ПОРТАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ РАДИАЦИОННОГО ДЕФЕКТОСКОПА

Портативный источник излучения радиационного дефектоскопа является источником тормозного рентгеновского излучения и может быть использован для неразрушающего контроля материалов и изделий радиационным методом.
Известно, что для дефектоскопии изделий большой толщины и сложной формы применяются источники тормозного излучения с энергией до нескольких десятков МэВ [1, с.50]. Эти источники создаются на базе ускорителей заряженных частиц: бетатронов, линейных ускорителей, микротронов [1.2, с.284-310].
В зависимости от назначения дефектоскопы на базе ускорителей заряженных частиц могут быть переносными, передвижными и стационарными [3, п.2.2.]. К стационарным относятся также дефектоскопы с подвижным излучателем (радиационной головкой).
Радиационные дефектоскопы должны иметь следующие основные блоки [3, п.2.4]:
- ускоритель заряженных частиц;
- блоки питания и управления;
- блок (и) детектирования;
- блоки для регистрации сигналов от блоков детектирования и обработки результатов контроля;
- блок автоматизации процессов контроля;
- вспомогательные устройства;
- кабели, соединяющие указанные блоки.
В свою очередь ускоритель заряженных частиц должен иметь излучатель (радиационную головку), блок питания и пульт управления.
Согласно ГОСТ 26114-84 [3], масса переносного дефектоскопа не должна превышать 40 кг, при этом масса, приходящаяся на одну ручку для переноса, не должна превышать 20 кг. Если дефектоскоп разделен на отдельные блоки, то указанные требования относятся к каждому блоку [3, п.2.15].
Если в качестве источника излучения используется ускоритель заряженных частиц на энергию более 1 МэВ, то данное требование выполнить достаточно сложно. Наиболее трудно «разделить» излучатель на отдельные блоки, масса которых удовлетворяла бы требованиям ГОСТ 26114-84. В большинстве случаев масса излучателя (радиационной головки) оказывается больше массы блока питания и пульта управления (см. например, рис.7.5) [л.2, с.292], где приведена конструкция чехословацкого дефектоскопического бетатрона.
Для радиационных дефектоскопов в большинстве случаев применяются переносные малогабаритные бетатроны, например, типа ПМБ-6 [4, с.102-106, 151] или же малогабаритные импульсные бетатроны типа МИБ [5].
Известные малогабаритные дефектоскопические источники излучения на базе ускорителей содержат излучатель (радиационную головку), блок питания, пульт управления и кабели соединяющие эти блоки [2, 4, 5].
В свою очередь излучатель [6] имеет корпус, в котором расположены электромагнит и ускорительная камера с высоковольтным блоком. Электромагнит содержит магнитопровод с полюсами, намагничивающую обмотку и обмотку обратной связи, которая располагается на боковой поверхности одного полюса. Ускорительная камера устанавливается в межполюсном зазоре, образованном полюсами. Ускорительная камера снабжается инжектором с мишенью и высоковольтным блоком, который необходим для получения высокого напряжения (≈40-45 кВ).
Для выполнения своих функций в состав дефектоскопического источника излучения должны входить: генератор напряжения инжекции и генераторы токов контрактора и смещения ускоренных электронов на мишень.
Блок питания предназначен для преобразования напряжения сети в импульсное с необходимыми параметрами. Конструктивно блок питания выполнен в виде силового конвертора с устройствами его включения и отключения и модуля управления. Силовой конвертор генерирует импульсы тока, определенной амплитуды и длительности, которые с помощью силового кабеля питают намагничивающую обмотку. Эта обмотка создает между полюсами электромагнита импульсное магнитное поле, которое осуществляет ускорение электронов вакуумной камере.
Модуль управления осуществляет автоматическое управление силовым конвертором и установкой в целом.
Пульт управления совместно с модулем управления осуществляет синхронизацию и управление работой всех схем и систем бетатрона и дефектоскопа на его базе в целом. С помощью пульта вводятся параметры тормозного излучения, которые необходимы для функционирования дефектоскопа.
Источник излучения на базе малогабаритного бетатрона снабжен двумя дозиметрами, встроенным и выносным. Встроенный дозиметр устанавливается в окне для выхода излучения, выносной за контролируемым изделием. Этот дозиметр кабелем соединен с блоком питания. С помощью этих дозиметров осуществляется контроль процесса облучения изделия и тем самым контролируется качество процесса (например, контролируется качество снимков контролируемого изделия на рентгеновскую пленку [1, с.40-41]).
Кабели осуществляют связь между указанными блоками.
Недостаток известных конструкций источников излучения на базе малогабаритных бетатронов заключается в том, что габариты и масса излучателя оказываются достаточно большими. Так масса излучателя при энергии 4 МэВ составляет ≈50-60 кг, при 6 МэВ - 90-100 кг. Это обстоятельство затрудняет ручное транспортирование этих блоков, особенно при неразрушающем контроле технологических трубопроводов и их арматуры в труднодоступных местах.
Наиболее близким техническим решением является источник излучения радиационного дефектоскопа на базе малогабаритного бетатрона типа МИБ согласно патента на полезную модель №92285 [8]. Этот источник излучения состоит из трех блоков: излучателя, блока питания и пульта управления, которые при работе соединяются гибкими кабелями. Этот источник так же снабжен встроенным и выносным дозиметрами.
В корпусе излучателя располагается магнитопровод с полюсами, центральными вкладышами, двухсекционная намагничивающая обмотка, обмотка обратной связи, ускорительная камера с инжектором, мишенью и высоковольтным блоком. В корпусе излучателя расположены генератор напряжения инжекции и генераторы тока контрактора и смещения ускоренных электронов на мишень с предохранителями. Питание этих генераторов осуществляют от дополнительных питающих обмоток, которые располагаются на цилиндрической поверхности намагничивающей обмотки. Последнее обстоятельство затрудняет стабилизацию напряжения инжекции и токов генераторов контрактора и смещения. В конечном итоге ухудшается стабильность мощности дозы излучения и снижается значение этой мощности.
Блок питания этого источника излучения имеет выпрямитель с батареей фильтровых конденсаторов и системой защиты. В этом блоке расположен генератор тока для питания электромагнита, который состоит из накопительной конденсаторной батареи, полупроводниковых коммутаторов и устройства ввода энергии со схемой его включения. В данном блоке расположен также модуль управления в составе устройства синхронизации и источника вспомогательных питающих напряжений со стабилизатором напряжения накала катода инжектора. В модуле управления расположен микроконтроллер с интерфейсом цифровой связи и набором согласующих модулей.
Пульт управления совместно с модулем управления осуществляет синхронизацию и управление работой всех схем и систем данного источника излучения. В пульте управления расположен второй микроконтроллер, органы индикации (дисплей) и органы управления (клавиатура для набора параметров излучения, ключи и регулировочные потенциометры). С помощью пульта управления вводятся такие параметры тормозного излучения, которые необходимы для нормальной работы радиационного дефектоскопа (энергия излучения, доза, время облучения и т.д.).
Данный источник излучения снабжен встроенным и выносным дозиметрами.
Кабели осуществляют связь между блоками. Они выполняют следующие функции:
- сетевой кабель осуществляет подачу напряжения сети на блок питания;
- силовой кабель соединяет блок питания с излучателем и осуществляет подачу импульсов на намагничивающую обмотку электромагнита;
- кабель управления осуществляет подачу необходимых сигналов управления от пульта управления на блок питания и излучатель.
В обратном направлении идет информация о напряжении инжекции, контрактора, смещения, мощности дозы, набранной дозы рентгеновского излучения и т.д. Конструктивно это кабель выполнен в виде двух частей. Один кабель управления соединяет излучатель с блоком питания, второй блок питания с пультом управления. Длина этого кабеля обычно не менее 25 м по условиям безопасной работы, но может достигать 100 м и более.
Основные недостатки известной конструкции данного источника излучения заключаются в следующем:
- габариты и масса излучателя из-за наличия в нем генераторов напряжения инжекции, контрактора и смещения оказываются достаточно большими. Большие габариты и масса излучателя затрудняют применение установки в нестационарных (полевых) условиях, и, как это было указано ранее, особенно при неразрушающем контроле технологических трубопроводов в труднодоступных местах;
- недостаточная стабильность параметров импульсов тормозного излучения, особенно от импульса к импульсу. Стабильность параметров указанных импульсов важна при радиометрическом методе контроля.
Нестабильность объясняется многими факторами, важное значение при этом, имеет нестабильность питающего напряжения генераторов инжекции, контрактора и смещения.
Цель предлагаемой полезной модели:
- снижение габаритов и массы излучателя до таких значений, при которых возможна ручная транспортировка блока, т.е. нагрузка на ручку не должна превышать 20 кг;
- повышение стабильности параметров импульсов тормозного излучения, в том числе и от импульса к импульсу и, соответственно, повышение качества контроля материалов и изделий.
Поставленная цель достигается тем, что портативный источник излучения радиационного дефектоскопа, содержащий:
- излучатель, имеющий электромагнит с магнитопроводом, полюсами, центральными вкладышами, намагничивающей обмоткой, обмоткой обратной связи, ускорительную камеру с инжектором, мишенью и высоковольтным блоком;
- генератор импульсов напряжения инжекции, генераторы импульсов тока контрактора и смещения ускоренных частиц на мишень со схемами запуска этих генераторов, каждая из которых имеет формирователь и выходной каскад;
- блок питания, включающий выпрямитель с батареей фильтровых конденсаторов и системой защиты, генератор тока для питания электромагнита, состоящий из накопительной конденсаторной батареи, полупроводниковых коммутаторов, устройства ввода энергии со схемой его включения, модуль управления в составе источника вспомогательных питающих напряжений со стабилизатором напряжения накала катода инжектора, устройства синхронизации и микроконтроллера с интерфейсом цифровой связи и набором согласующих модулей;
- встроенный и выносной дозиметры, имеющие каждый ионизационную камеру и усилитель тока;
- пульт управления, включающий микроконтроллер, органы индикации и управления;
- кабели, соединяющие блоки между собой и сетью,
отличающийся тем, что генератор импульсов инжекции и генираторы тока контрактора и смещения ускоренных частиц на мишень с выходными каскадами схем запуска размещены в отдельном блоке, соединенном одним кабелем с блоком питания, вторым с излучателем, а для питания этих генераторов в данном блоке установлены источник постоянного напряжения, преобразователь постоянного напряжения в переменное повышенной частоты с выходным трансформатором, отдельные вторичные обмотки которого через выпрямители подключены к указанным генераторам, а обмотка обратной связи посредством двух указанных кабелей подключена к преобразователю постоянного напряжения и одновременно к блоку питания.
Схема предлагаемого портативного источника излучения радиационного дефектоскопа представлена на фиг.1, где показано расположение блоков и устройств.
Предлагаемый портативный источник излучения радиационного дефектоскопа содержит излучатель 1, блок питания 2, пульт управления 3, и дополнительный электронный блок 4. Пульт управления 3 соединен с блоком питания 2 кабелем управления 5. Блок питания 2 соединен с излучателем 1 силовым кабелем 6, а с электронным блоком 4 кабелем управления 7. Электронный блок 4 соединен с излучателем 1 кабелем управления 8. Кроме того, блок питания 2 имеет сетевой кабель 9 для подвода питания к источнику излучения, и кабель 10, которым он соединен с ионизационной камерой 11 выносного дозиметра 12. Заявляемый портативный источник излучения снабжен так же встроенным дозиметром 13, ионизационная камера 14 которого установлена в излучателе 1 (в окне для вывода тормозного излучения).
Излучатель 1 имеет электромагнит с магнитопроводом 15, полюсами 16, центральными вкладышами 17, намагничивающей обмоткой 18 и обмоткой обратной связи 19. Обмотка обратной связи 19 располагается на одном полюсе 16 так, что магнитный поток, циркулирующий по полюсам 16, «проходит» через эту обмотку. Намагничивающая обмотка 18 обычно выполняется в виде 2-х секций.
В межполюсном зазоре, образованном полюсами 16, установлена ускорительная камера 20, с инжектором 21, мишенью 22 и высоковольтным блоком 23.
Блок питания 2 имеет выпрямитель 24 с батареей фильтровых конденсаторов 25 и системой защиты 26, генератор тока 27 для питания электромагнита, состоящий из накопительной конденсаторной батареей 28, полупроводниковых коммутаторов 29, устройства ввода энергии 30 со схемой его включения 31. В блоке питания 2 установлен модуль управления 32 в составе источника вспомогательных питающих напряжений 33 со стабилизатором 34, устройства синхронизации 35 и микроконтроллера 36. Стабилизатор 34 необходим для стабилизации напряжения накала катода инжектора 21 ускорительной камеры 20. Микроконтроллер 36 снабжен интерфейсом 37 цифровой связи и набором согласующих модулей 38.
В пульте управления 3 установлены органы индикации 39 (дисплей) и управления 40 (ключи, кнопки, регулировочные резисторы). Для обмена информации с микроконтроллером 36 в пульте управления 3 установлен второй микроконтроллер 41.
В дополнительном электронном блоке 4 размещены генератор 42 напряжения инжекции, генератор 43 тока контрактора и генератор 44 тока смещения ускоренных частиц на мишень 22.
В заявляемом портативном источнике излучения радиационного дефектоскопа для питания генераторов 42, 43, 44 установлен источник постоянного напряжения 45 и преобразователь 46 постоянного напряжения в переменное, но повышенной частоты. Преобразователь 46 снабжен выходным трансформатором 47, который имеет три отдельных вторичных обмотки 48, 49, 50. Обмотка 48 через выпрямитель 51 подключена к генератору 42 напряжения инжекции. Соответственно, обмотка 49 через выпрямитель 52 подключена к генератору 43, а обмотка 53 через выпрямитель 50 к генератору 44. Каждый из указанных генераторов 42, 43, 44 имеет свою схему запуска. Каждая из этих схем содержит формирователь, соответственно 54, 55, 56 и выходной каскад 57, 58, 59. Выходные каскады 57, 58, 59 расположены в дополнительном электронном блоке 4 а формирователи 54, 55, 56 в модуле управления 32.
В кабелях управления 7 и 8 предусмотрены жилы, которые позволяют подсоединить обмотку обратной связи 19 к преобразователю 46 и одновременно к модулю управления 32.
Портативный источник излучения радиационного дефектоскопа работает следующим образом. Расположение источника у контролируемого объекта и процесс его включения, аналогичны этим операциям известных источников излучения. После подачи напряжения сети по кабелю 9 на блок питания 2, это же напряжение по кабелю 7 подается на источник постоянного напряжения 45 электронного блока 4, а по кабелю 5 на пульт управления 3. После включения ключа (на фиг. не показан) на пульте управления 3 оператор с помощью клавиатуры 40 и дисплея 39 должен установить необходимые параметры излучения: энергию, мощность дозы, дозу, порог отключения и т.д. После нажатия оператором кнопки «СТАРТ» (кнопка на фиг. не показана) на пульте управления 3, сигнал по кабелю 5 поступает на блок питания 2. Через некоторый промежуток времени, определенный задержками, от генератора тока 27 по силовому кабелю 6 на намагничивающую обмотку 18 излучателя 1 поступают импульсы тока.
Время задержки определяется, в основном, временем заряда фильтрового конденсатора 25, накопительной конденсаторной батареей 28 и временем разогрева катода инжектора 21 ускорительной камеры 20. На фильтровой конденсатор 25 напряжение поступает от выпрямителя 24.
Импульсы тока вырабатывает полупроводниковый коммутатор 29, включенный по определенной схеме. По магнитопроводу 15, полюсам 16 и центральным вкладышам 17 циркулирует импульсный магнитный поток, который в межполюсном зазоре создает вихревую электродвижущую силу (Э.Д.С.). Вихревая Э.Д.С. ускоряет частицы до заданной энергии. Циркулирующий магнитный поток в обмотке обратной связи 19 наводит напряжение, которое по кабелю 8 поступает на преобразователь 46. По этому сигналу преобразователь 46 вырабатывает переменное напряжение повышенной частоты, которое поступает на первичную обмотку выходного трансформатора 47. В отдельных вторичных обмотках 48, 49, 50 трансформатора 47 генерируется переменное напряжение повышенной амплитуды. Значение напряжения на каждой обмотке определяется подбором их числа витков. Переменное напряжение с каждой обмотки 48, 49, 50 выпрямляется с помощью выпрямителей 51, 52, 53. Выпрямленные напряжения поступают на накопительные емкости (на фиг не показаны) генераторов 42, 43, 44.
В начале каждого цикла ускорения частиц, которое соответствует началу каждого импульса тока, подаваемого в намагничивающую обмотку 18, от модуля управления 32 с помощью формирователя 54 и выходного каскада 57 включается генератор напряжения инжекции 42. Генератор 42 вырабатывает импульс напряжения инжекции в несколько микросекунд, поступающий на высоковольтный блок 23. Высоковольтный блок 23 повышает указанное импульсное напряжение до высокого (≈35-45 кВ), которое поступает на инжектор 21. С помощью инжектора 21 в ускорительную камеру 20 вбрасываются электроны, которые затем ускоряются до заданной энергии. Подобным образом работает генератор 43 импульсов тока контрактора, который соответственно запускается от формирователя 55 и выходного каскада 58. Импульс тока от генератора 43 поступает в обмотки контрактора, которые расположены на профилированных поверхностях полюсов 16 (на фиг. не показаны). Генератор импульсов тока смещения 44, с помощью формирователя 56 и выходного каскада 59 срабатывает так же по команде от устройства синхронизации 35 модуля управления 32, но в тот момент времени, когда частицы ускорены до необходимой (заданной) энергии. Импульс тока смещения поступает от генератора 44 в обмотки смещения, которые располагаются на полюсах так же, как и в известных конструкциях. В процессе смещения расширяется равновесная орбита и происходит соударение ускоренных частиц с мишенью 22. Генерируемое тормозное излучение проходит через ионизационную камеру 14 встроенного дозиметра 13, затем поступает на контролируемый объект и на ионизационную камеру 11 выносного дозиметра 12. Сигнал с ионизационной камеры 11 по кабелю 10 поступает на блок питания 2, а затем по кабелю 5 на пульт управления 3. Дозиметры 12 и 13 необходимы для определения мощности дозы и «набранной» дозы. Они работают так же, как и в известных источниках излучения.
Источник постоянного напряжения 45 питает стабилизированным напряжением все схемы расположенные в блоке 4, что обеспечивает получение стабильных параметров тормозного излучения, и тем самым, повышает качество неразрушающего контроля. С помощью системы 26 портативный источник излучения защищен от перенапряжений, от превышения тока в намагничивающей обмотке 18, от повышения температуры в полупроводниковых коммутаторах 29 и других силовых элементах генератора тока 27. Потери энергии в портативном источнике компенсируются с помощью устройства ввода энергии 30. Количество энергии, поступаемой с помощью устройства 30, регулируется схемой включения 31. Устройство синхронизации 35 с помощью микроконтроллера 36 и набора согласующих модулей 38 управляет работай всех схем и систем портативного источника излучения. Микроконтроллер 36 осуществляет обмен информации с микроконтроллером 41 (он расположен в пульте управления 3) с помощью интерфейса цифровой связи 37.
Источник вспомогательных напряжений 33 вырабатывает напряжения, необходимые для работы контроллеров 36 и 41, набора согласующих модулей 38 и т.д. Устройство 34 стабилизирует ток накала катода инжектора 21 ускорительной камеры 20, что позволяет стабилизировать количество электронов, инжектируемых в камеру 20, и тем самым среднее значение мощности дозы излучения и значение мощности от импульса к импульсу.
Выполнение портативного источника излучения радиационного дефектоскопа согласно предлагаемой полезной модели позволяет:
- снизить габариты и массу излучателя 1 путем удаления из корпуса излучателя генераторов 42, 43, 44;
- удалить «питающие» обмотки, которые в известных конструкциях источников излучения необходимы для питания генераторов 42, 43, 44;
- улучшить тепловой режим излучателя, так как «питающие» обмотки являются дополнительным источником тепла;
- повысить стабильность мощности дозы тормозного излучения во времени и от импульса к импульсу.
Это достигается тем, что в дополнительном электронном блоке 4 можно установить серийно выпускаемый источник постоянного напряжения 45, например типа SP-320-48. Серийно выпускаемые источники обычно снабжаются системами стабилизации напряжения и тока. Питание генераторов 42, 43, 44 от стабилизированного источника позволяет получить стабильные значения напряжения инжекции и амплитуды токов контрактора и смещения. Последнее обстоятельство упрощает процесс поиска максимального значения мощности дозы генерируемого излучения, а также повышает стабильность этой мощности от импульса к импульсу. В конечном итоге повышается качество процесса контроля. Поиск максимального значения мощности дозы излучения осуществляет микроконтроллер 36 по записанной в его память программе.
Выполнение портативного источника излучения радиационного дефектоскопа согласно предлагаемой полезной модели позволяет снизить массу излучателя 1.
В соответствии с предлагаемой полезной моделью разработан и изготовлен портативный источник излучения радиационного дефектоскопа на энергию 2,5 МэВ со следующими массами блоков:
- излучатель
- 31 кг
- блок питания
- 20 кг
- дополнительный электронный блок
- 10,5 кг
- пульт управления
- 1 кг.
Все блоки, кроме пульта управления, имеют две транспортные ручки. Таким образом, нагрузка на одну ручку для самого тяжелого блока не превышает 15,5 кг.
Источники информации, принятые во внимание.
1. Неразрушающий контроль. Справочник. Под редакцией В.В.Клюева. - М.: Машиностроение. - 2003. - 656 с.
2. Румянцев С.В. Радиационная дефектоскопия. - М.: Атомиздат. - 1974. - 510 с.
3. ГОСТ 26114-84. Контроль неразрушающий. Дефектоскопы на базе ускорителей заряженных частиц. Государственный комитет по стандартам. - М.:- 6 с.
4. Москалев В.А. Бетатроны. - М.: Энергия. - 1981. - 167 с.
5. Чахлов В.Л., Волков В.Г., Зрелов Ю.Д. и др. Исследование, разработка и производство малогабаритных бетатронов в Томском политехническом университете. - Изв. Вузов. - Сер. Физика. - №4. - 2000. - С.134-135.
6. Излучатель бетатрона. Патент на полезную модель №69370 от 10.12.2007.
7. Бетатронная установка. Патент на промышленный образец №70109 от 19.12.2007.
8. Источник излучения радиационного дефектоскопа. Патент на полезную модель №92285 от 25.11.2009.