Опис рентгенівської імпульсної установки "МИРА-2Д"

Інженерно-фізичний факультет

Кафедра фізики металів

Курс "Методи дослідження властивостей матеріалів"

Очна форма

Лабораторна робота № 3

Діагностика матеріалів і виробів методом рентгенівської дефектоскопії.

Мета роботи: ознайомитися з принципами рентгенівської дефектоскопії, будовою та роботою рентгенівського імпульсного приладу „МИРА-2Д”, освоїти методику визначення координат дефекту в матеріалі.

Загальні положення.

Дефектоскопією називають виявлення дефектів без руйнування матеріалу. Це область найбільш масового застосування рентгенівських і g-променів. У рентгенівській і g-дефектоскопії найбільш розповсюджений фотографічний метод реєстрації. Для збільшення проникаючої здатності в дефектоскопії застосовується випромінювання з короткою довжиною хвилі.

Рис. 1.1. – Принципова схема контролю просвічуванням: 1 - фокус рентгенівської трубки; 2 - просвічуваний виріб; 3 - "важке" включення; 4 - раковина;

5 - фотоплівка.

На рис. 1.1 наведено принципову схему рентгенівського просвічування. Промені з фокуса 1 рентгенівської трубки попадають на фотоплівку 5, пройшовши через контрольований виріб 2. Інтенсивність променів, що діють на фотоплівку, визначається відповідно до закону ослаблення рентгенівського випромінювання за формулою:

, (1.1)

де І – інтенсивність променів, діючих на фотоплівку, І₀ – початкова інтенсивність променів, m – коефіцієнт ослаблення рентгенівських променів, L – товщина виробу.

Інтенсивність променів, що пройшли крізь бездефектну частину виробу, буде відрізнятися від інтенсивності променів, на шляху яких виявилося включення. Якщо включення "важке" (m_включ > m_{осн. мат}), то на рентгенівській плівці буде видно світлу пляму на темному тлі. Якщо включення "легке" (m_включ < m_{осн. мат}), то на рентгенівській плівці будє видно темні плями на світлому тлі. Найбільш різкі плями виходять при m = 0 (тобто раковини, пори, тріщини та інші порожнечі у виробі).

При розгляді рентгенограм, знятих з тіла, що має на поверхні виступи або западини, треба мати на увазі, що виступи на ній зобразяться як "важкі" включення, а западини - як "легкі". Тому при зйомці виробів різної товщини (фігурних виробів) їх засипають або заливають компенсатором — речовиною, m якої майже дорівнює m деталі. Тоді рентгенограма бездефектної частини буде мати однакове почорніння, незалежно від конфігурації виробу.

Очевидно, задача контролю виробів буде виконана тим краще, чим менше мінімальні розміри дефектів, що виявляються на рентгенограмі. Виражене у відсотках відносно товщини просвічуваного виробу L мінімальне значення t_min (у напрямку променю) дефекту, що виявляється на рентгенограмі, називається відсотковою чутливістю P.

. (1.2)

Чим менше Р, тим краще рентгенограма.

Основні фактори, які впливають на відсоткову чутливість: густина почорніння у відповідних частинах рентгенограми (оптимум для ока 1,2 ¸ 2,0); довжина хвилі рентгенівського випромінювання; розмір фокуса рентгенівської трубки; фокусна відстань; вплив вторинного (переважно розсіяного) випромінювання, яке виникає при просвічуванні в об'єкті.

Для поліпшення відсоткової чутливості приходиться часто збільшувати тривалість експозиції, що супроводжується поліпшенням якості рентгенограм. У більшості випадків недоцільно застосовувати рентгенівську дефектоскопію при витримках більше 20...30 хв.

Опис рентгенівської імпульсної установки "МИРА-2Д".

Основні технічні дані:

1. Експозиційна доза рентгенівського випромінювання на відстані 500 ±20 мм від торця рентгенівської трубки при тривалості випромінювання 50с не менше 64,5 мккл/кг (260 мр).

2. Товщина сталі, доступна для рентгенівської дефектоскопії при використанні флюорисцентних посилюючих екранів не менше 20 мм; при використанні посилюючих екранів із свинцевої фольги - 10 мм.

3. Діаметр фокусної плями не більш 3 мм.

4. Кут випромінювання - 180°.

5. Напруга живлення - від однофазної мережі змінного струму з частотою 50 Гц, 220 В + 10 %.

Будова і робота апарата.

Використання в приладі „МИРА-2Д” імпульсної рентгенівської трубки дозволяє використовувати радіаційний контроль в польових та монтажних умовах без примусового охолодження трубки. Імпульсні рентгенівські трубки повинні задовольняти наступним вимогам: генерувати імпульси як можна меншої тривалості; забезпечувати велику енергію випромінювання в імпульсі; мати невеликий розмір ефективного фокусу для отримання достатньо різкої тіньової картини. Крім того, трубки повинні мати великий термін роботи та мати просту конструкцію.

Найбільш повно цім вимогам задовольняють трубки з автоемісійним катодом. Якщо біля металевого електрода (катода) створити електричне поле напруженістю більше 10⁸ В/м, то буде відбуватися емісія електронів.

Густина струму емісії залежить від напруженості електричного поля та матеріалу катода. Для збільшення напруженості електричного поля біля катода створюють велику неоднорідність поля (загострені кромки, голки і т. і.).

В імпульсному режимі трубка працює без водяного або масляного охолодження, тому, що її охолодження відбувається в інтервалах між імпульсами. Крім того, при роботі в імпульсному режимі спрощується схема джерела живлення та знижуються вимоги до електричної ізоляції.

Фізичні процеси, які відбуваються при генерації рентгенівського випромінювання в двоелектродній трубці проходять в декілька стадій. Спочатку до електродів подається напруга, яка зростає з визначеною швидкістю. Через деякий час, коли напруга досягає деякої величини U₁, між електродами з’являється електричний струм, зумовлений автоелектронною емісією з катода. Автоемісія утворюється не на всій поверхні катода, а на ділянках, де напруженість електричного поля максимальна. З часом величина струму зростає. Механізм зміни величини струму в імпульсній рентгенівській трубці пояснюється таким чином. З моменту появи електричного струму починається локальне зростання температури поверхні анода і катода. Анод розігрівається внаслідок електронного бомбардування (кінетична енергія електронів передається атомам анода), а катод розігрівається внаслідок проходження через нього електричного струму. При досягненні деякої температури починається випаровування матеріалів електродів. Пари метала, які потрапляють у вакуум, іонізуються потоком електронів з катода. Внаслідок іонізації атомів метала змінюється розподіл електричного поля між електродами, що призводить до подальшого зростання електричного струму з катода. Такий процес зростання струму називається вакуумний пробій. З цього моменту напруга між електродами трубки зменшується.

Рентгенівське випромінювання генерується на початковій стадії при великих значеннях напруги між електродами і током автоелектронної емісії. Тривалість імпульсу випромінювання складає ~ 10^-6...10^-8 с і залежить від відстані між електродами та напругою між ними. Більша частина енергії, яка підводиться до трубки, йде на розігрів електродів, що призводить до їх термічного розпилення та ерозії. Емітовані з катода електрони гальмуються на вершині вістрі анода, внаслідок чого дійсний фокус трубки невеликий.

Засоби безпеки.

При роботі з апаратом (без застосування спеціального захисту) оператор повинний знаходитися на відстані не менш 20 м від рентгенівського блоку в напрямку, протилежному виходу випромінювання в межах тілесного кута, що утворює конус з кутом розчину 150°, вісь якого збігається з віссю рентгенівського блоку, а центр знаходиться в торці рентгенівської трубки.

До роботи на апараті допускається персонал категорії А.