Открытие Рентгена

 

5.1 Диаграмма Эванса

 

При очень жестком  излучении основным процесссом взаимодействия квантов с веществом становится эффект образования пар.

Диаграмма показывающая области энергии, в которых преобладают  различные прцессы при взаимодействии излучения с веществом, приведена  на рисунке 5.1

Область где преобладет фотоэлектрическое поглощение, отделена от области преобладания комптоновского рассеяния линией, проведенной так, что каждый из этих процессов вдоль этой линии равновероятен, т.е. линейные коэффициенты поглащения равны τ=σ. Вторая линия разделяет области преобладания комтон-эффекта и эффекта образования пар. По этой линии соответствующие коэффициенты поглащения равны: σ=æ. Оба процесса вдоль этой линии равновероятны.

В практической радиографии  радиационное изображение при просвечивании  изделий формируется главным  образом благодоря процессу фотоэлектрического поглощения и комптоновского рассеяния.

 

Элемент	Фотоэффект	Комптон-эффект	Образование пар
Pb	До 500 кэВ	500 кэВ-5 МэВ	> 5 МэВ
Fe	До 120 кэВ	120 кэВ- 9,5 МэВ	> 9.5 МэВ
Al	До 50 кэВ	50 кэВ – 15 МэВ	> 15 МэВ
воздух	До 20 кэВ	20 кэВ – 23 МэВ	>  23 МэВ

 

 

6. Физико-технические основы радиографического контроля.

 

Радиографический  контроль основан на зависимости интенсивности рентгеновского (гамма) излучения, прошедшего через облучаемое изделие, от материала поглотителя и его толщины. Если контролируемый объект имеет дефекты, то излучение поглощается неравномерно и регистрируя его распределение на выходе, можно судить о внутреннем строении объекта контроля.

Источники проникающего излучения  выбирают в зависимости от толщины  контролируемого металла и заданной величины радиографической чувствительности, определяемой техническими условиями на контроль конкретного изделия.

Радиографическая  чувствительность характеризуется минимальным дефектом, выявляемым радиографическим методом и определяется радиографической контрастностью объекта контроля, разрешающей способностью и контрастной чувствительностью детектора излучения, а также геометрией просвечивания.

Разрешающая способность характеризуется минимальным размером выявленного дефекта в плоскости, перпендикулярной направлению просвечивания и определяется минимальным расстоянием между двумя элементами изображения, которые на радиограмме переданы раздельно. Разрешающая способность детектора излучения, например рентгеновской пленки, зависит от энергии излучения, толщины фоточувствительного слоя, метода фотообработки и размера зерен галоидного серебра.

 Геометрия просвечивания (схема  контроля) определяет геометрическую  нерезкость Н – важнейшую характеристику  теневого радиационного изображения  объекта контроля (ОК):

 

где:

f – расстояние от источника излучения до ОК;

Ф – размер пятна источника излучения;

δ – толщина ОК

b – расстояние от ОК до  радиографической пленки.

 

Таким образом, для получения четкой проекции дефекта источник излучения  должен иметь малый размер фокусного  пятна и находится на достаточном расстоянии от контролируемого изделия. При этом улучшается выявляемость мелких дефектов, так как уменьшается геометрическая нерезкость, обусловленная образованием полутеней.

Ограничивающим фактором при увеличении фокусного расстояния является существенное возрастание времени экспозиции, так как интенсивность излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

Минимальный размер дефекта, который может быть обнаружен  радиографическим методом, зависит  от его формы и местонахождения. Лучше всего выявляются дефекты  с плоскими гранями, ориентированные  вдоль направления просвечивания, вследствие большего градиента интенсивности излучения на границах по сравнению с дефектами, например шаровой или цилиндрической формы. Дефекты в виде плотного слипания металла (расслоения), расположенные перпендикулярно направлению просвечивания, радиографическим методом не выявляются.

Выявляемость дефектов зависит от их ориентации относительно направления просвечивания. Лучше всего выявляются дефекты имеющие протяженность вдоль пучка проникающего излучения. Если дефект расположен под углом к направлению просвечивания, то чувствительность радиационного метода ухудшается и зависит от величины раскрытия дефекта и угла между направлением просвечивания и направлением дефекта. Экспериментально было установлено что дефекты с малым раскрытием (трещины) не выявляются если угол пучка излучения по отношению к оси трещины больше 7^о

Чувствительность радиографического  контроля характеризуется минимальным  лучевым (в направлении просвечивания) размером выявленного эталонного дефекта (проволочки, канавки, отверстия) и выражается в абсолютных или относительных единицах. Она зависит от радиографической контрастности контролируемого объекта и от коэффициента контрастности детектора излучения.

Радиографическая  контрастность определяется изменением интенсивности проникающего излучения при заданном изменении толщины объекта. Радиографическая контрастность возрастает с увеличением разности плотностей  просвечиваемого материала и материала дефекта, а также с уменьшением энергии проникающего излучения. Радиографическая контрастность заметно снижается под действием Рассеянного излучения, которое особенно сильно сказывается при удалении дефекта от детектора излучения.

Рассеянное  излучение возникает при взаимодействии первичного пучка проникающего излучения с материалом просвечиваемого изделия. Первичное излучение, взаимодействуя с электронами атомов вещества рассеивается, при этом каждый элемент просвечиваемого материала становится источником вторичного излучения, направление которого не совпадает с направлением первичного излучения. Рассеянное излучение вызывает появление вуали на изображении контролируемого объекта, что ухудшает контрастность и разрешающую способность метода. Для уменьшения рассеянного излучения используют специальные диафрагмы и свинцовые экраны.

Коэффициент контрастности детектора излучения, в частности рентгеновской пленки, определяется величиной изменения плотности почернения при заданном изменении интенсивности излучения. Дефект на снимке выявляется лишь в том случае, если разность оптических плотностей (контраст), соответствующих дефектному и бездефектному участкам, превышает определенное значение, характеризующее свойства человеческого глаза.

Коэффициент контрастности  рентгеновской пленки зависит от технологии изготовления фоточувствительного  слоя, условий проявления, оптической плотности, а также от энергии излучения.

Радиографическая чувствительность оценивается по наименьшему элементу эталона чувствительности, который  выявлен на радиограмме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Рентгеновские аппараты и радиографическая пленка

 

Рентгеновские аппараты состоят из следующих основных элементов:

• рентгеновская трубка;
• источник высокого напряжения;
• контрольная аппаратура.

 

 

в/в кабели

 

 

40-250В

 

220/380 В

 

 

 

 

 

 

Рис 7.1 Блок-схема  рентгеновского аппарата

 

Достоинство рентгеновских аппаратов:

• интенсивность радиационного излучения, как правило, вышепо сравнению с γ-источниками;
• имеется возможность регулировки энергии излучения;
• интенсивность излучения практически не изменяется со временем и может регулироваться оператором;
• при отключении электропитания рентгеновский аппарат не является источником радиационной опасности.

 

Недостатки:

• необходимость в источнике электропитания;
• требуется охлаждение;
• более сложная конструкция и обслуживание;
• большие габариты и вес.

 

Рентгеновское излучение  имеет ту же природу, что и γ-излучение, подчиняясь одним и темже закономерностям  при взаимодействии с веществом. Принципиальная разница между ними лишь в механизме их возникновения. Рентгеновское излучение получают в результате торможения электронов на аноде рентгеновской трубки, γ-излучение является продуктом распада ядер.

Рентгеновская трубка представляет собой двухэлектродную систему, состоящую из анода и катода, заключонную в герметичный стеклянный баллон с высокой степенью разрежения. Катод является источником электронов и конструктивно выполнен в виде вольфрамовой спирали, которая при работе разогревается до температуры около 3000^оС от трансформатора накала напряжением 6-12 В. Анод служит для торможения электронов и представляет собой вольфрамовую пластину, которая приварена к пустотелому медному цилиндру, охлождаемому во время работы.

7.2 Принципиальная  электрическая схема рентгеновского  аппарата

 

Электроны, эмиттированные катодом, разгоняются приложенным  между анодом и катодом ускоряющим полем. При соударении электронов с  анодом их энергия идет на нагревание анода и частично превращается в лучистую энергию квантов рентгеновского излучения.

Полученное таким образом  рентгеновское излучение характеризуется  двумя самостоятельными энергетическими  спектрами: непрерывным и дискретным. Излучение с непрерывным спектром (тормозное излучение) возникает в результате резкого изменения скорости движения электронов (торможение электронов на аноде). Дискретный спектр (характеристическое излучение) возникает в результате процессов, протекающих в возбужденных ускоренными электронами атомах материала анода и сопровождающихся энергетическими переходами. Характеристическое рентгеновское излучение проявляется в энергетическом спектре в виде острых выбросов, накладывающихся на непрерывный спектр. Длины волн в дискретном спектре характеристического рентгеновского излучения зависят от материала анода и потенциала возбуждения.

Долю кинетической энергии, преобразованной в излучение, можно  записть как:

 

η=1,4*10^-7ZU

 

где:

Z – порядковый номер материала анода рентгеновской трубки в таблице Менделеева;

U – напряжение на электродах рентгеновской трубки, кВ.

 

Материал мишени анода  должен отвечать следующим требованиям:

• высокое Z материала;
• высокая точка плавления;
• высокая теплопроводность мишенианода;
• низкое давление паров (малая испаряемость материала мишени анода).

Высокое Z материала мишени анода обеспечивает высокое КПД излучения; высокая температура плавления и теплопроводность обеспечивают получение максимальной энергии излучения для данного размера фокусного пятна. Низкое давление паров уменьшает количество металла, которое улетучивается из мишени и оседает на стенках рентгеновской трубки. Достаточно хорошо вышеперечисленным требованиям соответствуют мишени выполненные из вольфрама.

 

7.3 Спектр рентгеновского  излучения

 

Для получения рентгеновского изображения высокого качества фокусное пятно рентгеновской трубки должно быть как можно меньше, что достигается выбором оптимальных форм, размеров и относительного положения нити катода и фокусирующего устройства, а также выбором формы и относительного положения анода.

Для получения панорамного выхода рентгеновского излучения изготавливают трубки с вынесенным анодом. Такой анод заземляется, а высокое напряжение отрицательной полярности подают на катод. Подобные устройства удобны при просвечивании кольцевых швов.

Участок на котором тормозятся ускоренные электроны, и возникает рентгеновское излучение, называется действительным фокусным пятном. Эффективное фокусное пятно – проекция действительного фокусного пятна в направлении оси рабочего пучка рентгеновского излучения. Размеры эффективного фокусного пятна опрределяют в процессе испытаний трубок в заводских условиях и указывают в паспортных данных с приложением снимка фокусного пятна.

 

Высоковольтная  часть рентгеновского аппарата.

Высоковольтная часть  рентгеновского аппарата представляет собой высоковольтный генератор, преобразующий напряжение сети питания в высокое напряжение, необходимое для работы рентгеновской трубки. В состав высоковольтного генератора входят:

• высоковольтный трансформатор;
• трансформатор накала;
• выпрямительные устройства;
• выключатели;
• защитные устройства;