульсионного слоя температура проявителя не должна превышать 24 °C. Хота повышенная температура проявителя и укора- чивает время проявления, однако изображение может получиться заметно менее контрастным (из-за высокой вуали) и менее равномерным. Возможна компенсация в определенных пределах отклонений от нормальной экспозиции путем изменения времени проявления, но хорошее качество рентгенов- ских снимков трудно получить, если время проявления нестандартно. Увеличенное время проявления приводит к повыше- нию плотности вуали, а укороченное - к пониженному кон- трасту. Поэтому таких режимов необходимо избегать. Поскольку тип проявителя влияет на вуаль, зерни- стость, эффективную чувствительность пленки и контра- стность изображения, необходимо соблюдать рекомен- дации изготовителя. Необходимо тщательно перемешивать проявитель в первые 30 с проявления пленки для предотвращения об- разования пузырьков воздуха на поверхности эмульсии (что приводит к появлению пятен на снимке) и для рав- номерного проникновения проявителя в толщу эмульси- онного слоя. Перемешивание необходимо повторять ка- ждую минуту в течение 5 с для доступа новых порций проявителя к эмульсии. Если проявление сопровождается непрерывным пе- ремешиванием, то процесс проявления ускоряется и время проявления можно сократить примерно на 20 %. Эффект перемешивания достигается и пропускани- ем пузырьков азота, исходящих со дна проявочного бач- ка. Большое количество пузырьков и их произвольные направления движения к поверхности раствора обеспе- чивают эффективное перемешивание раствора у поверх- ности пленки. Не допускается контролировать процесс проявления по достигнутой плотности. На этой стадии пленка более чувствительна даже к свету, не актиничному при нор- мальных условиях, и, как результат, возможно увеличе- ние вуали и подтеков на изображении. В процессе проявления активность проявителя, уменьшается из-за расхода проявляющего вещества и накопления продуктов реакции в проявителе. На исто- щаемость проявителя влияют число проявленных пленок и их средняя плотность в бачке. Другим фактором явля- ется окисление проявляющего вещества, а также и неис- пользуемого проявителя. Следовательно, необходимо компенсировать это уменьшение проявляющей активно- сти, если требуется получить равномерные снимки в те- чение какого-либо времени. Эта компенсация достигает- ся восстановлением раствора. При использовании подвесок, которые не рекомен- дуется выдерживать над проявочным бачком, происхо- дит перенос около 320 мл проявителя в промывочный бачок каждым 1 м2 обрабатываемой пленки. Проявочные рамки рекомендуется выдерживать над проявочным бач- ком в течение 2 с для стока проявителя с пленки, но и они переносят около 400 мл раствора каждым 1 м2 плен- ки. В соответствии с рекомендациями изготовителя не- обходимо на каждый 1 м2 пленки использовать опреде- ленное количество восстановительного раствора, доводя активность основного проявителя до первоначального уровня. Чтобы восстановить рабочий раствор до перво- начальной активности, в качестве восстановительного раствора необходимо использовать раствор повышенной концентрации. Добавление раствора нормальной кон- центрации вынуждает увеличивать время проявления, с тем чтобы получать постоянную степень проявления.
74 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ РАДИОГРАФИИ В случае проявителя типа Структурикс Г128 нор- мальный проявитель получается, если к 1 части концен- трата добавить 4 части воды. Восстановительный рас- твор получается при добавлении 3 частей воды к 1 части концентрата. Восстановительный раствор добавляется довольно часто для поддержания постоянной активности; добав- ление слишком большого количества за один прием при- водит к тому, что плотность проявленной пленки замет- но возрастает. Восстановительный раствор не следует добавлять бесконечно; старый проявитель следует вы- брасывать. После добавления 4 л восстановительного раствора на 1 л исходного проявителя можно проявлять 0,25 м пленки на каждый литр проявителя в бачке. После этого использованный проявитель следует заменить свежим. Если частично использованный про- явитель не применяется в течение восьми недель, то он также подлежит замене. Для предотвращения окисления растворов на воз- духе бачок с восстановительным раствором закрывается плавающей крышкой. После завершения процесса проявления пленки вы- нимают из проявителя, дается возможность остаткам проявителя стечь с поверхности пленки в течение не- скольких секунд (только не в используемый проявитель), затем их погружают в стоп-ванну. В 1 л стоп-ванны можно обработать 0,6 ... 0,8 м2 пленки при условии кон- троля pH раствора. Если используется только промежуточная промыв- ка, то пленки промывают в течение 2 ... 3 мин в проточ- ной воде. Скорость воды должна быть такой, чтобы обеспечивался по крайней мере 3-4-кратный обмен воды в бачке за 1 ч. Вода должна быть чистой и без примесей соединений серебра или фиксажа. Допускается мини- мальная температура 15 °C, но она должна быть макси- мально близка к номинальной. Если температура слиш- ком низка, то желатин на поверхности эмульсионного слоя может сморщиться и проявляющие вещества уда- ляться уже будут неравномерно, в результате чего изо- бражение получается неравномерное по плотности или с рябью. Фиксирование в значительной степени определяет постоянство качества изображения и его сохраняемость, и потому необходим постоянный контроль качества, pH и содержания серебра (его объем не должен превышать 8 г/л фиксажа). Когда пленка переносится из стоп-ванны в фикси- рующий раствор, последний необходимо непрерывно перемешивать в течение 10 с, а затем перемешивание повторяют регулярно каждую минуту по 5 с. Следует обращать особое внимание на то, чтобы пленки не при- липали друг к другу. Если перемешивание недостаточно интенсивно, то могут появиться пятна и дихроичная вуаль, особенно если фиксаж близок к истощению. Как правило, фиксаж не пополняется восстанови- тельным раствором, а используется до истощения. Рас- твор считается истощенным, если время полного освет- ления пленки в нем вдвое превышает это время для све- жего раствора. В этом случае фиксаж подлежит замене. При использовании фиксажа Структурикс Г328 макси- мальное время осветления составляет 2,5 мин при 20 °C. Обычно в 1 л фиксажа разрешается обрабатывать не бо- лее 1 м2 пленки. Если эта норма превышается, то фиксирование изо- бражения будет неполным, даже если пленка выдержи- вается в фиксаже в течение времени вдвое больше, чем время осветления. Результатом будет обесцвечивание или размывание изображения. Кроме того, в этом случае сохраняемость пленки будет низка. Температура фиксажа не оказывает значительного влияния на процесс фиксирования, хотя при повышен- ной температуре время фиксирования сокращается. Не- обходимо температуру фиксажа приближать к темпера- туре проявителя, так как перепад в температуре обработ- ке отрицательно сказывается на эмульсионном слое. После фиксирования рентгеновские пленки промы- ваются в проточной воде, с тем чтобы эмульсионный слой был тщательно промыт. Для обеспечения качества промывки необходимо, чтобы подвеска и верхние зажи- мы пленки постоянно омывались водой. Длительность промывки зависит от интенсивности промывки и темпе- ратуры воды. Длительность промывки, мин Температура воды, °C 90 5- 12 20 13-25 15 26-30 10 30 Следует избегать промывки водой при температуре выше 25°С. При необходимости использования воды с более высокой температурой обязательно применение дубящего фиксажа (типа Г328 с дубящей добавкой типа Г335). Как только пленка вынимается из промывочного бачка, вода стекает с пленки, но на ней остаются водя- ные капли различного размера как результат эффекта поверхностного натяжения воды. Пленка высыхает более долго, особенно в местах расположения капель. Следова- тельно, высыхание будет неравномерным, образуются пятна. Поэтому рекомендуется погружать пленки в осу- шающий раствор, образованный 5 ... 10 мл осушителя в 1 л воды. Осушитель уменьшает поверхностное натяжение воды, в результате чего вода смачивает пленку и стекает с нее равномерно, без образования капель на поверхности пленки. Пленки необходимо подвешивать на 2 мин для стекания воды, а только затем помещать в сушильный шкаф. После вынимания пленки из осушающего раствора ее нельзя промывать в обычной воде. Пленка должна по возможности высыхать в сушильном шкафу или в сухой, свободной от пыли комнате. На высохшую пленку не должны попадать капли воды, так как при этом образу- ются пятна. Это означает, что мокрые пленки должны висеть ниже сухих пленок. Пленки высыхают быстрее, если они окунались в осушающий раствор. Прежде чем выни- мать пленки из сушильного шкафа, необходимо убедиться в том, что края и углы пленок высохли полностью. Выпускаются автоматические роликовые осушите- ли, например осушитель Структурикс, способные высу- шивать пленки со скоростью 14 см/мин. При их приме-
СРЕДСТВА И ТЕХНИКА РАДИОГРАФИИ 75 нении пленки должны фиксироваться в дубящем фикса- же. Осушители занимают значительно меньше места, чем сушильные шкафы. Бачки должны промываться после каждой замены обрабатывающего раствора, желательно горячей водой или мыльным раствором. Если этого окажется недоста- точно, то пластмассовые бачки можно отмыть отбелива- телем (100 ... 120 мл/л воды), соляной кислотой (10 мл/л воды) или уксусной кислотой (50 мл/л воды). Бачки из коррозионно-стойкой стали можно отмыть азотной ки- слотой (10 мл/л воды). Соляная кислота не должна ис- пользоваться для промывки бачков из коррозионно- стойкой стали. Простота машинной обработки пленок является достоинством перед ручной обработкой даже для не- больших рентгеновских кабинетов. Это преимущество достигнуто прежде всего применением роликовой сис- темы, при которой автомат обработки пленок занимает минимальную площадь, имеет высокую производитель- ность и позволяет осуществить быструю обработку в полностью автоматическом режиме. В этой системе пленки транспортируются без участия оператора через проявитель, промывающую ванну, фиксаж, вторую про- мывающую ванну и осушитель с помощью роликов, приводимых в движение с помощью двигателя. Все ро- лики, сосуды с химикалиями и осушитель размещают в одном компактном блоке. Автоматическая обработка имеет технические, эко- номические и социальные преимущества. Автоматическая обработка пленок позволяет под- держивать все параметры, влияющие на качество фото- графического изображения, в очень узком диапазоне. При этом достигается абсолютная гарантия одинаковых результатов без подбора режимов в течение длительного времени: а) время прохождения через различные ванны и осушитель остается таким же; б) температура растворов не зависит от внешних условий и поддерживается посто- янной в пределах 0,5 °C; в) автоматическое добавление освежающего раствора в зависимости от длины (в случае оборудования типа «Структурикс НТД.Е») или площади обработанной пленки (для оборудования «Структурикс НТД.М», «Структурикс НТД.1» и «Структурикс НТД.З») обеспечивает постоянную активность и состав обраба- тывающих растворов; г) механическое перемешивание растворов и система транспортировки пленки обеспечи- вают равномерное проникновение химикатов в эмуль- сию всех пленок; д) постоянные во времени и равномер- ные в объеме ванн температура и поток воздуха в осу- шителе обеспечивают равномерное высыхание и качест- во поверхности пленок. Количество проявителя, переносимого пленкой из проявляющей ванны, не превышает 150 мл/м2, что зна- чительно меньше 400 мл/м2 при ручной обработке. Это делает ненужной промывку пленки между проявлением и фиксированием без ухудшения качества фиксажа при условии, что в фиксаж вводится освежающий раствор. Очень короткое время обработки достигнуто высоким постоянством различных параметров, недостижимых при ручной обработке. Если сравнить общие расходы за пятилетнюю экс- плуатацию обеих систем и относительные расходы на 1 м2 пленки, можно убедиться, что автоматическая обра- ботка является наиболее дешевой из двух систем обра- ботки, если суточная потребность более 125 пленок (около 6,2 м2). Основная разница в расходах объясняется меньшим числом человеко-часов, затраченных на обра- ботку, и меньшим числом снимков, которые необходимо переснять при автоматической обработке. Меньший расход пленки получается благодаря аб- солютно постоянным условиям обработки. В темной комнате в этом случае нет риска дотронуться до пленки или оборудования мокрыми руками; то же касается и усиливающих экранов - они меньше повреждаются, а следовательно, и сокращаются расходы на их замену. При автоматической обработке не нужно устанавливать пленки в подвесках, а поэтому и нет риска сделать цара- пину, дотронуться руками до пленки; отсутствует также риск поцарапать мокрый, а следовательно, и более чув- ствительный эмульсионный слой. Не стоит также пренебрегать и экономией площади, требуемой для обработки пленки, а также в случае рас- ширения рентгеновского кабинета. Рентгенологи работают в значительно более спо- койных условиях, их производительность высока, а ра- бота хорошо организована. Время нахождения в темной комнате сводится к минимуму. Размеренные условия обработки не дают возможно- сти персоналу увеличивать экспозиционную дозу при облучении для того, чтобы сократить время обработки пленки, что возможно при ручной обработке. Необходи- мость использования правильной и, следовательно, ма- лой дозы облучения, а также менее частое повторение экспозиций приводит к меньшей опасности для рентге- нолога. Классическая конструкция машины роликового ти- па включает в себя три бачка (для проявления, фиксиро- вания и промывки) и осушитель. Пленка транспортиру- ется системой роликов таким образом, что она проходит последовательно через эти три бачка и осушитель. Роли- ки приводятся во вращение двигателем через замедляю- щую передачу. Направляющие устройства направляют пленку от одного ролика к другому. Проявочный и фиксирующие бачки непрерывно на- ходятся в движении, а температура в них поддерживает- ся постоянно с помощью термостата. В зависимости от количества обработанной пленки в обрабатывающие растворы добавляются освежающие растворы. В промывочной ванне постоянно движется проточ- ная вода, как только туда попадает пленка. Температура воды контролируется по теплообмену через проявитель и (или) фиксаж. Все эти операции полностью автоматизи- рованы. Все ролики распределены по функциональным группам: входные ролики (измерители количества плен- ки), обводные ролики на дне бачка для изменения на- правления движения пленки в бачке, переносные ролики для переноса пленки из одного бачка в другой и выжим- ные ролики для удаления воды с поверхности пленки.
76 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ РАДИОГРАФИИ При механизированной обработке время обработки пленки сокращается с 12 мин до 40 с в зависимости от обрабатывающих растворов и характеристик пленки в совокупности с используемыми химикатами. Общее время обработки включает промежуток времени от ввода пленки до момента, когда готовая пленка выходит из осушителя. Производительность машины равна количе- ству пленок определенного размера, обработанных за 1 ч. Время ввода пленки равно промежутку времени от момента ввода одной пленки до момента, когда можно вводить следующую пленку. Эти три фактора тесно связаны друг с другом и оп- ределяются чувствительностью загруженной пленки в данный момент. Таким образом, невозможно определить или изменить эти факторы в отрыве друг от друга. Размеры пленок, которые можно обработать в ма- шине, зависят от расстояния между роликами (мини- мальная длина) и полезной длины роликов (максималь- ная ширина). Для того чтобы машина могла использоваться пол- ностью, необходимо загружать пленки с максимальным размером по ширине. Если применяются пленки не- большого размера, можно загружать их параллельно. Движение пленки осуществляется с помощью сис- темы роликов, приводимых во вращение ведущим валом через промежуточные шестерни, и поэтому линейная скорость всех роликов одинакова. В каждой ванне пленка проходит U-образный путь. Каждая ванна размещается в отдельной стойке и может быть заменена в зависимости от конструкции машины целиком или наполовину. Переход пленки из одной ван- ны в другую осуществляется с помощью сменной на- правляющей системы. Направление и изгиб пленки при переходе между роликами происходят с помощью на- правляющих пластин, причем пленка касается этих пла- стин только малой частью площади. Основным требованием к транспортной системе яв- ляется плавное и равномерное движение всех хорошо обработанных роликов. Если это не соблюдено, то плен- ка может быть испорчена из-за возникающего трения. Передняя кромка пленки должна захватываться ка- ждым роликом, иначе пленка будет складываться, за- стревать или сходить с роликов. Направляющие пласти- ны должны располагаться так, чтобы не царапать пленку или не оставлять следов на ней. Дубящие ванны повы- шают твердость желатинового слоя, что уменьшает ве- роятность его повреждения во время движения пленки. Транспортная система приводится в движение ма- ломощным двигателем через один или два главных ве- дущих вала. В некоторых машинах частота вращения вала двигателя может регулироваться, тем самым имеет- ся возможность регулирования времени обработки плен- ки или обработки пленок различных типов на одной и той же машине. Проявляющая ванна для автоматической обработки содержит кроме упомянутых выше компонент следую- щие: дубящее вещество для желатина и средство, пре- пятствующее выпадению осадка. Поглощение теплой жидкости (при 27 ... 35 °C) эмульсионным слоем приводит к набуханию желатина. Для предотвращения этого явления и учитывая сопро- тивляемость механическому воздействию во время транспортировки и быструю сушку, в проявляющую ванну вводят дубящее вещество. Эмульсионный слой пленки поглощает около 150 мл/м2 вещества. Чтобы не затруднять фиксирование, дубление желатина в процессе проявления не должно быть полным. Без дубящего ве- щества набухание желатина в проявителе, фиксаже и воде будет разным. Набухший в проявителе желатин сжимается в фиксаже значительно, что создает трудно- сти при движении пленки из-за разной толщины и шеро- ховатости. Набуханию желатина способствует повышенная щелочность (pH) проявителя. У проявителей ручной об- работки pH примерно равен 10,85. При машинной обра- ботке такая щелочность уменьшает дубящий эффект, а поэтому чрезмерное набухание вызовет трудности при транспортировке. В этом случае часто применяется пус- ковой раствор - раствор кислоты. Он добавляется в про- явочный бачок машины в самом начале процесса - в свежий проявитель, щелочность которого понижается до 10,10 (в случае применения проявителя типа Структу- рикс Г135). При таком pH дубящее вещество оказывает оптимальный эффект и разбухание эмульсии остается в допустимых пределах. При более высоких значениях pH дубящее вещество увеличивает вуаль. Поскольку ки- слотная часть пускового раствора не вступает в химиче- скую реакцию, то не имеет смысла добавлять его в осве- жающий раствор. В противном случае pH в рабочем бач- ке будет постоянно снижаться из-за возрастающей кон- центрации бромида в процессе проявления. Для осве- жающего раствора проявителя типа Структурикс Г135 значение pH 10,45. Необходимый контакт между растворами и пленкой достигается, с одной стороны, вращением роликов и движением пленки, а с другой, - непрерывной циркуля- цией раствора в бачке. Циркуляция осуществляется с помощью насоса. Кроме того, она способствует гомоге- низации раствора, т.е. в любой точке бачка обеспечива- ются одинаковые состав и температура раствора. При автоматической обработке быстрое фиксирова- ние осуществляется тиосульфатом аммония. Это вещест- во действует в 2 раза эффективнее, чем тиосульфат натрия, и способно поглощать значительно больше серебра. Поскольку в данном случае не применяется проме- жуточная промывка, как во многих процессах, то фикси- рующий раствор должен обладать стойкостью по отно- шению к переносимому в него проявителю. Дубящее действие фиксажа достигается добавлени- ем в него компонентов типа Структурикс Г335. Полное дубление желатинового слоя при этом получается в мо- мент, когда пленка готова для транспортировки в осуши- тель. При применении дубителя Структурикс Г335 pH снижается до 4,35. Циркуляция раствора осуществляется с той же целью, что и при проявлении. Контроль температуры раствора при фиксировании может быть менее строгим, чем при проявлении. Удов- летворительный контроль получается в результате теп- лообмена с промывочной водой, протекающей через те- плообменник и обеспечивающей таким образом прием-
СРЕДСТВА И ТЕХНИКА РАДИОГРАФИИ 77 лемый температурный перепад, при котором не возника- ет ретикуляция желатинового слоя. Промывка осуществляется обычной водопроводной водой при комнатной температуре. В современных обра- батывающих машинах вода прогревается при протека- нии через проявочную или фиксирующую ванну или через теплообменник в зависимости от типа машины. Водяная система выполняет две функции: промывку пленки и стабилизацию температуры различных раство- ров. Если температура поступающей воды слишком вы- сока, то ее охлаждают перед подачей в машину. При ав- томатической обработке обязательно наличие фильтра для воды. Для большинства обрабатывающих машин исполь- зуют воду под давлением 0,2 ... 0,6 МПа, поэтому необ- ходимо предусмотреть редуктор для обеспечения посто- янного давления. В лучших моделях обрабатывающих машин типа «Структурикс НТД» расход воды минимален - 0,75 ... 1,5 л/мин. Во время промывки эмульсионный слой впитывает мало воды, особенно при применении дубящих веществ. Их количество не должно быть слишком большим, что- бы не затруднять промывку. Недостаточно промытые пленки также сохнут медленнее. Поэтому необходимо тщательно следовать инструкциям изготовителя. Качество промывки можно контролировать по со- держанию в пленке остатков тиосульфата. Количество тиосульфата и соединений серебра в эмульсии зависит от количества жидкости, переносимой в осушитель с плен- кой, и количества тиосульфата в этой жидкости. При автоматической обработке сушка может осу- ществляться различными способами. В современных машинах применяется прямое поглощение энергии ин- фракрасного диапазона, чем обеспечивается равномер- ная сушка. В некоторых машинах применяется поток теплого воздуха, а его скорость и расход определяют параметры сушки. В данном случае имеет также значение и цирку- ляция теплого воздуха в сушильном шкафу, особенно если иметь в виду возможность образования пятен на пленке. На процесс сушки влияют следующие факторы: • объем и скорость воздуха (слабые потоки требу- ются при инфракрасной сушке); • температура воздуха (не имеет значения при ин- фракрасной сушке); • влажность воздуха; • количество влаги, поглощенной в пленке; • степень дубления желатинового слоя. Хорошо высушенная пленка имеет ровную поверх- ность и не прилипает к пальцам. В случае машин типа Структурикс пленка пропускается между прижимными роликами и затем через инфракрасные нагреватели, рас- положенные через определенные промежутки. Чтобы воздух у поверхности пленки не перенасыщался влагой, предусмотрены небольшие вытяжные вентиляторы. Ско- рость сушки больше всего определяется степенью задуб- ления желатина, а не температурой воздуха, поэтому она должна поддерживаться оптимальной. В свою очередь, задубление зависит от проявочной и от фиксирующей ванн, а следовательно, они совместно с осушивающими растворами определяют процесс сушки пленки. В случае сушки потоком теплого воздуха слишком высокая температура может привести к сморщиванию или даже к оплавлению желатинового слоя. Если же сушка происходит неудовлетворительно даже при нор- мальной температуре и задублении, необходимо прове- рить относительную влажность воздуха, которая должна быть в пределах 40 ... 70 %. При автоматической обработке снимки получаются наивысшего качества, конечно при условии, что инст- рукции изготовителя строго выполняются. Хранение пленки требует соблюдения специальных противопожарных мер, так как пленка на нитроцеллю- лозной основе, хотя и не самовоспламеняется, но легко загорается от огня, выделяя ядовитые и удушливые про- дукты горения. Пленка с ацетатцеллюлозной основой плохо воспламеняется и горит медленнее. Расшифровка радиографических снимков и оценка качества контролируемого изделия производятся наиболее опытными операторами-расшифровщиками. Так как радиографическая пленка является детектором с высоким уровнем собственных шумов, вызванных не- равномерностью полива эмульсии, некачественным про- явлением и другими факторами, расшифровщики долж- ны уметь отличать эти дефекты от дефекта изделия. В сомнительных или наиболее ответственных случаях кас- сеты заряжают двумя пленками или деталь просвечива- ют повторно. В каждой отрасли промышленности существуют собственные правила и нормы, регламентирующие как уровень дефектности изделий, так и требования к каче- ству выполнения радиографического снимка. В общем случае снимок должен удовлетворять следующим требо- ваниям. 1. На снимке должен быть виден весь контролируе- мый участок с установленными на нем маркировочными знаками и эталонами чувствительности. 2. На снимке должны отсутствовать дефекты плен- ки и фотообработки (пятна, царапины, отпечатки паль- цев, подтеки, белый налет при плохой промывке и т.п.). 3. Минимальная плотность почернения снимка не должна быть меньше предельных значений, установлен- ных правилами контроля. 4. Максимальная плотность почернения снимка не должна быть больше предельно установленных значе- ний. В частности, при просмотре снимков на негатоско- пах для экранных пленок D < 2 ... 2,5, для безэкранных пленок/) < 3. Плотность почернения снимка оценивают на денси- тометрах или микрофотометрах. Иногда применяют эта- лоны плотностей почернения в виде узкой полосы ра- диографической пленки с участками, имеющими различ- ную плотность почернения. Радиографические снимки расшифровывают в про- ходящем свете на негатоскопах. Современные негато-
78 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ РАДИОГРАФИИ Рис. 23. Схема просвечивания для определения глубины залегания дефекта с перемещением источника излучения скопы обеспечивают регулирование яркости поля и его размеров. Максимальная яркость основного поля негато- скопа должна обеспечивать просмотр снимков с D < 3, а вспомогательного малого поля с D < 5. На снимках вы- являют следующие дефекты: 1) трещины продольные и поперечные; 2) непровары сплошные и прерывистые по кромкам шва и наплавленного металла; 3) вольфрамовые и шлаковые включения; 4) прожоги, проплавы, подрезы и другие поверхностные дефекты. Расшифровщик по изображению дефекта на снимке определяет его координаты, а также размеры (ширину и длину). Глубину залегания дефекта находят, просвечивая изделия со смещением излучения. В этом случае глубину х вычисляют по формуле (рис. 23) Размеры дефектов легко измерить по их изображе- нию на снимке с использованием в качестве мерительно- го инструмента лупы с десятикратным увеличением, снабженной шкалой с ценой деления 0,10 мм. Недопустима оценка дефектов по протяженности в глубину сравнением почернения дефекта и канавки эта- лона на снимке. 4.4. НЕЙТРОННАЯ РАДИОГРАФИЯ Нейтронная радиография - метод неразрушающе- го контроля, основанный на просвечивании исследуемо- го объекта коллимированным пучком нейтронов и реги- страции теневого изображения объекта на рентгеновской пленке или другом детекторе (рис. 24). В зависимости от вида излучения, используемого для получения нейтронов, источники нейтронов подраз- деляют на три группы (табл. 22). Некоторые общие ха- рактеристики источников приведены в табл. 23. Подкритические сборки (их часто называют нейтрон- ными размножителями) по общему устройству близки к ядерным реакторам. Однако в них самоподдерживающийся процесс деления ядер горючего не может протекать. Для его осуществления в активную зону подкритической сбор- ки вводится радиоактивный источник нейтронов. При его удалении процесс деления прекращается. Рис. 24. Схема просвечивания при нейтронной радиографии: 1 - источник медленных нейтронов; 2 - защита; 3 - диафрагма; 4 - затвор; 5 - коллиматор; б - пучок нейтронов; 7 - изделие; 8 - детектор; 9 - камера В ядерных реакторах возникающие при делении нейтроны быстро замедляются до тепловых энергий. Для большинства действующих ядерных реакторов плот- ность потока нейтронов в активной зоне обычно равна 1012 ... 1014 с’1 • см’2. В подкритических сборках (напри- мер, ПС-1) при использовании радионуклидного источ- ника с потоком нейтронов 109 с’1 достигаются потоки медленных нейтронов 108 с’1 • см’2. Чтобы использовать нейтроны от ядерного реактора или подкритической сборки для неразрушающего кон- троля, их необходимо вывести и сформировать в колли- мированный пучок с требуемыми параметрами. Такой вывод нейтронов осуществляется из активной зоны или из отражателя реактора через специально оборудованные горизонтальные или вертикальные каналы-коллиматоры. Плотность потока нейтронов Фк(£п) на выходе таких коллиматоров в первом приближении можно оценивать по соотношению Фк(£п) = Ф(£п)£к 4л/^ 22. Энергетические группы нейтронов Название группы нейтронов (термин) Определение Холодные Нейтроны с энергией менее 5 • 10’3 эВ Тепловые Нейтроны, находящиеся в термодина- мическом равновесии с рассеивающими атомами окружающей среды и соответ- ствующие приближенно максвеллов- скому распределению плотности ней- тронов по энергии Надтепловые Нейтроны с энергией, выше которой отсутствует термодинамическое равно- весие их с атомами окружающей среды Промежуточ- ные Нейтроны с энергией в интервале от энергетической границы надтепловых нейтронов до 200 кэВ Быстрые Нейтроны с энергией от 200 кэВ до 20 МэВ Сверхбыстрые Нейтроны с энергией более 20 МэВ
НЕЙТРОННАЯ РАДИОГРАФИЯ 79 23. Общие характеристики нейтронных радиографических источников Источники Плотность потока нейтронов, см'2 • с'1 Предел раз- решения снимка Среднее время экспозиции Характеристики Радионук- лидные 10 - ю4 Слабый до среднего Большое Стабильность работы, умеренная цена; возможно порта- тивное исполнение Укорители заряженных частиц 103 - 106 Средний до хорошего Среднее Удобное включение-выключение, умеренная стоимость, портативное исполнение Подкритиче- ские сборки 104- 106 Хороший Среднее Стабильность работы; цена от средней до высокой; порта- тивность затруднена Ядерный реак- тор 10s - ю8 Отличный Короткое Стабильность работы; стоимость от средней до высокой; портативный где Ф(ЕП) - плотность потока нейтронов у основания коллиматора; SK, 1К - площадь основания и длина колли- матора соответственно. Размеры фокального пятна источника излучения определяются размерами основания коллиматора. Кол- лиматоры обычно снабжаются фильтрами и диафрагма- ми, позволяющими в некоторых пределах изменять па- раметры пучка нейтронов. Физической основой нейтронной радиографии яв- ляется зависимость сечения взаимодействия излучения с веществом от характеристик вещества и прежде всего от его атомного номера и массового числа. В отличие, на- пример, от рентгеновского и у-излучений эта зависи- мость для нейтронов (преимущественно низких энергий) выражена более сильно и имеет до некоторой степени противоположный характер (рис. 25). В связи с тем что эффективные сечения взаимодействия нейтронов с ядра- ми веществ увеличиваются с понижением энергии ней- тронов (рис. 26), в радиационной дефектоскопии нашли преимущественное использование тепловые и надтепло- вые нейтроны. Из анализа кривых следует, что нейтроны вполне целесообразно использовать при дефектоскопии таких веществ, как марганец, бор, кадмий, водород и др. В этих веществах наблюдается резкое изменение в зави- симости от энергии, что позволяет хорошо выявлять де- фекты. Основные области применения нейтронной радио- графии: 1) контроль радиоактивных узлов и деталей, в пер- вую очередь тепловыделяющих элементов ядерно- энергетических установок; 2) контроль деталей из некоторых легких материа- лов, например пластмасс, в том числе расположенных за экранами из более тяжелых материалов или между ними (электро- и теплоизоляторы, уплотняющие прокладки и т.п.); 3) обнаружение водородсодержащих включений в металлах; 4) контроль слоистых много компонентах материалов; 5) контроль тонких биологических образцов и объ- ектов. В ряде случаев, применяя нейтронную радиографию в дополнение к рентгено- и гамма-графии можно суще- ственно расширить получаемую информацию об иссле- дуемом изделии. Регистрация изображений исследуемых объектов осуществляется способами прямой экспозиции или пе- реноса. При прямой экспозиции изображение на фотогра- фическом или другом материале получается непосредст- венно в процессе просвечивания объекта пучком ней- тронов. В этом случае на детектор воздействуют не только нейтроны, но и другие излучения, в основном у-излучение, которое всегда присутствует в нейтронных пучках, а также возникает в материалах объекта и окру- жающих конструкций. Данный способ регистрации ней- тронных изображений целесообразно применять в тех случаях, когда воздействие фонового у-излучения на де- тектор мало по сравнению с воздействием нейтронов. Рис. 25. Зависимость массовых сечений Ет взаимодействия тепловых нейтронов (£п = 0,025 МэВ) и у-излучения от атомного номера вещества (при естественном составе изо- топов)
80 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ РАДИОГРАФИИ Рис. 26. Зависимость полных эффективных сечений взаимодействия нейтронов с различными веществами от энергии нейтронов Воздействие фонового у-излучения на детектор можно снизить, применив соответствующие фильтры или вы- брав детектор с низкой чувствительностью к фоновому излучению. Регистрация нейтронного изображения способом переноса осуществляется в два этапа. На первом этапе изображение получают на экране из материала, способ- ного активироваться под действием нейтронов. Такой экран располагают за исследуемым объектом в пучке нейтронов и экспонируют до получения заданной актив- ности. Полученное изображение представляет собой распределение возникших в материале экрана радиоак- тивных ядер, количество которых, приходящееся на еди- ницу площади поверхности экрана, прямо пропорцио- нально плотности потока приходящих нейтронов. На втором этапе после удаления активированного экрана из пучка нейтронов осуществляется его автора- диография - перенос изображения на фотографический материал. Данный способ регистрации нейтронных изо- бражений позволяет практически исключить воздействие на детектор фонового у-излучения. Его целесообразно применять в случае большого количества такого излуче- ния за исследуемым объектом, например при контроле радиоактивных изделий. Характеристики детекторов нейтронных изо- бражений. Наиболее широкое распространение получи- ли фотографические материалы (рентгеновские и фото- технические пленки и др.) и трековые детекторы (нитро- целлюлоза, слюда, стекло) (табл. 24). Для повышения воздействий нейтронов на детектор применяют специальные экраны-преобразователи, кото- рые изготовляют в виде однородных тонких пластин или фольги. При прямой экспозиции экран-преобразователь по отношению к источнику нейтронов можно располагать как перед детектором (передний экран), так и за ним (задний экран). В ряде случаев одновременно применяют оба экрана. При получении изображения способом пере- носа используют только один экран. Характеристики экранов-преобразователей зависят от вещества, используемого для их изготовления, от ус- ловий его применения, параметров пучка нейтронов и других факторов. Для иллюстрации на рис. 27 показано 24. Материалы, пригодные для изготовления детекторов нейтронных изображений Способ регистрации нейтронного изображения Материалы для регистрации изображения Материал экрана-преобразователя Прямая экспозиция Рентгеновские пленки типа РТ Индий, золото, серебро, родий, кадмий Фототехнические пленки типа ФТ То же Рентгеновские пленки типов РТ и РМ, фототехнические пленки типа ФТ Люминесцирующий состав на основе смеси ZnS(Ag) + LiF. Люминесцентные литиевые и борные стекла. Монокристаллы йодистого ли- тия Lil(Eu) Органические пленки из нитроцеллюлозы Вещества, содержащие 6Li, 10В или 235U, 239Pu Перенос изображения Рентгеновские пленки типа РТ, фото- технические пленки типа ФТ Диспрозий, индий, золото, серебро
НЕЙТРОННАЯ РАДИОГРАФИЯ 81 Рис. 27. Изменение экспозиционной дозы вторичного излучения у поверхности экранов-преобразователей из некоторых материалов в зависимости от их толщины: задние экраны - сплошные линии, передние экраны - штриховые линии Рис. 28. Характеристические кривые детекторов (пленка РТ-5 + экран-преобразователь): 1 - Rh 250/Cd 100/0; 2 - Gd 0/100; 3 - Rh 250/250; 4 - Ag 200/500; 5 - Cd 240/520; 6 - Rh 0/250 или Rh 250/0; 7 - Cd 0/520 или Dy 0/100 (метод переноса); 8 - Cd 240/0; 9 - In 0/650; 10 - Ag 0/500; 11 - Ag 200/0; 12 - Dy 0/100; /3 - In 300/0; 14 - In 0/500 (метод переноса), в числителе ука- зана толщина переднего экрана, а в знаменателе - заднего экрана в мкм изменение экспозиционной дозы вторичного излучения вблизи поверхности отдельных экранов в зависимости от их толщины при воздействии тепловых нейтронов. Ха- рактеристические кривые некоторых детекторов ней- тронных изображений (также для тепловых нейтронов) приведены на рис. 28. Нерезкость фотографических детекторов нейтрон- ных изображений с металлическими экранами-пре- образователями в основном определяется нерезкостью фотоматериала, а для детекторов с люминесцентными 6 6 - 7387 0 5 10 0 Оргстекло Рис. 29. Номограмма экспозиций при нейтронной радиографии медленными нейтронами: 1 - уран; 2 - сплав ВНМЗ-2; 3 - сталь; 4 - свинец; 5 - оргстекло [/э(5) - время просвечивания изделия толщиной 5; /э(0) - время просвечивания при отсутствии изделия] Рис. 30. Зависимость относительной чувствительно- сти от толщины материала при нейтронной радио- графии: 1 - оргстекло (•); 2 - свинец ( х ); 3 - графит ( □ ); 4 - сталь (А );5-уран(У); б - сплав ВНМЗ-2 (о ) (детектор- пленка РТ-5+экран из гадолиния толщиной 100 мкм) Номограмма экспозиций некоторых материалов по- казана на рис. 29 [<э(0) - время экспозиции детектора в пуч- ке нейтронов при отсутствии контролируемого материала - при известном потоке нейтронов определяется характери- стической кривой соответствующего детектора]. Чувствительность к выявлению дефектов методом нейтронной радиографии в однородных материалах в зависимости от их толщины показана на рис. 30. Наибольшие плотности потоков медленных нейтро- нов (до 107 ... 108 с1 • см"2) можно получать лишь от ядерных реакторов. Основной недостаток устройств,
82 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ РАДИОГРАФИИ использующих пучки нейтронов от ядерных реакторов, - стационарность. Транспортабельные устройства можно создать лишь на базе радиоактивных источников нейтро- нов. Однако для получения пучка с плотностью потока медленных нейтронов 103 ... 104 с1 • см"2 при коллимации около 1° необходим источник нейтронов 103... 104 с"1 • см'2. С уменьшением мощности источника увеличивается время просвечивания и снижается чувствительность к выявлению дефектов. Сказанное справедливо также при использовании в качестве источника нейтронов различ- ных ускорителей, в том числе и нейтронных генерато- ров, однако выход нейтронов при указанных выше пара- метрах пучка должен быть примерно на порядок выше. Кроме того, необходимо учитывать, что эксплуатация ускорителей, как и ядерных реакторов, требует квалифи- цированного персонала. В большинстве случаев для нейтронной радиогра- фии используют пучки нейтронов от исследовательских ядерных реакторов. Для этой цели удобны ядерные реак- торы бассейнового типа (рис. 31). Кроме того, применя- ют специализированные малогабаритные ядерные реак- торы, которые можно размещать непосредственно на промышленных предприятиях (рис. 32). В установках для нейтронной радиографии незави- симо от типа используемого источника нейтронов выход и формирование пучка нейтронов осуществляются с по- мощью различных коллиматоров. Такие коллиматоры Рис. 31. Установка для нейтронной радиографии: 1 - транспортный контейнер; 2 - цилиндр; 3 - ТВЭЛ; 4 - ло- вушка; 5 - детектор; 6 - приемный контейнер; 7 - рама; 8 - сжатый воздух; 9 - плита; 10 - коллиматор; 11 - диафрагма; 12 - фильтр; 13 - отражатель Рис. 32. Схема малогабаритного ядерного реактора обычно снабжены устройствами, позволяющими изме- нять основные характеристики пучка (угловую расходи- мость, уровень фонового излучения, энергетический спектр нейтронов и т.д.). Угловая расходимость пучка нейтронов определяет геометрическую нерезкость изо- бражения. При этом улучшение коллимации всегда свя- зано с уменьшением потока нейтронов. Подготовка изделий для контроля методом ней- тронной радиографии аналогична подготовке объектов при контроле методом рентгено- или гамма-графии. Од- нако следует обращать особое внимание на удаление с поверхностей просвечиваемого объекта следов влаги, смазки и других материалов, имеющих большие сечения взаимодействия с нейтронами, используемыми для кон- троля. Все вспомогательное оборудование (держатели, кассеты, маркировочные знаки и т.п.) необходимо изго- товлять из материалов, имеющих малое сечение актива- ции нейтронами: маркировочные знаки - из кадмия или его сплавов с другими металлами, кассеты и держатели - из алюминия. 4.5. ЭЛЕКТРОРАДИОГРАФИЯ Элек^трорадиография (ксерорадиография) по срав- нению с пленочными методами контроля обладает рядом преимуществ, к числу которых относятся экспрессность метода и значительное сокращение затрат при сохране- нии чувствительности к выявлению дефектов, близкой к радиографическому снимку. Электрорадиографические пластины, применяемые при контроле методом переноса изображения, реагируют на прошедшие через объект рентгеновское или гамма- излучение в виде изменения параметров электрического
Э ЛЕКТОР А ДИОГР АФИЯ 83 поля, нанесенного на их поверхность таким образом, что остаточный заряд, образующий скрытое электростатиче- ское изображение внутренней макроструктуры контро- лируемого объекта, пропорционален изменению интен- сивности излучения. Электрорадиографическая пластина является промежуточным преобразователем радиацион- ной информации в электростатическое изображение, которое в дальнейшем переносится4 на бумагу и закреп- ляется на ней с помощью красящих веществ-пигментов. Пластина выполнена в виде полированной прово- дящей подложки (алюминий, латунь, а также стекло или бумага с проводящим покрытием), на которую тонким слоем в вакууме нанесены полупроводниковые материа- лы (аморфный селен, антрацен и др.). Удельное электри- ческое сопротивление полупроводниковых слоев состав- ляет 1012... 1013 Ом • см до облучения рентгеновским или у-излучением и 107... 108 Ом • см при облучении. Разрешающая способность пластины теоретически не ограничена, так как электростатическое поле не имеет зернистости, однако практически она определяется раз- мерами пылинок проявляющего вещества и способом проявления. При сухом способе проявления разрешаю- щая способность может достигать 60 линий/мм. При ис- пользовании жидкостных проявителей разрешающая способность составляет 120 линий/мм. Однако с исполь- зованием выпускаемых типов пластин и процессов пере- носа изображения она не превышает 8 ... 12 линий/мм (по сравнению с 68 ... 140 линиями/мм для радиографи- ческих пленок). Электрорадиографические пластины мож- но использовать с металлическими и флюоресцентными экранами, однако в этом случае они должны наноситься между чувствительным слоем и подложкой пластины. Перед просвечиванием электрорадиографическую пленку (рис. 33) электрически сенсибилизируют, т.е. на ее поверхность наносят равномерный электрический за- ряд, при этом проводящую подложку заземляют. Для зарядки пластину закрепляют на подвижной каретке, размещенной в светонепроницаемой камере, и прокаты- вают вместе с кареткой под электродом, находящимся под высоким напряжением - от 5 до 10 кВ относительно заземленной подложки. В процессе перемещения между проволокой и подложкой возникает коронный разряд, который создает ионы, равномерно распределяющиеся по поверхности чувствительного слоя, при этом потен- циал пластины может достигать 600 В. Время зарядки составляет 10 ... 15 с. Заряженную пластину помещают в светонепроницаемую кассету, в противном случае электростатический заряд быстро ис- чезает. В кассете заряженную пластину можно хранить более 1 ч без существенной потери заряда. В процессе просвечивания прошедшее через объект ионизирующее излучение создает на пластине скрытое электростатиче- ское изображение, причем остаточный заряд на каждом участке пластины пропорционален интенсивности па- дающего излучения. В качестве источников излучения в основном используют рентгеновские аппараты и те же радиоактивные источники тормозного и у-излучений. Для получения видимого изображения экспониро- ванные пластины проявляют, причем время между Рис. 33. Схема электрорадиографической установки: а - зарядное устройство; б - проявочное устройство; 1 - пластина; 2 - каретка; 3 - камера; 4 - проволока; 5 - подложка; 6 - кассета; 7 - хранилище; 8 - разрядник; 9 - коробка; 10 - порошок; 11 - электрод; 12 - вибратор; 13 - очиститель; 14 - транспортер; 15 - бумага окончанием просвечивания и началом проявления не должно превышать 1 ... 2 ч во избежание искажения от- печатка и возникновения вуали. На чувствительный слой осаждают частицы сухих или жидких пигментов, причем число их на единице поверхности пропорционально плотности остаточного заряда. При осаждении частицы пигмента заряжаются в результате трибоэлектрического эффекта, возникающего при трении частиц друг о друга, и удерживаются на пластине электростатическими силами, которые пропорциональны заряду пластины и частиц. При сухом проявлении применяют каскадный ме- тод. Проявляющий порошок изготовляют из смеси мел- ких частиц пигмента размером 0,1 ... 20 мкм и крупного гранулированного материала размером 200 ... 300 мкм, обеспечивающего достаточный трибоэлектрический за- ряд. Порошок наносят на пластину в качающемся лотке. Время проявления составляет 5 ... 10 с. Пластину проявляют порошковым облаком (рис. 33, б). При этом ее размещают над вибратором, из которого выбрасывается облако мелких частиц пигмента. Частицы проходят через круглый электрод, установленный между вибратором и пластиной. Электрод находится под на- пряжением 12 кВ и фильтрует отрицательно заряженные частицы, которые прилипают к нему. Положительно за- ряженные частицы остаются во взвешенном состоянии и прилипают к пластине. Продолжительность проявления этим способом составляет 30 ... 40 с. Частицы порошка переносят с пластины на обычную бумагу контактным 6*
84 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ РАДИОГРАФИИ способом и закрепляют на ней ацетоном или другими растворителями. Электрорадиографические пластины при бережном обращении с ними выдерживают до 500 ... 1000 экспозиций. Продолжительность просвечивания на пластину зависит от энергии излучения и в 2 ... 7 раз меньше, чем на пленку типа РТ-5 без применения фольги или экранов. При этом чем выше энергия, тем меньший выигрыш в производительности контроля может быть достигнут. Чувствительность электрорадиографии прак- тически не уступает радиографии с применением мелко- зернистых пленок. К недостаткам метода следует отнести: 1) отсутствие гибких электрорадиографических пластин, что исключает возможность контроля изделий сложной конфигурации; 2) быстрое возникновение повреждений на селено- вом слое пластины, вызывающих появление ложных изображений и затрудняющих расшифровку снимков. 4.6. ДЕФЕКТОСКОПИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОРПУСКУЛЯРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ Дефектоскопия электронами. Ввиду низкой энер- гии |3-частиц радиоактивных изотопов диапазон толщин контролируемых деталей, например алюминиевых, огра- ничивается несколькими миллиметрами. Применению |3- частиц препятствует широкий спектр энергий, испускае- мый радиоактивным препаратом. В связи с этим кривая поглощения аналогична кривой поглощения для квантов рентгеновского и у-излучений. В случае поглощения мо- ноэнергетических электронов характер кривой поглоще- ния меняется: на заднем фронте появляется крутой уча- сток. Поэтому отношение изменения интенсивности из- лучения к изменению толщины превышает аналогичное отношение для рентгеновского или у-излучений. Это определяет высокую чувствительность радиографии (до 0,2 %) при контроле однородных материалов с использо- ванием быстрых электронов и позволяет контролировать различные объекты, толщина которых соизмерима со средним массовым пробегом электронов в веществе. Важным преимуществом применения быстрых электронов является сравнительно малая зависимость потерь энергии электронов от атомного номера материа- ла. Поэтому электроны можно использовать для контро- ля качества легкой компоненты слоистых материалов с большой разницей в атомных номерах компонент, на- пример пластмассы на стали, легкой компоненты биме- талла и др. (табл. 25). Кроме того, используя обратное рассеяние электро- нов высокой энергии, можно контролировать массовую толщину покрытий до 1 г/см2, т.е. почти на порядок больше, чем в случае применения P-излучения радиоак- тивных изотопов. Энергия электронов зависит от максимальной мас- совой толщины 8Ш (г/см2) изделия: 8т = (0,6 ... 0,9)/?ш, где Rm - средний массовый пробег электронов в вещест- ве, г/см2; R„ = (0,5 - 0,1)-(2,5Е-1) (Z- 13) 10'3, здесь Е - энергия электронов, МэВ. Коэффициент (0,6 ... 0,9) показывает, что для полу- чения максимальной чувствительности следует исполь- зовать наиболее крутой участок переходной кривой рас- пределения поглощенной энергии в веществе. Для выявления трещин, расположенных под углом 45° к поверхности изделия, энергию электронов следует выбирать из условия 8m < Rm. Минимальный дефект, который можно обнаружить при радиометрическом методе контроля, АХ =^^п_ ^min . q ’ А где £ = 3 - коэффициент надежности, характеризующий допустимое отношение сигнал/шум; со = 0,02 — относи- тельный уровень шума, зависящий от количества элек- тронов N, падающих на изделие (со » 1/V/V ); А = 20 ... 30 - коэффициент, характеризующий изменение функ- ции к изменению аргумента (дефекта); 5П - площадь па- дающего пучка ускоренных электронов; 5Д - площадь дефекта. 25. Основные параметры методов электронной дефектоскопии Метод электронной дефекто- скопии Контраст- ность, % / Чувствитель- ность, % Разрешающая способность, пар линий/мм Разно- плотность ма- териалов, % Скорость элек- трона, м/мин Диапазон мас- совой толщи- ны, г/см2 Радиографический 0,5 1 15-20 5. Статический < 15 Радиоскопический 2 1,5 10 5-10 режим То же < 15 Радиометрические: импульсный 0,2 0,3 10 5 1 < 15 спектрометрический 0,1 0,3 10 3-5 1 < 15 обратного рассеяния 1-5 - - - 1 1
ДЕФЕКТОСКОПИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОРПУСКУЛЯРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ 85 Анализ данного выражения показывает, что для увеличения чувствительности, разрешающей способно- сти и производительности контроля необходимо сфор- мировать выводимые электроны с наибольшей концен- трацией в узкий параллельный пучок. Благодаря преимуществам перед другими типами ускорителей (надежность, простота в эксплуатации, сравнительная дешевизна, моноэнергетичность выведен- ного пучка электронов, легкость изменения энергии и др.) бетатроны с выведенным электронным пучком яв- ляются наиболее удобными источниками электронов высоких энергий. ЛИТЕРАТУРА 1. Румянцев С.В. Радиационная дефектоскопия. М.: Автомиздат, 1968. 559 с. 2. Румянцев С.В., Добромыслов В.А., Бори- сов О.И. Типовые методики радиационной дефектоско- пии и защиты. М.: Атомиздат, 1976. 128 с. 3. Румянцев С.В., Штань А.С., Гольцев В.А. Справочник по радиационным методам неразрушающего контроля. М.: Энергоиздат, 1982. 240 с. 4. Радиоизотопная дефектоскопия (методы и аппа- ратура) / А.Н. Майоров, С.В. Мамиконян, Л.И. Косарев, В.Г. Фирстов. М.: Атомиздат, 1976. 208 с. 5. Тюфяков Н.Д., Штань А.С. Основы нейтрон- ной радиографии. М.: Атомиздат, 1975. 256 с. 6. Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн. Кн. 1 / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В. Артес и др. Под общ. ред. В.В. Клюева. 2 изд., перераб. и дополн. М.: Машино- строение, 1992. 480 с. 7. Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн. Кн. 2 / А.А. Алтухов, К.В. Анисович, X. Бергер и др. Под общ. ред. В.В. Клюева. 2 изд., перераб. и дополн. М.: Маши- ностроение, 1992. 386 с. 8. Клюев В.В., Соснин Ф.Р. Теория и практика радиационного контроля. М.: Машиностроение, 1998. 170 с. 9. Неразрушающий контроль с источниками вы- соких энергий / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, Е.А. Гусев и др. М.: Энергоатомиздат, 1989. 176 с.
Глава 5 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РАДИОСКОПИИ 5.1. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РАДИОСКОПИИ Радиоскопический метод (метод радиационной ин- троскопии) неразрушающего контроля основан на пре- образовании радиационного изображения контролируе- мого объекта в световое изображение на выходном экра- не радиационно-оптического преобразователя, причем дефектоскопический анализ полученного изображения проводится в процессе контроля. Сохраняя такие достоинства радиографического ме- тода, как возможность определения характера и формы выявленного дефекта, методы радиоскопии позволяют исследовать контролируемый объект непосредственно в момент его просвечивания. Поэтому сокращается время между началом контроля и моментом получения заклю- чения о качестве контролируемого объекта. Благодаря малой инерционности радиоскопических систем объект можно контролировать под различными углами к направлению просвечивания. При этом повы- шается вероятность обнаружения дефектов и обеспечи- вается возможность контроля деталей и узлов как в экс- плуатационных условиях, так и в условиях поточного производства и открываются широкие возможности применения принципов стереометрии (рис. 1). Рис. 1. Общая схема системы рентгеновизуального контроля: 1 - дефект; 2 - преобразователь излучения; 3 - изображение дефекта на преобразователе; 4 - радиационное изображение; 5 - объект; 6 - рентгеновский пучок В табл. 1 представлены некоторые существующие и потенциально возможные случаи применения радиаци- онных интроскопов в неразрушающем контроле. Современные радиационные интроскопы представ- ляют собой сложные устройства, позволяющие получать информацию о внутреннем строении материалов и объ- ектов и отображающие ее на выходном экране радиаци- онно-оптического преобразователя в виде светотеневых картин. В табл. 2 приведена классификация технических средств радиационной интроскопии. Признаком, поло- женным в основу классификационной схемы, является назначение технических средств. 1. Применение радиационных интроскопов в неразрушающем контроле Применение приборов Цель применения Контроль качества материалов и изделий Контроль функционирования уз- лов и механизмов Контроль багажа и почтовых от- правлений Контроль продуктов Изучение произведений искусства, документов Научные исследования Определение качества посевного материала Контроль качества материалов и изделий Научные исследования Рентгеновское и у-излучения Выявление дефектов в слитках, литых изделиях, сварных и паяных соединениях Выявление дефектов, связанных с нарушением целостности или взаимного рас- положения деталей в узлах, механизмах или устройствах Исследование качества функционирования. Анализ работы механизмов при виб- рационной нагрузке Выявление недозволенных вложений Выявление инородных тел Установление подлинности. Исследования при реставрации Регистрация быстропротекающих процессов. Регистрация физических явлений в непрозрачных средах Регистрация распределения зерен при посеве, качества зерен Нейтронное излучение Выявление дефектов в легких материалах, находящихся в массивных изделиях из тяжелых металлов (свинец, уран и т.п.). Выявление дефектов в металлических изделиях большой толщины Наблюдение за движением жидких, водород-, литий- или борсодержащих мате- риалов через стенки трубопроводов из тяжелых металлов
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАДИАЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ 87 2. Технические средства радиационной интроскопии Назначение устройств Названия устройств 1. Генерирование и формирование необходимого ка- чества ионизирующего излучения 1.2. Формирование рабочего пучка ионизирующего излучения и управление им, улучшение условий регист- рации радиационного изображения и анализа выходного светотеневого изображения Питающие устройства рентгеновских аппаратов и высоковольтных установок (микротронов, линейных ус- корителей, бетатронов) Излучатели Фильтры Отсеивающие растры Диафрагмы, тубусы, коллиматоры, компенсаторы, средства стабилизации яркости, консоли или специальные устройства для крепления излучателей и радиационно- оптических преобразователей 2. Удержание и перемещение контролируемого объ- екта в зоне рабочего пучка ионизирующего излучения Держатели, опоры, фиксаторы, ходовые устройства, обеспечивающие удержание зоны контроля контролируе- мого объекта вблизи оси рабочего пучка излучения 3. Визуализация радиационного изображения 3.1. Передача теневого изображения на расстояние, его запись и воспроизведение Радиационно-оптические преобразователи Оптические системы, телевизионные установки, фо- токамеры, кинокамеры, видеомагнитофоны 4. Обработка и коррекция теневого изображения ЭВМ, корректоры канала, корректоры сигнала 5. Индикация качества светотеневого изображения Эталоны чувствительности радиационного контроля, штриховые радиационные миры 6. Маркировка дефектных участков контролируемых объектов Дефектоотметчики 7. Радиационный контроль и защита Дозиметры, защитные барьеры и боксы 8. Светозащита Ширмы К основным параметрам радиационных интроско- пов относят: абсолютную (относительную) чувствитель- ность радиационного контроля, производительность, предел разрешения. Абсолютная чувствительность определяется как минимальное изменение значения параметра просвечи- ваемого объекта, которое может быть обнаружено анали- зом светового изображения объекта на выходном экране интроскопа. Абсолютную чувствительность контроля 8 опреде- ляют при использовании проволочного эталона как 8 = dmin, а для канавочного или пластинчатого эталона 5 = Amin, где б/mm - диаметр наименьшей видимой в све- товом изображении теневой картины проволоки прово- лочного эталона; Amin - глубина наименьшей видимой в световом изображении теневой картины канавки кана- вочного эталона или наименьшая толщина пластинчато- го эталона, при которой видна в световом изображении теневая картина отверстия эталона, диаметр которой ра- вен удвоенной толщине эталона. Относительную чувствительность контроля 8 оп- ределяют по формуле 5= — 100 %, h где h - полная радиационная толщина контролируемого материала, равная сумме толщин эталона чувствительно- сти и дополнительного поглотителя. Производительность радиационного контроля определяется временем, затрачиваемым на контроль объекта. Это время можно условно разделить на основ- ное и вспомогательное. Основное время определяется временем, необходимым для анализа световой картины объекта при его просвечивании, и зависит от структуры объекта и т.п. Максимально допустимую скорость контроля уста- навливают путем оценки чувствительности контроля в динамическом режиме при равномерном движении эта- лона и поглотителя. Допускается проводить проверку чувствительности в динамическом режиме при непод- вижном поглотителе и перемещающемся эталоне чувст- вительности. Предел разрешения радиационных интроскопов определяют так же, как и предел разрешения радиацион- ных преобразователей. 5.2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАДИАЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Преобразователем радиационного изображения на- зывают устройство для преобразования изображения, сформированного ионизирующим излучением в резуль- тате его взаимодействия с контролируемым объектом, в изображение другого вида. Наибольшее распространение получили радиацион- но-оптические преобразователи - устройства для преоб- разования радиационного изображения в световое изо- бражение.
88 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РАДИОСКОПИИ Основными метрологическими параметрами таких устройств являются: 1) размер рабочего поля; 2) масштаб преобразования; 3) коэффициент радиационно-оптического преобра- зования; 4) коэффициент усиления яркости радиационно- оптического преобразования; 5) предел разрешения; 6) динамический диапазон; 7) предел плотности потока энергии; 8) яркость темнового фона; 9) геометрические искажения радиационного изо- бражения; 10) степень чистоты поля зрения; 11) зонные характеристики качества изображения; 12) коэффициент передачи контраста; 13) временное разрешение. Рабочее поле - это участок поверхности входной плоскости преобразователя, который может быть ис- пользован для получения выходного изображения при заданных условиях контроля объекта. Размеры рабочего поля определяются в основном размерами входных эк- ранов преобразователей радиационных изображений. Экран, на котором происходит первичное преобра- зование радиационного изображения в изображение дру- гого вида (яркость, проводимость, электронный поток и т.п.), называют входным, а на котором формируется изо- бражение, непосредственно воспринимаемое глазом че- ловека, или изображение другого вида, удобное для ре- гистрации и анализа, - выходным. Масштаб преобразования радиационного изобра- жения, т.е. отношение линейного размера элемента пре- образованного выходного изображения к аналогичному линейному размеру соответствующего элемента исход- ного радиационного изображения, в основном определя- ется размерами входных и выходных экранов радиаци- онных преобразователей. Световое изображение, сформированное видимым излучением и непосредственно воспринимаемое глазом человека, отличается по спектральному составу от ра- диационного изображения, сформированного ионизи- рующим излучением. Поэтому в качестве метрологиче- ских характеристик используют как коэффициент уси- ления яркости, так и коэффициент радиационно- оптического преобразования, под которым понимают отношение значения максимальной яркости изображения преобразователя к значению мощности экспозиционной дозы ионизирующего излучения исходного изображения при условии равномерного облучения входной плоско- сти преобразователя. Коэффициент радиационно-опти- ческого преобразования выражается в (кд/м2)/(Кл/кг • с). Коэффициент усиления яркости радиационно- оптического преобразователя определяется отношени- ем значения яркости выходного экрана радиационно- оптического преобразователя к значению яркости эта- лонного флюоресцентного экрана при одинаковых за- данных условиях радиационного облучения входной плоскости преобразователя и флюоресцентного экрана. Современные радиационные электронно-оптические пре- образователи с масштабом преобразования 1 : 10 и ко- эффициентом радиационно-оптического преобразования около 4 • 108 (кд/м2)/(А/кг) обладают коэффициентом усиления яркости около 104. Пределом разрешения радиационного преобразо- вателя называют наибольшее число штрихов в 1 мм ис- ходного изображения, созданного штриховой радиаци- онной мирой, которое обнаруживается раздельно при анализе выходного изображения, когда условие работы преобразователя оптимальны. Обычно обнаруживаемое число штрихов в 1 мм принято выражать в парах линий/мм, считая штрих и промежуток за две линии. Штриховая радиационная мира может представлять собой совокупность секций свинцовых полос толщиной 50 ... 100 мкм, расположенных относительно друг друга таким образом, что ширина полосы данной секции равна расстоянию между полосами этой секции. Динамический диапазон радиационно-оптичес- кого преобразователя изображения - наибольшее отно- шение плотностей потока энергии ионизирующего излу- чения на двух полях исходного изображения, при кото- ром на выходном изображении каждого из этих полей одновременно визуально обнаруживаются объекты за- данного размера, причем контраст исходного изображе- ния указанных объектов имеет одинаковое заданное зна- чение для каждого из полей. При метрологии радиационно-оптического преобра- зователя используется также такая характеристика, как рабочий динамический диапазон, которая определяется динамическим диапазоном при ограниченном сверху значении плотности потока энергии на том из полей ис- ходного изображения, где эта плотность энергии имеет большое значение. Пределом плотности потока энергии на входе радиационного преобразователя называют наибольшее значение плотности потока энергии ионизирующего из- лучения на входной плоскости преобразователя, не при- водящее к необратимым нарушениям работы преобразо- вателя. Яркость темнового фона радиационно-оптичес- кого преобразователя - это среднее значение яркости выходного изображения при отсутствии облучения входной плоскости преобразователя в заданном режиме преобразования. Геометрические искажения радиационного изо- бражения характеризуют отклонение формы преобразован- ного выходного изображения от формы соответствующего элемента исходного радиационного изображения. Степень чистоты поля зрения - это характеристи- ка, нормирующая допустимое число артефактов и их размеры в выходном изображении при условии равно- мерного облучения входной плоскости преобразователя. Зонные характеристики качества преобразова- теля - коэффициент радиационно-оптического преобра- зования, предел разрешения и другие - почти всегда раз- личны для различных участков его рабочего поля. Так, изменение яркости выходного экрана радиационного электронно-оптического преобразователя от центра к краю вызвано главным образом подушкообразной дис- торсией. Существующие радиационные электронно-опти-
РАДИАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 89 ческие преобразователи по полю экрана, равному 0,9 диаметра, имеют изменение яркости около 10 % для входного экрана размером 16 см, 20 % — для экрана 22 см и 30 % - для экрана 32 см. Коэффициентом передачи контраста называют отношение контраста элемента выходного преобразо- ванного изображения к значению контраста соответст- вующего элемента исходного изображения. Указанная характеристика зависит от размеров элементов исходно- го изображения. Так, коэффициент передачи контраста протяженных элементов, площадь которых составляет 10 % от рабоче- го поля, для современных радиационных электронно- оптических преобразователей приближенно равен 0,8. Основными причинами снижения контраста протяжен- ных элементов в этом случае являются отражение света внутри преобразователя и его рассеяние в выходном стекле. Временное разрешение - реакция радиационно- оптического преобразователя на изменение радиацион- ного изображения во времени. Зависит от скорости про- текания физических процессов в его элементах, в част- ности от соответствующих реакций его входного и вы- ходного экранов. Реакция преобразователя на изменение радиационного изображения может характеризоваться: • временем нарастания и временем спада яркости выходного экрана при скачкообразном изменении мощ- ности экспозиционной дозы ионизирующего излучения радиационного изображения; • зависимостью коэффициента передачи контраста от временной модуляции радиационного изображения. Ввиду взаимосвязанности отмеченных выше харак- теристик выработка единого для всех радиационно- оптических преобразователей критерия их качества представляет значительные трудности. Несмотря на об- ширную литературу по этому вопросу, общепринятой точки зрения до сих пор нет. Кроме указанных характе- ристик в литературе часто используют дополняющие друг друга критерии качества радиационных изображений: 1) частотно-контрастную характеристику, количе- ственно описывающую стационарные передаточные свойства преобразователей; 2) квантовый выход, количественно характеризую- щий флюктуационные свойства процесса преобразова- ния радиационного изображения в световое. 5.3. РАДИАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СРЕДСТВА УСИЛЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ Радиационно-оптические преобразователи предна- значены для преобразования радиационного изображе- ния в световое изображение. Радиационно-оптические преобразователи, в которых за счет дополнительных ис- точников энергии, не связанных с ионизирующим излу- чением, в процессе облучения происходит радиационно- оптическое преобразование с коэффициентом усиления яркости более единицы, называются усилителями радиа- ционного изображения. Качество радиационно-оптических преобразовате- лей в значительной степени определяется свойствами их входных экранов. Входной экран должен обладать следующими свой- ствами: 1) высоким поглощением рабочего пучка ионизи- рующего излучения; 2) высокой эффективностью преобразования; 3) высоким пространственным разрешением; 4) согласованностью спектральной характеристики экрана со спектральной характеристикой работающего с ним фотокатода. Для экрана выбирают материалы, флюоресцирую- щие под действием ионизирующего излучения, но наи- лучший компромисс между поглощением и пространст- венным разрешением может быть получен только с при- менением материалов, содержащих атомы с высоким атомным номером и имеющих высокую плотность. Кроме экранов, флюоресцирующих под действием ионизирующего излучения, в радиоскопии используются входные экраны, материал которых изменяет свое сопро- тивление при облучении его указанным выше излучени- ем, т.е. выполненные в виде экранов фоторезистивного типа. К этим материалам относят материалы с удельным сопротивлением 1 ... 108 Ом • см, включая металлы и сверхпроводники. Фотопроводники являются бесшумными преобра- зователями в том смысле, что отношение сигнал/шум в фототоке практически равно отношению сигнал/шум регистрируемого радиационного изображения. Следова- тельно, предельная чувствительность системы с фоторе- зистивным входом определяется в основном флюктуа- циями числа поглощенных в фоторезисторе квантов ра- диационного изображения. Обычно разрешение фоторе- зистивных приемников излучения экранного типа со- ставляет 2 ... 5 линий/мм. Из преобразователей с фоторезистивным входом наибольшее применение получили рентгеновидиконы и электролюминесцентные преобразователи. В рентгеновидиконах распределение проводимости фоторезистивного слоя преобразуется в последователь- ность электрических сигналов, которые во вторичном преобразователе телевизионной системы преобразуются в световое изображение. Принцип действия электролюминесцентных преоб- разователей основан на последовательном преобразова- нии распределенной по плоскости интенсивности вход- ного излучения М в проводимость фоторезистивного слоя q, а затем в потенциальный рельеф А на слое элек- тролюминофора, который преобразует этот рельеф в яр- кость оптического изображения L. Последовательность преобразования Л/-*д-*А-*£на входе и (А/ -> q) на выходе А -> L определяется наличием фоторезистора и электролюминесцентного конденсатора (ЭЛК). Наиболее широко распространены экраны на основе цинксульфидных фосфоров, представляющих собой пло- ские тонкие ЭЛК с одним прозрачным электродом, кото- рые при возбуждении электрическим переменным полем с напряженностью порядка 104 ... 105 В/см дают свече- ние с яркостью до 100 кд/м2.
90 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РАДИОСКОПИИ Рис. 2. Структурные схемы усилителей радиационного изображения с радиационным (а) и световым (б) электронно- оптическим преобразователем: / - источник излучения; 2 - радиационный ЭОП; 3 - объективы; 4 - световой ЭОП; 5 - передающие телевизионные трубки; 6 - видеоконтрольные устройства; 7 - рентгенолюминофоры; 8 - фотокатоды усилителей Спектральный состав свечения ЭЛК с различными типами фосфоров изменяется от красного до синего. Яр- кость возрастает с увеличением частоты приложенного напряжения до определенного значения и характеризует- ся волнами яркости, имеющими удвоенную частоту по сравнению с частотами питающего напряжения. В усилителях изображения и других устройствах наиболее важной характеристикой является нелинейная зависимость яркости от напряжения, зависящая от при- ложенного напряжения. Благодаря нелинейности этой зависимости ЭЛК можно использовать в различных уст- ройствах в качестве элемента, усиливающего контраст при одновременном преобразовании потенциала в свето- вом потоке. Широко распространены усилители радиационного изображения со световыми и радиационными электрон- но-оптическими преобразователями {ЭОП). На рис. 2 показан принцип устройства этих усилителей. С позиции преобразования светового излучения, возникающего во входных экранах этих усилителей, между этими усили- телями существует фундаментальное различие. Из рис. 2 видно, что величина оптической связи между фотокатодом и входным экраном в этих усилите- лях не одинакова. В то время как внутри радиационного ЭОП каждый рентгеновский квант с энергией 50 кэВ порождает около 150 электронов, усилитель с внешним входным экраном дает только 1 ... 5 электронов. В ре- зультате в указанном звене последнего усилителя проис- ходят частичная потеря информации и увеличение шума. С эксплуатационной точки зрения усилители с внешним сцинтиллятором имеют недостатки: они тяже- лы и громоздки, и поэтому использование этих усилите- лей ограничено областями, где требуется большое поле наблюдения или регистрируется высокоэнергетическое излучение при среднем требуемом качестве светового изображения, например на контроле ручной клади и ба- гажа в аэропортах и контроле толстостенных изделий. Для того чтобы получить удовлетворительное каче- ство изображения в усилителях второго типа, необходи- мо уменьшить потери света при переносе изображения с входного экрана на фотокатод усилителя света. Для это- го применяют светосильную оптику. 5.4. СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ РАДИОСКОПИИ К основным техническим средствам радиоскопии кроме рассмотренных в предыдущем разделе относят телевизионные системы. Телевизионной системой назы- вают совокупность оптических, электронных и радио- технических устройств, служащих ддя передачи изобра- жения с выходного экрана преобразователя радиацион- ного изображения на некоторое расстояние. Структурная схема телевизионной системы приведена на рис. 3. В схеме протекают следующие физические процес- сы. Излучение выходного экрана воздействует на пер- вичный преобразователь 3, в котором оно преобразуется в электрические сигналы, передаваемые затем по каналу связи 1. Во вторичном преобразователе 4, 5 принятые электрические сигналы преобразуются в световое изо- бражение, непосредственно воспринимаемое глазом че- ловека. Рис. 3. Структурная схема телевизионной системы: 1 - блок канала; 2 - пульт управления; 3 - передающая камера; 4, 5 - видеоконтрольные устройства
СРЕДСТВА ПРОМЫШЛЕННОЙ РАДИОСКОПИИ 91 В качестве первичных преобразователей радиаци- онно-телевизионных установок используются передаю- щие телевизионные трубки: суперортиконы, изоконы, видиконы, плюмбиконы, суперкремниконы и др. Кана- лом связи служат кабельные линии с электронными и радиотехническими устройствами. В качестве вторичных преобразователей используют глацным образом элек- тронно-лучевые приемные трубки (кинескопы). Основным принципом передачи изображений в ра- диационно-телевизионных установках является поэле- ментная передача значений интенсивности ионизирую- щего излучения, осуществляемая путем развертки про- странственно-временного поля контролируемого объекта на передающей стороне и свертки изображения на при- емной стороне. В рассматриваемых установках развертка изображения производится пучком ионизирующего из- лучения или электронным пучком. Пучок чаше всего имеет круглое сечение, его диаметр 8j называют аперту- рой пучка. На приемной стороне во вторичном преобра- зователе синтез изображения осуществляется электрон- ным пучком, имеющим апертуру 32. Обычно 32 < 8Ь так как значительное уменьшение 8| понижает чувствитель- ность системы. Основные характеристики телевизионных систем радиационных интроскопов условно можно разделить на две группы: общие (технические) и сигнальные. К первой группе обычно относят световую чувстви- тельность системы, световую характеристику, разре- шающую способность, контрастную чувствительность, отношение сигнал/шум, инерционность, число переда- ваемых градаций яркости и др. Технические характери- стики телевизионной системы радиационного интроско- па определяются совокупностью свойств входящих в нее элементов (в основном свойствами первичного преобра- зователя) и особенностями построения системы. Специальными характеристиками телевизионных систем считаются детальность передачи телевизионных сигналов, масштаб изображения и др. При проектировании телевизионных систем радиа- ционных интроскопов стремятся выбрать и реализовать их характеристики так, чтобы с учетом условий работы системы обеспечить в конечном итоге необходимое со- ответствие между передаваемыми теневыми изображе- ниями контролируемых объектов и их телевизионными изображениями, синтезируемыми в приемной части систем. Одним из направлений совершенствования радиа- ционных интроскопов является включение в их состав устройств оперативной и постоянной записи регистри- руемых изображений. При этом устройства памяти ис- пользуют для коррекции качества изображений (увели- чение отношения сигнал/шум, компенсация фона), им- пульсной радиоскопии или длительного хранения для последующего качественного анализа записанных изо- бражений. На контрастность светотеневых изображений, фор- мируемых радиационными интроскопами, влияют по- глощение и рассеяние излучения, проходящего через контролируемый объект. Очевидно, что чем поглощение больше (ослабление пучка проникающего излучения), тем более контрастное изображение внутренних струк- тур просвечиваемых изделий и меньше доза облучения обслуживающего персонала. Рассеяние рентгеновского излучения слабо зависит от энергии Е проникающего излучения, тогда как по- глощение пропорционально £“3. Из соотношений между сечениями поглощения и рассеяния можно получить значения ускоряющих напряжений U на излучателе рентгеновских аппаратов, которые являются предпочти- тельными при проведении радиоскопического контроля. В частности, для изделий из легких сплавов на основе алюминия и титана при U около 100 кВ ослабление пер- вичного пучка за счет процессов поглощения и рассея- ния равновероятно, а при U около 300 кВ только 10 % от пучка поглощается. Равновесие между поглощением и рассеянием для сплавов на основе железа наблюдается при ускоряющем напряжении 250 кВ, а соответственно, неблагоприятное сочетание указанных характеристик при напряжении 400 кВ. Таким образом, исходя из критериев максимального качества теневого изображения и минимальной радиаци- онной нагрузки на обслуживающий персонал макси- мальные уровни ускоряющих напряжений на излучате- лях в радиоскопических системах контроля следует вы- бирать равными 100 и 250 кВ соответственно для изде- лий из легких сплавов и стали. 3. Типичные параметры источников излучения при использовании флюороскопов для контроля изделий из стали и алюминия Материал объекта контроля и его толщина, мм Напряжение, кВ Ток луча, мА Диаметр фо- кусного пятна, мм Фокусное рас- стояние, см Чувствительность радиационного контроля, % Сталь Алюминий Сталь Алюминий Обычные флюоресцентные экраны 3 ... 5 3 ... 10 100 5 2 40 ... 100 4 ...6 6... 8 5 ... 10 - 150 10 5 40... 100 6 ... 8 — 10 ... 12 - 200 20 10 40 ... 100 8 ... 10 -
92 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РАДИОСКОПИИ Продолжение табл. 3 Материал объекта контроля и его толщина, мм Напряжение, кВ Ток луча, мА Диаметр фо- кусного пятна, мм Фокусное рас- стояние, см Чувствительность радиационного контроля, % Сталь Алюминий Сталь Алюминий Экраны с повышенной яркостью свечения 3 ... 8 5...50 100 5 2 15 ...30 4 ... 6 6... 8 10 ... 15 - 150 10 5 15 ... 30 8 ... 10 - 15 ... 25 - 200 20 10 15 ...30 10... 15 - Экраны с повышенной разрешаюшей способностью - 1 ...3 30 0,5 0,3 15 ...45 - 2...3 3 ...6 - 150 2 1 15 ...45 2 ...3 - После выбора максимального ускоряющего напря- жения определяют мощность излучателя, исходя из не- обходимого уровня мощности дозы в непосредственной близости радиационного преобразователя радиоскопиче- ской системы. Эта характеристика существенно зависит от типа преобразователя, толщины просвечиваемого объекта и его материала. Типичные параметры источников излучения при использовании флюороскопов для контроля изделий из стали и алюминия представлены в табл. 3. 5.5. ЦИФРОВЫЕ УСТАНОВКИ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ 5.5.1. ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПРИ РАДИОСКОПИИ Большая часть систем получения изображений ис- кажает входной сигнал. Например, пространственная частотная характеристика многих систем по своему зна- чению меньше единицы при всех частотах, отличных от нулевой (рис. 4). Это означает, что высокочастотные со- ставляющие, характеризующие наиболее важные осо- бенности входного сигнала, имеют уменьшенный кон- траст в реакции системы на выходе. Вторым важным источником искажений служит шум. Ввиду указанных искажений сигнала, вносимых системой при формировании и передаче изображений, последняя часто не может выполнять стоящую перед ней Рис. 4. Функции передачи модуляции элементов ра- диационного преобразова- теля интроскопа: 1 - оптической системы; 2 - телевизионной передающей трубки; 3 - флюоресцентного Пространственная частота, экрана; 4 - всех элементов линий /мм преобразования задачу. В этом случае улучшение выходных изображе- ний может быть получено путем направления выходного сигнала системы во вторую систему, называемую фильтром. Функция фильтра состоит в коррекции иска- жений сигнала, которые вносятся первичной системой. Конечно, различие между первой и второй системами чисто семантическое. Можно и первичную систему на- звать соответствующим фильтром. Фильтры могут иметь совершенно различные фор- мы исполнения. Так, электрические фильтры могут со- стоять из индуктивностей и емкостей. Из многих воз- можных реализаций фильтра цифровые устройства обла- дают наибольшей гибкостью. Если сигнал представлен в цифровом виде, то нет никаких ограничений на виды операций, которые могут проводиться с сигналом. По изложенным причинам цифровые фильтры отличаются от соответствующих аналоговых фильтров в одном важ- ном отношении: ЭВМ имеет дело с дискретным набором чисел, а не с непрерывными функциями. Поэтому далее рассматриваются вопросы, связанные с дискретизацией изображений. В целях иллюстрации здесь будет приведен кон- кретный пример преобразования в цифровую форму те- невого изображения цилиндра размером 70 х 120 мм. Для этого видеосигнал телевизионной системы необхо- димо преобразовать в цифровую форму и в соответст- вующем виде ввести в память компьютера для запоми- нания. При этой операции аналоговое телевизионное изо- бражение квантуется в пространстве и по интенсивности. На первом этапе синхронизатор в аналого-цифровом преобразователе (АЦП), работающем на частоте 10 МГц, выбирает элементы изображения, которые будут преоб- разовываться в цифровую форму. В данном случае изо- бражение цилиндра вместе с фоном квантуется на 512 рядов и 512 столбцов, образующих квадратную мат- рицу из 262 144 элементов изображения с пространст- венным разрешением 0,25 мм в расчете на один элемент изображения. Это соответствует примерно 500 элемен- там изображения в направлении размера 120 и 300 эле- ментов изображения в направлении размера 70 мм. Если необходимо большее пространственное раз- решение, то оптику телевизионной камеры или элек- тронную оптику РЭОП можно было бы сфокусировать
ЦИФРОВЫЕ УСТАНОВКИ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ 93 Столбец Рис. 5. Схемы преобразования изображения в цифровую форму Элемент изображения Уровни цифровой дискретизации белый I——\в11 Уровни серой шкалы так, чтобы матрица 512 х 512 элементов занимала мень- шую площадь, например 60 х 60 мм, и это позволило бы повысить вдвое пространственное разрешение. Оцифрованную матрицу можно было бы сформиро- вать в виде прямоугольника с 300 х 500 элементами для того, чтобы сэкономить рабочий объем в памяти компь- ютера. Однако оказывается, что многие расчеты, произ- водимые при обработке, изображений, значительно уп- рощаются, если матрица является квадратной или имеет размеры, которые выражаются степенями числа 2. В рас- сматриваемом примере каждая сторона матрицы выби- рается равной 29 = 512 элементов изображения. Изображение также необходимо проквантовать по интенсивности (яркости). Каждый аналоговый уровень интенсивности, выбранный синхронизатором, преобра- зуется в ближайший из 29 = 512 уровней квантования при 9-рядной дискретизации. Например, измеренный анало- говый уровень интенсивности 256,33 запоминается в виде 256. Этот метод квантования дает 512 степеней контрастности при переходе от черного уровня (самая низкая интенсивность) к белому (самая высокая интен- сивность). Контрастное разрешение можно, как и пространст- венное, повысить, например путем повторного масшта- бирования оцифрованного изображения. Если интере- сующие исследователя данные лежат в диапазоне интен- сивностей от 200 до 350, то изображение можно повтор- но масштабировать так, что уровень 200 становится ну- левым, а уровень 350 - последним 512-м уровнем. Такое масштабирование позволяет выделить 512 ступеней в рассматриваемом диапазоне интенсивностей и сущест- венно повышает контрастное разрешение. Реально кон- трастное разрешение ограничивается отношением сиг- нал/шум в элементах изображения. На рис. 5 представ- лена упрощенная схема преобразования изображения в цифровую форму. Матрицу с кодами f^xn, ут), где хп, ут - координа- ты, принято называть цифровым изображением. И хотя обычный человек не способен уловить разницу между изображением с числом градаций закодированным 6-разрядным кодом, и изображением, закодированным с помощью большого числа бит (в нашем примере 9), * Бит (англ, bit, от binary - двоичный и digit - знак, цифра) - двоичная единица информации. часто требуется кодирование с более высоким контраст- ным разрешением для того, чтобы свести к минимуму артефакты, вводимые операциями по обработке изобра- жений. Улучшение изображения в реальном масштабе вре- мени требует, чтобы арифметический процессор выдавал обработанный элемент изображения приблизительно через каждые 100 нс. Для обычного универсального компьютера это слишком быстро. Поэтому в процессо- рах для обработки изображения в реальном масштабе времени очень часто используются жестко вмонтирован- ные специальные арифметические устройства. И хотя это накладывает некоторые ограничения на выбор обра- батывающих алгоритмов, такие устройства широко ис- пользуются в оборудовании для радиационного контро- ля. Кроме этого для решения указанной проблемы при- меняют быстродействующие (900 млн. операций в се- кунду) матричные процессоры. Методы по обработке изображений в реальном масштабе времени удобно разделить на две основные группы: улучшение изображений и анализ изображений. Операции по улучшению изображений состоят в том, что на входе операции имеется изображение и после выполнения операции получается изображение. При использовании операций анализа изображений на входе операции имеется изображение, а после выпол- нения операции имеется некоторая совокупность чисел. Эти числа могут быть значениями некоторого набора признаков, характеризующих изображения. Такими при- знаками могут быть: площадь изображения дефекта, его размеры и координаты и т.п. Операции по улучшению изображений можно под- разделить на два основных типа: преобразование коор- динат и преобразование яркостей. Для преобразования координат используются такие операции, как выделение областей с увеличением, изменение масштаба, сдвиги, повороты, отражения. Эти операции являются довольно простыми, и поэтому более подробно остановимся на операциях, связанных с преобразованием энергетических характеристик изображений в целях улучшения их визу- ального восприятия. Эти операции удобно разделить на две основные группы: поэлементное (точечное) преобразование ярко- сти (плотности почернения пленки) и свертку (окрест-
94 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РАДИОСКОПИИ ная обработка) с некоторым окном (обычно это матри- ца с размерностью 3 х 3). К операциям первой группы относят: суммирование, усреднение (временное), вычи- тание (нахождение разностей), отображение уровней серого, выравнивание гистограммы; ко второй - диффе- ренцирование, выделение контуров, операции, выравни- вающие яркость изображений ОК, пространственную фильтрацию. Чтобы улучшить выявляемое™ мелких дефектов, необходимо улучшить отношение сигнал/шум в видео- сигнале. Видеосигнал в радиационно-телевизионной ус- тановке является смесью сигнала, несущего информацию об ОК, коррелированного шума и случайного некорре- лированного шума. Примерами первой составляющей шума могут быть артефакты люминесцентного экрана, мишени или фотокатода передающей телевизионной трубки. Случайный шум является смесью шума, наведенно- го сигналом и вызванного конечными порциями фото- нов, участвующих в информационном процессе, их дис- кретностью, хаотическим характером их распределения во времени и пространстве, и шума, обусловленного тепловы- ми процессами в видеоусилителях. Случайный шум можно значительно уменьшить путем суммирования или усредне- ния последовательности телевизионных кадров, а коррели- рованный шум - методами вычитания изображений. Суммирование телевизионных кадров. Когда ряд телевизионных кадров складывается друг с другом, то сигнал суммируется линейно, а случайный шум квадра- тично. Так, интегрирование N = 64 телевизионных кад- ров занимает только 3 ... 4 с, но дает теоретическое по- вышение отношения сигнал/шум в выходном изображе- нии в VjV = 8 раз. Процедура суммирования состоит в том, что пол- ный видеосигнал сначала разделяется на видеосостав- ляющую, которая затем подвергается частотному деле- нию для того, чтобы она соответствовала диапазону АЦП. АЦП производит дискретизацию и кодирование видеосигнала и посылает и-разрядное слово в арифмети- ческий процессор. В процессоре при стандартном вводе 625 строк и 25 кадров в секунду и 512 элементов изо- бражения в строке арифметическое обрабатывающее устройство будет получать новое цифровое слово через каждые 100 нс. Важным элементом системы является память изо- бражений полных кадров, в которой можно хранить промежуточные данные или конечный результат опера- ции по обработке данных. В режиме суммирования содержимое памяти счи- тывается и посылается в арифметический процессор синхронно со следующим поступающим оцифрованным кадром. И, таким образом, данные с согласующихся эле- ментов изображения поступают в сумматор одновремен- но. Результат сложения возвращается в память, когда другие элементы изображения обрабатываются. Оконча- тельный сигнал запоминающим устройством посылается на выход для отображения. Количество кадров, которое можно суммировать, зависит от емкости запоминающего устройства, степени совмещения выхода АЦП с запоминающим устройством и максимального уровня выходного видеосигнала. Так, если глубина запоминающего устройства для элемента изображения составляет 12 бит, а контрастное разреше- ние АЦП - 8 бит и если самый старший двоичный разряд совмещен с восьмым битом запоминающего устройства и при этом самый яркий элемент изображения кодирует- ся на максимальное значение шкалы, то заполнение за- поминающего устройства происходит после 1212: 28 = = 24 = 16 суммирований. Поскольку значение случайной составляющей шума больше, чем эффективный интервал кодирования, раз- решение суммированного или усредненного изображе- ния по уровню серого определяется конечным отноше- нием сигнал/шум, а не эффективной разрешающей спо- собностью АЦП. Непрерывное усреднение изображений. Альтер- нативой описанной выше операции суммирования слу- жит операция по получению скользящего среднего по выходному видеосигналу. При этой операции входной сигнал, поступающий в арифметическое устройство из АЦП, делится на N и складывается с (N - 1)ЛУ текущего содержимого памяти. В результате этой процедуры в запоминающем устройстве накапливается экспоненци- ально взвешенная сумма ранее введенных кадров. Пре- имущество этой операции заключается в возможности непрерывного динамического анализа изображения с улучшенным отношением сигнал/шум, а не пульсирую- щего статичного изображения, получаемого в конце суммирования. Значение N, которое обычно кратно 2, выбирается из компромисса между значением скорости движения ОК при контроле и значением отношения сиг- нал/шум в изображении. Вычитание изображений. Шум, связанный с арте- фактами сцинтилляционного экрана и чувствительными элементами телевизионной трубки, можно устранить или значительно уменьшить путем вычитания цифровых изображений. Эту операцию можно объединить с сум- мированием. Изменение контраста изображений дефектов. Слабый контраст изображений дефектов - наиболее рас- пространенный недостаток светотеневых изображений, обусловленный ограниченностью динамического диапа- зона системы регистрации, нередко сочетающийся с не- линейностью характеристики передачи уровней серой шкалы. Методы повышения контрастности основываются на преобразовании значений по шкале серых тонов, при котором определенный диапазон этих значений в изо- бражении преобразуется в новый диапазон, определяе- мый заданной кривой преобразований. Простейшей формой преобразования является линейное повышение контраста. Если через В обозначить яркость элемента изобра- жения, считываемую с оригинала, а через В - яркость того же элемента изображения на выходе, то при макси- мальном числе возможных градаций, например 256 (от 0 до 255), преобразовать В в В можно согласно уравне- нию B = (5-5min)/(5max-5min).
ЦИФРОВЫЕ УСТАНОВКИ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ 95 Рис. 6. Характеристики сигнал - свет цифровых систем радиационной дефектоскопии Относительный логарифм экспозиций. Поскольку первичное изображение очень редко бы- вает многоградационным (256 уровней серой шкалы), указанное выше преобразование действует очень эффек- тивно. В цифровых системах радиационной дефектоскопии ход характеристики сигнал (с первичного изображения) - свет может варьироваться в широких пределах. Имеется возможность из цифровых данных выделять нужные интервалы и представлять их с высокой степенью кон- трастности. Путем специального выбора хода указанных характеристик могут быть выделены определенные об- ласти ОК (тонкие или толстые части) и их дефекты пред- ставлены в выходном изображении с хорошим контра- стом. На рис. 6 приведены некоторые примеры характе- ристик сигнал - свет цифровых систем радиационной дефектоскопии. Выравнивание (эквализация) гистограммы. Ос- новная идея этого метода заключается в оптимизации динамического диапазона системы отображения данных и наблюдателя, то есть в улучшении качества визуализа- ции изображения за счет использования всего диапазона градаций яркости. Эта процедура требует построения гистограммы изображения или выбранного участка изображения. Гистограмма - это график, показывающий количество элементов изображения, находящихся в каждом интер- вале яркостей. Затем рассчитывается просмотровая таб- лица, которая перераспределяет уровни яркости для того, чтобы получить изображение, имеющее гистограмму с более желательными свойствами. Это может быть вы- равненная гистограмма, в которой элементы изображе- ния равномерно распределяются рт уровня черного до уровня белого, или гиперболизованная гистограмма, в которой элементы изображения равномерно распределе- ны от уровня черного до уровня белого, или гиперболи- зованная гистограмма, в которой отдается предпочтение более темным элементам изображения. Окрестная обработка (свертка) изображений. Многие светотеневые изображения ОК состоят из участ- ков, имеющих высокую яркость, и участков с низкой яркостью. Причем как те, так и другие имеют достаточно большие размеры, но содержат информацию о дефектно- сти ОК в виде небольших пятен, отрезков прямых и Рис.7. Схемы выделения деталей изображения: 1 - график исходного изображения, содержащего низкие и высокие про- странственные частоты; 2 - график обработанного с помощью фильтра низких частот изображения, в котором высокочастотные составляющие уст- ранены; 3 - график обработанного с помощью фильтра высоких частот изображения, в котором низкочастот- ные составляющие устранены, а высо- кочастотные усилены ломаных линий и т.п. Ни дисплей, ни глаз человека не имеют динамического диапазона, необходимого для то- го, чтобы представить всю дефектоскопическую инфор- мацию в понятной для человеческого мозга форме. Графически эта ситуация и метод разрешения свя- занных с ней проблем проиллюстрированы рис. 7. Ана- лиз указанных выше изображений ОК показывает, что переходы от их очень ярких участков к очень черным происходят, как правило, достаточно плавно, то есть на низких пространственных частотах. Выражаясь другими словами, можно сказать, что составляющие изображения с низкой пространственной частотой требуют большого динамического диапазона отображающих систем. С другой стороны, интересующая оператора ин- формация о дефектности ОК содержится в изображении ОК на более высоких пространственных частотах. Имен- но эти составляющие спектра пространственных частот изображают трещины, поры, раковины, посторонние включения и другие дефекты ОК. Указанные выше участки светотеневого изображе- ния, как было уже отмечено, всегда подвергаются воз- действию шумов и помех различного происхождения. Поскольку случайная составляющая шума пространст- венно декоррелирована, в ее спектре во многих случаях могут содержаться более высокие пространственные частоты, чем в спектре изображений дефектов, и, следо- вательно, простая низкочастотная фильтрация может слу- жить эффективным методом сглаживания таких шумов. Низкочастотный фильтр - это фильтр, который подавляет высокие частоты. Низкочастотная фильтрация осуществляется путем двумерной свертки матрицы изо- бражения с матрицей фильтрации. Если элементы обраба- тываемого изображения обозначить как В(хп, ут), а элемен- ты матрицы фильтрации как g(z, у), то элементы В(хп, ут) после фильтрации рассчитываются по уравнению w м В(х„ ,ym)=Y £ g(i, j)B(xn + i, ym + j), i=-N j=-M где 2N + 1 и 2Л/+ 1 - соответственно число столбцов и строк матрицы фильтрации. Обычно 2N+ 1 = 2Л/+ 1=3.
96 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РАДИОСКОПИИ 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1/5 1 1 1 . 1/6 1 2 1 1/7 1 3 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1/9 1 1 1 . 1/10 1 2 1 1/14 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 2 1 а) 0 -1 0 -1 -1 -1 1 -2 1 -1 5 -1 -1 9 -1 -2 5 -2 0 -1 0 -1 -1 -1 1 -2 1 -1 -2 -1 0 -2 0 -2 -2 -2 -2 13 -2 -2 9 -2 -2 17 -2 -1 -2 -1 0 -2 0 -2 -2 -2 б) 0 1 0 -1 -1 -1 1 -2 1 -1 4 -1 -1 8 -1 -2 -4 -2 0 -1 0 -1 -1 -1 1 - 1 1 >1 -3 -1 -1 -2 -1 1 -3 1 -3 16 -3 -2 12 -2 -3 8 -3 -1 -3 -1 -1 -2 -1 1 -3 1 в) Рис. 8. Матрицы низкочастотной (а), высокочастотной (б) фильтрации и оператора Лапласа (а) В зависимости от выбора значений коэффициентов g(i, j) могут быть реализованы различные типы низко- частотной фильтрации (рис. 8, а). Отличительной особенностью этих матриц является то, что сумма всех элементов матрицы равняется едини- це, а ее центральный элемент не меньше остальных эле- ментов. Необходимо отметить, что при использовании этого фильтра происходит размывание границ элементов изображений. Высокочастотный фильтр повышает резкость изо- бражений, удаляется размытость, но при этом подчерки- ваются импульсные шумы. На рис. 8, б показан ряд мат- риц для высокочастотной фильтрации. Одна из проблем улучшения светотеневых изобра- жений ОК связана с недостаточной резкостью контуров их элементов и, следовательно, с трудностями при ин- терпретации изображений и различного рода измерения- ми между размытыми границами. Для выделения границ разработано достаточно мно- го методов, использующих производные В(х, у) различ- ного порядка. Один из них заключается в использовании линейной комбинации оператора Лапласа и первона- чального изображения. Примеры матриц оператора Лап- ласа проиллюстрированы на рис. 8, в. Операции, выравнивающие яркость изображе- ний ОК. Как уже указывалось, в светотеневых картинах ОК наряду с низкой контрастностью изображений де- фектов, их зашумленностью есть и другая нежелательная особенность: наличие неравномерной яркости, вызван- ной значительной вариацией радиационной толщины ОК. Эти вариации приводят к затемнению важных дета- лей изображения. Неравномерную яркость, как уже было показано, можно устранить или уменьшить путем высо- кочастотной фильтрации изображений. Кроме того, раз- работаны и другие методы, устраняющие эту нежела- тельную особенность. Рис. 9 иллюстрирует один из этих методов, заключающийся в том, что выравнивание по яркости светотеневой картины достигается путем ап- проксимации яркости исходного изображения многочле- ном типа В = к„хп +... + к\Х + ко, где к - коэффициенты, х - координата, и построчным отображением яркостной разности между исходным изо- бражением и его аппроксимацией.
ЦИФРОВЫЕ УСТАНОВКИ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ 97 Рис. 9. Схема выравнивания яркости изображения путем аппроксимации яркости исходного изображения многочле- ном типа В = +... + крс + к0: а - график исходного изображения (5); б - график аппрокси- мирующего изображения В(х); в - график разностного изобра- жения (В - В); 1 - вариации яркости, вызванные дефектами ОК; 2 - вариации яркости, вызванные ошибками аппроксима- ции, приближенным характером аппроксимации 5.5.2. АВТОМАТИЧЕСКАЯ РАСШИФРОВКА СВЕТОТЕНЕВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ Визуальный контроль всегда был и продолжает ос- таваться наиболее важным методом оценки годности различных ОК. Этот метод достаточно эффективен, но слабым звеном в процессе его выполнения оказывается субъективная оценка качества ОК оператором. Для того чтобы получить непротиворечивые оценки, можно ис- пользовать автоматические компьютерные системы кон- троля. Эти системы должны быть легкоперепрограмми- руемыми для выполнения самых разнообразных задач. Это направление в радиационном контроле непре- рывно совершенствуется и развивается. Так, уже созда- ны системы автоматического контроля правильности сборки электромеханических устройств, при использо- вании которых в память системы заносится изображение правильно собранного устройства, а затем анализируется разностное изображение оцениваемого ОК и правильно собранного устройства. Современные автоматизированные системы решают и более сложные задачи. Непротиворечивым и объек- тивным способом компьютер может определять место- положение и вид дефектов, измерять их размеры и при- нимать решение о приемке изделий. Автоматическая оценка качества ОК обычно включает операции по улучшению изображений и их анализа. Наиболее часто используются такие обрабатывающие алгоритмы, как: • выравнивание яркости путем использования ап- проксимирующих многочленов; • пропускание сигналов через фильтры верхних и нижних частот; устранение шума и выявление опреде- ленных дефектов; 7 - 7387 • вычисление переменного порогового значения сигнала (на основе анализа гистограммы), используемого для выделения сигнала от дефекта и шума; • измерение максимальных значений длины и ши- рины дефектов и оценка их вида и ориентации. В цифровой радиоскопии необходимо стремиться к определенному сочетанию аппаратных и программных средств для того, чтобы свести к минимуму стоимость и довести до максимума скорость и эффективность вычис- лений. Во многих областях практического применения ра- диационного неразрушающего контроля в ближайшее время будет происходить постепенный переход от опоры на специалиста-оператора, интерпретирующего визуаль- ные данные, на специалистов, профессия которых осно- вана на применении ЭВМ и в центре которой находятся экспертные системы анализа изображений. 5.5.3. МЕТОДЫ И СИСТЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ РЕНТГЕНОТЕХНИКИ Методы компьютерной рентгенотехники можно классифицировать по характеру представления инфор- мации о качестве трехмерного объекта контроля на ме- тоды, позволяющие получать двумерные изображения теневых проекций объекта контроля (2М), и методы, по- зволяющие получать трехмерную информацию послойно (ЗМ). Примерами первых являются пленочные, флюоро- скопические и т.п. методы контроля. При осуществлении 2М метода иногда используется сканирование объекта контроля между источником излучения и линейной мат- рицей детекторов. В некоторых системах применяют одиночный детектор - в этом случае осуществляется сканирование объекта контроля по методу телевизион- ного растра. Строчная развертка радиационного изображения обусловливает отсечку рассеянного излучения от канала регистрации радиационного изображения, что приводит к лучшему качеству светотеневого изображения объекта контроля, например большему числу градаций серой шкалы даже по сравнению с пленочными методами кон- троля. Сравнивать качество световых изображений объек- тов контроля для различных систем трудно, так как каж- дая система имеет ту или иную специфику. Суммируя изложенное, цифровую рентгеновскую технику можно условно классифицировать: на двумер- ную (2М), рентгенотелевизионные системы, системы с линейными матрицами детекторов и цифровым синтезом изображений, беспленочные системы с использованием рентгеночувствительных пластин и цифровым синтезом изображений, сканирующие системы, гибридные (2М/ЗМ) системы, использующие рассеянное объектом контроля излучение, трехмерные (ЗМ), компьютерные томографы, ламинографические системы (цифровая пла- нарная томография). Радиоскопические системы. К указанным отно- сятся системы, в состав которых входят световые ЭОП, радиационные ЭОП, микроканальные пластины и т.п.
98 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РАДИОСКОПИИ Рис. 10. Зависимость относительной чувствительности d ра- диационного контроля по проволочным эталонам чувстви- тельности от толщины просвечиваемых образцов из стали: 1 - радиоскопическая система с проекционным увеличением 1; 2 - то же с проекционным увеличением 3; 3 - то же с проекци- онным увеличением 5; 4 - радиографическая система с мелко- зернистой пленкой Рис. 11. Зависимость отношения размера d трещины в плоскости ее раскрытия к толщине h просвечиваемого стального образца от угла между плоскостью раскрытия трещины и направлением рабочего пучка излучения. Тре- щина с раскрытием 0,1 мм: / - радиоскопическая система с фокусным пятном 0,2 мм и проекционным увеличением 3; 2 - то же с фокусным пятном 0,04 мм и проекционным увеличением 5; 3 - радиографическая система с мелкозернистой пленкой При совершенствовании этих систем основное вни- мание уделялось повышению обобщенного квантового выхода радиационных преобразователей, чтобы все фо- тоны, прошедшие через объект контроля, вносили свой вклад в формирование светового изображения. Это осо- бенно важно для систем, использующих высокоэнерге- тичные фотоны. Непрерывное совершенствование ра- диационных преобразователей, передающих телевизи- онных трубок, телевизионных каналов было достигнуто: 1) преобразованием радиационного изображения в цифровую форму и методами цифровой обработки изо- бражений; 2) использованием в системах микро- и минифокус- ных рентгеновских трубок для формирования радиаци- онных изображений с большим проекционным увеличе- нием; методы цифровой обработки изображений исполь- зуют для уменьшения зашумленности изображений, а также интегрирования изображений для повышения от- ношения сигнал/шум в выходном световом изображе- нии; интегрирование 64 телевизионных кадров занимает только 3 ... 4 с, но дает теоретическое увеличение в от- ношении сигнал/шум в yj~N раз, где У - число проин- тегрированных кадров; 3) улучшением контраста деталей изображения как в целом, так и локально, например краев деталей; 4) повышением четкости изображения (подчеркива- ние контуров); 5) получением псевдоцветовых изображений, их вычитанием и сдвигами; 6) автоматическим анализом изображений с целью обнаружения и опознавания дефектов в объектах кон- троля. При выполнении некоторых условий, особенно при использовании достаточно большого проекционного увеличения, чувствительность радиационного контроля таких систем может быть равна чувствительности пле- ночного контроля (рис. 10). Однако выявляемость пла- нарных дефектов, таких как трещины и т.п., несколько ниже, чем при использовании пленочных методов кон- троля (рис. 11). Радиоскопический контроль с использованием мик- рофокусных рентгеновских трубок нашел применение при оценке качества интегральных схем, печатных плат и т.п. Цифровая радиоскопия с использованием дис- кретных детекторов. Детекторы. Современные линей- ные матрицы радиационных преобразователей исполь- зуют такие детекторы, как газовые ионизационные каме- ры, подключенные к малошумящим усилителям, сцин- тилляционные кристаллы, сочлененные с ФЭУ или фо- тодиодом. Важными характеристиками таких детекторов являются низкий уровень собственного шума и крутой фронт выходного сигнала (без большого послесвечения при использовании твердотельных кристаллов). Сцин- тилляционные кристаллы должны иметь достаточно большой световой выход, согласованный по спектру с входом светового детектора. С учетом ограничений по габаритам и стоимости кремниевые фотодиоды являются наиболее часто используемыми в качестве световых де- текторов. Сцинтилляционные кристаллы, сочлененные с такими световыми детекторами, должны иметь световы- ход со спектром, смещенным в «красную» сторону. В современной технике широко используется кри- сталл вольфрамата кадмия, так как он соответствует ука- занным выше требованиям, а его малогабаритное испол- нение не затруднено. Важной характеристикой детекто- ров является квантовая эффективность преобразования рентгеновского излучения. Газы вследствие низкой
ЦИФРОВЫЕ УСТАНОВКИ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ 99 плотности слабо поглощают рентгеновское излучение. Они эффективны при энергиях фотонов до 100 кэВ, но быстро снижают эффективность при более высоких энергиях фотонов, которые необходимы для просвечива- ния стальных объектов контроля обычной номенклату- ры. Твердотельные детекторы имеют квантовую эффек- тивность 98 % при энергиях фотонов около 100 кэВ и 50 % при энергиях 15 МэВ. Рабочий динамический диа- пазон таких детекторов превышает 16-битовую дискре- тизацию (1 : 6500). Созданы радиационно-стойкие детекторы высоко- энергетичного излучения с многолетним сроком службы. Уровень собственных шумов рассматриваемых детекто- ров в стандартных условиях функционирования ниже фотонного шума радиационного изображения. При пре- деле разрешения 1 ... 2 пары линий/мм потери на мерт- вое пространство (разделительные пластины между со- седними детекторами) составляют 5 %, так что общая эффективность для фотонного излучения 400 кэВ со- ставляет 75 %. Конструкция систем. Создание высоконадежных двухразмерных матриц из большого числа дискретных детекторов пока нереально ввиду их небольших габари- тов и высокой стоимости. Поэтому в современной ра- диационной технике используются линейные матрицы таких детекторов. Отсечка рассеянного излучения при детектировании первичного излучения является допол- нительным стимулом их использования. Линейные раз- меры такой матрицы могут достигать нескольких метров при использовании дополнительных модулей из дис- кретных детекторов. Цифровые рентгеновские системы содержат рент- геновскую трубку на определенное номинальное анод- ное напряжение с фокусным пятном определенного раз- мера, перпендикулярно к оси рабочего пучка которой размещена линейка детекторов, размеры которой согла- сованы с размерами фокусного пятна рентгеновской трубки. Подвижный объект контроля в таких системах сканируется веерным пучком излучения. Рентгеновскую трубку и линейную матрицу детекторов для большего удобства можно выполнить также подвижными. Предел разрешения таких систем определяется раз- мерами фокусного пятна излучателя, масштабом проек- ционного увеличения, геометрическими характеристи- ками веерного пучка и детекторов. Другие беспленочные методы радиационного контроля. Развитие электрорентгенографической техни- ки привело к созданию сканирующих электрорентгено- графических систем. В этих системах могут быть исполь- зованы пластины со слоями толщиной 300 ... 600 мкм аморфного селена с добавками мышьяка, на которые накладываются однородные электрические заряды до потенциала выше 1000 В. После воздействия рентгенов- ского излучения потенциальный рельеф считывается матрицей микроэлектрометров, содержащей, например, 130 элементов. После нескольких проходов по пластине в двух взаимно перпендикулярных направлениях может быть считан потенциальный рельеф с пластин достаточ- но большой площади за 1,5 мин. Линейный диапазон зависимости сигнала, снимаемого с селеновой пластины, от уровня дозовых нагрузок на нее в 3 раза шире, чем при использовании комбинации флюороскопического экрана и пленки. Но при энергиях фотонов 50 ... 90 кэВ чувствительность указанной комбинации к фотонному излучению выше, чем селеновой пластины. Так как диаметр детекторного элемента электро- метра и расстояние между этими элементами составляют около 260 мкм, нерезкость изображения, сформирован- ного с использованием указанных систем сканирования, составляет не менее 0,3 мм, что сравнимо с комбинацией вольфраматный экран - пленка, но превышает нерез- кость многих промышленных систем визуализации ра- диационных изображений, например электрорентгено- графических систем с использованием порошкового спо- соба формирования изображений, которые могут вы- явить очень тонкие детали в радиационном изображении с помощью эффекта подчеркивания краев изображений. Другим устройством для получения электростати- ческого изображения при детектировании рентгеновско- го излучения является система, в которой селеновый слой заменен пластиковой фольгой, являющейся вход- ным экраном достаточно большой ионизационной каме- ры. Электростатическое изображение на фольге можно считать небольшим детектором. Преобразуя сигнал с его выхода в цифровую форму, формируют световое изо- бражение. Однако ни одна из таких разработок не про- двинулась дальше лабораторных исследований. Детектирующую систему на основе использования люминесценции, стимулированной лазером, разработала фирма Fuji Photographic Ltd. Основным элементом сис- темы является слой активированного европием галоге- нида бария. Такой фотостимулируемый фосфор способен запоминать часть поглощенной в нем энергии рентгенов- ского излучения, а также испускать люминесцентное излучение, интенсивность которого пропорциональна поглощенной энергии и которое стимулируется, напри- мер, светом с длиной волны 633 мм от Не - Ne-лазера. Освобожденное люминесцентное излучение с помощью линзосветоводной системы поступает на вход фотоум- ножителя. Размер пятна считывающего лазерного пучка со- ставляет 100 мкм; это значение и определяет нерезкость изображения. На пластине размером 30 х 40 см размер- ность матрицы изображения 2000 х 2000 х 8, что соот- ветствует линейной плотности 8/10 пиксел/мм. Время сканирования пластины указанного размера составляет 1,5 мин. Зависимость световыхода от дозы рентгеновско- го излучения является линейной в диапазоне 1 ... 104. Изображение может быть записано лазерным принтером на диске или пленке. Остаточное скрытое изображение на пластине может быть стерто путем засветки мощным пучком видимого света, а пластина с фосфором исполь- зована для повторного радиационного контроля. Потенциальные преимущества такой пластины сле- дующие: 1) экономия дорогостоящих материалов, необходи- мых для записи изображения (серебра и т.п.); т
100 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РАДИОСКОПИИ 2) получение изображений в цифровой форме, их быстрая запись и при необходимости - воспроизведение; 3) цифровая форма записи, позволяющая проводить обработку изображений. Плоские панели детекторов (ППД). Созданы ППД которые работают на основе матриц с использованием аморфного кремния или теллурида кадмия. Современные характеристики таких панелей: размер 244 х 163 мм; число элементов изображения 1920 х 1280. ППД могут найти применение при радиоскопии в полевых условиях, которая в настоящее время затрудне- на из-за больших массы, габаритов и высокой потреб- ляемой электрической мощности РЭОП. Непосредственное преобразование энергии рентге- новских фотонов в электрический сигнал (отсутствие цепочки рентгеновский фотон - свет - электрический сигнал) обеспечивает в ППД лучшую пространственную разрешающую способность по сравнению с системами со световыми преобразователями информации. Компьютерная аксиальная томография. Созданы системы с источниками рентгеновского излучения на анодные напряжения от 50 кВ до 15 МВ и с гамма- источниками, так как ЭВМ становятся все более мощ- ными, и осуществляется дальнейшее усовершенствова- ние аппаратуры, стоимость и время получения томогра- фического изображения уменьшаются. Размерность мат- рицы изображения 512 х 512 стала стандартной; имеются системы с размерностью 1024 х 1536. Качество сформированного изображения зависит от геометрии просвечивания и общего числа измеритель- ных данных. Для небольших объектов контроля разре- шение в 0,5 мм требует около миллиона измерений. Для объектов диаметром 2 мм необходимо около 150 млн. измерений. Для современных томографов обычно требу- ется 5 мин на сбор измерительных данных и 10 мин на их обработку, а также формирование изображения. Мат- ричные процессоры способны работать со скоростью 900 млн. операций в секунду. Современные рентгенотелевизионные установки, оснащенные цифровой техникой и устройствами враще- ния объектов контроля, могут осуществлять сбор томо- графических данных одновременно по многим слоям и затем представлять томографические изображения на экране дисплея. Промышленная вычислительная томография наряду с рентгеновским и гамма-излучениями широко исполь- зует и другие виды излучения. Так, нейтронные вычис- лительные томографы используются при контроле ядер- ных сборок, взрывчатых веществ, композиционных ма- териалов. Томография с использованием рассеянного из- лучения. Интенсивность комптоновского рассеяния яв- ляется линейной функцией атомного номера среды рас- сеяния, и поэтому получение изображений с использова- нием комптон-эффекта возможно для многих материа- лов. Существует сложная взаимосвязь между мощно- стью источника излучения, размерами детектора, гео- метрией контроля и объемом дефектов, регистрируемых с помощью рассеянного излучения. Существующие тео- рии предполагают квадратичную зависимость между скоростью сканирования и объемом наиболее мелкого дефекта, который может быть выявлен. Результаты использования метода для контроля по- лучены при применении достаточно мощных источников излучения. Если для формирования радиационного изо- бражения с использованием вторичного излучения вме- сто точечной диафрагмы применена достаточно протя- женная щелевая диафрагма (рис. 12), то такая система формирования изображения менее инерционна. Раньше в таких системах использовался комбинированный преоб- разователь экран - пленка. Пленка экспонировалась с временем выдержки 1 ... 2 ч, а затем исследовалась с помощью микроденситометра. С помощью этого метода можно было выявлять от- слоения в объектах контроля с шириной раскрытия 0,15 мм. На пленке можно было сформировать изобра- жение слоев с глубины 70 мм. В таких системах в качестве преобразователей при- меняются линейные матрицы детекторов, квантовая эф- фективность которых выше, чем у пленочных преобра- зователей. Щель с раскрытием 0,1 мм внутри куба с объ- емом 8 мм3 изменяет его эффективную плотность только на 5 %, и, следовательно, маловероятно выделение таких узких отслоений при детектировании рассеянного излу- чения. Дальнейший прогресс рассматриваемого метода контроля может быть связан с использованием источни- ков с подвижным фокусным пятном и нескольких детек- торов. Это позволит контролировать достаточно боль- шую площадь объекта без его движения и использовать детекторы с достаточно большим рабочим полем. Ламинография. Послойные изображения контро- лируемых объектов можно получать, используя также методы классической радиационной томографии, бес- пленочные методы преобразования радиационных изо- бражений и цифровые способы формирования и обра- ботки изображений. Рис. 12. Система радиационного контроля с детектировани- ем комптоновского рассеянного излучения: 1 - источник излучения; 2 - щелевые диафрагмы; 3 - объект контроля; 4 - матрица прямоугольных детекторов
ЦИФРОВЫЕ УСТАНОВКИ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ 101 Формирование и представление трехмерных изображений. Настоящие трехмерные изображения объ- ектов контроля в отличие от псевдообъемных можно получить при анализе стереопары выходных изображе- ний в результате преобразования двух исходных радиа- ционных изображений, созданных двумя пучками фото- нов, между осями которых имеется заданный угол. Так как обычно объекты контроля содержат мало или совсем не содержат каких-либо особенностей на поверхностях, внутренние дефекты при стереоскопии наблюдаются как «плавающие» в пространстве без координатных привя- зок к изображению поверхностей объекта. Этот недоста- ток стереоскопии можно уменьшить либо с помощью внешних маркеров, либо с помощью электронных мето- дов сдвига изображений. Цифровые методы формирова- ния и обработки изображений могут быть использованы и в стереоскопии. Качество изображения. Чтобы система удовлетво- ряла практиков, она должна формировать изображения дефектов достаточно высокого качества. В медицинской практике для оценки качества систем используют так называемые фантомы, которые изготовляют из материа- ла, физика воздействий которого с веществом идентична реальному объекту диагностики. В материале фантома локально размещены элементы, качество изображений которых определяет диагностические возможности всей системы. При оценке качества системы должна быть учтена гамма достаточно тонких эффектов. Так, в вычислитель- ной томографии резкие края элементов изображения яв- ляются причиной формирования в изображении ложных полос, которые могут скрыть реальные элементы в объ- екте контроля. В этих же системах увеличение жесткости фотонов в пучке приводит к искажению изображений. Поэтому проверка качества таких систем должна прово- диться на образцах, имеющих различные размеры и вы- полненных из материала с различным химическим со- ставом. Изготовитель, например, компьютерных томо- графических систем часто оптимизирует систему по об- разцу с фиксированными размерами и химическим со- ставом. Одним из методов оценок качества любой системы с многоэтапным процессом формирования изображений является оценка с использованием функции передачи модуляции (ФПМ). Штриховая радиационная мира, предназначенная для оценки ФПМ системы радиационного контроля, на низких частотах должна давать в изображении 100 %-ный кон- траст. Этого можно достичь только при низких энергиях фотонов, поскольку существующие системы имеют пре- дел разрешения около 5 пар линий/мм. Достоинством этого метода оценки качества систем является то, что оценку ФПМ можно сделать для каждого элемента, уча- ствующего в формировании изображения (рис. 13). В радиационных системах обычно ФПМ входного экра- на преобразователя радиационного изображения опреде- ляет ФПМ всей системы. ФПМ радиационных систем экспериментально можно оценить, просвечивая объекты с резкими краями или объекты с резкими щелями. Данные о ФПМ можно связать со значениями нерезкости и пределом разреше- ния систем. Теоретически их также можно связать с дан- ными сигнал/шум в элементах изображения просвечи- ваемых объектов, однако на практике это не нашло еще широкого применения. Системы визуализации. Цифровые изображения выводятся на монитор телевизионной системы. Посколь- ку их возможности по разрешению и диапазону градаций ниже характеристик зрительной системы человека, опе- ратор может получить только ограниченный объем дан- ных о качестве объекта контроля. Области дефектоско- пического интереса в удобной для визуальной системы форме оператор может получить с помощью изменения масштаба, выделения фрагментов, используя манипуля- торы типа «мышь» «джойстик» или клавиатуру. Однако бесполезно увеличивать масштаб при ограниченном объ- еме данных в цифровом изображении. Например, для компьютерной системы, исполь- зующей 150 млн. измерений, полученные данные могут быть представлены в виде 16 000 х 16 000 16-битовых элементов. Чтобы все эти данные последовательно пред- ставлять в 1024 х 1024 точечными изображениями, необ- ходимо фиксировать 244 изображения. Чтобы выделить необходимую информацию об объекте контроля, из изображения просвечиваемого объ- екта можно вычесть бездефектное изображение стан- дартного объекта, а разность представить на дисплее, как это делается в медицинской цифровой ангиографии. При использовании компьютерной томографии можно из не- которых цифровых изображений слоев объекта контроля выделить часть данных и представить их на экране дис- плея в виде участка объекта, который вращается, созда- вая иллюзию его трехмерности. Обработка пленочных изображений. Радиографи- ческий снимок для его оцифровки может сканироваться микроденситометром и преобразовываться с помощью Пространственная частота, пар линий/мм Рис. 13. Функция передачи модуляции флюороскопических звеньев системы: 1 - оптика; 2 - звенья радиационного электронно-оптического преобразователя; 3 - рентгенолюминесцентный экран; 4 - сис- тема в целом
102 ЛИТЕРАТУРА телевизионных систем. Цифровое изображение может запоминаться, обрабатываться, автоматически дешифро- ваться. Так, оптический диск с 2 Гбайтами данных может храниться без потерь информации в течение 30 лет. При оцифровке с помощью замкнутой телевизионной систе- мы цифровое изображение может сформироваться дос- таточно быстро, но качество этого изображения будет ниже, чем качество изображения на рентгеновской плен- ке. Только некоторые телекамеры имеют разрешение выше чем 1000 строк на кадр. При снимке размером 300 мм нерезкость при оциф- ровке составит 0,3 мм, что намного выше, чем нерез- кость радиографического снимка, полученного при ис- пользовании источников напряжением 100 ... 200 кВ и металлических усиливающих экранов. Если пленка ска- нируется с использованием линейной матрицы детекто- ров, то потери при оцифровке будут значительно умень- шены. Могут быть оцифрованы пленки в диапазоне плотностей почернения 1 ... 4,8. Контрастность у мелко- зернистых пленок при плотности около 4,5 на 90 % вы- ше, чем контрастность при плотности 2. Чувствитель- ность радиационного контроля при этих условиях может быть увеличена в такой же пропорции. При использовании такого оборудования с объемом памяти 90 ... 100 Мбайт может быть сформировано циф- ровое изображение с размерностью 5000 х 6000 х 12 бит, что соответствует сканированию пятном 35 мкм пленки размером 18 х 45 мм и нерезкости 0,035 мм. Эта нерез- кость составляет 1/3 от нерезкости изображения на плен- ке при использовании низкоэнергетических фотонов. У этого оборудования размерность матрицы изображения, выводимого на дисплей, составляет 1024 х 1024 х 8 бит (256 уровней серого), что соответствует минимальному перепаду различной плотности почернения 0,06 при полном изменении плотности 1,5. Следовательно, выходное изображение будет иметь четкость и контрастность, сравнимые с первоначальным радиографическим снимком. Ни один из мониторов не имеет диапазон изменения яркостей, соответствующий изменению плотности почернения 3,8 (6000 : 1). Хранение данных контроля. По юридическим и другим причинам результаты радиационного контроля сохраняют в течение достаточно длительного срока. Ра- диографический снимок имеет приемлемый архивный срок хранения, если он правильно обработан. Хранение цифровых данных на гибких или жестких магнитных носителях не целесообразно, поскольку такие носители по сравнению с пленкой занимают больший объем и ин- формация, записанная на них, легко может стираться под воздействием магнитных полей. Оптические диски с лазерной записью информации имеют по сравнению с пленкой более длительный срок хранения. Они превосходят пленку также по компактно- сти и надежности хранения данных о качестве прокон- тролированных объектов. Стандартный жесткий диск диаметром 300 мм мо- жет хранить 8 тыс. телевизионных кадров с размерно- стью матрицы 512 х 128, которую используют для хра- нения результатов контроля. Процедуры сжатия данных радиационного контроля для их эффективного хранения детально не исследованы. Например, на радиографиче- ском снимке стыкового сварного соединения значитель- ная площадь снимка занята буквенными и цифровыми обозначениями и, следовательно, эту часть площади пленки нет необходимости запоминать с такой же де- тальностью, как часть, на которой изображен сам свар- ной шов. ЛИТЕРАТУРА 1. Румянцев С.В., Добромыслов В.А. Радиацион- ная интроскопия. М.: Атомиздат, 1972. 352 с. 2. Румянцев С.В., Штань А.С., Гольцев В.А. Справочник по радиационным методам неразрушающего контроля. М.: Энергоиздат, 1982. 240 с. 3. Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн. Кн. 1 / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В. Артес и др.; Под общ. ред. В.В. Клюева. 2 изд., перераб. и доп. М.: Машинострое- ние, 1992. 480 с. 4. Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн. Кн. 2 / А.А. Алтухов, К.В. Анисович, X. Бергер и др.; Под общ. ред. В.В. Клюева. 2 изд., перераб. и доп. М.: Машино- строение, 1992. 386 с. 5. Клюев В.В., Соснин Ф.Р. Теория и практика радиационного контроля. М.: Машиностроение, 1998. 170 с. 6. Промышленная радиационная интроскопия / В.В. Клюев, Б.И. Леонов, Е.А. Гусев и др. М.: Энерго- атомиздат, 1985. 136 с.
Глава 6 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РАДИОМЕТРИИ 6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ В соответствии с основным назначением аппарату- ру радиометрического контроля относят к приборам, использующим ионизирующие излучения для измерения физических характеристик просвечиваемых объектов. По характеру измеряемой величины их подразделяют на толщиномеры и дефектоскопы. Кроме того, классифи- кационными признаками являются: • условия измерения (поглощение излучения и его обратное рассеяние); • вид используемого ионизирующего излучения (рентгеновские трубки, изотопные источники, ускорите- ли); • конструктивно-эксплуатационные особенности. При радиометрическом методе контроля детектора- ми излучения являются различного рода счетчики, иони- зационные камеры, сцинтилляционные преобразователи. В радиометрических приборах может быть исполь- зован аналоговый или дискретный (счетный) метод представления информации. Выбор метода обусловлен быстродействием, точностью, числом каналов, выход- ным устройством анализа и принятия решения. Дискретный метод измерения заключается в оп- ределении числа импульсов на выходе детектора. В этом случае могут быть погрешности измерения двух видов: статистические и аппаратурно-статистические. Пер- вые вызваны отклонением случайных чисел импульсов на выходе детектора от средних значений (принимаемых за истинный результат); вторые связаны с наличием «мертвых времен» детектора, пересчетного устройства или механического счетчика и возрастают с увеличением средней скорости счета. Аналоговый метод измерения позволяет опреде- лить суммарный заряд детектора, вызванный ионизацией регистрируемого излучения. В этом случае возможны погрешности трех видов: аппаратурные, статистические и аппаратурно-статистические. Аппаратурные погрешности обусловлены главным образом дрейфом коэффициента усиления детектора и усилителя и порога дискриминации. Аппаратурно- статистические погрешности являются следствием «мертвых времен» и могут быть учтены при градуировке. Наиболее существенны статистические погрешности. Радиометрические дефектоскопы и толщиномеры обычно работают при малых суммарных относительных погрешностях. Вследствие этого закон распределения статистических и суммарных погрешностей можно счи- тать близким к нормальному. При работе аналоговым методом возможны два ре- жима: стационарный и нестационарный. Первый из них является режимом толщинометрии, когда измерение производится по установившемуся вы- ходному сигналу. Нестационарный режим является режимом дефек- тоскопии и характеризуется тем, что измерение произво- дится по мгновенному неустановившемуся выходному сигналу. Если измерение невозможно проводить дис- кретным методом (в случае источника тормозного излу- чения), то следует выбирать способ измерения по сред- нему току в нестационарном режиме, который при малой погрешности просчетов обеспечивает большую точ- ность. Для достижения достаточной линейности выходно- го напряжения в нестационарном режиме постоянная времени должна быть в 5 ... 10 раз больше времени из- мерения. Напряжение на выходе, соответственно, в это же число раз должно быть меньше напряжения в стацио- нарном режиме (при неизменном коэффициенте усиле- ния тракта). При использовании среднетокового метода измере- ний в нестационарном режиме необходимо точно фикси- ровать момент окончания измерения, что усложняет схему и вносит дополнительную аппаратурную погреш- ность. 6.2. ОСОБЕННОСТИ ТОЛЩИНОМЕТРИИ И ДЕФЕКТОСКОПИИ Узкий (коллимированный) пучок тормозного или у-излучения сканирует по контролируемому объекту, последовательно просвечивая все его участки (рис. 1). Излучение, прошедшее через контролируемый участок, регистрируется детектором, далее преобразуется в элек- трический сигнал, пропорциональный интенсивности (плотности потока) излучения, падающего на детектор. Электрический сигнал через усилитель поступает на регистрирующее устройство. В качестве выходных реги- стрирующих устройств обычно применяют миллиам- перметр, механический счетчик отдельных импульсов, осциллограф, самопишущий потенциометр, и т.д. При наличии дефектов в материале (пустота) реги- стрирующее устройство отмечает возрастание интенсив- ности (потока) излучения. Наличие дефектов может от- мечаться отклонением стрелки прибора, записью на са- мопишущем приборе, срабатыванием реле, приводящего в действие исполнительный механизм, который отмечает на изделии дефектные участки, и т.д. Источник излучения и детектор устанавливают с противоположных сторон (работа в прямом пучке) кон- тролируемого объекта и одновременно передвигают их параллельно поверхности просвечиваемого материала и все время на одинаковом расстоянии от нее. Иногда ска- нируют контролируемое изделие при неподвижных источнике излучения и детекторе. По принципу измерения и способам регистрации ионизирующих излучений толщинометрию можно отне- сти к разновидности радиометрического метода радиа-
104 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РАДИОМЕТРИИ Рис. 1. Схема радиометрического контроля: 1 - источник излучения; 2 - коллиматоры; 3 - контролируемый объект; 4 - направление перемещения; 5 - кристалл; 6 - фотоэлектронный умножитель; 7 - усилитель; 8 - регистрирующий прибор ционной дефектоскопии. Схема измерения толщины ос- нована на ослаблении или отражении (обратном рассея- нии) ионизирующих излучений. Прошедшее через изме- ряемый материал излучение содержит информацию о толщине и регистрируется детектором излучения. Элек- трический сигнал, пропорциональный интенсивности прошедшего излучения, с детектора через усилитель по- ступает на измерительный прибор, шкала которого гра- дуирована в единицах толщины измеряемого материала. Отличия дефектоскопии от толщинометрии обу- словлены различиями в характере решаемых ими задач. 1. Ввиду локализации дефектов и небольшой их протяженности требуется быстродействующая регистри- рующая аппаратура, тогда как благодаря плавному изме- нению толщины допускается усреднение результатов, что повышает точность измерений. Постоянную времени прибора необходимо подбирать таким образом, чтобы за интервал измерения можно было зарегистрировать де- фект, пересекающий пучок излучения. Например, при выявлении дефектов протяженностью около 2 см, пере- мещающихся со скоростью 15 м/с, постоянная времени должна быть 0,01 ... 0,02 с. 2. В режиме выявления дефектов размеры окна кол- лиматора в основном определяются размером мини- мальных обнаруживаемых дефектов и поэтому всегда малы. В связи с этим при прочих равных условиях для обеспечения одинаковой чувствительности в режимах дефектоскопии и толщинометрии необходимо повышать интенсивность излучения. При построении регистри- рующей аппаратуры следует учитывать, что в таких ус- ловиях она работает в неустановившемся режиме. Как показано выше, это снижает чувствительность прибора. 3. Толщину деталей можно измерить при наличии эталонов, поскольку режим толщинометрии рассчитан на абсолютные измерения. 4. В силу того что дефекты выявляют путем сравне- ния качества двух объемов контролируемого изделия, просматриваемых в соседние моменты времени, в дефек- тоскопии производят непрерывные измерения, а в тол- щинометрии возможны точечные измерения. 5. Из-за конечных размеров коллиматора дефект не мгновенно перекрывает окно коллиматора, поэтому ус- редненный сигнал от дефекта на выходе детектора не является прямоугольным. Это служит дополнительной причиной того, что дефектоскопический режим работы установки менее чувствителен. Проведенные в нашей стране и за рубежом исследо- вания чувствительности метода в режимах дефектоско- пии и толщинометрии показали, что чувствительность во втором случае всегда выше, чем в первом. 6.3. ПАРАМЕТРЫ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ Все радиометрические дефектоскопы и толщиноме- ры являются приборами, в которых поток излучения из- меняется под действием измеряемой величины, а затем попадает в детектор излучения и представляет собой совокупность определенным образом связанных элемен- тов (рис. 2). Основными элементами любого радиометрического прибора являются: источник излучения, приемник (де- тектор) излучения, регистратор (электронная схема), ко- торый преобразует или усиливает сигнал детектора, и вторичный прибор. В качестве детектора излучения применяют: иониза- ционные камеры, газовые и сцинтилляционные счетчики, полупроводниковые детекторы. Мощность сигналов де- текторов мала, поэтому для усиления сигналов использу- ют соответствующую усилительную аппаратуру. В зависимости от вида сигналов, снимаемых с де- текторов, регистраторы разделяют на аналоговые и дискретные. При токовом режиме используется некоторый ус- редненный непрерывный сигнал, появляющийся на вы- ходе детектора от попадания в него большого количества ядерных частиц или фотонов. Таким образом, к аналоговым регистраторам отно- сят усилители постоянного тока, например усилители сигнала ионизационной камеры или напряжения интег- рирующей цепи. При импульсном режиме используют отдельные разделенные во времени сигналы, появляющиеся на вы- ходе детектора после каждого попадания в него отдель- ной ядерной частицы или фотона. Поэтому дискретный регистратор обычно состоит из пересчетного устройства, обеспечивающего счет импульсов за определенный про- межуток времени.
СРЕДСТВА РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ 105 Рис. 2. Структурная схема построения радиометрических приборов С регистратора электрический сигнал поступает на вторичный прибор (измерительный, самопишущий, ре- гистрирующий), показания которого пропорциональны интенсивности излучения, попадающего в детектор. Вторичные приборы, как правило, выбирают из прибо- ров общепромышленного применения. Основные параметры дефектоскопов и толщино- меров - чувствительность, производительность, точность определения размеров дефекта, разрешающая способ- ность, стабильность работы. Размеры окна коллиматора, время измерения, энергия и активность источника отно- сятся к конструктивным параметрам. Обычно задаются материал и толщина изделия, минимальный объем и конфигурация выявляемого дефекта, производитель- ность и вероятностные характеристики обнаружения. Для дефектоскопов форма окна коллиматора детек- тора определяется поперечными размерами дефекта. Длина окна коллиматора должна несколько превышать длину дефекта, так как при неполном перекрытии окна проекцией дефекта сигнал от дефекта уменьшается. С уменьшением площади окна коллиматора детектора повышается точность определения размеров дефекта. Однако эти требования находятся в противоречии с ус- ловием повышения производительности контроля. Постоянная времени фильтра определяется време- нем нахождения дефекта в поле коллиматора и характе- ризует быстродействие прибора. При толщинометрии длина участка контроля, на ко- тором определяется отклонение толщины, всегда больше размеров дефекта. Кроме того, при измерении толщины не требуется высокого быстродействия, поэтому посто- янную времени измерения выбирают достаточно боль- шой, что позволяет снизить активность источника. При точечных измерениях постоянная времени не имеет оп- тимального значения и обратно пропорциональна актив- ности источника. 6.4. СРЕДСТВА РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ Радиоизотопные источники излучения. Разрабо- таны различные структурные схемы регистрации радио- метрических дефектоскопов со сцинтилляционными счетчиками, работающие в среднетоковом (рис. 3, а) и импульсном режимах (рис. 3, б). Преимуществом аппаратуры, построенной по сред- нетоковому принципу, является простота схемы. К не- достаткам следует отнести нестабильность заряда, при- носимого на интегратор импульсами детектора, а также наличие в полезном сигнале импульсов, вызванных рас- сеянным излучением и шумами фотоумножителя, кото- рые снижают чувствительность схемы. В аппаратуре, построенной по счетному принципу, измеряется средняя частота следования импульсов, по- °) 6) Рис. 3. Структурные схемы радиометрических дефектоскопов: 1 - источник излучения; 2 - изделие; 3 - блок детектирования; 4 - формирователь; 5 - блок обработки; 6 - блок регистрации
106 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РАДИОМЕТРИИ ступающих с ФЭУ, амплитуда которых превышает уста- новленный порог дискриминации. Импульсы нормали- зуются по амплитуде и длительности, что позволяет сни- зить флюктуации на выходе интегратора по сравнению со среднетоковым режимом. Интегральный дискриминатор отрезает часть спек- тра импульсов, обусловленную рассеянным излучением и шумами фотоумножителя. Это также повышает чувст- вительность аппаратуры. Устранение рассеянного излу- чения необходимо также при контроле изделий сложной конфигурации с использованием заполнителей, так как спектры излучения за материалом изделия и заполнителя совпадают только в области фотопика. В случае такой дискриминации отсекается часть несущих полезную ин- формацию импульсов, вызванных квантами, рассеянны- ми в материале кристалла. К недостаткам аппаратуры, построенной по счетно- му принципу, следует отнести усложнение схемы по сравнению со среднетоковым режимом, которое окупа- ется повышением чувствительности. Поэтому необходи- мо максимально упрощать регистрирующие схемы, осо- бенно при конструировании многоканальных дефекто- скопов. Источник излучения - ускоритель. При радио- метрическом контроле существует зависимость между минимальным выявляемым дефектом, флюктуацией на- пряжения питания ФЭУ и начальной интенсивностью излучения. При дифференциальном методе измерения (рис. 4) за контролируемым изделием симметрично оси, вдоль которой распространяется излучение, размещают вынос- ной блок с двумя детекторами. По соответствующей схеме сравниваются качества двух объемов контроли- руемого изделия. При идентичных параметрах каналов измерения в двухканальном дефектоскопе с использова- нием вычитающей схемы детерминированные погреш- ности взаимно уничтожаются. При контроле изделий большой толщины заметно возрастает влияние погрешностей, обусловленных кван- товым характером излучения и наличием рассеянного излучения. В этом случае наиболее целесообразно про- водить контроль компенсационным методом, при кото- ром один сцинтилляционный детектор расположен за контролируемым изделием, а второй - непосредственно в пучке излучения перед контролируемым изделием (рис. 5). В дифференциальном методе контроля с приме- нением вычитающей схемы флюктуация регистрируемо- го сигнала линейно зависит от флюктуации начальной интенсивности излучения и коэффициента преобразова- ния. Рис. 4. Схема дифференциального контроля: 1 - источник излучения; 2 - детектор; 3 - схема сравнения Рис. 5. Схема компенсационного контроля: 1 - проходной счетчик; 2 - источник излучения; 3 - изделие; 4 - детектор; 5 - схема сравнения Дифференциальный и компенсационный методы контроля изделий, имеющих переменное сечение, мало- эффективны ввиду низкой точности определения разме- ров дефектов при использовании вычитающей схемы. С целью повышения их эффективности измеряют отно- шения или логарифмы отношения амплитуд импульсов сцинтилляционных детекторов. В этом случае размер минимального выявляемого дефекта не зависит от изме- нения толщины контролируемого изделия. При реализации дифференциального и компенсаци- онного методов контроля могут быть использованы раз- личные схемы измерения. Наиболее простой способ об- работки информации сцинтилляционных детекторов ос- нован на применении вычитающей схемы в среднетоко- вом варианте (рис. 6). Однако схемы измерения среднего тока ФЭУ, являясь в большинстве случаев оптимальны- ми для дефектоскопии радиоактивными изотопами в случае использования бетатрона, неэффективны ввиду их низкой помехоустойчивости. Широкое распространение в бетатронной и рентге- новской дефектоскопии получили схемы, основанные на измерении разности усредненных с помощью диодов и интегрирующих звеньев импульсов первого и второго сцинтилляционных детекторов (рис. 7). Рис. 6. Схема сравнения сигналов с ФЭУ
СРЕДСТВА РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ 107 ФЭУ-1 Рис. 7. Схема сравнения сигналов с предварительным интегрированием Существенным недостатком этих схем является необходимость выбора параметров интегрирующих звеньев строго одинаковыми. В противном случае при нестабильно работающем ускорителе точность опреде- ления степени дефектности контролируемого изделия не может быть высокой. Этот недостаток устраняется при сравнении амплитуд импульсов сцинтилляционных де- текторов пропорционально дозе в импульсе излучения с их предварительным преобразованием, которое осуще- ствляется с помощью зарядного устройства и ключа (рис. 8). Рис. 8. Схема сравнения сигналов фотоумножителей с предварительным их расширением Управление ключом производят таким образом, чтобы длительность получаемых импульсов равнялась половине периода следования импульсов излучения. Благодаря предварительному преобразованию формы импульсов сцинтилляционных детекторов повышаются быстродействие и помехоустойчивость дефектоскопов как при вычитающей схеме, так и при схеме измерения соотношения. Нормативные документы регламентируют выбор источников излучения при проведении радиометриче- ского контроля в зависимости от толщины и плотности просвечиваемого материала по табл. 1. 1. Область применения радиометрического метода Толщина просвечиваемого сплава, мм, на основе Источник излучения железа титана алюминия От 1 до 130 От 2 до 230 От 5 до 370 Рентгеновские аппараты напряжением от 40 до 1000 кВ От 1 до 150 От 2 до 300 От 5 до 500 Радиоактивные источники излучения: 170Tm, 75Se, I92Ir, 137Cs, ^Со Св. 50 Св. 90 Св. 150 Бетатроны с энергией ускоренных электронов от 6 до 35 МэВ 6.4.1. ДЕТЕКТОРЫ, ИХ ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ И КОЛЛИМАТОРЫ При радиометрическом методе НК наиболее часто используют следующие детекторы: ионизационные ка- меры, газоразрядный счетчик, сцинтиллятор с фотопри- емником, полупроводниковые приборы. Из-за достаточно большой напряженности электри- ческого поля в ионизационной камере электроны и по- ложительные ионы, возникающие при ионизации моле- кул газа проникающим излучением, не успевают реком- бинировать, поэтому накопленный на аноде камеры от- рицательный заряд не зависит от напряженности элек- трического поля в камере и пропорционален восприни- маемой молекулами газа энергии проникающего излуче- ния. Ионизационные камеры работают в токовом режи- ме, и их ток при постоянной энергии фотонов пропор- ционален потоку фотонов проникающего излучения. Ионизационные камеры являются чрезвычайно ста- бильными детекторами при воздействии на них весьма интенсивных полей излучения, при которых другие типы детекторов были бы выведены из строя. Для повышения квантовой эффективности ионизационных камер их на- полняют газом с высоким атомным номером, например ксеноном. Пропорциональные счетчики. Если напряжен- ность электрического поля возрастает по сравнению с его значением в ионизационной камере, освобожденные ионизирующим излучением электроны будут ускорены до таких значений энергии, при которых они начинают ионизировать молекулы газа, что приводит к генерации дополнительных электронно-ионных пар. В этом случае накопленный на аноде заряд будет пропорционален пе- реданной газу энергии. С помощью измерения этого за- ряда можно проводить энергетическую спектрометрию взаимодействующего с газом излучения, т.е. отдельные
108 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РАДИОМЕТРИИ фотоны будут обнаруживаться и идентифицироваться в соответствии с накопленным зарядом. Счетчики Гейгера. Если напряженность электри- ческого поля в газовой камере возрастет по сравнению с его значением в пропорциональном счетчике, то каждое фотонное взаимодействие с газом камеры вызовет в нем электрический пробой, что, как следствие, приведет к накоплению на аноде достаточно большого заряда, зна- чение которого не зависит от переданной газу энергии фотона и в этом случае фотон будет обнаружен, но будет утрачена информация о его энергии. Сцинтилляторы с фотоприемниками. Сцинтил- ляторы, прозрачные для собственного излучения, можно соединить с фотоприемником и использовать такую комбинацию в качестве детектора. Такие детекторы, как правило, работают в токовом режиме, но могут исполь- зоваться и при спектрометрии фотонного излучения. В зависимости от конкретного типа детектора и электронных детекторных схем верхний предел скорости счета, которую может допустить спектрометрическая система, находится между 104 и 105 импульсами в секун- ду. Как правило, не следует использовать спектрометри- ческую систему при скоростях счета более 104 импульсов в секунду. В этом случае целесообразно применять сис- темы, работающие в токовом режиме, в которых в каче- стве сцинтилляторов используют щелочио-галлоидные соединения Nal(Tl), CzI(Na) и CzI(Tl), а также сложные окислы типа германата висмута Bi4Ge30i2, вольфрамата кальция CaWO4, цинка ZnWO4 и кадмия CdWO4, кото- рые по ряду свойств превосходят щелочно-галоидные кристаллы (не гигроскопичны, химически устойчивы, механически прочны, теплостойки, радиационно устой- чивы). Перспективными преобразователями являются ок- сидные сцинтилляторы на основе алюмината иттрия УАЮз(Се) и оксида алюминия Al2O3(Ti), имеющие вы- сокую химическую, механическую, термическую и ра- диационную стойкость. У рассматриваемых детекторов в качестве фотопри- емников используют ФЭУ, кремниевые фотодиоды (по- верхносто-барьерные, диффузионные, лавинные и др.), фототранзисторы и т.п. ФЭУ имеют ряд недостатков: нестабильность ха- рактеристик во времени, необходимость высоковольтно- го (до 3 кВ) питания, большие габариты и массы. Когда сцинтилляционный фотоэлектронный детектор исполь- зуется в токовом режиме, для оценки среднего потока фотонов проникающего излучения измеряется ток с его выхода. На выходе ФЭУ ток имеет значение порядка Ю10 ... 10'7 А. Чтобы надежно измерить токи такого по- рядка, темновой ток ФЭУ (фоновый ток, измеряемый при отсутствии облучения детектора) должен быть менее 10" А. Квантовый выход фотокатода фотоумножителя ме- няется в пределах примерно от 10 до 20 %. Среди прочих факторов энергетическое разрешение сцинтилляционно- го счетчика определяется статистическими флюктуация- ми количества выбитых из фотокатода электронов при заданной энергии, выделившейся в сцинтилляторе. Су- щественную роль играют также неоднородность свето- сбора и вариации квантового выхода вдоль поверхности фотокатода. При высокой эффективности светосбора энергия 1 МэВ, выделившаяся в кристалле йодида на- трия, приведет к испусканию с фотокатода примерно 4000 фотоэлектронов. При этом выброс по амплитуде выходного сигнала с фотоумножителя вследствие стати- стических флюктуаций этой величины составляет менее 2 %. К достоинствам фотодиодов следует отнести ли- нейность их характеристик в широком диапазоне осве- щенностей. Для кремниевых фотодиодов в диапазоне изменения фототока 10 нА ... 10 мА люкс-амперные ха- рактеристики линейны при изменении освещенности на 8 порядков. Детекторы в комбинации сцинтиллятор CzI(Tl) - кремниевый фотоприемник имеют обобщенный кванто- вый выход Qd около 0,8. Линейные фотодиоды имеют коэффициент шума F » 3 дБ при коэффициенте усиления 10. Здесь под коэффициентом шума понимается отноше- ние шума на выходе фотодиода к шуму на его входе, т.е. 1 г = —== (терминология заимствована из акустики). Ж Шумы на выходе ШВыХ и входе Швх отличаются на 1 дБ, если 20 lg(IUBbIX / Швх) = 1, т.е. Швых / Швх «1,12; если же сигналы отличаются на 3 дБ, то 20 1g (Швых / Швх) = 3 и Швых / Швх = 1,41. Следовательно, обобщенный квантовый выход ла- винного фотодиода имеет значение F2 (1,41)2 Эффективность светосбора в рассматриваемых комбинированных детекторах зависит от обработки по- верхностей сцинтиллятора, выбора его геометрии, а так- же от материалов, используемых для оптического кон- такта. Полупроводниковые детекторы. Эти устройства наиболее часто используют в спектрометрических сис- темах контроля, так как они имеют высокое разрешение по энергии. Детекторы на основе Si(Li) дают удовлетворитель- ные результаты по энергетическому разрешению при энергии фотонов примерно до 100 кэВ, а германиевые детекторы - при более высоких энергиях. Если требуется максимальное разрешение по энергиям, детекторы обоих типов должны работать при низких температурах. Гер- маниевые детекторы неудобны тем, что их необходимо хранить при низких температурах, иначе они постоянно портятся. Энергия, выделившаяся в полупроводниковом де- текторе, тратится на образование носителей заряда в ви- де свободных электронов и дырок, которые собираются на электродах. Обычно образуется так много носителей, что статистическими флюктуациями их числа можно пренебречь. Однако полный собираемый заряд очень мал, и детектор нужно подключать к усилителю с боль-
СРЕДСТВА РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ 109 шим коэффициентом усиления и низким собственным шумом. Именно шум, создаваемый этим усилителем, ограничивает энергетическое разрешение детектора обычно значением - 3 кэВ. Электронные схемы-детекторов. На рис. 9 и 10 представлены электронные схемы детекторных уст- ройств, работающих в токовом и спектрометрическом режимах. Токи в диапазоне 1О“10 ... 10“' А можно достаточно точно измерить с помощью серийных пикоамперметров. При измерении таких токов следует особое внимание обращать на экранирование сигнального провода, ис- ключение его подвижности при измерениях и на чистоту изолирующих поверхностей элементов детекторных уст- ройств. Наиболее точные измерения могут быть произведе- ны с использованием цифровой техники, например пу- тем преобразования выходного сигнала пикоамперметра в последовательность импульсов, частота которой про- порциональна выходному сигналу с последующим изме- рением частоты счетчиком-таймером. Системы такого типа могут измерять потоки ионизирующих частиц с точностью около 0,01 %. Рис. 9. Электронная схема токового детекторного устройства: 1 - фотоприемник или ионизационная камера; 2 - катод; 3 - анод; 4 - экранированный сигнальный кабель; 5 - пикоамперметр; 6 - цифровой преобразователь; 7 - счетчик; 8 - таймер Рис. 10. Электронная схема спектрометрического детекторного устройства: 1 - детектор; 2 -предварительный усилитель; 3 - основ- ной усилитель; 4 - многоканальный анализатор; 5 - одноканальный анализатор; 6 - счетчик; 7 - таймер Предварительный и основной усилители спектро- метрического измерительного канала предназначены для формирования и усиления импульсов напряжений, по- ступающих из детектора. Предварительный усилитель является первой ступенью в схеме обработки импульсов, располагается в непосредственной близи от детектора и выдает импульсы, мощность которых достаточна для их передачи по экранированному сигнальному проводу. Главное требование к основному усилителю - работа при высоких загрузках без искажений импульсов. Амплитудные анализаторы спектрометрических схем дифференцируют усиленные импульсы напряжения по их амплитуде. Одноканальный анализатор выдает логический импульс только в том случае, если входной импульс выше некоторого порога и ниже некоторого уровня. Эти логические импульсы накапливаются в те- чение определенного интервала времени с помощью счетчика и таймера. Полученное количество отсчитан- ных импульсов и представляет собой результат радио- метрического измерения. Многоканальные анализаторы содержат несколько каналов конечной ширины ДС7, центрированных на U\9 U2... и т.д., где U- амплитуда выходного импульса для того, чтобы получить энергетический спектр. Многоканальный анализатор выполняет также функции отсчета импульсов и их хронирование. Совре- менные многоканальные анализаторы работают на осно- ве использования компьютеров и могут обеспечивать некоторую степень анализа. Коллиматоры. Эти устройства предназначены для ограничения размеров поперечного сечения рабочего пучка излучения и уменьшения количества нежелатель- ных фотонов, воздействующих на детектор. Коллиматор источника излучения обычно имеет больший диаметр, чем фокусное пятно источника, для того чтобы в рабочем пучке излучения было как можно больше фотонов. При этом диаметр коллиматора источ- ника должен быть как можно меньше фокусного рас- стояния (расстояние источник - детектор). Влияние нежелательного рассеянного излучения на общий сигнал является сложной функцией размеров и положений коллиматоров источника и детектора, тол- щины и положения ОК, а также энергии фотонов прони- кающего излучения. Это влияние можно минимизиро- вать за счет использования коллиматоров с максималь- ным отношением их длин к диаметрам и установки мак- симального фокусного расстояния. Вклад рассеянного излучения в сигнал зависит от положения ОК относительно источника излучения и де- тектора. Путем направленного изменения этого положе- ния можно так разместить ОК, чтобы небольшим его отклонениям от оптимального положения соответство- вало незначительное изменение сигнала. Обычно для того чтобы свести к минимуму поток рассеянного излу- чения, достигающего детектора, диаметр коллиматора последнего делают меньше диаметра коллиматора ис- точника. Для изготовления коллиматоров часто используют уран и свинец.
по МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РАДИОМЕТРИИ Уран, обедненный изотопом уран-235, имеет доста- точно высокую плотность и коэффициент ослабления излучения. Единственный недостаток обедненного ура- на - это его слабая радиоактивность. Радиоактивность урана делает его непригодным для использования в ка- честве материала коллиматора при низких значениях интенсивности рабочих пучков излучения. Уран является лучшим материалом для экранирования и коллимирова- ния излучения иридия-192, цезия-137 и кобалъта-60 и рентгеновского излучения с энергией фотонов выше 400 кэВ. Свинец - это мягкий материал, и его часто исполь- зуют для изготовления коллиматоров в сочетании со стальными кожухами. Достаточно эффективно ослабляет излучение вольфрам, но он трудно поддается механической обра- ботке; требуется специальное легирование. Даже такие сплавы, как WniFe, трудно механически обрабатывать. При энергии фотонов рабочего пучка ниже 100 кэВ в качестве материала коллиматора можно использовать сталь, однако коллиматор, выполненный из более тяже- лых металлов, часто бывает более компактен. Очень важно при функционировании радиометри- ческого устройства поддерживать правильное располо- жение источника излучения и детектора относительно друг друга. По этой причине всегда предпочтительно закреплять источник излучения и детектор на устойчи- вых опорах и осуществлять сканирование ОК пучком излучения путем перемещения ОК относительно рабоче- го пучка излучения. Когда такое сканирование осущест- вить невозможно, приходится перемещать источник из- лучения и детектор. В этом случае штативное устройст- во, служащее для поддержания и перемещения излучате- ля и детектора, должно иметь особую конструкцию, удерживающую их на расчетном расстоянии, например выполненную в виде вилки. Система, в которой диаметр одного коллиматора больше диаметра другого, при несоосности вносит меньшие погрешности в измерительные данные, чем система с коллиматорами одинаковых диаметров. 6.4.2. ИЗМЕРИТЕЛИ ТОЛЩИНЫ МАТЕРИАЛОВ Рентгеновские и радионуклидные измерители ши- роко используют для бесконтактного автоматического контроля толщины листового проката путем регистрации прошедшего через материал излучения. Подбором необ- ходимых ускоряющих напряжения и тока рентгеновской трубки с помощью рентгеновских толщиномеров можно осуществлять контроль, например, стального проката толщиной 0,002 ... 25 мм с погрешностью измерения 0,2 % от верхнего значения диапазона измерений. Радионуклидные источники, в основном с р-актив- ностью, используют для измерения толщины стальной полосы в диапазоне от нескольких микрометров до 0,8 мм, а источники с у-активностью - для контроля го- рячего проката из стали толщиной 3,5 ... 40 мм. При кон- троле толщины алюминиевого проката верхнее значение диапазона увеличивается, а при контроле проката меди и сплавов на ее основе - уменьшается. Системы, основанные на регистрации прошедшего через ОК излучения, можно условно разделить на две группы: 1) прямого измерения параметров одного пучка из- лучения - абсолютный метод; 2) непрерывного сравнения параметров двух пото- ков излучения - компенсационный метод. В системах прямого измерения (рис. 11) стабилиза- ция напряжения и тока трубки осуществляется с помо- щью микропроцессоров. В качестве детекторов исполь- зуют ионизационные камеры и сцинтилляционные счет- чики. Детектор с предусилителем, как правило, помеща- ют в термостат для снижения влияния температуры ок- ружающей среды. Измерители, работающие по методу сравнения двух потоков излучения, в зависимости от числа применяе- мых источников и приемников могут быть трех видов: • с одним источником излучения и двумя приемни- ками; • с двумя источниками и одним приемником; • с двумя источниками и двумя приемниками (рис. 12). Рис. 11. Структурная схема толщиномера прямого измерения: 1 - источник излучения; 2 - градуированный магазин стандартных образцов толщины; 3 - ионизационная камера; 4 - предусилитель; 5 - электронный блок; 6 - процессор; 7 - индикатор отклонения толщины полосы от номинала; 8 - корректор толщины ОК; 9 - корректор химического состава ОК; 10 - пульт управления толщиномера; 11 - ОК в виде полосы; 12 - охлаждающая рубашка
РАСШИФРОВКА РЕЗУЛЬТАТОВ КОНТРОЛЯ 111 На АСУ ТП Рис. 12. Структурная схема толщиномера, работающего по методу сравнения двух потоков излучения: 1 - источник излучения; 2 - образцы толщин; 3 - сцинтилляци- онный кристалл; 4 - ОК в виде полосы; 5 - подвижный образец толщины; 6 - ФЭУ; 7 - усилитель; 8 - показывающий прибор; 9 - блок питания ФЭУ; 10 - регулятор тока ФЭУ; 11 - блок обработки сигнала; 12 - контроллер Технические характеристики рентгеновских измерителей толщины стального проката Диапазон контролируемых толщин, мм..... 0,025 .... 25 (семь модификаций) Аппаратная составляющая погрешности при толщине ОК: 0,2...0,4 мм, мкм..... ±2,0 0,4...2,0 мм, %....... ±0,2 4,0... 16,0 мм, мкм... ±20 Среднее квадратическое отклонение слу- чайной составляющей погрешности при толщине ОК: до 1,0 мм, мкм........ 2,0 свыше 1,0 мм, %.......... 0,2 Быстродействие, с........................ 0,02 Время перестройки на новый номинал, с ... 5 Калибровка толщиномеров в, достаточно широком диапазоне значений толщины проката (0,025 ... 25 мм) осуществляется разделением этого диапазона на отдель- но калибруемые поддиапазоны. Скорость контроля горя- чекатаного листа в настоящее время может достигать значений 16 м/с, холоднокатаного - до 30 м/с. Для проверки геометрии горячекатаного листа тре- буется измерение не только продольной разнотолщинно- сти в процессе горячей прокатки, но и поперечной раз- нотолщинности. Для решения этой задачи применяют два способа. В первом используют два рентгеновских толщино- мера, один из которых контролирует толщину ОК в виде 2 J Рис. 13. Структурная схема измерителя профиля ОК в виде полосы: 1 - ОК; 2 - блок с двумя источниками излучения; 3 - магазин стандартных эталонов; 4 - блок детекторов; 5 - микропроцес- сор; 6 - пульт задания химсостава ОК; 7 - пульт задания толщины ОК; 8 - пульт задания температуры; 9 - дисплей полосы по центру, другой перемещается поперек полосы и контролирует полосу по синусоидальной кривой, опре- деляемой скоростями движения полосы и перемещения прибора. Разность показаний центрального и переме- щающегося толщиномеров характеризует поперечный профиль полосы по толщине. Недостаток этого способа - измерение происходит в двух разных сечениях полосы и, следовательно, на ре- зультате сказывается неодинаковое геометрическое по- ложение полосы относительно потоков излучения. К юс- тировке толщиномеров предъявляют высокие требова- ния. Так, наклон полосы выше 3° приводит к дополни- тельной погрешности измерения толщины. Во втором способе используют один прибор, изме- ряющий профиль объекта в виде полосы в одном сече- нии (рис. 13). 6.5. РАСШИФРОВКА РЕЗУЛЬТАТОВ КОНТРОЛЯ При обнаружении дефектов процесс контроля за- канчивается установлением типа дефекта, его местопо- ложения и размеров. Радиометрические методы позволяют определить две координаты дефекта: протяженность и его лучевой размер. При использовании аналоговой радиометрической аппаратуры с непосредственной записью результатов контроля на диаграммную ленту самопишущего прибора задача классификации сводится к расшифровке дефекто- грамм. Разнообразие типов дефектов, их случайное груп- пирование и расположение не позволяют сделать одно- значное заключение о характере дефекта, так как раз- личные дефекты могут приводить к одинаковому возму-
112 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РАДИОМЕТРИИ щению электрического сигнала на выходе детектора. Однако задача их распознавания облегчается благодаря тому, что известно, какие дефекты характерны для дан- ного технологического процесса. Для повышения достоверности расшифровки дефектограмм необходимо проводить следующие меро- приятия: 1) анализ известных дефектов, встречающихся при изготовлении изделия; 2) опытную эксплуатацию дефектоскопа с целью набора статистического материала о наиболее распро- страненных дефектах; 3) сравнение величины и конфигурации сигнала от дефекта с результатами контроля радиометрическим ме- тодом. Учитывая особенности радиометрического контро- ля, выделим основные параметры сигнала, по которым можно характеризовать дефект: амплитуду, длитель- ность импульса, крутизну фронта и спада импульса, конфигурацию вершины импульса. Каждому из этих параметров сигнала соответствует один из параметров дефекта. Охарактеризуем данное соответствие. По амплитуде сигнала можно судить о лучевом размере дефекта, т.е. размерах дефекта в направлении прохождения гамма-излучения. Однако данное соотно- шение справедливо лишь при перекрытии проекцией дефекта коллимационного отверстия приемника излуче- ния. Оператор может судить об этом, сравнивая ампли- туду с соответствующим эталоном, расположенным на поверхности изделия, либо при мозаичной системе рас- положения детекторов, получая общую картину дефекта с нескольких детекторов. Длительность импульса характеризует длину дефек- та в направлении перемещения контролируемого изделия в случае, если длина дефекта /деф больше или равна длине окна коллиматора детектора а. Если /деф < а, то протя- женность дефекта определяется длиной фронта импульса на диаграммной ленте. Крутизна фронта и спада импульса характеризует тип дефекта. Дефекты типа пор и шлаковых включений имеют крутой фронт за счет резкого вхождения дефекта в зону коллиматора детектора. Дефекты типа трещин и расслоений имеют пологий фронт за счет постепенного изменения лучевого размера дефекта в зоне окна колли- матора. Конфигурация вершины импульса характеризует се- чение дефекта вдоль оси просвечивания. Плавные изме- нения импульса указывают на изменение лучевого раз- мера дефекта вдоль зоны контроля. Резкие скачки свиде- тельствуют о скоплении мелких дефектов, расположен- ных на малом расстоянии друг от друга. Регистрирую- щая аппаратура не позволяет определить местоположе- ние их проекций на плоскости окна коллиматора детек- тора, так как на диаграммной ленте получается один им- пульс с несколькими вершинами. Приведем пример расшифровки дефектограмм по изложенной методике. Наиболее распространенными дефектами в метал- лургии и машиностроении являются трещины, газовые поры, шлаковые включения, рыхлоты, расслоения и др. Длину дефекта определяют по следующей формуле: 1 ~ 1 ° ^деф у где /и - протяженность импульса по диаграммной ленте; Vo - скорость контроля; V] - скорость записи; а - размер окна коллиматора детектора в направлении перемещения контролируемого изделия. На рис. 14 представлена фотография шлифа дефекта типа «шлаковые включения». По выбросу на диаграм- мной ленте размеры поры определены с точностью до 3 ... 5%. Рис. 14. Шлиф сварного шва (толщина 20 мм) со шлаковыми включениями и запись на диаграммной ленте ЛИТЕРАТУРА 1. Румянцев С. В., Добромыслов В. А. Радиацион- ная интроскопия. М.: Атомиздат, 1972. 352 с. 2. Румянцев С.В., Добромыслов В. А., Борисов О. И., Азаров Н. Т. Неразрушающие методы контроля сварных соединений. М.: Машиностроение, 1976. 335 с. 3. Румянцев С. В., Парнасов В. С. Применение бе- та-толщиномеров покрытий в промышленности. М.: Атомиздат, 1980. 138 с.
ЛИТЕРАТУРА 113 4. Румянцев С. В., Штань А. С., Гольцев В. А. Справочник по радиационным методам неразрушающего контроля. М.: Энергоиздат, 1982. 240 с. 5. Васильева Э. Ю., Косарев Э. И., Кузелев Н. Р. Радиационная компьютерная томография в атомной энергетике. М.: Энергоатомиздат, 1998. 128 с. 6. Вавилов С. IL, Горбунов В. И. Импульсное рентгеновское излучение в дефектоскопии. М.: Энерго- атомиздат, 1985. 80 с. 7. Кононов Б. А. Дефектоскопия быстрыми элек- тронами. М.: Атомиздат, 1979. 80 с. 8. Воробьев В. А., Голованов В. Е., Голованова С. И. Методы радиационной гранулометрии и статисти- ческого моделирования в исследовании структурных свойств композиционных материалов. М.: Энергоатом- издат, 1984. 128 с. 9. Воробьев В. А., Горшков В. А., Шеломанов А. Е. Гамма-плотнометрия. М.: Энергоатомиздат, 1989. 144 с. 10. Блинов Н. Н. Рентгеновские питающие устрой- ства. М.: Энергия, 1980. 200 с. 11. Иванов С. А., Щукин Г. А. Рентгеновские трубки технического назначения. Л.: Энергоатомиздат, 1989. 200 с. 12. Москалев В. А. Бетатроны. М.: Энергоиздат, 1981. 13. Комар Е. Г. Основы ускорительной техники. М.: Атомиздат, 1975. 14. Иванов В. И. Курс дозиметрии. М.: Атомиздат, 1978.392 с. 15. Блинов Н. Н., Владимиров Л. В., Кронгауз А. Н. Рентгеновская экспонометрия. М.: Атомиздат, 1979. 128 с. 16. Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн. Кн. 1 / В. В. Клюев, Ф. Р. Соснин, В. Артес и др.; Под общ. ред. В. В. Клюева. 2 изд., перераб. и доп. М.: Машинострое- ние, 1992. 480 с. 17. Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн. Кн. 2 / А. А. Алтухов, К. В. Анисович, X. Бергер и др.; Под общ. ред. В. В. Клюева. 2 изд., перераб. и доп. М.: Машино- строение, 1992. 386 с. 18. Клюев В. В., Соснин Ф. Е. Теория и практика радиационного контроля. М.: Машиностроение, 1998. 170 с. 19. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 4. Кон- троль излучениями / Б. Н. Епифанцев, Е. А. Гусев, В. И. Матвеев, Ф. Р. Соснин; Под ред. А. В. Сухорукова. М.: Высшая школа, 1992. 321 с. 20. Промышленная радиационная интроскопия / В. В. Клюев, Б. И. Леонов, Е. А. Гусев и др. М.: Энерго- атомиздат, 1985. 136 с. 21. Неразрушающий контроль с источниками вы- соких энергий / В. В. Клюев, Ф. Р. Соснин, Е. А. Гусев и др. М.: Энергоатомиздат, 1989. 176 с. 8 — 7387
Глава 7. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТОМОГРАФИЯ Промышленная рентгеновская вычислительная то- мография (ПРВТ) - высокоэффективный метод радиаци- онного контроля, удачно сочетающий информационные возможности рентгеновского излучения с достижениями вычислительной математики и цифровой техники в ре- шении обратной задачи интроскопии. Существо метода ПРВТ сводится к реконструкции пространственного распределения линейного коэффици- ента ослабления (ЯКО) рентгеновского излучения по объему контролируемого объекта в результате вычисли- тельной обработки теневых проекций, полученных при рентгеновском просвечивании объекта в различных на- правлениях. Обнаружение и детальное изучение дефектов в объ- еме контролируемого изделия осуществляет оператор путем визуального анализа изображений отдельных пло- ских сечений (томограмм)* реконструированной про- странственной структуры ЛКО. Таким образом удается детально контролировать геометрическую структуру и характер объемного распределения плотности и элементно- го состава материалов без разрушения сложного изделия. На рис. 1 представлены рентгенотомограммы двух взаимно перпендикулярных сечений литой сферической заготовки и для сравнения - обычная теневая рентгено- грамма этой же заготовки. Несмотря на то что изображе- ния получены с использованием практически одной и той же рентгеновской аппаратуры, информационные разли- чия очевидны. Метод обусловил и принципиально новые возмож- ности НК методом ПРВТ: • способность воспроизводить внутреннюю струк- туру толстых, неоднородных промышленных изделий сложной формы без взаимного наложения теней различ- ных элементов; • в десятки раз большую, чем у традиционной ра- диографии, чувствительность к локальным нарушениям сплошности, включениям, разноплотностям и малым от- клонениям геометрической структуры. При контроле ряда изделий методом ПРВТ важную роль играет возможность получения количественной ин- формации о контролируемой структуре, что создает предпосылки для автоматизации расшифровки результа- тов контроля и повышения эффективности их дальнейше- го использования. Достоинства метода ПРВТ при контроле объемной структуры современных промышленных материалов и многослойных конструкций столь значительны, что су- щественно расширяют сложившиеся представления о потенциальной эффективности применения ионизирую- щих излучений и неразрушающего контроля в целом. 7.1. ФИЗИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕКОНСТРУКЦИИ РЕНТГЕНОТОМОГРАММ В ПРВТ При просвечивании рентгеновским излучением трехмерного контролируемого изделия со сложной внут- ренней структурой информация об этой структуре может быть восстановлена по пространственному распределе- нию интенсивности и спектральному составу рентгенов- ского излучения, прошедшего сквозь изделие. Если предположить, что в некоторой точке А распо- ложен точечный рентгеновский источник, монохромати- ческое излучение которого сколлимировано в направле- нии точки В, расположенной по другую сторону контро- лируемого объекта, так, что поперечные размеры пучка пренебрежимо малы, то интенсивность рентгеновского излучения, измеренная в точке В коллимированным в направлении на источник точечным, спектрально селек- тивным и линейным детектором, вследствие ослабления различными участками объекта может быть представлена в виде * Tomos - слой (лат.). /(5) = /0(В)ехр - Jg(x,y,z) dl . . А (1) Рис. 1. Внутренняя структура литой сферической заготовки: а, б - рентгенотомограммы двух ортогональных сечений, полученные методом ПРВТ; в - рентгенограмма, полученная традиционным методом теневого просвечивания
ФИЗИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕКОНСТРУКЦИИ РЕНТГЕНОТОМОГРАММ В ПРВТ 115 Здесь Ц (х, у, z) - ограниченное по протяженности распределение ЛКО используемого монохроматического рентгеновского излучения по объему контролируемого изделия; 1о(В) - интенсивность излучения, которую из- мерил бы этот детектор в отсутствие объекта. Интеграл в соотношении (1) вычисляется вдоль прямой, проходящей через излучатель и детектор. Соотношение (1) является основным в математическом описании процесса просве- чивания контролируемого объекта рентгеновским излу- чением в трансмиссионной ПРВТ. Чтобы исключить влияние изменения интенсивности первичного излучения и свести задачу к линейной в ПРВТ, результаты измерения (1) подвергают нормирова- нию и логарифмированию, вследствие чего информация о контролируемом объекте представляется в виде набора проекций (лучевых сумм вдоль прямых линий): р( А, В) = In = J ц(х, у, z) dl, (2) которые могут быть экспериментально оценены для лю- бых пространственных положений излучателя и детекто- ра относительно объекта. Несмотря на принципиальную возможность решения задачи прямой трехмерной реконструкции по выражению (2), с целью снижения технической сложности аппарату- ры в ПРВТ трехмерную задачу обычно сводят к двумер- ной (рис. 2). Для этого источники и детекторы распола- гают в плоскости контролируемого сечения z = const, а излучение в других направлениях диафрагмируют. В этом случае объемное распределение можно восстано- вить по совокупности дискретных сечений ц(х9у9г()9 а выражение (2) для линейных проекций распределения ЛКО по контролируемому сечению представить в виде + ОО р(г,ф) = f[ji(x,y)5(xcos(p4-ysin(p-r)t/xt/y. (3) Здесь ц(х,}>) - искомое, ограниченное по протя- женности, распределение ЛКО по поперечному сечению контролируемого объекта; 5(г) - дельта-функция Дирака; Рис. 2. Система координат пространства реконструкции двумерного распределения ЛКО по известным веерным (а) и параллельным (£) проекциям р(г, ф) - экспериментально оцениваемая проекция вдоль прямой, образующей угол ф с осью у и удаленной от на- чала координат х= у= 0 на расстояние г = хсозф + у sin ф. (4) Таким образом, рассматриваемая изолированно за- дача реконструкции в ПРВТ формально сводится к реше- нию интегрального уравнения (3) с нахождением неиз- вестного распределения ц(х, у) по экспериментально из- меренным интегральным оценкам р(г, ф). Эта математи- ческая проблема характерна для большого числа при- кладных задач, таких как электронная микроскопия, ра- диоастрономия, медицинская диагностика, геофизика, диагностика плазмы и др. Искомое распределение ц(х, у) можно восстановить с необходимой точностью, используя многие алгоритмы. Однако последовательность обработки исходных экспе- риментальных данных о проекциях, а также объемы не- обходимых вычислений и быстродействующей памяти при этом оказываются существенно различными. Соот- ветственно, отличаются и технические возможности использования этих алгоритмов реконструкции в аппара- туре ПРВТ. Анализ совокупности указанных обстоятельств и на- копленный опыт практического использования ПРВТ, выявившие среди прочего такие особенности, как необ- ходимость достижения высокого пространственного раз- решения при реконструкции внутренней структуры про- мышленных изделий, позволяет в большинстве случаев отдать предпочтение алгоритму обратного проецирова- ния с фильтрацией (одномерных проекций) сверткой (ОПФС). Этому алгоритму свойственны точность и быстрота, так как для его реализации требуются относительно ма- лые количество арифметических операций и объем опе- ративной памяти, возможность распараллеливания и вы- полнения отдельных простых этапов обработки в потоке. Последнее обстоятельство в ряде случаев позволяет про- изводить реконструкцию сразу в темпе получения проек- ционных данных. Восстановление по методу ОПФС осуществляется непосредственно в пространственной области. Поэтому оно легко модифицируется для различных схем сбора измерительных данных и позволяет одновременно с ре- конструкцией решать задачи корректировки известных систематических погрешностей, оптимизации восстанав- ливаемого изображения применительно к визуальной оценке и особенностям пространственной структуры кон- тролируемого изделия и т.п. Простота реализации алгоритма ОПФС проявляется особенно наглядно при формировании так называемых параллельных проекций р (г, ф,). Этот случай (рис. 2, 6) соответствует, например, просвечиванию контролируе- мого объекта системой параллельных лучей для каждого фиксированного угла или произвольной схеме просвечи- вания с перегруппировкой и интерполяцией измеренного набора проекций в группу лучевых сумм вдоль парал- лельных лучей (ф = const). 8*
116 ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТОМОГРАФИЯ Алгоритм реконструкции для параллельных про- екций. При использовании параллельных проекций алго- ритм реконструкции ОПФС сводится к двум последова- тельным линейным преобразованиям: • к одномерной свертке, обеспечивающей необхо- димую фильтрацию пространственного спектра исходных проекций р (г, ф): 4-00 P(r,<?) = jp(&y)h(r-tyd& (5) -00 • к обратному проецированию и суммированию всей совокупности фильтрованных проекций с формиро- ванием итогового распределения в виде я ц(х,у)= Jp(xcosф + у sin ф,ф) t/ф. (6) о При этом правильный выбор структуры четного би- полярного ядра одномерной свертки h (г) позволяет реа- лизовать необходимую двумерную пространственную фильтрацию суммы проекций и достичь высокой точно- сти реконструкции при использовании простой графиче- ской операции обратного проецирования (6), «размазы- вающей» модифицированные значения проекций вдоль тех же направлений, в которых они были измерены. Например, для точной реконструкции распределения с пространственным спектром, ограниченным областью частот к2 + к2 < к2м , М(кх,ку) = М(кх,ку) при к2х+к2<к2м\ О при к2 + к2 >к2м, (7) где М(кх, ку) = ехр[-i 2п(кхх + kyy)]dxdy, и аналогично ЛГ(ЛХ,£ ) - двумерные пространственные спектры исходного и реконструированного распределе- ний ЛКО, ядро h(r) может быть представлено в виде +*А/ Л(г) = J|Ar| exp (г • 2пг к) dk = ~км = 2к2мътс(2кмг) - k2Msmc2(kur), (8) где sinc(z) = sin (nz) I nz. Анализируя проблемы точности и оптимизации вы- числительной обработки в ПРВТ, не нужно упускать из вида, что «точная» реконструкция ОПФС, как и другими алгоритмами, соответствует восстановлению не исходно- го объекта ц(х, у), а его отфильтрованного в полосе час- тот к2 + к2у < к2м изображения + оо ц(*. у) = у) -00 J^nk^x-tf +(у-т\)2) —1---1 • — 'd^dr] , ^кмУ1(х-^)2 +(у-п)2 (9) где функция Бесселя первого порядка. Такая «подмена» объекта реконструкции традици- онна для многих физически реализуемых процессов и, в частности, для оптики, где фильтрация (9) соответствует формированию когерентного изображения идеальным объективом с круглой апертурой конечных размеров. Безусловно, преобразование (9) сопряжено с ошиб- ками и ограничивает возможности изучения объекта ц(х, у) по его изображению |1(х, у), так как все высоко- частотные компоненты спектра М(кх, ку) вне области к2 4- к2у < к^ потеряны. Тем не менее во многих случаях при правильном выборе величины км такие фильтрован- ные изображения объектов воспринимаются как высоко- качественные. В то же время фильтрация (5) с использо- ванием (8) приводит к ряду следствий, важных для прак- тической реализуемости ПРВТ. Прежде всего ограничение пространственного спек- тра используемых функций делает правомерным переход от непрерывных преобразований (5), (6) к дискретным аппроксимациям алгоритма ОПФС. Необходимость по- добного перехода частично обусловлена физической организацией процесса сбора измерительных данных, частично - использованием цифровой вычислительной техники. Однако в любом случае ограничение пространствен- ного спектра реконструируемого распределения ц(х,у) превращает процесс реконструкции в конечный с точки зрения числа требуемых арифметических операций и объема памяти. При дискретной реализации алгоритма ОПФС ре- конструкцию обычно осуществляют на квадратной решет- ке дискретных значений координат х = тх Д1, у = туЛ1, а соотношения (5) и (6) аппроксимируют одномерными конечными суммами: А/-1 р(тиАг,иАф) = Ar^p(<?Ar, пАф)й((ти-^)Аг) (10) д=0 И ц(тихА/, ту&Г) = А/-1 = Аф р(тх&1 cos пАф -ь ту&1 sin иАф, иАф), (11) л=0 где Аг и Аф - соответственно линейный и угловой интер- валы дискретизации пространства проекций (г, ф); N - число эквидистантных отсчетов в каждой угловой проек- ции, охватывающей максимальный диаметр D сечения контролируемого изделия ц(х,у); А/ - интервал дискре- тизации пространства реконструируемой томограммы; М = я/Аф - число угловых проекций в угловом интерва- ле я; т, w, q, тх, ту - целые числа.
ФИЗИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕКОНСТРУКЦИИ РЕНТГЕНОТОМОГРАММ В ПРВТ 117 Поскольку в общем случае координаты точек в про- екциях, необходимые для вычисления (11), не совпадают с эквидистантной решеткой отсчетов в фильтрованной проекции (10): mx\l cos иАф -ь ту&1 sin пАф - т\г * 0, то соотношения (10) и (11) дополняют инвариантным к сдвигу интерполяционным соотношением вида р (тх&1 cos пДф + т vAl sin пАф, «Аф) = = ^/?(>иАг, п Дф)£(?ИЛД/сО5пДф 4- т=0 + ту Ы sin иДф - т Аг), (12) где интерполяционная функция g(r) в общем случае не определена. Дискретная реализация точного алгоритма ОПФС, основанная на аппроксимациях (10) — (12), даже при не- ограниченной точности вычислений может сопровож- даться различного вида искажениями реконструируемого распределения, величина и характер которых зависят от диаметра D контролируемого изделия, полуширины пространственного спектра км восстанавливаемого рас- пределения ц(х,у), вида используемого ядра свертки Л(иДг), числа проекций Л/, линейного интервала дис- кретизации одномерных проекций Дг, вида интерполяци- онной функции g(r), шага двумерной матрицы реконст- руируемой томограммы А/ и содержания высокочас- тотных спектральных составляющих проекций р (г, п Дф) вне области к2 4- к2у < к2м . Кроме того, процедуры дискретной свертки (10) и интерполяции (12) требуют обязательного выполнения многочисленных и трудоемких операций умножения. Например, для выполнения свертки с ядром (8) на каждую из дискретизированных проекций необходимо произвести около N2/2 умножений. Еще более трудоем- кой может оказаться интерполяция, так как в процессе обратного проецирования каждой проекции в (11) расчет по (12) для томограммы диаметром D приходится выпол- нять не менее я/)2/4 А/2 раз, а общее число интерполя- ций Мл£>2/4Д/2. Оптимизация всех факторов, влияющих на точность и трудоемкость дискретного алгоритма реконструкции, требует формирования такого обобщенного критерия качества реконструкции, который бы выходил за рамки проблем метрологии и аппаратурной реализации цифро- вой обработки и в большей степени учитывал влияние величины и характера возникающих ошибок на конечный результат неразрушающего контроля методом ПРВТ с учетом процесса визуальной расшифровки томограмм и возможных альтернативных и технических решений. Не все из затронутых проблем поддаются анализу. Некоторые рекомендации будут изложены в последую- щих разделах настоящей главы, другие же остаются предметом искусства разработчика. Однако ряд важней- ших конструктивно-расчетных параметров ПРВТ может быть уточнен уже на основе проведенного рассмотрения. На первом этапе проектирования из анализа типич- ной пространственной структуры подлежащих контролю промышленных изделий, размеров и расположения ха- рактерных дефектов и предъявляемых требований к точ- ности определения геометрической структуры изделия и дефектов необходимо задаться пределом пространствен- ного разрешения ПРВТ, который всегда ограничен снизу линейным интервалом дискретизации проекций при их цифровой обработке Аг. Затем, исключая избыточность, необходимо ограни- чить верхнюю пространственную частоту реконструкции км = 1/2Аг (13) и определить максимальное число используемых при ре- конструкции отсчетов в проекции и необходимых значе- ний ядра свертки N с учетом контролируемого объекта (полагая N » 1): N>Dtkr = 2kMD. (14) При этом интервал дискретизации по углу, выра- женный в радианах, должен удовлетворять условию Аф^/А^Г^Аг/Г^/Л^, (15) а соответствующее число измеренных групп параллель- ных проекций М > TtkMD = itD!2\r = itNl2. (16) В частности, для значений У = 256; 512 и 1024 необ- ходимое число проекций составит соответственно М > 400; 800 и 1600. Вопрос оптимизации интервала двумерной дискре- тизации при обратном проецировании А/ и вида интерпо- ляционной функции g(r) сложнее и будет рассмотрен отдельно. Пока же можно ограничиться безусловной верхней оценкой М<\г = \/2км. (17) Оптимизация вида ядра свертки должна проводиться с учетом относительного уровня и характера ошибок в экспериментально оцененных проекциях, особенностей подлежащих выявлению дефектов, собственной про- странственной структуры контролируемого изделия, тру- доемкости свертки, состава аппаратуры и используемой методики расшифровки результатов контроля (томо- грамм). Поэтому в случае проектирования универсальной аппаратуры ПРВТ желательно предусмотреть возмож- ность проведения по одним и тем же измерительным данным р(г, ф) повторной реконструкции с использова- нием различных ядер свертки. Что касается идеального ядра свертки, определенно- го соотношением (8), то с учетом (13) для выполнения дискретной свертки (10) необходимо задать только 1+N/2 его ненулевых членов, так как 1 при п = 0; й(пАг) = А^<0 при п = 2ти; (18) -4/я2п2 при и = (2аи4-1), где п и т - целые числа.
118 ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТОМОГРАФИЯ 1. Значения ядра свертки для нечетных номеров отсчета п й(иДг)/£^ п h(n^r)/ky 0 1,0000000 25 -0,0006485 1 -0,4052847 99 -0,0000414 3 -0,0450316 125 -0,0000259 5 -0,0162114 255 -0,0000062 7 -0,0082711 511 -0,0000016 9 -0,0050035 1023 -0,0000004 11 -0,0033495 В табл. 1 приведен ряд значений ядра (18). Отметим характерные особенности дискретного ядра (18): чет- ность, наличие резкого центрального положительного максимума при убывающих по амплитуде —1/и2 отрица- тельных нечетных отсчетах и нулевых - четных. Чет- ность ядра и наличие нулевых отсчетов способствуют сокращению трудоемкости выполнения дискретной свертки (10). Важной предпосылкой высокого качества реконст- рукции с помощью дискретных аппроксимаций ОПФС по выражениям (10) - (12) является предварительная (до дискретизации) низкочастотная фильтрация исходных проекций р(г, ф) в полосе ±км . В практической аппара- туре ПРВТ такая фильтрация может осуществляться как аналоговыми, так и цифровыми методами. Высокая эффективность и относительная простота дискретного алгоритма ОПФС (10) - (12) во многом обу- словлены использованием геометрии параллельных про- екций (рис. 2, б). Рис. 3. Система координат пространства проекций при геометрии параллельного (в) и веерного (б) просвечивания Прежде всего, как видно из рис. 3, а, такая геомет- рия позволяет дискретизировать пространство проекций (г, ф) эквидистантно по каждой из координат г = т \г и ф = иДф , что при выполнении условий (13) и (15) исключает избы- точность и позволяет выполнять реконструкцию высоко- го качества по минимальному числу экспериментальных оценок для проекций в угле л. Кроме того, объединение при обратном проециро- вании результатов одномерной свертки каждой проекции в группы фильтрованных проекций, соответствующие одинаковому углу просвечивания иДф и одинаковым зна- чениям тригонометрических коэффициентов соз(пДф) и sin (иДф), существенно сокращает трудоемкость обрат- ного проецирования и требуемые объемы памяти. Поэтому использование иной геометрии проециро- вания в ПРВТ всегда сопряжено с дополнительным ус- ложнением алгоритма реконструкции и увеличением трудоемкости цифровой обработки. Тем не менее для повышения эффективности ис- пользования широкоугольных источников рентгенов- ского излучения и (или) отдавая предпочтение враща- тельным перемещениям перед поступательными, в не- которых системах ПРВТ помимо параллельной приме- няют веерную (см. рис. 2, а) и более сложные геометрии проецирования. Алгоритм реконструкции для веерных проекций. Рассмотренный алгоритм ОПФС и соответствующие технические решения сохраняют свою эффективность и относительную низкую трудоемкость в этом случае. Как видно из сопоставления рис. 3, а и б, отказ от па- раллельных проекций при сборе необходимых измери- тельных данных сопряжен с неравномерной дискрети- зацией пространства проекций по одной или даже обе- им координатам. Однако если для соответствующих интервалов дис- кретизации в экспериментальных оценках р (г„ ф,) вы- полняются условия (13) и (15), то точность и простоту реконструкции ОПФС можно сохранить. Для этого до реконструкции с помощью (10) - (12) необходимо вы- полнить дополнительную двумерную интерполяцию с формированием набора эквивалентных параллельных и эквидистантных проекций рэ (т&г, иАф) по измеренным неэквидистантным отсчетам. Для сокращения трудоемкости такой предваритель- ной обработки и обеспечения необходимой точности обычно используют двухступенчатую последовательную линейную интерполяцию: по углу 0 <п Аф < л и затем по линейной координате -D/ 2 < m&r<D/2. Необходимое число умножений для выполнения такой предваритель- ной интерполяции пропорционально числу измеритель- ных отсчетов (~N2) и несущественно на фоне общей тру- доемкости ОПФС (~2V3).
ФИЗИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕКОНСТРУКЦИИ РЕНТГЕНОТОМОГРАММ В ПРВТ 119 Однако у этого достаточно универсального алго- ритма, который условно можно назвать алгоритмом об- ратного проецирования с фильтрацией сверткой эквива- лентных параллельных проекций (ОПФСЭПП), есть принципиальная особенность, затрудняющая его исполь- зование для задач, требующих осуществления реконст- рукции в реальном масштабе времени сбора измеритель- ных данных. Дело в том, что первая эквивалентная ли- нейная проекция может быть сформирована и использо- вана для дальнейшей реконструкции только после накоп- ления достаточного количества необходимых измери- тельных данных, расположенных в ее окрестности. При неблагоприятной последовательности просве- чивания реконструкция томограммы по ОПФСЭПП мо- жет начаться только после завершения сбора всех изме- рительных данных. Известны случаи, когда отдельные веерные проек- ции формируются при значительной неисключенной раз- нице постоянной составляющей для групп проекций. Так, например, могут работать вычислительные томографы IV поколения. В этом случае применение алгоритма ОПФСЭПП будет уступать по точности прямому алго- ритму реконструкции обратным проецированием фильтрованных сверткой веерных проекций (ОПФСВП). Алгоритм ОПФСВП разработан специально для ре- конструкции ЛКО по веерным проекциям (см. рис. 2, а) с сохранением основной циклической структуры ОПФС и возможностью фильтрации и обратного проецирования характерных групп проекций сразу в темпе их измерения. Поскольку веерные проекции бывают двух видов: расхо- дящиеся под равными углами и образованные набором лучей, пересекающих нормальную к центральному лучу прямую в эквидистантных точках, то алгоритм ОПФСВП разработан в двух соответствующих модификациях. В первом случае содержание основных этапов ОПФСВП 1 может быть представлено в следующем виде. Сначала выполняется предварительная модификация каждой исходной веерной проекции умножением ее от- счетов на соответствующие тригонометрические весовые коэффициенты: р (/«Дф, «Дф) = р (/«Дф, «Дф) Fo cos /«Дф , (19) где Дф - угловое смещение соседних лучей в веерной проекции; Дф - угловой шаг между осями двух последо- вательных проекций; Fo - расстояние от центра системы координат реконструируемой томограммы х = у = 0 до точки пересечения лучей в веерной проекции (ее фокуса), которое предполагается постоянным для всех проекций; т = 0 - соответствует центральному лучу в проекции. Затем каждая модифицированная веерная проекция р(/«Дф, «Дф) подвергается дискретной свертке анало- гично (10): К/2 р (/«Дф, «Дф) = Дф р (тпДф, «Дф) hB ((т - q) Дф). Я=~К/2 (20) Здесь К - общее число лучей в веерной проекции, а ядро свертки Лв («Дф) = 2'1 sine-2 («Дф / л) h («Дф), где Л(«Дф) определяется из выражения (18) при замене км на 1/2 Дф. Таким образом, структура веерного ядра свертки очень близка структуре линейного ядра (18): 1 при « = 0; 0 при п = 2т\ (21) - 4 / 7t2sinc2 («Дф / л) п2 при п = 2т 4-1. /гв(пДц/) = —Ц 8Дф Завершает реконструкцию операция обратного про- ецирования и суммирования совокупности веерных про- екций в пространстве томограммы (х,у). Однако в алгоритме ОПФСВП 1 эта вычислительная процедура определяется соотношением 2М-1 |l(/«vA/,/«vA/) = Дф ^А'2(«Дф,/«г,/«г)х и=0 хр(ф(иДф,/иг,юу); «Дф), (22) где L («Дф, тх, ту) = ^F2Q+m2Al2 + т2А12 + -ь 2FQAlyjm2 4- т2 sin («Дф - arctgту / тх) (23) - расстояние от точки пересечения лучей в каждой веер- ной проекции до каждого элемента реконструируемой томограммы; ф(«Дф, тх,ту) = = arctg Д/ у]т2 4- т2 cos(пДф - arctgту / тх) Fq 4- Д/д/m2 4-/и2 sin («Дф - arctg ту / тх) (24) - текущее угловое расстояние от центра данной веерной проекции до луча, проходящего через элемент томограм- мы с координатами х = тх АГ, у = туА1. Причем, как и в случае параллельных проекций, координаты лучей, необ- ходимых для проведения обратного проецирования (22), не совпадают с эквидистантными отсчетами в фильтро- ванных веерных проекциях: ф(«Дф, тх, /иу)-/«Дф^0. Поэтому соотношения (20) - (24) необходимо до- полнить интерполяционным преобразованием вида: К/2 р (ф («Дф, тх, ту), «Дф) = Р (>иДф, лДф) х т = -К!2 , (25)
120 ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТОМОГРАФИЯ где, как и ранее, g (у) - интерполяционная функция, ко- торую еще предстоит оптимизировать. Операция обратного проецирования (22) - (25) в случае ОПФСВП1 существенно сложнее, чем аналогич- ные процедуры в ОПФС или ОПФСЭПП, и требует для своего выполнения значительно большего числа арифме- тических операций, увеличения объема оперативной па- мять и иной организации процесса цифровой обработки. Эти отличия обусловлены присутствием весового мно- жителя L 2 (п Аф, тх, Шу) и изменением тригонометриче- ских параметров при расчете этого множителя и ф («Аф, тх, ~ для каждой точки реконструируемой томо- граммы и каждой проекции. Кроме того, удваиваются общее число используемых проекций и связанное с этим время реконструкции. Для взвешивания вклада при обратном проецирова- нии - L~2 требуется дополнительно провести л2N3/4 умно- жений, что примерно в 2 раза превосходит трудоемкость всего алгоритма ОПФСЭПП. Для выполнения обратно- го проецирования веерных проекций согласно (22) не- обходимо каждый раз рассчитывать заново или хранить в памяти около n2N3/2 геометрических коэффициен- тов L~2 (п&у, тх, ту) и ф («Аф, тх, тпу). Например, при N = 256 число таких коэффициентов, рассчитываемых с применением тригонометрических функций, превышает 80 млн. и трудоемкость их расчета определяет основные затраты на алгоритм ОПФСВП1. Таким образом, при одинаковой точности прямой алгоритм реконструкции для веерных проекций ОПФСВП принципиально значительно более трудоемок, чем универсальный алгоритм ОПФСЭПП, и оправдан- ность его использования должна критически анализиро- ваться в каждом конкретном случае разработки систем ПРВТ. Целесообразность его использования не вызывает сомнений лишь в задачах, требующих реконструкции в темпе сбора измерительных данных, и обусловлена на- личием быстродействующего специализированного про- цессора ОПФСВП, способного выполнить необходимый объем вычислений по свертке и взвешенному обратному проецированию каждой веерной проекции за цикл изме- рения следующей проекции. Что касается прямого алгоритма ОПФСВП2 для случая веерных проекций, то для него характерны те же основные особенности, что и для ОПФСВП 1. Таким образом, проблема реконструкции распреде- ления ЛКО внутри контролируемого объекта по экспе- риментально оцененным проекциям достаточно изучена, а алгоритм ОПФС (и ряд его модификаций) позволяет с высокой точностью, при минимальной трудоемкости вы- полнять такую реконструкцию в приемлемое для практи- ки время, которое при применении специализированного процессора реконструкции составляет несколько секунд. Непременными условиями эффективности такой ре- конструкции томограммы, содержащей в пределах диа- метра рабочего поля nN114 элементов, являются: наличие не менее h7V2/2 эквидистантно расположенных в прост- ранстве (г, ф) достаточно точных интегральных оценок ослабления моноэнергетического излучения, выполнение не менее 2N3 операций умножения и в несколько раз большего числа более простых операций и обращений к памяти (табл. 2). Необходимо отметить как принципиальное и обу- словленное самой природой метода вычислительной то- мографии то обстоятельство, что при линейном увеличе- нии разрешающей способности контроля (-N) трудоем- кость реконструкции даже для наиболее быстрых и из- вестных алгоритмов растет пропорционально третьей степени (~ДГ3). Это противоречие метода ПРВТ препят- ствует повышению сложности цифровых томограмм и производительности контроля. При значительном увеличении формата матриц не- обходимы алгоритмы, использующие лишь наиболее быстрые арифметические и логические операции. 2. Минимальное количество параметров, требуемых для реконструкции томограммы Параметры Соотношения Количество Независимых элементов по диаметру изделия N 256 512 1024 Элементов томограммы nN2 /4 5,1 • 104 2,1 • 105 8,2 • 105 Отсчетов в проекции N 256 512 1024 Проекций itN/2 402 804 1608 Измерительных данных nN2/2 1,0 • 105 4,1 • 105 1,6 • 106 Операций умножения 2N3 3,4 • 107 2,7 • 108 2,1 • 10’
ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ ПРВТ 121 7.2. ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ ПРВТ Уникальные информационные возможности метода ПРВТ при контроле промышленных изделий могут быть реализованы на практике только при детальном учете и минимизации многочисленных погрешностей реконст- рукции, обусловленных отличием реальных физических явлений в ПРВТ от упрощенных математических моде- лей, рассмотренных выше. Перечень наиболее вероятных источников ошибок в ПРВТ обширен. Это амплитудные погрешности экспе- риментальной оценки интегральных проекций, немоно- энергетичность и неидеальная коллимация используемо- го на практике рентгеновского излучения, конечные раз- меры апертур детектора и источника излучения (конеч- ная толщина контролируемого слоя), неоптимальные интервалы дискретизации при сборе измерительных дан- ных, приближенный и неоптимальный характер реали- зуемого цифрового алгоритма реконструкции, инерцион- ность и нелинейность измерительных цепей, погрешно- сти задания геометрии проекций в системе координат контролируемого изделия, многочисленные нестабиль- ности (от пульсаций энергии фотонов излучения и пи- тающих напряжений до механических вибраций колли- маторов), разнообразие структуры, размеров, плотности и элементного состава изделия и т.д. Тем не менее при тщательном учете этих явлений на этапах проецирования аппаратуры и ее применения в ПРВТ удается достичь точности реконструкции, ограни- ченной лишь квантовой природой рентгеновского излу- чения, используемого для получения информации о внутренней структуре объекта. 7.2.1. ОГРАНИЧЕНИЯ КВАНТОВОЙ ПРИРОДЫ ИЗЛУЧЕНИЯ Случайные погрешности реконструкции, обуслов- ленные квантовой природой рентгеновского излучения, принципиально не устранимы, и их анализ позволяет однозначно оценить предельные возможности метода ПРВТ при фиксированном числе квантов, сформулиро- вать требования к экспозиции энергии излучения, точно- сти измерения проекций и пространственно-частотным характеристикам томограмм, обеспечивающим необхо- димый уровень метрологии. Ограничения, связанные со статистической приро- дой излучения фотонов, их взаимодействием с вещест- вом и регистрацией, характерны для любых информаци- онных систем, использующих рентгеновское излучение, но их количественное проявление в ПРВТ имеет особенности. Дискретное экспериментальное оценивание проек- ций контролируемого сечения ц(х, у) идеально колли- мированным моноэнергетическим измерительным кана- лом с учетом (2) и (10) может быть представлено в виде /а а \ 1 Х0(дпДг,«Дф) ри (т\г, пАф) = In -2—--—-, (26) K(mAr,n Дф) где X - число фотонов рентгеновского излучения, изме- ренное в направлении (тиДг, иДф) за контролируемым объектом; Хо - число фотонов, измеренное в отсутствие объекта. Статистические флюктуации измеряемых величин X и Хо описываются распределением Пуассона и вносят погрешности в оценку точных проекций р (г, ф), такие, что математическое ожидание измеренной проекции р„ сохраняет свое значение: ри (т Аг, п Дф) = р(т Аг, п Дф), (27) однако дисперсия результатов измерения [квадрат сред- него квадратического отклонения (СКО)] отлична от ну- ля и определяется выражением а2{/?и(тАг, пАф)} = = ст2{1пХ0(/пАг, пАф)} + ст2{1пк(/иАг,пАф)}. (28) В том случае, когда среднее измеряемое число фо- тонов Хо существенно выше X, а само X достаточно велико, из (28) имеем d а{ри(«?Дг, «Дф)}а —=1пХ а \к(т Аг, п Дф)}. (29) dk Так как для распределения Пуассона о(Х) = v X , то абсолютная величина СКО измерения каждого отсчета проекции а{ри (тАг, п Дф)} = 1/^Х(«1Дг, иДф), (30) где Х(тАг, «Дф) - среднее число фотонов, зарегист- рированных в указанном направлении. Пространственная структура дисперсии поля ошибок. С точки зрения последующих этапов линейной обработки ОПФС экспериментальные проекции можно рассматривать как сумму точных проекций р (тАг, «Дф) и шумового статистического процесса (тАг, «Дф) с нулевым средним и дисперсией, определяемой выраже- нием (30): Рп(т Дг,«Дф) = р(тАг,п Дф) + рш (тАг,п Дф). (31) Тогда в результате реконструкции согласно (10) - (12) восстановится отягощенное погрешностями двумер- ное дискретное распределение ЛКО: цш(«2хД/, туА1) - \х(тхА1, туА1) + А\к(тхА1, туАГ). (32) Причем математическое ожидание реконструиро- ванной томограммы равно незашумленной структуре ЛКО, которая была бы восстановлена по точным проек- циям р(г, ф): |1Ш (тхА1, туАГ) = ц (тхА1, туАГ), (33) а квадрат СКО от этого среднего в предположении отсут- ствия корреляции шумов в различных проекциях распре- делится в виде
122 ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТОМОГРАФИЯ а* 2 *{цш(/ихА/, т>,А/)} = ст2{дц(тхА/, туАГ)} = м-\ N-X л=0 q=0 | h{mxNl cos п Д(р + myNl sin п Дф - т Д г )| Х(диДг, пДф) Таким образом, поле СКО знакопеременных стати- стических ошибок, обусловленное квантовыми шумами в экспериментально оцененных проекциях, имеет про- странственную структуру, принципиально отличающую- ся от структуры контролируемого сечения, так как в его формировании роль ядра свертки играет однополярный квадраг модуля | А(г)|2, используемого при реконструк- ции (10) одномерного биполярного ядра (8). Поэтому распределение дисперсии ошибок имеет плавную низко- частотную огибающую. Ошибки расположены в более широкой области, чем структуры точной реконструкции. Таким образом, относительная величина СКО в каждой точке томограм- мы зависит от всей структуры реконструируемого изо- бражения, среднего числа регистрируемых квантов Х(диДг,иДф) и функционального вида | А(г)|2. Напри- мер, в области томограммы с пониженной плотностью ЛКО величина относительной погрешности о(ц)/(ц) обычно максимальна. Абсолютный уровень квантовых погрешностей. Для оценки абсолютного уровня квантовых погрешно- стей реконструкции рассчитаем согласно (34) СКО в цен- тре однородного изделия обладающего круговой сим- метрией: 2 а +°° а2(ц) = о2{цш(0,0)} = -£=Д- (h2(r)dr (35) м Цо) Л или, воспользовавшись теоремой Парсеваля 2д +км об) где Н\(к) - одномерное преобразование Фурье А (г). Соотношения (35) и (36) позволяют рассчитать пре- дельные метрологические характеристики ПРВТ для за- данного среднего числа фотонов, регистрируемого в ка- ждом отсчете проекции X (0). Так, для ядра, определяе- мого (8), имеем Н} (А) = \к\ rect и квадрат относительной величины средней квадратиче- ской погрешности реконструкции 8(ц) = о(ц)/|1 в цен- тральной точке томограммы может быть выражен в виде 6Л/оА(цДг)2Х(О) ’ где Мо - 2М / nN - приведенное с учетом (16) число уг- ловых проекций в пределах л радиан; N~DINr = 2kMD - число независимых элементов по диаметру контроли- руемого объекта. В свою очередь, среднее число фотонов, которое не- обходимо регистрировать на каждый отсчет проекции для обеспечения заданной относительной величины СКО в реконструируемой томограмме, может быть оценено как /VIVI-------------«- . 1-2 6Л/0ВДАг)252 (ц) Несколько типичных значений X (0) и 32(ц) приве- дены в табл. 3, при расчете которой было принято N = 200; цАг = 0,02; NM = nN212 = 6,28 • 104 (А/о = 1). Чтобы оценить общее количество фотонов Xz, ко- торое необходимо зарегистрировать за полный цикл сбо- ра измерительных данных для одной томограммы, нужно рассчитать Х2 = X(0)2VM . Требования к точности измерения проекций. С помощью (37) и (30) можно оценить фундаментальное соотношение между относительными величинами кван- товых погрешностей при экспериментальной оценке про- екций 8(р) = о(р)/цР и в реконструированной томо- грамме 8(ц) = о(ц)/ц : 5(ц) = Т^5(р). (39) Таким образом, результирующее относительное СКО в томограмме примерно в Jn больше погрешно- стей в исходных проекциях. Это соотношение и табл. 3 показывают, что в ти- пичном случае [8(ц) = 0,5 %; N = 200] погрешность из- мерения проекций не должна превышать 1/2000 (0,05 %), что соответствует 11 двоичным разрядам. 3. Типичные значения относительной погрешности реконструкции ЛКО 8(ц), относительной погрешности измерения проекций 8(р), числа фотонов, регистрируемых в каждом отсчете 1 (0), и суммарного числа фотонов, регистрируемых за полное сканирование сечения Х£ rect(z) = < 1 при |z|< 1/2; 0 при |z| > 1/2. 5(ц),% 5(р), % 1(0) 1,0 0,1 6,5 • 104 4,1 • 109 0,5 0,05 2,6 • 105 1,6 • Ю10 0,2 0,02 1,6 • 106 * * 1,0 - 10"
ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ ПРВТ 123 4. Метрологические характеристики ПРВТ при контроле заготовок из графитоподобных материалов Режим работы Средняя квадратиче- ская ошибка 8 (ц), % Пространственное разрешение Аг, мм Толщина контроли- руемого слоя /, мм Экспозиционная доза D3, Р Основной 0,5 1,5 8 5,0 Высокого разрешения по плотности 0,2 1,7 8 20,0 Высокого пространственного разрешения 2,6 0,7 0,7 20,0 Высокой производительности 1,3 1,5 8 0,7 Необходимые экспозиционные дозы. С учетом ос- лабления рентгеновского излучения контролируемым объектом выражение (38) позволяет сформулировать важное требование к средней экспозиционной дозе на поверхности контролируемого объекта за все М = itN/2 проекций: D _ ур£ехр(цР) 1 3 Л/Оц2 /Дг382((д.) ’ (40) где у - размерная константа; Р - коэффициент, учиты- вающий несовершенство коллимации излучения и отли- чие квантовой чувствительности детектора от единицы (р = 1 ... 6); / - толщина контролируемого слоя; Е - энер- гия рентгеновских фотонов. Взаимосвязь метрологических характеристик ПРВТ. Статистические ограничения в ПРВТ приводят к однозначной взаимосвязи (40) чувствительности к малым изменениям ЛКО (плотности) контролируемого материа- ла -5(ц), пространственного разрешения в плоскости томограммы -Аг и толщины контролируемого слоя с диа- метром, плотностью и элементным составом контролируе- мого изделия ц(р, 2эф, Е), энергией используемых рент- геновских фотонов Е и средней экспозиционной дозой £>э. По структуре соотношение (40) однотипно для всех радиационных методов, но в случае ПРВТ оно характе- ризует метрологию отдельного элемента объема внутри сложного изделия, что в типичном случае обеспечивает выигрыш в относительной чувствительности на 1 ... 2 по- рядка. В табл. 4 приведены рассчитанные по (40) воз- можные сочетания метрологических характеристик дос- таточно совершенного вычислительного томографа при контроле монолитных заготовок диаметром до 200 мм из материалов, подобных графиту (£Эф = 6, р = 1,7 г/см3). 2эф - эффективный атомный номер материала объекта контроля. При этом предполагались Р = 2; Е = 200 кэВ; А/о = 1. Принципиально, без изменения условий контроля, возможен обмен пространственного разрешения на чув- ствительность к малым изменениям ЛКО. Однако рент- генооптическая и вычислительная системы томографа должны быть приспособлены для таких операций. Из соотношения (40) видно, что некоторого улуч- шения метрологических характеристик в плоскости сече- ния можно добиться за счет потери пространственного разрешения в поперечном направлении. Однако выбор толщины контролируемого сечения t должен произво- диться с учетом реальной пространственной структуры объекта контроля ц(х, у, z) и типичных дефектов (см. ниже). Значительное внимание при проектировании систем ПРВТ должно уделяться повышению эффективности ис- пользования «прямых» фотонов, прошедших сквозь объ- ект контроля (параметр Р), путем повышения квантовой эффективности детекторов и оптимизации конструкции коллиматоров. Выбор оптимальной энергии фотонов при кон- троле промышленных изделий. Согласно соотношению (40) требуемые экспозиционные дозы для изделий кон- кретного вида можно минимизировать выбором опти- мальной энергии фотонов. Для удобства анализа этой проблемы введем обобщенный метрологический показа- тель ПРВТ: 53 =5(p)52(Z>), (41) где 3 (Z)) — N~' = Ar / D - относительная величина про- странственного разрешения. Тогда из (40) имеем «’= 1 <42) где at = t / Ar - относительная толщина слоя; у - раз- мерная константа. В типичном случае для 8(ц)и 5(D), выраженных в %, D3- в Р, £ - в кэВ, ц - в см-1, D - в см, Мо = 1, у имеет значение порядка 0,2. Исследование соотношения (42) в диапазоне энер- гий фотонов для типичных контролируемых материалов (2Эф = 3 ... 26, р = 0,1 ... 7,9 г/см3, D = 2 ... 200 см) пока- зало, что при фиксированной экспозиционной дозе наи- высшей точности контроля методом ПРВТ можно дос- тичь выбором оптимальной энергии фотонов £0, обеспе- чивающей примерное выполнение условия ц(£0)£«4. (43) С другой стороны, при заданных требованиях к чув- ствительности контроля ПРВТ оптимизация энергии со- гласно (43) обеспечит минимальные требования к интен- сивности излучения и времени экспозиции. Вблизи области оптимальных энергий (43) обоб- щенный метрологический показатель имеет достаточно плавный минимум, оцениваемый величиной
124 ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТОМОГРАФИЯ inf (З3) = З3 « О,347р7^;рйт(£0)^0/Пэ , (44) где р - плотность (массы) контролируемого материала, г/см3; =ц/р - массовый коэффициент ослабления, см2/г. Неоптимальный выбор энергии фотонов ведет к увеличению экспозиции или снижению точности контро- ля (42). Аналогичные изменения характерны и для предель- ной точности контроля изделий разной толщины рентге- новским излучением с фиксированной энергией: З3 / З3 = 0,54е^(^о)Р/2^. (45) В табл. 5 приведены оптимальные энергии фотонов при ПРВТ для наиболее распространенных материалов в зависимости от их толщины. Особенности взаимодействия рентгеновского излу- чения с промышленными материалами таковы, что при правильном выборе энергии излучения для сравнительно широкого диапазона толщин изделий удается обеспечить (44) близкие обобщенные метрологические характери- стики при одной и той же экспозиционной дозе. Однако с увеличением средней плотности контролируемого изде- лия неизбежно (44) пропорциональное снижение обоб- щенного метрологического показателя 83 или квадра- тичное увеличение необходимой экспозиционной дозы. Длительность экспозиции и производительность ПРВТ. Для расчета полной длительности экспозиции t3 необходимо учесть характерную низкую для ПРВТ эф- фективность использования экспозиционного времени и энергии обычно немоноэнергетического рентгеновского излучения t3=k^k3D3F2 / Р, (46) где кф - коэффициент, учитывающий спектральную фильтрацию используемого излучения системой фильт- ров и контролируемым объектом; £э - коэффициент ис- пользования экспозиционного времени; F - фокусное расстояние (до фокуса источника излучения), м; Р - мощность экспозиционной дозы источника (МЭД) на расстоянии 1 м от фокуса, Р/с; D3 - необходимая экспо- зиционная доза в Р, определяемая требуемым уровнем метрологии с помощью соотношений (40), (42). При одновременном оценивании отсчетов проекций по т параллельным каналам к3« 1,5АГ/т, где N = D/&г. Таким образом, несмотря на то что согласно (40), (42) производительность ПРВТ в принципе не лимитиро- вана требуемым уровнем метрологии, ограниченные МЭД реальных источников рентгеновского излучения и необходимость организации сбора измерительных дан- ных по каждому из ~105 направлений просвечивания приводят к известным техническим затруднениям в по- вышении производительности ПРВТ. Поэтому повыше- ние интенсивности используемых источников излучения (Р) и увеличение числа параллельных каналов детекти- рования (/и) являются непременными условиями роста производительности вычислительных томографов и чув- ствительности контроля методом ПРВТ. Возможным путем повышения средней производи- тельности контроля является и одновременное просвечи- вание нескольких параллельных слоев контролируемого изделия. 5. Зависимость оптимальной энергии фотонов от толщины промышленных изделий из различных материалов Материал Толщина изделий, мм, при оптимальной энергии фотонов £о, кэВ 40 100 200 400 800 1000 5000 10 000 20000 Бериллий и его сплавы 130 160 200 250 340 380 920 1300 1800 Графиты, углепластики, угле- род, углеродные композиты по 160 190 240 330 370 870 1200 1500 Пластмассы, древесина, резина 150 240 290 380 510 570 1300 1800 2200 Стеклопластики, кремний, фарфор, строительные мате- риалы, алюминий и его сплавы 30 90 130 170 240 260 560 680 710 Теплоизоляционные и тепло- защитные материалы низкой плотности 350 980 1300 1700 — — — - — Магний и его сплавы 50 140 190 240 330 370 800 1000 1100 Титан 4 33 68 98 140 150 300 330 Сталь 2 14 35 54 76 85 160 170
ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ ПРВТ 125 В качестве источников излучения ПРВТ мощные рентгеновские трубки и ускорители с повышенной МЭД имеют значительные преимущества перед радиоизотоп- ными источниками, применение которых в основном ограничено случаями разработки портативной аппарату- ры для задач, допускающих длительные экспозиции. Анализ соотношения (46) показывает, что опти- мальный выбор энергии, применение рентгеновских тру- бок и ускорителей со средней мощностью около 4 кВт и использование многодетекторной схемы сбора измери- тельных данных с т = N для всех типичных объектов контроля позволяют обеспечить производительность на уровне не менее 1 слоя в минуту при повышенной чувст- вительности контроля и до 10 слоев в минуту при кон- троле объемной геометрии контрастных структур. Особенности энергетического спектра квантовых шумов томограммы. Влияние квантовых шумов томо- граммы (32) на чувствительность контроля методом ПРВТ зависит не только от интегральной оценки СКО (36), но и от деталей пространственной структуры самого поля ошибок. От того, какова корреляция этих ошибок в различных точках томограммы, в какие пространствен- ные узоры они группируются, зависит способность опе- ратора выделить полезную информацию о дефектах на фоне шумового поля. В пространстве частот эта проблема сводится к оценке структуры двумерного энергетического спектра квантовых шумов томограммы, ее сопоставлению с дву- мерным спектром структур, подлежащих обнаружению и анализу возможности оптимальной пространственной фильтрации. В случае ПРВТ (31) входной шумовой процесс рш (г, ф) можно рассматривать как белый шум с постоянной плот- ностью одномерного энергетического спектра 5Ф (к) = So. Тогда в результате линейной фильтрации сверткой (5) энергетический спектр шумов каждой проекции 5ф (к) резко изменит свою структуру: Sv(k) = S0\H^k)\2 (47) и в случае (8) А f ъ А Sv(k) = Street —— . (48) \^м J Выполнение обратного проецирования проекций (6) трансформирует одномерный энергетический спектр шума каждой проекции 5ф (к) в двумерный энергетический спектр вида 5ф (кх cos ф + ку sin ф) 8(£х sin ф - ку cos ф) . Поэтому после суммирования таких энергетических спектров в пределах угла л двумерный нормированный энергетический спектр шумового поля ошибок томо- граммы сформируется в виде структуры с круговой сим- метрией вида а,, Ъ. cosep+ Ar sinф) J(KX, Г— — |2 L. (49) (кх cos ф + ку sin ф у)к2+к2у В частном случае (48) S(kx, ку) = ^к2 +ку So circ(z)^2 +ку /км ), (50) 1 < о где circ(z) = при z<l; при z>l. Таким образом, двумерное шумовое поле томо- граммы резко отличается по структуре от белого шума. Плотность энергетического спектра ошибок рекон- струированной томограммы равна нулю в области кх = ку = = 0 и для (8) и (50) линейно возрастает с увеличением модуля пространственной частоты к = вплоть до кМ- Именно вследствие этой особенности структуры энергетического спектра дисперсия ошибок томограммы в ПРВТ пропорциональна третьей степени верхней про- странственной частоты, в то время как для двумерного белого шума дисперсия ~к^ . Двумерный шум томограммы с нулевой низкочас- тотной плотностью энергетического спектра имеет авто- корреляционную функцию с нулевым средним, содер- жащую пространственные области с отрицательной кор- реляцией. Очевидно, что обнаружение низкочастотных малоконтрастных структур томограммы на таком фоне может быть существенно улучшено простой низкочас- тотной фильтрацией реконструированной томограммы. Причем в силу указанных свойств энергетического спек- тра поля квантовых ошибок случайная погрешность оценки ЛКО будет снижаться быстрее, чем возрастает корень квадратный из числа осредняемых элементов то- мограммы. Конструкция и вычислительный комплекс аппара- туры ПРВТ должны предусматривать по усмотрению оператора возможность выполнения необходимости ’’сглаживания” томограмм. Рассмотренные особенности проявлений квантовых шумов ПРВТ отражают принципиальные свойства мето- да реконструкции объемной структуры ц(х, у, z)no ее интегральным оценкам р (г, ф). Поэтому полученные количественные характеристики ошибок при использо- вании ОПФС минимальны и сохраняют свое значение для любых алгоритмов реконструкции. 7.2.2. ВЛИЯНИЕ НЕМОНОЭНЕРГЕТИЧНОСТИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Вторым наиболее серьезным фактором, ограничи- вающим метрологические характеристики ПРВТ, являет- ся немоноэнергетичность используемого тормозного
126 ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТОМОГРАФИЯ рентгеновского излучения, так как современные источ- ники моноэнергетического излучения не обеспечивают требуемой в большинстве задач ПРВТ мощности экспо- зиционной дозы. При этом нарушается основная модель экспоненци- ального ослабления (1) и простое логарифмирование ин- тенсивностей излучения за объектом контроля (2) не приводит к достоверной линейной оценке необходимых для реконструкции томограмм проекций (3). Таким образом, при использовании немоноэнерге- тического излучения задача реконструкции внутренней структуры изделий в ПРВТ становится принципиально нелинейной, и пренебрежение этим обстоятельством со- провождается заметным уровнем ошибок, снижающих точность определения абсолютного уровня ЛКО и чувст- вительность к обнаружению локальных дефектов. Влияние немоноэнергетического рентгеновского из- лучения в ПРВТ существенно, но его детерминирован- ный характер, несмотря на отсутствие общего решения задачи нелинейной реконструкции, позволяет разрабо- тать эффективные методы коррекции ошибок немоно- энергетичности (МКОН) для большинства задач нераз- рушающего контроля. Абсолютная величина, пространственная струк- тура и влияющие факторы ошибок немоноэнергетич- ности рентгеновского излучения. В случае просвечива- ния изделия коллимированным немоноэнергетическим рентгеновским пучком, содержащим фотоны с произ- вольными энергиями, и применения неселективного рентгеновского детектора экспериментальная оценка проекции (3) после выполнения традиционного логариф- мирования (2) примет вид Рн(Г> Ф) = 00 +°о |Фо(£)Х(£)ехр - JJn(x,b £)х J<D0(£)x(£)</£ О xS(xcos<p + ysin(p-r)dxdy dE ...-------------------------J— , (51) где Фо(£*)- спектральная плотность интенсивности ис- пользуемого излучения; х(^) “ спектральная чувстви- тельность рентгеновского детектора. Из сопоставления (51) со случаем моноэнергетиче- ского излучения (3) видно, что неустранимой физической причиной возникающих ошибок является зависимость ЛКО от энергии фотонов. Вследствие этого абсолютный уровень указанных ошибок в отсчетах проекций рн(г, (р) изменяется в зависимости от элементного со- става разнообразных промышленных материалов, их распределения внутри контролируемого сечения и соот- ношения вкладов фотонов различных энергий Ф(£)Х(£) в экспериментальную оценку (51). В качестве количественной осредненной меры не- моноэнергетических исследований удобно использовать относительную погрешность экспериментальной оценки проекций S„(P(r.<P»-2“^4^. (52) р{г, ф) которая для случая точной линейной реконструкции, на- пример ОПФС, одновременно является мерой средней вдоль прямой xcoscp + j/sincp = г относительной погреш- ности томограммы контролируемого с помощью немоно- энергетического излучения изделия: -------------------г,ф г 7 Г'\ [Дн(х, у)-Д(х, -У)] С 7 7 ХЧ 5Н (ц ) = = Зн (р (г, Ф)). У) (53) Здесь индекс «н» отличает оценки с помощью немо- ноэнергетического излучения, а символ — г' ф означает среднее арифметическое вдоль прямой xcoscp +у simp = г. В случае контроля однородного цилиндрического изделия диаметром D ц(х, у, £) = p.0(£)circ ' 2^777 D (54) просвечивание с помощью немоноэнергетического излу- чения даст оценку (51) Рп{г, ф) = /ф0(£)Х(£)ех^-ц0(£)7)2 -4r2 dE = -1п--------------------------------X оо |ф0(£)х(£)^£ О (55) в то время как для моноэнергетического излучения с энергией Е^ полагая Ф0(£)х(£') = б(Е -Ео), имели бы точное значение (3): р (г, Ф) = ц0(£0) 7£>2 -4r2 rect{г / D). (56) Для количественного анализа наиболее общих зако- номерностей в дальнейшем положим для простоты ( F _ f 7 Фо(£)Х(£) = Фо(£о)Х(^о)гес1 ——± (57) I ЛЕ J и в ограниченном интервале энергий фотонов EQ ± ЛЕ / 2
ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ ПРВТ 127 Цо(Е) = Цо(Ео)[1-а(Е-Ео)], (58) где а зависит от элементного состава контролируемого изделия. Тогда из (51) - (56) подстановкой (57), (58) можно получить л(г’ ф) = Р(''.ф)х J _ 1 ln 2sh[aAEp(r, <р)/2] р(г, ф) аД£р(г, ф) (59) _ пф _j 8Н (И ) = 5Н (Р (г> Ф)) = —. , х Mo(E0)VD2-4r2 . 2sh|a А£ц0(Е0)л/Р2 -4r2 /2 . (2Л х In--1----------------------Icirc — , (60) aAEp.0(£’0)V£>2-4r2 \DJ представленные на рис. 4, 5 в виде семейства однознач- ных и достаточно гладких кривых, рассчитанных для типичных условий ПРВТ при г = 0. Полученные соотношения и расчетные данные рис. 4, 5 показывают, что вследствие немоноэнергетичности ис- пользуемого излучения реконструированные значения ЛКО для центральной зоны изделия всегда ниже дейст- вительных 5н(ц)<0. Причем величина и знак сред- ней погрешности не зависят от знака производной a-d\jJ dE, а только от модуля ее величины в рабочем диапазоне энергий. Это обстоятельство делает выбор эффективной энергии Ео важным фактором возможного снижения 5н(ц) за счет уменьшения абсолютной вели- чины а (Ео) применительно к конкретным материалам. Рис. 4. Зависимость абсолютной величины проекций рн(г, ф), оцененных с помощью немоноэнергетического излучения, от точного значения р (г, ф) для фиксированных | а ДЕ | Рис. 5. Зависимость средней по диаметру погрешности реконструкции ЛКО при использовании немоноэнергетического рентгеновского излучения от интегрального ослабления Ро (E0)Z) для фиксированных значений | а ДЕ | 1п В оптимальных условиях контроля (43) типичные значения | аДЕ| для промышленных материалов обычно составляют от 0,2 до 0,35. Новым содержанием наполняется вывод о возмож- ности использования излучения с целью сужения рабоче- го интервала энергий ДЕ и соответствующей минимиза- ции суммарной погрешности реконструкции, включаю- щей не только квантовый шум, обратно пропорциональ- ный ДЕ1/2, но и погрешность немоноэнергетичности, аб- солютная величина которой возрастает ~ ДЕ2 Воспользовавшись разложением shz^_z2 z4 z ) 6 120 для |аДЕ|ц0(Е0)Е><2, из (60) получим в качестве надежной оценки 5н(ГО = -^(аД£)2Цо(£о)£>, (61) 24 что свидетельствует о высокой эффективности предвари- тельной фильтрации в ограничении рассматриваемого вида погрешностей. Тем не менее этот прием всегда свя- зан с некоторой потерей чувствительности контроля по сравнению со случаем применения моноэнергетического излучения или вычислительной коррекции ошибок немо- ноэнергетичности. Согласно (60) и рис. 5 величина погрешности 5Н(Ц) монотонно увеличивается с ростом интегрального ослаб- ления iiQ(EQ)Dy]l-(2r/D)2 , что приводит к ряду важ- ных следствий. Так, изделия разного диаметра, изготов- ленные из одного материала, на томограмме будут вос-
128 ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТОМОГРАФИЯ производиться с различными кажущимися уровнями ЛКО, что создает трудности при аттестации методом ПРВТ абсолютной плотности материалов. Причем материалы с большей плотностью и эффек- тивным атомным номером в большей степени подверже- ны подобным артефактам. Это обстоятельство усиливает эффективность применения энергий, соответствующих меньшим значениям. С другой стороны, влияние интегральной толщины контролируемого изделия вдоль соответствующих на- правлений на величину погрешности измеренных проек- ций ЛКО обусловливает формирование характерной про- странственной структуры поля ошибок реконструируе- мого ЛКО при воспроизведении неоднородных по тол- щине изделий и изделий сложной формы, что неизбежно затрудняет обнаружение локальных дефектов на фоне таких ложных неоднородностей, особенно в зонах с рез- кой разнотолщинностью. Сохранение постоянного уров- ня ошибок в каждой проекции дало бы аддитивную до- бавку, одинаковую в каждом элементе томограммы, но не привело бы к возникновению маскирующих структур. Для более подробного рассмотрения пространствен- ной структуры поля ошибок немоноэнергетичности при- ближениях (57), (58) после подстановки в (59), восполь- зовавшись приведенным выше разложением в степенной 1 fshz^ ряд In --- , получим ( z J 1 2 2 Рн(^ф) = Р(^ф)-—(аДЕ) р (г, Ф) + 24 + -J—(аДЕ)4/>4(г, ф)± (62) 2oov где для типичного случая |а Д2?|р(г, (р)< 2 значение третьего члена не превышает 3 % значения второго. То- гда с достаточной для нашего рассмотрения точностью имеем Р„ (г, Ф) = р(г, Ф) - (а ДЕ)2 р2 (г, Ф), (63) откуда, в частности, для контролируемого объекта вида (54) с учетом (56), получим Рн(Г> ф) = = L0(E0)DA/l-(2r/Z>)2-^-(a ДЕ)2 ц2(Е0)Е>2 х I 24 x[l-(2r/Z>)2]j>rect(r/D). (64) По такому набору проекций в случае точной линей- ной реконструкции восстановится двумерная томограм- ма, пространственная структура которой может быть представлена в виде Ан(*> у) = М-0(Е0)--—(аДЕ)2 х хц2(£0)р71-4(х2+/)/П2 Эта томограмма представляет сумму двух распреде- лений точной структуры контролируемого объекта (54) и изображения поля ошибок немоноэнергетичности. Про- странственная структура поля ошибок немоноэнергетич- ности обладает заметной неоднородностью и принципи- ально отличается от действительной структуры контро- лируемого изделия. В частности, из (65) для пространст- венного распределения относительной локальной по- грешности в определении ЛКО имеем 5н(ц) = Цн(х,^)-Ц(х, .У) = Г. -—(аДЕ)2ц2 (Е0)х ц(х, у) |_ 6л х Dyjl-4(x2 + у2)/D2 С1ГС . (66) J Таким образом, амплитуда локальных погрешно- стей немоноэнергетичности различна для разных точек изображения и не находится в однозначной связи с ло- кальными особенностями структуры ЛКО. Максималь- ное значение эти погрешности имеют в центре протя- женных зон объекта (х2 + у2 = 0), снижаясь до нуля к краям (х2 + у2 где средняя величина проекций минимальна. Без наличия достаточно детальной априорной ин- формации о свойствах объекта контроля и используемого излучения не удается выделить в искаженном изображе- нии томограммы (65) полезную информацию о точной структуре и абсолютной величине ЛКО реального кон- тролируемого изделия (54). Такое сложное воздействие нелинейных погрешностей экспериментальных оценок проекций на результаты контроля специфично для ПРВТ и принципиально отличается от случая традиционной рентгенографии, где нелинейности преобразования и процесса регистрации менее опасны и при необходимо- сти могут быть легко учтены. В случае ПРВТ структура артефактов на томограм- ме зависит от совместного воздействия нелинейных по- грешностей многих интегральных проекций (52), (59) и потому не локализована в отдельных точках томограм- мы, а плавно изменяется в пределах однородных зон об- разца. Если не предусмотреть специальных мер по кор- рекции подобных артефактов, то сложная, визуально не очевидная структура ошибок немоноэнергетичности и их аддитивный по отношению к действительной структуре изделия характер ограничат фактические возможности обнаружения дефектов случаем, когда амплитуда разно- плотности дефектов в несколько раз превысит амплитуду поля ошибок. В типичном случае это дефекты с реконст- руированной разноплотностью более 10 %.
ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ ПРВТ 129 Таким образом, в оптимальных с точки зрения ми- нимизации квантовых погрешностей условиях контроля (цо (Eq) D = 4), систематические погрешности немоно- энергетичности излучения могут в десятки раз (5Н (р) 3 ... 5 %) превзойти предельные статистические оценки (8Н (ц) = = 0,2 ... 0,5 %) и значительно снизить эффективность метода ПРВТ. Тем не менее детерминированный характер и отме- ченные выше особенности природы немоноэнергетично- сти ошибок в ПРВТ в сочетании с характерно большим объемом априорной информации о бездефектной струк- туре контролируемых изделий позволяют использовать большое число эффективных методов коррекции ошибок немоноэнергетичности и сохранить уникально высокую чувствительность ПРВТ на уровне, ограниченном лишь квантовой природой интенсивных пучков тормозного рентгеновского излучения. Методы коррекции ошибок немоноэнергетично- сти (МКОН). В табл. 6 представлена достаточно полная классификация МКОН. Кроме того, возможны и, как по- казывает практика, наиболее эффективны сочетания раз- личных методов коррекции. Методы коррекции ошибок немоноэнергетичности в ПРВТ отличаются: по назначению, месту в цепи вычис- лительных этапов реконструкции, степени использования информации об отдельных спектральных составляющих и, наконец, по уровню технических средств, необходи- мых для выполенния коррекции. Назначение большинства методов - снизить абсо- лютный уровень ошибок немоноэнергетичности в рекон- струированном распределении Д(х, у} др допустимой, в конкретной задаче применения ПРВТ величины. Тем не менее с точки зрения неразрушающего контроля воз- можна равноценная, но более экономная по затратам по- становка - снизить маскирующее действие ошибок не- моноэнергетичности в реконструированном распределе- нии |1(х, у) до уровня, обеспечивающего надежное обнаружение дефектов структуры с чувствительностью, эквивалентной моноэнергетическому приближению. С точки зрения последовательности этапов реконст- рукции, согласно проведенному выше рассмотрению, наиболее естественно корректировать ошибки непосред- ственно там, где они возникают, т.е. на уровне экспери- ментальной оценки проекций, до начала операций ли- нейной реконструкции. Однако правомерна и коррекция на уровне реконструированной томограммы или одно- временно на обоих этапах. В отдельных случаях коррекция нелинейных по- грешностей, обусловленных немоноэнергетичностью тормозного рентгеновского излучения, может выпол- няться с использованием дополнительной информации об особенностях ослабления фотонов разных энергий, в других - без спектральной селекции, на основании инте- гральной оценки. Технические средства, используемые для реализа- ции МКОН, разнообразны и включают как физические решения, отражающиеся на конструкции рентгенооптики томографа, так и дополнительную вычислительную об- работку. 6. Классификация методов коррекции ошибок немоноэнергетичности в ПРВТ Методы коррекции ошибок немоноэнергетичности в ПРВТ Назначение Этап реконструкции Спектральная селекция Технические средства Точная реконст- рукция ЛКО Надежное обнару- жение дефектов Предварительная обработка проекций Обработка томограммы Используется Не используется Физические аналоговые Математические, цифровые Предварительной фильтрации излучения + + + + Выравнивания средней величины проекций (+) + + + + с помощью компенсаторов Предварительной линеаризации проекций + + + + Итерационной линеаризации проекций + + + + + Замещения + ± Т + + Высокочастотной пространственной + + + + фильтрации проекций Усреднения проекций по спектру + + + + + Использование двух (трех) энергий + + + + + + 9 — 7387
130 ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТОМОГРАФИЯ Наиболее прост в реализации метод предваритель- ной фильтрации первичного тормозного излучения ЛЕ2 -> 0. Его самостоятельное значение ограничено случаем коррекции малых ошибок немоноэнергетично- сти или низкими метрологическими требованиями (61). В основном применяется как дополнительный метод в сочетании с более эффективной нелинейной коррекцией. В тех случаях, когда необходимо контролировать однотипные партии монолитных, однородных по эле- ментному составу и типоразмерам изделий^ высокая точ- ность реконструкции с использованием немоноэнергети- ческого излучения может быть достигнута применением жидких, твердых или сыпучих компенсаторов, выравни- вающих среднюю величину ослабления для всех отсче- тов проекций. При этом одинаковая абсолютная вели- чина ошибки во всех проекциях исключает возникнове- ние ложных структур на томограмме и при необходимо- сти может быть учтена в виде системной аддитивной константы. Одновременно достоинствами этого метода являют- ся резкое снижение динамического диапазона регистри- руемых сигналов и отсутствие вычислительных затрат. Применение согласованных компенсаторов малоэффек- тивно при частой смене материала и размеров изделия, наличии внутри изделий сложных несимметричных по- лостей. Метод не применим к изделиям, содержащим структурные элементы из материалов с резко различны- ми эффективными атомными номерами. Определенный, хотя и допустимый для ряда задач ПРВТ недостаток это- го МКОН, связан с дополнительным снижением числа регистрируемых квантов, ослабляемых материалом ком- пенсатора. Недостатков метода компенсаторов лишен метод предварительной линеаризации проекций. Как видно из рис. 4 и соотношений (59), (62), функциональная связь между значениями экспериментальной оценки проекций при немоноэнергетическом излучении рн(г, ф) и точными значениями моноэнергетического приближения р(г, ф) описывается гладкой однозначной зависимостью. Поэтому для произвольного, но стабильного спек- трального состава излучения и фиксированного состава материала изделия (аДЕ = const) можно сформировать однозначную таблицу констант, позволяющую в процес- се измерений каждой немоноэнергетической оценке про- екции /?н(г, ф) ставить в соответствие точное значение р(г, ф). Выполнение такой линеаризующей коррекции про- екций (см. рис. 4) не сопровождается потерей квантов излучения и пригодно для изделий любых формы и структуры внутренних полостей. Часто вместо таблицы функциональную зависимость р (рн) выражают с необхо- димой точностью в виде полинома. В вычислительном отношении метод предварительной линеаризации проек- ций не вызывает затруднений, а эксплуатационно он су- щественно удобнее метода выравнивающих компенсато- ров. Однако метод линеаризации, как и все прочие МКОН, кроме метода компенсаторов, предполагает на- личие измерительного тракта с максимальным динамиче- ским диапазоном. В этом случае с учетом (39) и (43) ди- намический диапазон детектора должен превосходить 105 (17 двоичных разрядов). Формирование таблиц поправок или коэффициентов полинома п должно осуществляться индивидуально для спектра из- лучения конкретного томографа и каждой разновидности материалов. Обычно эта процедура осуществляется с помощью специальных стандартных образцов материа- лов, перекрывающих весь диапазон рабочих значений ослаблений рн(г, ф). Оценка значений моноэнергетического приближе- ния проекций стандартного образца р(г, ф) может про- изводиться при сильной дополнительной фильтрации или по известным геометрии и элементному составу. В се- рийной аппаратуре эти калибровки могут быть автомати- зированы и непродолжительны. В принципе метод предварительной линеаризации проекций ПРВТ может быть развит и для случая изделий со сложной пространственной структурой нормирован- ного элементного состава, для чего необходимо сформи- ровать свои аппроксимации ошибок немоноэнергетично- сти для разных направлений проецирования. Однако это существенно повысит трудоемкость такой коррекции и требуемые объемы памяти, вследствие чего применение метода предварительной линеаризации обычно ограни- чено контролем изделий с достаточно однородным эле- ментным составом. Основная причина недостатков двух последних МКОН связана с ограниченностью использования апри- орной информации о сложном объекте контроля. Час- тично эту проблему решают итерационные МКОН. Су- щество этих трудоемких в вычислительном отношении методов сводится к последовательному приближению реконструируемой томограммы" к ее точному виду jl(x, у) с помощью нескольких этапов обработки немо- ноэнергетически оцененных проекций и реконструкций томограмм, с использованием для следующей линеариза- ции проекций информации, полученной по томограмме предыдущего приближения. Итерационные методы с сочетанием обратного и прямого проецирований в наибольшей степени адекват- ны нелинейной природе ошибок немоноэнергетичности для случая изделий произвольных состава и структуры. Однако в ПРВТ элементный состав и структура безде- фектных изделий обычно регламентированы в достаточ- ной степени, что снижает эффективность затрат на ите- рационные вычисления, облегчая проведение необходи- мой коррекции ошибок более экономными методами. Если учесть то обстоятельство, что обширная априорная информация об объекте контроля в ПРВТ снижает зна- чимость точной реконструкции ЛКО неизвестных в среднем структур, но повышает роль успешного обнару-
ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ ПРВТ 131 жения локальных или малопротяженных дефектов, то станет понятной возможность существенного увеличения эффективности МКОН при одновременном снижении их трудоемкости. Примерами таких решений являются линейные дифференциальные методы коррекции детерминирован- ных ошибок немоноэнергетичности. Метод замещения состоит в формировании массива проекций рд (г, ср), являющихся разностями эксперимен- тальных проекций рн (г, ф) и хранящихся в памяти ЭВМ немоноэнергетических оценок стандартных проекций Рен (г, ф), измеренных заранее с помощью этого же томо- графа, но на стандартном образце контролируемого из- делия ]хс(х,у): Рл (г, (?) = рн (г, Ф) - рсн (г, Ф). (67) После точной линейной реконструкции с использо- ванием таких дифференциальных немоноэнергетических оценок рД (г, ф) восстановится двумерное распределение вида Цдн (х> у) = Дн (*> у) - Ден (*> у) > (68) которое для рассмотренного выше примера в отличие от (65) может быть представлено как Ддн(*> у) = + 28н(ц)] = = Ш) 1 _ ±(аАЕ)2 ц0 (Ео )D^-4(x2+y2)/D2 Зл xcirc (69) где Дц(£0) = ц0(£0)-цсо(£0)- подлежащая обнару- жению достаточно малая разница ЛКО контролируемого изделия и стандартного образца; 8н(ц) - локальная отно- сительная погрешность немоноэнергетичности, опреде- ляемая по (66). Таким образом, дефекты структуры контролируемо- го изделия Дц(х, у, £0) в дифференциальной томо- грамме (69) не маскируются аддитивным полем ошибок, и чувствительность контроля практически не отличается [28 (ц) «1] от моноэнергетического приближения: = 1 + (70) ,У,Е0) Влияние немоноэнергетичности излучения в случае (69) проявляется лишь как малое (до 10 %) и плавное изменение реконструированной амплитуды дефектной разноплотности в зависимости от ее расположения по изделию произвольной сложности. Что касается регуляр- ной структуры стандартного образца цс (х, у, £0), то она должна быть изучена заранее с необходимой точностью. Метод замещения прост, высокопроизводителен и пригоден для дефектоскопии промышленных изделий произвольных геометрии и элементного состава. В каче- стве цифровой модели рсн (г, ф) могут использоваться не только данные, полученные заранее на стандартном об- разце сложного контролируемого изделия, но и проекции смежного сечения контролируемого экземпляра изделия или даже сдвинутая по углу последовательность проек- ций этого же сечения. Последнее особенно удобно при наличии известной симметрии изделия. В силу линейности алгоритма реконструкции вычи- тание на уровне проекций (67) в равной степени можно заменить вычитанием на уровне томограмм (68). С точки зрения требуемой для реконструкции разрядности слоев и воздействия ошибок дискретной аппроксимации ОПФС предпочтительно вычитание на уровне проекций. С учетом (67) СКО квантовых шумов метода заме- щения в зависимости от экспозиции при измерении стан- дартных проекций /?сн (**, Ф) составляет от 1 до 1,4 уров- ня СКО моноэнергетического приближения. Фактически же отсутствие предварительной фильтрации излучения в методе замещения позволяет одновременно снизить и уровень квантовых шумов за счет более полного исполь- зования фотонов с низкой энергией. С целью эффективного ослабления нелинейных ар- тефактов при обнаружении локальных дефектов в про- мышленных изделиях произвольной структуры можно использовать линейную высокочастотную пространст- венную фильтрацию проекций. В силу характерной раз- ницы пространственного спектра нелинейных интеграль- ных артефактов и локальных дефектов, последние в этом случае воспроизводятся относительно усиленными на фоне ослабленной низкочастотной с