27 Ионизирующие излучения

При радиационнойдефектоскопии сварных соединений в основном применяют тормозное(рентгеновское), нейтронное и у-излучения.

Тормозное излучение и у-кванты представляют собой разновидность электромагнитных колебаний, которые по сравнению с видимым светом и ультрафиолетовым излучением имеют как общие волновые свойства, так и специфические особенности, связанные с их корпускулярными (квантовыми) свойствами.

Рентгеновское излучение. Источниками рентгеновского излучения служат рентгеновские трубки. Трубка представляет собой стеклянный вакуумный баллон с двумя впаянными электродами. Рентгеновское излучение генерируется при торможении на аноде А электронов, испускаемых катодом К. В результате этого возникают характеристическое и тормозное излучения, имеющие соответственно линейчатый и непрерывный спектры. Характеристическое излучение с линейчатым спектром возникает только в том случае, когда быстрые электроны е*, взаимодействующие с веществом анода, обладают большой энергией, например, достаточной для обеспечения перехода К-электронов атомов вещества анода на более высокие энергетические уровни. Тогда происходит мгновенный обратный переход электрона например, с L-оболочки на К-оболочку. Это сопровождается характеристическим излучением с частотой v.

Тормозное излучение с непрерывным (сплошным) спектром возникает в результате «постепенного» торможения в материале анода электронов различных энергий, испускаемых катодом.

28. Bзаимодействме бетта-излучения с веществом. При прохождении бетта-излучения (электронов) через вещество происходят взаимодействия с атомами поглотителя следующих основных видов:

1) упругое рассеяние электронов на атомных ядрах и электронах ядерных оболочек, в результате которого изменяется лишь направление движения сталкивающихся частиц при сохранении их общей энергии неизменной;

2) неупругое рассеяние электронов на атомных ядрах и электронах атомных оболочек, при котором часть энергии бетта-частиц передается связанному электрону атома. Вследствие этого, в зависимости от количества переданной энергии, происходит возбуждение или ионизация атомов вещества с испусканием характеристического излучения с линейчатым спектром;

3) торможение электронов в кулоновском поле атомных ядер, в результате которого электроны испускают тормозное (рентгеновское) излучение, имеющее непрерывный спектр.

В радиационной дефектоскопии применяют радиоактивные бетта-источники с мишенями, в которых преобладает последний из перечисленных процессов взаимодействия.

29. Взаимодействие рентгеновского и гамма-излучения с веществом. При прохождении рентгеновского и гамма-излучений через вещество их интенсивность изменяется не только за счет поглощения, но и за счет рассеяния излучения материалом объекта. Этот процесс взаимодействия излучения с веществом сложен и состоит из более, чем десятка элементарных процессов взаимодействия. Однако для квантов с энергией 0,01—10 МэВ с достаточной вероятностью происходят три из них: фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние и процесс образования пар.

Количественной характеристикой вероятности взаимодействия рентгеновских и гамма-квантов с электронами или атомами вещества служит линейный коэффициент взаимодействия. Он характеризуется отношением числа квантов, испытавших акт взаимодействия в единицу времени, к плотности потока падающих квантов. Иными словами, линейный коэффициент взаимодействия определяет изменение интенсивности ионизирующего излучения в результате его прохождения через вещество.

В результате фотоэлектрического взаимодействия (фотоэффекта) с атомом вещества А квант исчезает, передавая свою энергию электрону . Вследствие этого последний покидает оболочку и вылетает из атома А с энергией, равной разности энергии кванта и энергии связи электрона в атоме. Фотоэффект особенно заметен в тяжелых веществах при облучении их излучением малых энергий. Причем его линейный коэффициент взаимодействия τ растет, как с ростом заряда ядра Z (где k = 4,5-5), и падает, как 1/ (при Е <0,2 МэВ) или 1/Е при (Е > 0,5 МэВ) с ростом энергии Е.

В результате комптоновского рассеяния квант и электрон атома при взаимодействии отклоняются, а энергия кванта изменяется. При этом кванты могут рассеяться под углами 0—180°, а электроны под углами 0—90° к направлению движения исходного кванта. Линейный коэффициент взаимодействия σ при комптоновском рассеянии пропорционален Z и обратно пропорционален Е.

30. В радиационной дефектоскопии используют фотометрические единицы при расшифровке результатов радиографического и радиоскопического контроля и единицы измерений ионизирующих излучений при просвечивании изделий.

В качестве фотометрических единиц, применяемых при радиационной интроскопии и радиографии, используют основные единицы по ГОСТ 7932—56 (канделла, люмен, люкс, нит и др.).

В качестве единиц измерения ионизирующих излучений широко применяют единицы излучения по Международной системе СИ (и выпущенного на ее основе ГОСТ 8848—63) и внесистемные единицы (табл. 3.4).

Активность изотопа А определяется числом атомов радиоактивного вещества, распадающихся в единицу времени, т. е. скоростью распада данного изотопа.

Экспозиционная доза X рентгеновского и -излучений выражает энергию квантового излучения, преобразованную в кинетическую энергию заряженных частиц в единице массы атмосферного воздуха.

Мощность Р экспозиционной дозы рентгеновского и -излучения определяется экспозиционной дозой, отнесенной ко времени.

31 Детекторы ионизирующих излучений. В радиационной дефектоскопии и дозиметрии наиболее распространены ионизационные, полупроводниковые, радиолюминесцентные и фотографические детекторы ионизирующих излучений.

Ионизационный детектор представляет собой наполненный газом конденсатор. При отсутствии электрического поля между обкладками (электродами) конденсатора образовавшиеся под воздействием излучения пары ионов (число которых зависит от интенсивности излучения) взаимно нейтрализуются — рекомбинируют. При наличии поля ионы движутся к соответствующим электродам и во внешней цепи появляется ток, величина которого определяется разностью потенциалов на электродах. В диапазоне напряжений Uq—U\ иониза­ционный ток непрерывно возрастает, так как с увеличением напря­женности поля увеличивается скорость ионов и повышается ве­роятность достижения ими соответствующего электрода без рекомби­нации.

В диапазоне напряжений U1—U2 все образовавшиеся ионы достигают электродов, поэтому увеличение напряжения не вызывает увеличения тока, возрастает лишь скорость ионов. Этот участок вольт-амперной характеристики ионизационного детектора называют областью насыщения.

Таким образом, с увеличением напряжения непрерывно увеличивается количество пар ионов, а следовательно, и ионизационный ток. Этот процесс называют газовым усилением. Он характеризуется коэффициентом газового усилия.

Коэффициент газового усиления — отношение величины заряда на электродах конденсатора к величине заряда, образовавшегося в результате первичной ионизации.

В диапазоне напряжений U2-U3 (область полной пропорциональности) коэффициент газового усиления (линейного) зависит от напряжения на электродах, а в диапазоне U3-U4 линейная зависимость его нарушается (область неполной пропорциональности). Наконец, при U> U4 (область Гейгера) в газе, заполняющем конденсатор, возникает электронная лавина, возбуждающая атомы газа. Возбужденные атомы испускают кванты ультрафиолетового излучения. Эти кванты совместно с положительными ионами выбивают из катода свободные электроны, которые, ускоряясь электрическим полем, способствуют поддержанию в газе самостоятельного разряда.

Для регистрации ионизирующих излучений применяют детекторы, работающие в различных областях газового разряда. В области насыщения работают ионизационные камеры. Напряжение насыщения зависит от формы электродов и расстояния между ними. Обычно напряжение на электродах ионизационных камер составляет порядка 100—220 В. Применяют ионизационные камеры цилиндрической, плоской и сферической форм. Размеры камер определяются видом регистрируемого излучения и его энергией.

Регистрация а- и в-частиц происходит вследствие непосредственной ионизации этими частицами газа, заполняющего камеры, а регистрация рентгеновского излучения и у-излучения обусловлена главным образом ионизирующим действием электронов, выбиваемых этими излучениями из стенок камеры. Поэтому для камер, ре­гистрирующих рентгеновские кванты и у-кванты, важную роль играет выбор материала стенок и их толщины.

Поскольку коэффициент газового усиления ионизационных камер равен единице, ионизационные токи в них намного меньше, чем в других ионизационных детекторах. Обычно на выходе камеры имеются усилительные устройства.

К газоразрядным счетчикам относят пропорциональные счетчики и счетчики Гейге­ра—Мюллера.

Пропорциональные счетчики работают в условиях газового усиления в области полной пропорциональности, где значение импульса тока зависит от первичной ионизации, поэтому с помощью этих счетчиков можно определять вид и энергию ионизирующих частиц.

Коэффициент газового усиления пропорционального счетчика может достигать 10⁶. Чтобы коэффициент газового усиления как можно меньше зависел от места

возникновения первичной ионизации, катод счетчика выполнен в виде цилиндра, а анодом служит тонкая вольфрамовая нить, натянутая по оси этого цилиндра. На электроды пропорционального счетчика подается на­пряжение более 300 В.

Счетчики Гейгера — Мюллера работают в области Гейгера, величина импульса тока в которой не зависит от первичной ионизации и имеет одинаковое значение для любых видов и энергий иони­зирующих частиц, производящих ионизацию в единицу времени.

В условиях самостоятельного газового разряда ре­гистрация счетчиком каждой последующей частицы возможна лишь при условии гашения разряда, вызванного предыдущей частицей. По способу гашения газового разряда счетчики Гейгера—Мюллера подразделяют на несамогасящиеся и самогасящиеся.

В несамогасящихся счетчиках для гашения разряда используют радиотехнические средства. Например, последовательно с анодом в цепь включают резисторы сопротивлением ~10¹⁰ Ом, вызывающие при максимальном разрядном токе падение анодного напряжения до значения, при котором самостоятельный разряд в счетчике прекращается.

В самогасящихся счетчиках в газ, заполняющий счетчик, вводят «гасящие» добавки: пары и газы органических и галогенных соединений, кислород. Молекулы гасящей добавки нейтрализуют по­ложительные ионы, передавая им при этом положительный заряд, и диссоциируют на катоде, не образуя вто­ричных электронов. Кроме того, молекулы «гасящей» добавки поглощают кванты ультрафиолетового излучения, создаваемые электронной лавиной.На электроды несамогасящихся счетчиков подается напряжение 700 В, самогасящиеся счетчики работают при напряжениях 400—450 В. Самогасящиеся счетчики имеют наибольший коэффициент газового усиления (10¹⁰—10¹¹)- Их выходной сигнал имеет амплитуду до 50 В, поэтому может быть зарегистрирован без усиления.Полупроводниковые детекторы. Принцип действия полупроводниковых детекторов основан на явлении фо­топроводимости, т. е. на изменении электрической проводимости в твердых телах под действием излучения.

32 Получение рентгеновского излучения. Для его получения используют рентгеновскую трубку, представляющую собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух (рис. 12.3). В сосуд впаяны два электрода — анод 1 и катод 3

Катод, изготовленный из вольфрамовой проволоки в виде спирали, нагревается источником тока до высоких температур и испускает электроны 2. Анод трубки изготовляют в виде пластины из вольфрама и молибдена.

Чтобы электроны приобрели необходимую кинетическую энергию, к аноду и катоду трубки прикладывают высокое напряжение (более 10 кВ). Электроны, попадающие на анод с определенной скоростью, сообщаемой им электрическим полем высокого напряжения, тормо­зятся в нем и в конце концов теряют свою скорость, а следовательно, кинетическую энергию. При этом кинетическая энергия электронов частично превращается в лучистую энергию, которая выделяется в виде фотонов тормозного излучения, используемого при дефектоскопии изделий, а большая часть ее (97%) переходит в тепловую.

Минимальная длина волны образующегося рентгеновского излучения соответствует максимальной энергии кванта. Энергия кванта тем больше, чем больше скорость электронов, которая определяется напряжением на трубке:

eU = hv = h(c/λ),

где е — заряд электрона, равный 1,6- 10-¹⁹, Кл;

U — напряжение на трубке, кВ;

с — скорость света, равная 3 • 10¹⁰ км/с;

λ — длина волны, см.

Подставляя числовые значения в приведенную формулу, получим 12,4/17.

Из приведенной формулы видно, что энергетический спектр тормозного излучения определяется величиной напряжения на трубке Чем выше напряжение, тем больше скорость электронов, тем больше энергия излучения тем меньше длина волны тем больше проникающая способность излучения.

Поскольку электроны испускаемые катодом имеют непрерывное (мак свелловское) распределение скоростей, энергетический спектр тор­мозного излучения имеет непрерывный характер, т. е. в нем присут­ствуют кванты со всевозможными значениями энергий — от нуля до какого-то максимального значения, отвечающего максимальной кине­тической энергии тормозящихся электронов. В тех случаях, когда энергия электрона настолько велика, что выбивает электроны с внутренних оболочек атомов вещества анода, на фоне непрерывного (сплошного) спектра тормозного излучения возникает линейчатый (дискретный) спектр характеристического рентгеновского излучения (рис. 12.4).

Энергетический спектр характеристического излучения состоит из так называемых К, L, М и N - серий, соответствующих значениям энергии перехода электронов с наружной оболочки атома соответственно на оболочки К, L, М и N. Поскольку каждый химический элемент обладает присущими только ему энергиями связи электронов в атоме каждому элементу соответствует и вполне определённый линейчатый спектр излучения. Характеристическое излучение используют при рентгеноспектральном анализе материалов.

33. Рентгеновские аппараты. Рентгеновским аппаратом называют совокупность технических средств, предназначенных для получения и использования рентгеновского излучения. Основными составляющими рентгеновского аппарата являются рентгеновский излучатель, питающее устройство и пульт управления.

Рентгеновский излучатель представляет собой высоковольтное устройство, состоящее из рентгеновской трубки и защитного кожуха, в котором размещена трубка. Конструкция излучателя гарантирует защиту персонала от неиспользуемого рентгеновского излучения и поражения электрическим током, а также обеспечивает электрическую прочность устройства и ох­лаждение трубки.

Питающим устройством называют комплекс электрической, электромеханической и электронной аппаратуры, обеспечивающей питание рентгеновской трубки электроэнергией, регулирование и ста­билизацию режимов ее работы и защиту от перегрузки. К питающему устройству относят высоковольтный трансформатор, трансформатор накала, устройства для регулирования напряжения и тока трубки, системы коммутации и регулирования длительности включения вы­сокого напряжения и другие устройства. В пульт управления входят контрольно-измерительные приборы, приборы управления аппаратом, цепи сигнализации и др.

В практике радиационной дефектоскопии широко применяют аппараты с постоянной нагрузкой и импульсные (табл. 12.3). В свою очередь, аппараты с постоянной нагрузкой подразделяют на аппараты-моноблоки и аппараты кабельного типа.

Аппараты - моноблоки имеют рентгеновские трубки и высоковольтный трансформатор, смонтированные в единые блок-трансформаторы, залитые маслом или заполненные газом. Основное требование к таким аппаратам — минимальные габаритные размеры и масса. Для достижения этого пренебрегают такими важными показателями процесса контроля, как качество излучения и длительность непрерывной работы. Последнее объясняется следующим обстоятельством. В аппаратах-моноблоках обычно применяют наиболее простую схему (рис. 12.12, а, б) — полуволновую безвен­тильную, в которой выпрямителем служит сама рентгеновская трубка. На трубку подается ток непосредственно от трансформатора высокого напряжения, она пропускает ток только в одном направлении в течение первого полупериода, а затем во время второго полупериода запирает ток, работая как выпрямитель.

34 Источник γ излучения представляет собой герметично закрытую (заваренную или завальцованную) ампулу из коррозионно-стойкой стали и алюминиевого сплава, содержащую определенное количество радиоактивного изотопа (радионуклида). Внутренние размеры ампулы определяют размеры активной части источника. Проекцию активной части источника в направлении просвечивания на плоскость, перпендикулярную этому направлению, называют фокусным пятном источника излучения.

В качестве радионуклидов в промышленной дефектоскопии наиболее часто используют тулий ¹⁷⁰Тм, селен ⁷⁵Se, иридий ¹⁹²iг, цезий ¹³⁷Сз и кобальт 60Со (табл. 12.5). Это искусственные радионуклиды, получа­емые в ядерных реакторах при облучении веществ в нейтронных потоках или при обработке продуктов распада, образующихся в реакторах.

Размеры активной части источника излучения зависят от активности радионуклида и его процентного содер­жания в радиоактивном химическом соединении, используемом в источнике.

Все типы выпускаемых дефектоскопов (см. табл. 12.5) условно можно разделить на установки общепромышленного (универсальные шланговые дефектоскопы) и специального назначения для фронтального и панорамного просвечивания (затворного типа).

35 γ-дефектоскопы

Гамма-дефектоскопы. Они предназначены для контроля качества изделий гаммаизлучением радиоактивных изотопов. В общем случае гаммадефектоскоп состоит из источника излучения; защитной радиационной головки(контейнера), служащей для перекрытия излучения ра­диоизотопного источника и снижения мощности дозы

излучения до допустимого уровня; встроенных или смен­ных коллиматоров, обеспечивающих изменение размеров и пространственной ориентации рабочего пучка излу­чения; пульта управления выпуском и перекрытием ра­бочего пучка излучения.

В комплект гамма-дефектоскопа входят также вспо­могательное оборудование и принадлежности (транспор­тные тележки, штативы для крепления радиационной головки, контейнеры для безопасного транспортирования и перезарядки источников излучения и др.).В универсальных шланговых дефектоскопах источник излучения может подаваться в зону контроля из радиационной головки по гибкому ампулопроводу, где формируется панорамный пучок излучения с помощью сменных коллимирующих головок. Преимущества – универсальность и возможность подачи источника на расст до 12 м.

Гамма дефектоскопы для фронтального росвечивания для работы в полевых и монтажных условиях, когда применение шланговых дефектоскопов невозможно.

Гамма установки для панорамного просвечивания – для сосудов, шаров. Форм, полых тел вращения.