Применение в промышленности жестких рентгеновских лучей для просвечивания и выбор диапазона энергии этих лучей

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

Том 87 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1957 г.

ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ ЖЕСТКИХ

РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ ДЛЯ ПРОСВЕЧИВАНИЯ И ВЫБОР ДИАПАЗОНА ЭНЕРГИИ ЭТИХ ЛУЧЕЙ

А. А. ВОРОБЬЕВ, И. К. ЗАВАДОВСКАЯ

Просвечивая изделия с помощью рентгеновских лучей, можно наблюдать на флуоресцирующем экране и фотопластинке его внутреннее устройство и скрытые дефекты материала. Такое определение дефектов в изделии и материале представляет большую ценность, так как оно не сопровождается разрушением или каким-либо другим нарушением испытуемого объекта,

В настоящее время принято считать, что среди всех методов не разрушающих испытаний материалов (электромагнитные методы, акустические II другие) просвечивание с помощью рентгеновских лучей являетея наиболее важным и больше всего дающим методом.

Вначале развитие техники получения рентгеновских лучей происходило очень медленно. До 1913 г. для получения рентгеновских лучей служила ионная трубка с холодным катодом. Большое значение сыграла разработка в 1913 г. промышленного образца рентгеновской трубки с накаливаемым катодом (Кулидж, Лилиенфельд). Эта трубка позволяла легко контролировать количество и качество испускаемого ей рентгеновского излучения. В 1920 году была сконструирована подвижная рентгеновская установка (вЕ. Е.)- В 1923 г. была построена защищенная рентгеновска51 трубка (Филиппе). В 1928 г, была создана экранированная трубка, сохранившаяся в основных чертах до настоящего времени.

В качестве источника высокого напряжения в рентгеновских установках до 1911 г. служил индуктор. Позднее он стал вытесняться трансформатором с замкнутым сердечником. В 1938 г. появились установки с каскадными генераторами на 600 кв и выше, резонансным трансформатором, электростатическими генераторами с движущимися лентами и после 1941 г. ускорительные установки (бетатрон, синхротрон, линейный ускоритель, м икротрон).

В 1937 г. А. А. Воробьев разработал основные схемы импульсной рентгенографии. В настоящее время импульсная рентгенография с успехом применяется для изучения кратковременных процессов, протекающих с большой скоростью. Экономические и технические преимущества импульсной рентгенографии позволяют этот способ применять к решению обычных задач.

В связи с широким применением рентгеновских лучей для дефектоскопии существенное значение имеет правильный выбор величины их

энергии.

30-3

В настоящее время одной из главнейших областей применения рентгеновских лучей является авиационная промышленность, использующая материалы, слабо поглощающие рентгеновские лучи (цветные металлы и сплавы, пластмассы и пр.). В этой области достаточно будет установок рабочим напряжением 100—500 кв. Улучшение установок будет идти т\ линии увеличения их подвижности, компактности, увеличения интенсивности излучения, улучшения эксплуатационных качеств и отделки и проч.

В тяжелом машиностроении для просвечивания изделий из материалов силыюпоглощающих рентгеновские лучи приходится применять установки все более высокого рабочего напряжения и увеличенной интенсивности.

Известно, что с увеличением кинетической энергии электронов, торможение которых вызывает появление рентгеновских лучен, резко растет выход излучения. Например, при скорости электронов 100 кв только 1,11% их кинетической энергии переходит з энергию излучения, при рости электронов 150 ка уже 2,2%.

При возбуждении рентгеновских лучей в бегатрине с энергией их ;у-чений 20 Мэв выход излучения составляет 65%,. На разогрева ни*, мишени, бомбардируемой электронами, тратится только 35" 0 их кинетической энергии. С повышением жесткости излучения также практически значительно увеличивается доступная толщина слоя металла, который можно просветить с помощью данного излучения, и сокращается 'с-ул\А.. необходимое для этого. Например, повышение напряжения на ренти конской трубке с 400 до 1000 кв приводит к уменьшению экспозиции с часов до 2 минут. Повышение напряжения с 1000 до 2000 кв • к дальнейшему уменьшению экспозиции в 78 раз. Для получения рентгеновского снимка стальной отливки толщиной 203 м-м при напряжении на трубке 1 миллион вольт требовалось время 4,5 часа, а при напряжении 2000 кв только 3,5 минуты.

Стальную плиту толщиной 350 мм с помощью рентгеновской }V7m-ловки с рабочим напряжением 2000 кв можно просветить за 4 часа, в то время как для этой операции с помощью аппарата с рабочим напряжение,-м 1000 кв потребовалось бы время 12 недель. При напряжении 400" кп ту же стальную плиту можно было бы просветить за 1 минуту.

С помощью рентгеновской установки на 2 миллиона вольт можне-производить рентгенографирование стальных отливок толщиной слоя ;Ю r>i. Практически с помощью установки на 1 миллион вольт производить рентгенографирование отливок толщиной 30 см у же невозможно, а при напряжении 2 миллиона вольт на растоянии 1 м от выходного конца трубки получают удовлетворительные снимки при экспозиции и течение 2 часов.

Рентгенограммы, снятые с помощью аппарата на 2 миллиона воль\, позволяют оценивать дефекты с точностью 1—2Ь (| в стальных отлнвках толщиной от 2 до 25 см.

Рентгенографирование лучами жесткостью 2 миллиона вольт имеет сше то преимущество перед рентгенографированием менее жесткими лучами, что при одной съемке, помещая объект на большее расстоянии, можно облучать сразу большую поверхность детали. Мощность и большая жесткость излучения позволяет производить снимки на большом е ?с-стоянии от трубки и при сравнительно малой экспозиции, что дает боле-: теткин снимок и уменьшает искажения. Обычно при рентгенографирова-пан изделий разной толщины приходится соответственно изменять '••пщпо. Если в одном и том же предмете имеются участки различно!'; тол-зп-жы, то при рентгенографировании приходится приводить их к „одноГ: тел щи не" путем наращивания. При рентгенографировапии лучами жеег-к-.'.:тыо -1 миллион вольт и особенно 2 миллиона вольт необходимость ^ гаком наращивании почти отпадает. Прекрасные рентгенограммы "р:!^;-

получаются и с образцов, имеющих детали из материалов различной поглощающей способности.

Рентгеновская дефектоскопия имеет преимущества перед дефектоскопией с помощью ^-лучами радия. Например, просвечивание 12-сантиметровой броневой стальной плиты для обшивки корабля с помощью 7-лучей радия требует четыре часа. Рентгеновские лучи жесткостью 1 миллион вольт дают удовлетворительное решение этой задачи в течение 10 минут.

Поглощение жестких рентгеновских лучей сильно зависит от энергии кванта излучения и природы поглотителя. Коэффициент линейного ослабления а экспериментально определяется экспоненциальным законом

/= ,

где

й! — толщина слоя поглотителя,

/0 — интенсивность излучения перед поглощением, / —интенсивность излучения после поглощения.

Коэффициент линейного ослабления состоит из четырех частей:

11 = т о тс + У].

Величина коэффициента собственно фотоэлектрического поглощения, рассчитанного на один атом приблизительно зависит от третьей степени длины волны /. и четвертой степени заряда ядра Z, т. е.

кг<\*,

• а

где А"—постоянная в некотором интервале длин волн. Она испытывает скачкообразное изменение при различных критических напряжениях, соответствующих различным уровням энергии электронных оболочек внутри атома. Коэффициент рассеяния а также состоит из двух существенно различных частей. При низких напряжениях имеет место так называемое классическое рассеяние без изменения длины волны, что определяется формулой

~ . Z

0,4 .

? ^

где —--массовый коэффициент оассеяния,

Р

Z — атомный номер,

А — атомный вес.

При увеличении энергии падающего излучения будет иметь ме гге комптоновское рассеяние, в результате которого длина волны рассеянной.' излучения увеличивается. Квант излучения с частотой V, соударяясь с электроном, теряет при этом часть своей энергии, передавая ее электрону. Электрон, получив некоторую дополнительную энергию, двигается с определенной скоростью, определяемой законом сохранения энергии.

Следующим основным условием при комптоновском рассеянии является условие сохранения общего импульса до соударения и после соударения. С помощью этих основных положений можно показать, что увеличение длины волны при рассеянии не зависит от длины волны падающего излучения и приближенно выражается уравнением

Л л — 0,024 (1 — соэф), (5;

где ъ - угол рассеяния.

о95

Теорий и эксперимент показывают, ,'что величина коэффициента рассеяния с для жестких лучей значительно отклоняется от классического значения, даваемого формулой (4). Величину этого отклонения приближенно можно получить из формулы:

? 9

:-д\: Р—множитель меньше единицы и зависящий от длины волны.

Если величина кванта энергии больше, чем 2 /я0С"\ где /и0 — покояща-чс> масса электрона и С—скорость света, т. е. величина кванта будет больше, чем 1,02 Мэв, то тогда на сцену выступает еще третий фактор поглощения, роль которого возрастает с увеличением атомного номера элемента и величины кванта излучения Ьк Это увеличение коэффициента поглощения вызывает образование пар. Квант излучения вблизи ядра л тома порождает положительный и отрицательный электроны, затрачивая на ъто свою энергию целиком. Это дополнительное поглощение характеризуется коэффициентом тг и возможно только при условии, когда Ьг* 2*0,52 Мэв. Согласно теории коэффициент поглощения вследствие

А V ^ «

ХФчмояапия пар, лг>н условии, что---1 и рассчитанный на один

щС*

1Т--1 к, приближенно лается формулой:

г < 2 // >

*« = -Го—гм*1),

13/ тс- >

:де -- радиус электрона.

На рис. 1 изображена для свинца зависимость коэффициента линейного ослабления \><3 а также трех его составляющих т, о- и тс от энергии кванта излучения. Значения коэффициентов т, а и тс вычислены теоретиче-

Рко. 1. Идшюимость коэффициент линейного ослабления от энергии ккангоп для алюминия, .мечи и спшща. Для скинда представлены коэффициенты т. з и г:.

•:>;и. Д./я коэффициента ~ теоретические и экспериментальные значения хорошо совпадают. Из приведенных данных видно, что фотоэлектрическое поглощение играет большую роль для длинноволновой части спектра при небольших энергиях и что образование пар наблюдается в области более высоких значений энергии. В области энергий от 0,5 до 5 Мэв ослабление интенсивности излучения главным образом обусловливается рассеянием х. М'- ч'чзс. 1 также, нанесены соотз етствующие значения коэффициента ос-

луб

лабления для меди и алюминия. Из приведенных данных видно, что ослабление излучения при прохождения через медь и алюминий меньше, тем ослабление в свинце.

При высоком значении энергии излучения наступают ядерные ¿процессы, обусловливающие четвертую компоненту коэффициента поглощения */,.

На рис. 2 изображены важнейшие виды взаимодействия с веществом фотонов большой энергии (рентгеновского и гамма-излучения), определяющие ослабление излучения.

На рис. 3 изображены кривые зависимости коэффициента ослабления 1 монохроматического ч- излучения от энергии кванта при прохождении через сталь для 25 Мэв бетатрона. Зависимость коэффициента поглощения для других материалов имеет такой же вид, что и приведенная кривая для стали.

Из хода этих кривых видно, что наиболее интенсивная часть излучения приходится на область малого поглощения. Следовательно, рентгеновские лучи в интервале от 3 до 25 Мэв являются наиболее проникающими, а коэффициент поглощения их з этой же области является почти постоянным.

На рис. 4 кривая О представляет общий коэффициент линейного ослабления в см~1 для железа в зависимости от энергии кванта излучения, выраженной в Мэв.

Кривая А показывает изменение фотоэлектрического поглощения в зависимости от энергии кванта. Как видно, эгот процесс освобождения-

]••:<•. 3 анис и м ост ь к о ъ ф фикнсша ослабления: жесткого м о -ч^.-.роматического излучения н лелс.зе от величины квантов.

е '

íh.дающий (¿oкои - О'"

íb'U у л ¿пек/про/

__~Л.

•4

Кол*пгяо*омский Лтомиы

АйЗающии (ротон /J

/У

у с

___L

Рассеянный

фотон

У

Л томное

fkidciK/щии gnomon

Пара электронов '

Рис. 2. Важнейшие виды взаи.мод; .( вия фотонов большой энергии

орбитальных электронов теряет свое значение при энергии квантов выше О,?* Мэв. Кривая В представляет собой изменение коэффициента компто-новского рассеяния в зависимости от энергии квантов. Этот процесс является преобладающим в области энергии от несколько сот килоэлектронвольт до восьми Мэв. Известно, что при комптоновском рассеянии кванты излучения, уменьшив свою энергию при столкновении с электронами, уфо^лжают двигаться в том же направлении.

/у/см-1;

Рис. -I. Ослабление ;; железе :»:изохроматического ¡13.лечеиия и зависимости от энергии кванта Г) коэффициент линейного ослабления; А — коэффициент фо¡оэлектрического поглощения; В —• коэффициент комптоновсхого рассеяния; С - коэффициент образования нар.

Такое рассеянное излучение будет давать на фотопластине вуалиро-фон. Эти вторичные явления представляются нежелательными при •фоенеч и в а к и и толстых слоев,

КУ'лвал С представляет собой образование пар электрон-позитрон, которое наступает при энергии кванта в 1,02 Мэв и происходит вблизи ядра атома. Кванты излучения, имеющие энергию выше, чем 1,02 Мэв, и вызывающие образование пары позитрон-электрон, свою избыточную энергию передадут образовавшимся частицам в виде кинетической энергии.

Из рассмотрения суммарной кривой поглощения О следует, что для железа минимальное поглощение наблюдается при энергии излучения около Н Мэв. Очевидно, что это излучение будет наиболее проникающим. Для материалов, имеющих большой атомный номер, минимум коэффициента поглощения получается при более низких значениях энергии кванта, например, для свинца его следует ожидать при 3 Мэв.

Если бы можно было создать мощный однородный пучок квантов с энергией порядка 8 Мэв, н шример, с помощью электростатического генератора (статитрона), то это было бы удовлетворительным решением вопроса о создании источника рентгеновых лучей для просвечивания железа. Однако излучение, получаемое в результате торможения ускоренных электронов в вольфрамовой мишени, является обычным „белым* спектром. На рис. 5 представлено распределение энергии в спектре излучения 25 Мэв бетатрона. Очевидно, что для увеличения числа квантов с энергией 8 Мэв

.- О'Ч

необходимо увеличить максимальную энергию в спектре. Также желательно, чтобы спектр излучения содержал большое количество квант, которые подвергаются полному поглощению, порождая пары позитрон-электрон. Комптоновское поглощение, дающее вторичное излучение, по указанным выше причинам, является нежелательным. Также является нежелательным и большая величина квантов, которые будут давать пары с большой кине-

УН

4 3 2. /

° / 3 5 7 9 И в 15 17 ¡9 2! 23 25 W (мэб,1

Рис. 5. Распределение энергии в относительных единицах в спектре излучения бетатрона на 2БМэз

ш^еекой энергией. Эти пары, тормозясь в железе, в свою очередь, порождают мягкое излучение, которое вуалирует фотопластину. Такое явление имеет место, например, при просвечивании излучением от 40 Мэв бетатрона, когда образуется много пар.

Рис. 6. Интенсивность излучения в относительных единицах в зависимости от максимальной энергии бетатрона после прохождения слоя стали

ЗЮ

ги

Г

"гх..

7

\

\

На рис. 6 приведена интенсивность излучения, как функция верхнег предела энергии после прохождения излучения через слой стали, толщи ной 250 мм. В этих опытах использовалось излучение от 100 Мэв бета трона.

Из рассмотрения кривой, представленной на рис. 7, видно, что :.:hí большей проницающей способностью обладают лучи с энергией околл 25 Мэв.

03

С 20 40 60 80 № V/ [нз£]

Рис. 7. Изменение коэффициента линейного ослабления жесткого излучения в зависимости от энергии излучения

Засвечивание фотопластины вторичными лучами при энергии первичных лучей 10 Мэв оказалось в три раза больше, чем при энергии первич ных лучей 22 Мэв. Потемнение фотопленки, вызванное вторичными лучами при пользовании первичным излучением 22 Мэв, вообще оказывается малым.

Действие вторичного излучения можно еще ослабить, если фотопленку отодвинуть от объекта. Интенсивность вторичного излучения тогда осла*' нет обратно пропорционально квадрату расстояния от образца, в то время как первичное излучение будет уменьшаться обратно пропорциональи квадрату расстояния от мишени.

Можно добиться, что только 20% потемнения фотопленки будет связано со вторичным излучением.

Другим указанием на малую роль вторичного излучения служит таи же то обстоятельство, что в стали можно наблюдать трещину толщинам приблизительно 0,8 мм независимо от толщины слоя стали.

В практике просвечивания лучами малой жесткости трещины, отччу; -ливо видимые в тонком образце, не видны в толстых. Причиной этом} является то, что при просвечивании рентгеновскими лучами с энергие: несколько сот килоэлектроновольт с увеличением толщины образца получается все более значительное вторичное излучение. Плотность потем^е ния фотопленки, вызываемая вторичными лучами, может быть во мнял -раз больше плотности потемнения, вызываемой первичными лучами.

В случае первичного излучения, создающего мало вторичного из луч-.. ния, увеличение толщины слоя вещества перед фотопленкой сопроводи дается ослаблением интенсивности лучей, падающих на пленку. Практим ски изображение нг- искажается и требуется только иная—большая зка -зиция-. При просвечивании железа толщиной 50 и 300 мм трещина обна^ живалась одинаково четко.

При просвечивании изделий рентгеновскими лучами обычной энергм1 необходимо применять меры по недопущению рассеянного излучен

в комнате и на фотопластину. С этой целью для получения более плотного теневого изображения на рентгеновской пленке непосредственно перед ней иногда помещают тонкий свинцовый экран, например, толщиной 1,02 мм. Этот экран поглощает мягкие лучи и уменьшает вуалирование рентгеновской пленки. Прямой пучок лучей, мало ослабленный, при прохождении через тонкие слои материала изделия сложной формы нужно блокировать путем наращивания толщины слоя материала. Отсутствие рассеяния лучей при энергии 20 Мэв исключает необходимость такой блокировки для образцов, хотя они могут быть более 30 см толщиной.

В бетатроне получается тонкий пучок лучей. Ускоряемые электроны фокусируются в ленту с поперечными размерами 1X1 мм.

Электронный луч, смещаясь на мишень, создает источник излучения высотой 1 мм. Ширина этого источника может быть очень узкой в соответствии с шагом спирального расширения электронного луча. Выбрав мишень малых размеров, можно получить „точечный" источник излучения. В бетатроне 22 Мэв высота мишени составляет 0,25 мм. Для получения большой скорости записи явления на фотопленку ее закладывали между двумя флюоресцирующими экранами.

Для просвечивания железа наиболее подходящим является бетатрон с энергией излучения 25 Мэв.

С помощью рентгеновских лучей в промышленных условиях осуществляют просвечивание изделий в толстых слоях, измеряемых сотнями миллиметров. Время, необходимое для просвечивания, измеряется десятками минут, т. е. является практически приемлемым.

Мнения, еще недавно высказываемые рядом исследователей о невозможности применить рентгеновы лучи для исследования материалов в толстых слоях, следует считать устаревшими.

Основы выбора диапазона энергии излучений для целей просвечивания с помощью рентгеновских лучей, изложенные в настоящей статье, исходят из определенных технических приемов выполнения этой операции. Следует искать новые технические приемы с целью применять более жесткие лучи с энергией 50 Мэв и выше. Необходимо работать дальше над увеличением интенсивности источников рентгеновского излучения. В этом отношении особенно перспективными в интересующем технику просвечивания диапазоне энергии порядка 8—10 Мэв представляются электростатический генератор с движущейся лентой (статитрон), бетатрон и линейный ускоритель.

Исследователей всегда привлекала перспектива сооружения микроскопа для рассматривания объекта в рентгеновских лучах. Малая длина волны рентгеновского излучения позволила бы получать большое увеличение, чем это возможно с помощью видимого света или электронных волн в электронном микроскопе.

Преимуществом рентгеновского микроскопа перед электронным также является то, что объект не нужно помещать в вакуум. С помощью рентгеновских лучей будут видимы внутренние детали устройства материалов и объектов. В настоящее время создана лабораторная модель микроскопа для рентгеновых лучей.

В устройстве микроскопа использован принцип отражения рентгеновских лучей от полированной поверхности при условии, что лучи падают под очень малым углом к поверхности, почти параллельно ей. Микроскоп состоит из рентгеновской трубки и двух вогнутых зеркал, на которые .(учи падают под углом меньше, чем 0,5°, после того, как они пройдут через дбразец. Зеркала изменяют направление хода лучей таким образом, чтобы получить на фотопленке увеличенное изображение предмета.

С помощью зеркал получили увеличение изображения в 10 раз, кро?л.: того это изображение еще в 10 раз увеличивали фотоувеличением. Таким

Ук Изн. '14 ¡И, т. 87.

401

образом, общее увеличение, полученное с помощью рентгеновского микроскопа, составляло 100 раз.

Зеркало представляет собой пластины из плавленного кварца, поверхность которых имела наилучшую полировку и была покрыта платиной. Для улучшения фокусирования кривизна поверхности, по которой: изгибались пластины, регулировалась от руки. Оптическая система и держатель образца монтируются в компактный блок, располагаемый вблизи от рентгеновской трубки. Кассета с фотопленкой располагается на расстоянии 30—50 см от оптического блока. Трубка, оптический блок и кассета—все это монтируется на одном направляющем устройстве. Опыты с лабораторной моделью показали высокую разрешающую способность рентгенозского микроскопа.

Промышленные перспективы рентгеновского микроскопа исключительно велики. Этот метод дополнит и расширит применение рентгеновских лучей в промышленности.