Промышленная радиография — это метод неразрушающего контроля , который использует ионизирующее излучение для проверки материалов и компонентов с целью обнаружения и количественной оценки дефектов и ухудшения свойств материалов, которые могут привести к отказу инженерных конструкций. Она играет важную роль в науке и технологии, необходимых для обеспечения качества и надежности продукции. В Австралии промышленный радиографический неразрушающий контроль в разговорной речи называют «бомбардировкой» компонента «бомбой».
Промышленная радиография использует либо рентгеновские лучи , производимые рентгеновскими генераторами , либо гамма-лучи, генерируемые естественной радиоактивностью закрытых радионуклидных источников. Также могут использоваться нейтроны. После пересечения образца фотоны улавливаются детектором , таким как пленка галогенида серебра, фосфорная пластина , плоскопанельный детектор или детектор CdTe . Исследование может проводиться в статическом 2D (так называемая радиография ), в реальном времени 2D ( флюороскопия ) или в 3D после реконструкции изображения ( компьютерная томография или КТ). Также возможно выполнять томографию почти в реальном времени ( 4-мерная компьютерная томография или 4DCT). Конкретные методы, такие как рентгеновская флуоресценция ( XRF ), рентгеновская дифрактометрия ( XRD ) и несколько других, дополняют спектр инструментов, которые могут использоваться в промышленной радиографии.
Методы контроля могут быть переносными или стационарными. Промышленная радиография используется при сварке , литье деталей или композитных деталей, при проверке пищевых продуктов и багажа, при сортировке и переработке, при анализе EOD и IED , обслуживании самолетов , баллистике , инспекции турбин , при характеристике поверхности, измерении толщины покрытия, при контроле поддельных лекарств и т. д.
Рентгенография началась в 1895 году с открытия рентгеновских лучей (позже также названных рентгеновскими лучами в честь человека, который первым подробно описал их свойства), типа электромагнитного излучения . Вскоре после открытия рентгеновских лучей была открыта радиоактивность . Используя радиоактивные источники, такие как радий , можно было получить гораздо более высокие энергии фотонов , чем те, которые были получены от обычных генераторов рентгеновских лучей . Вскоре они нашли различные применения, и одним из первых пользователей был колледж Лафборо . [1] Рентгеновские лучи и гамма-лучи стали использоваться очень рано, до того, как были обнаружены опасности ионизирующего излучения. После Второй мировой войны новые изотопы, такие как цезий-137 , иридий-192 и кобальт-60, стали доступны для промышленной радиографии, а использование радия и радона сократилось.
.png/1280px-GemX-200_(mb).png)
Источники гамма-излучения [2] , чаще всего иридий-192 и кобальт-60, используются для проверки различных материалов. Подавляющее большинство радиографии касается проверки и оценки сварных швов на трубопроводах, сосудах под давлением, контейнерах для хранения большой емкости, трубопроводах и некоторых структурных сварных швах. Другие тестируемые материалы включают бетон (обнаружение арматуры или трубопровода), контрольные образцы сварщика, обработанные детали, листовой металл или стенку трубы (обнаружение аномалий из-за коррозии или механических повреждений). Неметаллические компоненты, такие как керамика, используемая в аэрокосмической промышленности, также регулярно проверяются. Теоретически промышленные рентгенологи могут проводить рентгенографию любого твердого плоского материала (стены, потолки, полы, квадратные или прямоугольные контейнеры) или любого полого цилиндрического или сферического объекта.
Луч излучения должен быть направлен в середину исследуемого сечения и должен быть перпендикулярен поверхности материала в этой точке, за исключением специальных методов, где известные дефекты лучше всего выявляются при ином выравнивании луча. Длина исследуемого сварного шва для каждого воздействия должна быть такой, чтобы толщина материала на диагностических концах, измеренная в направлении падающего луча, не превышала фактическую толщину в этой точке более чем на 6%. Образец, подлежащий проверке, помещается между источником излучения и детекторным устройством, обычно пленкой в светонепроницаемом держателе или кассете, и излучение проникает в деталь в течение требуемого периода времени для адекватной регистрации.
Результатом является двумерная проекция детали на пленку, создающая скрытое изображение различной плотности в зависимости от количества излучения, достигающего каждой области. Это известно как рентгенограмма, в отличие от фотографии, полученной с помощью света. Поскольку пленка имеет кумулятивный характер в своей реакции (экспозиция увеличивается по мере поглощения большего количества излучения), относительно слабое излучение может быть обнаружено путем продления экспозиции до тех пор, пока пленка не сможет записать изображение, которое будет видно после проявки. Рентгенограмма рассматривается как негатив , без печати как позитив, как в фотографии. Это происходит потому, что при печати часть деталей всегда теряется, и никакой полезной цели не служит.
Перед началом рентгенографического исследования всегда желательно осмотреть компонент собственными глазами, чтобы исключить любые возможные внешние дефекты. Если поверхность сварного шва слишком неровная, может быть желательно отшлифовать ее, чтобы получить гладкую отделку, но это, вероятно, будет ограничено теми случаями, в которых неровности поверхности (которые будут видны на рентгенограмме) могут затруднить обнаружение внутренних дефектов.
После визуального осмотра оператор будет иметь четкое представление о возможностях доступа к обеим поверхностям сварного шва, что важно как для настройки оборудования, так и для выбора наиболее подходящей технологии.
Такие дефекты, как расслоения и плоские трещины, трудно обнаружить с помощью рентгенографии, особенно неопытному глазу.
Не упуская из виду негативы радиографического контроля, рентгенография имеет много существенных преимуществ по сравнению с ультразвуком, особенно в том, что поскольку создается «изображение», содержащее полупостоянную запись жизненного цикла пленки, можно сделать более точную идентификацию дефекта, и большему количеству интерпретаторов. Очень важно, поскольку большинство строительных стандартов допускают определенный уровень принятия дефекта, в зависимости от типа и размера дефекта.
Для подготовленного рентгенолога едва заметные изменения в видимой плотности пленки дают технику возможность не только точно локализовать дефект, но и определить его тип, размер и местоположение; интерпретацию можно физически рассмотреть и подтвердить другими, что, возможно, устраняет необходимость в дорогостоящем и ненужном ремонте.
Для целей контроля, включая контроль сварных швов , существует несколько схем воздействия.
Во-первых, есть панорамный, один из четырех вариантов экспозиции с одной стенкой/видом с одной стенкой (SWE/SWV). Этот вариант экспозиции создается, когда рентгенолог помещает источник излучения в центр сферы, конуса или цилиндра (включая резервуары, сосуды и трубопроводы). В зависимости от требований клиента рентгенолог затем размещает кассеты с пленкой снаружи обследуемой поверхности. Такой вариант экспозиции почти идеален — при правильном размещении и экспонировании все части всей экспонированной пленки будут иметь одинаковую приблизительную плотность. Он также имеет преимущество в том, что занимает меньше времени, чем другие варианты, поскольку источник должен проникнуть через всю толщину стенки (WT) только один раз и должен пройти только радиус объекта инспекции, а не его полный диаметр. Основным недостатком панорамного варианта является то, что может быть непрактично достичь центра объекта (закрытая труба) или источник может быть слишком слабым для работы в этом варианте (большие сосуды или резервуары).
Второе расположение SWE/SWV представляет собой внутреннее размещение источника в закрытом объекте инспекции без центрирования источника. Источник не вступает в прямой контакт с объектом, а размещается на расстоянии, в зависимости от требований клиента. Третье — внешнее размещение с аналогичными характеристиками. Четвертое зарезервировано для плоских объектов, таких как листовой металл, и также просвечивается без непосредственного контакта источника с объектом. В каждом случае радиографическая пленка располагается на противоположной стороне объекта инспекции от источника. Во всех четырех случаях экспонируется только одна стена, и только одна стена просматривается на рентгенограмме.
Из других схем экспозиции только контактный снимок имеет источник, расположенный на объекте инспекции. Этот тип рентгенограммы экспонирует обе стенки, но разрешает изображение только на ближайшей к пленке стенке. Такая схема экспозиции занимает больше времени, чем панорамная, так как источник должен сначала дважды проникнуть в WT и пройти весь наружный диаметр трубы или сосуда, чтобы достичь пленки на противоположной стороне. Это схема двойной экспозиции стенок/вид одной стенки DWE/SWV. Другая схема — наложение (при которой источник размещается на одной стороне объекта, не в прямом контакте с ним, а пленка находится на противоположной стороне). Такая схема обычно зарезервирована для трубопроводов или деталей очень малого диаметра. Последняя схема экспозиции DWE/SWV — эллиптическая, при которой источник смещен относительно плоскости объекта инспекции (обычно сварного шва в трубе), а эллиптическое изображение сварного шва, наиболее удаленного от источника, отливается на пленку.
Как багаж, так и ручная кладь обычно проверяются рентгеновскими аппаратами с использованием рентгеновской радиографии. Подробнее см. в разделе «Безопасность аэропорта» .
В настоящее время гамма-радиография и высокоэнергетическая рентгеновская радиография используются для сканирования интермодальных грузовых контейнеров в США и других странах. Также проводятся исследования по адаптации других типов радиографии, таких как двухэнергетическая рентгеновская радиография или мюонная радиография, для сканирования интермодальных грузовых контейнеров.
Американская художница Кэтлин Гилье написала копии картин Артемизии Джентилески « Сусанна и старейшины» и Гюстава Курбе « Женщина с попугаем » . До этого она писала свинцовыми белилами похожие картины с различиями: Сусанна борется со вторжением старейшин; [3] за женщиной, которую он пишет, находится обнаженный Курбе. [4] Затем она нанесла краску поверх оригинала. Картины Гилье экспонируются с рентгенограммами, на которых видны подмалевки, имитирующие изучение пентименто и дающие комментарий к работам старых мастеров.
Существует множество типов источников ионизирующего излучения, используемых в промышленной радиографии.
Генераторы рентгеновского излучения производят рентгеновские лучи , прикладывая высокое напряжение между катодом и анодом рентгеновской трубки и нагревая нить трубки, чтобы начать испускать электроны. Затем электроны ускоряются в результирующем электрическом потенциале и сталкиваются с анодом, который обычно сделан из вольфрама . [5]
Рентгеновские лучи, испускаемые этим генератором, направляются на контролируемый объект. Они пересекают его и поглощаются в соответствии с коэффициентом ослабления материала объекта . [6] Коэффициент ослабления составляется из всех поперечных сечений взаимодействий, происходящих в материале. Три наиболее важных неупругих взаимодействия с рентгеновскими лучами на этих энергетических уровнях — это фотоэлектрический эффект , комптоновское рассеяние и рождение пар . [7] После пересечения объекта фотоны улавливаются детектором , таким как пленка галогенида серебра, фосфорная пластина или плоский детектор . [8] Когда объект слишком толстый, слишком плотный или его эффективное атомное число слишком велико, можно использовать линейный ускоритель . Они работают аналогичным образом для получения рентгеновских лучей, путем столкновений электронов с металлическим анодом, разница в том, что они используют гораздо более сложный метод для их ускорения. [9]
Радионуклиды часто используются в промышленной радиографии. Их преимущество в том, что им не требуется электроснабжение для работы, но это также означает, что их нельзя выключить. Два наиболее распространенных радионуклида, используемых в промышленной радиографии, — это иридий-192 и кобальт-60 . Но другие также используются в общей промышленности. [10]
Эти изотопы испускают излучение в дискретном наборе энергий, в зависимости от механизма распада, происходящего в атомном ядре . Каждая энергия будет иметь различную интенсивность в зависимости от вероятности конкретного взаимодействия распада. Наиболее заметные энергии в Кобальте-60 составляют 1,33 и 1,17 МэВ, и 0,31, 0,47 и 0,60 МэВ для Иридия-192. [11] С точки зрения радиационной безопасности это затрудняет обращение с ними и управление ими. Их всегда необходимо заключать в экранированный контейнер, и поскольку они все еще радиоактивны после своего обычного жизненного цикла, их владение часто требует лицензии, и они обычно отслеживаются государственным органом. В этом случае их утилизация должна осуществляться в соответствии с национальной политикой. [12] [13] [14] Радионуклиды, используемые в промышленной радиографии, выбираются из-за их высокой удельной активности . Эта высокая активность означает, что для получения хорошего потока излучения требуется только небольшой образец. Однако более высокая активность часто означает более высокую дозу в случае случайного воздействия. [15]
Разработан ряд различных конструкций для рентгенографических «камер». Вместо того, чтобы «камера» была устройством, которое принимает фотоны для записи изображения, «камера» в промышленной радиографии является источником радиоактивных фотонов. Большинство отраслей промышленности переходят от пленочной радиографии к цифровой сенсорной радиографии примерно таким же образом, как это сделала традиционная фотография. [16] Поскольку количество излучения, выходящего с противоположной стороны материала, может быть обнаружено и измерено, изменения в этом количестве (или интенсивности) излучения используются для определения толщины или состава материала.
Одна из конструкций использует подвижный затвор для экспонирования источника. Радиоактивный источник помещается в экранированную коробку; шарнир позволяет открыть часть защиты, обнажая источник и позволяя фотонам выходить из рентгенографической камеры.
Другая конструкция затвора предполагает размещение источника в металлическом колесе, которое может вращаться внутри камеры, перемещаясь между положениями экспонирования и хранения.
Устройства на основе затвора требуют, чтобы все устройство, включая тяжелое экранирование, располагалось в месте экспозиции. Это может быть сложно или невозможно, поэтому их в значительной степени заменили проекторами с кабельным приводом.
Современные конструкции проекторов используют механизм привода кабеля для перемещения источника по полой направляющей трубке к месту экспозиции. Источник хранится в блоке экранирования, который имеет S-образное трубчатое отверстие через блок. В безопасном положении источник находится в центре блока. Источник прикреплен к гибкому металлическому кабелю, называемому косичкой. Для использования источника направляющая трубка прикреплена к одной стороне устройства, а приводной кабель прикреплен к косичке. Затем с помощью ручного управления источник выталкивается из экрана и вдоль направляющей трубки источника к кончику трубки, чтобы экспонировать пленку, затем поворачивается обратно в полностью экранированное положение.
В некоторых редких случаях радиография выполняется с помощью нейтронов . Этот тип радиографии называется нейтронной радиографией (NR, Nray, N-ray) или нейтронной визуализацией . Нейтронная радиография дает изображения, отличные от рентгеновских лучей, поскольку нейтроны могут легко проходить через свинец и сталь, но задерживаются пластиком, водой и маслами. Источники нейтронов включают радиоактивные источники ( 241 Am/Be и Cf), электрически управляемые реакции DT в вакуумных трубках и обычные критические ядерные реакторы. Возможно, можно использовать нейтронный усилитель для увеличения потока нейтронов. [17]
Радиационная безопасность является очень важной частью промышленной радиографии. Международное агентство по атомной энергии опубликовало отчет, описывающий наилучшие практики для снижения дозы радиации , которой подвергаются работники. [18] [19] В нем также приводится список национальных компетентных органов, ответственных за одобрения и разрешения на обращение с радиоактивными материалами. [20]
Экранирование может использоваться для защиты пользователя от вредных свойств ионизирующего излучения. Тип материала, используемого для экранирования, зависит от типа используемого излучения. Национальные органы радиационной безопасности обычно регулируют проектирование, ввод в эксплуатацию, техническое обслуживание и проверку установок промышленной радиографии. [21]
Во многих местах промышленные рентгенологи обязаны по требованию регулирующих органов использовать определенные типы защитного оборудования и работать парами. В зависимости от местоположения промышленные рентгенологи могут быть обязаны получать разрешения, лицензии и/или проходить специальное обучение. Перед проведением любого тестирования близлежащая территория всегда должна быть очищена от всех других лиц, и должны быть приняты меры для того, чтобы работники случайно не попали в зону, которая может подвергнуть их опасному уровню радиации.
Оборудование для обеспечения безопасности обычно включает четыре основных элемента: измеритель радиационной разведки (например, счетчик Гейгера/Мюллера), тревожный дозиметр или измеритель мощности, газовый дозиметр и пленочный значок или термолюминесцентный дозиметр (ТЛД). Самый простой способ запомнить, что делает каждый из этих элементов, — сравнить их с датчиками на автомобиле.
Измеритель можно сравнить со спидометром, поскольку он измеряет скорость или темп, с которым улавливается радиация. При правильной калибровке, использовании и обслуживании он позволяет рентгенологу видеть текущее воздействие радиации на измерителе. Обычно его можно настроить на разные интенсивности, и он используется для предотвращения переоблучения рентгенолога радиоактивным источником, а также для проверки границы, которую рентгенологи должны поддерживать вокруг облученного источника во время рентгенографических операций.
Тревожный дозиметр можно было бы наиболее близко сравнить с тахометром, поскольку он подает сигнал, когда рентгенолог «переходит черту» или подвергается слишком сильному облучению. При правильной калибровке, активации и ношении на теле рентгенолога он подаст сигнал, когда измерительный прибор измерит уровень радиации, превышающий заданный порог. Это устройство предназначено для того, чтобы рентгенолог не мог случайно наступить на источник радиации.
Газовый дозиметр похож на счетчик суточного облучения, поскольку он измеряет общую полученную дозу радиации, но его можно сбросить. Он разработан, чтобы помочь рентгенологу измерить его общую периодическую дозу радиации. При правильной калибровке, перезарядке и ношении на теле рентгенолога он может с первого взгляда сказать рентгенологу, сколько радиации было получено на устройство с момента последней перезарядки. Во многих штатах рентгенологи обязаны регистрировать свое воздействие радиации и составлять отчет об экспозиции. Во многих странах рентгенологи не обязаны использовать персональные дозиметры, поскольку показываемые ими мощности дозы не всегда правильно регистрируются.
Пленочный бейдж или TLD больше похож на одометр автомобиля. На самом деле это специализированный кусок рентгенографической пленки в прочном контейнере. Он предназначен для измерения общей экспозиции рентгенолога с течением времени (обычно месяц) и используется регулирующими органами для контроля общей экспозиции сертифицированных рентгенологов в определенной юрисдикции. В конце месяца пленочный бейдж сдается и обрабатывается. Отчет о общей дозе рентгенолога формируется и хранится в файле.
Если эти устройства безопасности правильно откалиброваны, обслуживаются и используются, рентгенологу практически невозможно получить травму от радиоактивного переоблучения. Отказ хотя бы одного из этих устройств может поставить под угрозу безопасность рентгенолога и всех, кто находится рядом. Без измерителя уровня принимаемое излучение может быть чуть ниже порога срабатывания сигнализации по уровню, и может пройти несколько часов, прежде чем рентгенолог проверит дозиметр, и до месяца или больше, прежде чем будет проявлена пленочная метка для обнаружения переоблучения низкой интенсивности. Без сигнализации по уровню один рентгенолог может непреднамеренно наступить на источник, экспонированный другим рентгенологом. Без дозиметра рентгенолог может не знать о переоблучении или даже ожоге от радиации, который может занять несколько недель, чтобы привести к заметному повреждению. А без удостоверения рентгенолог лишается важного инструмента, призванного защитить его или ее от последствий длительного чрезмерного воздействия профессиональной радиации, и в результате этого может столкнуться с долгосрочными проблемами со здоровьем.
Есть три способа, которыми рентгенолог может гарантировать, что он не подвергнется воздействию более высоких уровней радиации, чем требуется: время, расстояние, экранирование. Чем меньше времени человек подвергается воздействию радиации, тем ниже будет его доза. Чем дальше человек находится от радиоактивного источника, тем ниже уровень радиации, который он получает, это в значительной степени связано с законом обратных квадратов. Наконец, чем больше радиоактивный источник экранирован лучшей или большей степенью экранирования, тем ниже уровень радиации, которая выйдет из зоны тестирования. Наиболее часто используемыми экранирующими материалами являются песок, свинец (листы или дробь), сталь, отработанный (нерадиоактивный уран), вольфрам и в подходящих ситуациях вода.
Промышленная радиография, по-видимому, имеет один из худших профилей безопасности среди радиационных профессий, возможно, потому, что есть много операторов, использующих сильные гамма- источники (> 2 Ки) на удаленных объектах с небольшим контролем по сравнению с работниками в ядерной промышленности или в больницах. [22] Из-за уровней радиации, присутствующих во время их работы, многим рентгенологам также приходится работать поздно ночью, когда рядом мало других людей, поскольку большая часть промышленной радиографии выполняется «на открытом воздухе», а не в специально построенных камерах или помещениях для облучения. Усталость, небрежность и отсутствие надлежащей подготовки являются тремя наиболее распространенными факторами, приписываемыми несчастным случаям в промышленной радиографии. Многие из несчастных случаев с «потерянными источниками», прокомментированных Международным агентством по атомной энергии, связаны с радиографическим оборудованием. Несчастные случаи с потерянными источниками могут привести к значительным человеческим жертвам. Один из сценариев заключается в том, что прохожий находит источник радиографии и, не зная, что это, забирает его домой. [23] Вскоре после этого человек заболевает и умирает в результате дозы облучения. Источник остается в их доме, где он продолжает облучать других членов семьи. [24] Такое событие произошло в марте 1984 года в Касабланке , Марокко . Это связано с более известной аварией в Гоянии , где связанная с ней цепочка событий привела к тому, что члены населения подверглись воздействию источников радиации.
