Краткая теоретическая справка

Надежность оператора в составе радиометрической системы

Неразрушающего контроля

Радиометрический метод неразрушающего контроля (НК) основан на свойствах прохождения ионизирующего излучения через вещество. Узким (коллимированным) пучком излучения сканируют контролируемый объект, последовательно просвечивая все его участки. Излучение, прошедшее через объект, регистрируется детектором - преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный интенсивности излучения, попадающего в детектор. Электрический сигнал с детектора поступает на регистрирующее устройство, в качестве которого обычно применяют самопишущий прибор или персональный компьютер в комплекте с аналого-цифровым преобразователем. При наличии дефектов в материале, например, раковин регистрирующее устройство отмечает изменение интенсивности излучения. Сканирование обычно осуществляется перемещением объекта относительно неподвижных источника и детектора. Реже перемещают источник и детектор при неподвижном или движущемся объекте. Основными параметрами процесса радиометрического НК являются:

-объем минимального выявляемого дефекта (см³);

-производительность (см³/сек);

-точность определения размеров дефекта;

-вероятность обнаружения минимального выявляемого дефекта;

-вероятность ложного обнаружения.

К конструктивным параметрам радиометрического дефектоскопа относятся:

-энергия и активность источника излучения;

-размеры коллимационого отверстия (апертуры) детектора;

-скорость сканирования;

-постоянная времени интегрирования сигнала с детектора.

Традиционная задача НК заключается в достижении выявляемости определенных заранее минимальных дефектов с заданной надежностью при максимальной производительности. Эта задача решается путем выбора конструктивных параметров дефектоскопа. Исходными данными задачи являются:

-характеристики объекта контроля (линейный коэффициент ослабления (ЛКО);

излучения в материале объекта, просвечиваемая толщина);

-минимальный объем выявляемого дефекта;

-энергия и активность источника излучения;

-вероятность обнаружения дефекта заданного минимального объема;

-вероятность ложной браковки.

Цель работы

Целью настоящей работы является определение оптимальных параметров радиометрического дефектоскопа, позволяющего выявлять дефекты с заданной надежностью. Искомыми параметрами являются:

-размеры окна коллиматора b1 и b2;

-скорость сканирования V;

-постоянная времени интегрирования t.

Исходные данные:

-источник гамма-излучения - радиоактивный изотоп Со⁶⁰ активностью Q=100 Ки;

-линейный коэффициент ослабления материала контролируемого объекта m=0.1 см^-1;

-толщина объекта в направлении просвечивания L=110 см;

-расстояние источник – детектор R=165 см;

-объем минимального выявляемого дефекта D=8cм³;

-вероятность выявления минимального дефекта Р₁=0.95;

-вероятность ложной браковки Р₀=0.01.

Краткая теоретическая справка

1. Изотопный источник излучает в единицу времени случайное число гамма-квантов. Среднее число квантов, попадающих в детектор за 1 сек. при наличии объекта контроля, определяется по формуле

. (1)

Пояснения к формуле (1).

В изотопе активностью Q Кюри за одну секунду происходит 3.7×10¹⁰ распадов ядер. В Со⁶⁰ за один распад образуется 2 гамма-кванта, поэтому изотоп излучает во все стороны Q×3.7×10¹⁰×2 квантов/сек.

В коллимационное отверстие размером b1xb2 на расстоянии R от изотопа при отсутствии контролируемого объекта попадает Q×3.7×10¹⁰×2×b1×b2/(4pR²) квантов/сек.

При просвечивании объекта толщиной L, с линейным коэффициентом ослабления m поток уменьшается в e^-mL раз.

2. Посредством детектора и регистрирующего устройства измеряется поток гамма-квантов, усредненный за время t. Зарегистрированный сигнал является случайной величиной со средним значением (a - коэффициент пропорциональности) и среднеквадратичным отклонением . Заметим, что при увеличении относительная флуктуация уменьшается.

3. При появлении дефекта в поле зрения коллиматора происходит изменение сигнала. Если дефектом является полость объемом D, то интенсивность возрастает на величину . Длительность сигнала DT=b1/V, где V – cкорость сканирования, b1 – размер коллиматора в направлении сканирования.

4. В результате интегрирования сигнала с детектора происходит как подавление шумов, так и сглаживание сигнала от дефекта. Существует оптимальное значение для постоянной времени t_опт » DT, при котором отношение сигнал/шум максимально. Если t уменьшать, то будут возрастать при постоянном значении сигнала от дефекта, если t увеличивать, то будут подавляться как шумы, так и сигнал от дефекта, причем шум уменьшается пропорционально , а сигнал - . Амплитуда сигнала от дефекта после интегрирования с оптимальным значением t имеет вид: . Выражение для отношения сигнал/шум можно представить в следующем виде: . Поскольку , то имеем , откуда можно определить скорость сканирования:

. (2)

5. Определение оптимальных параметров можно осуществить в следующей последовательности.

Величина b1 не может быть меньше линейного размера дефекта, поэтому ее обычно выбирают равной 1,2× .

Величина b2 тоже больше линейного размера дефекта. Для обеспечения производительности контроля ее выбирают равной 2×b1.

Отношение сигнал/шум М выбирают из следующих соображений. Сначала определяют некоторый уровень сигнала. Сигнал от минимального дефекта должен превышать некий браковочный уровень на 3s для того, чтобы вероятность выявления такого дефекта была равной 0,997. Браковочный уровень выбирается достаточно высоким для уменьшения вероятности ложной брковки и его значение обычно равно 6s, откуда следует, сигнал от дефекта должен быть не менее 9s, а отношение М=9.

Число квантов определяется из выражения (1). Теперь может быть определена скорость сканирования V из выражения (2). Постоянная времени интегрирования, как уже было рассмотрено выше t=b1/V.