Радіофізичні методи діагностики матеріалів і середовищ



Сторінка12/24
Дата конвертації09.03.2016
Розмір5.77 Mb.
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   ...   24

4.4 Джерела іонізуючого випромінювання


Радіоізотопні джерела випромінювання. Основою радіоізотопних джерел є штучні ізотопи, що отримують шляхом опромінення нерадіоактивних речовин у нейтронних потоках ядерних реакторів або на циклотронах, а також шляхом розділення продуктів ділення ядерного реактора. Радіоактивний ізотоп є випромінювальною (активною) частиною джерела, що визначає його активність і спектр випромінювання.

Радіоізотопні джерела мають дискретний спектр випромінювання, що складається звичайно з потоку часток і -квантів із різною енергією. Вони можуть створювати всі види іонізуючих випромінювань: -випромінювання, -випромінювання, -випромінювання, гальмівне та нейтронне випромінювання.

Радіоізотопні джерела створюють неперервне випромінювання, інтенсивність якого з часом зменшується, тому такі джерела зберігаються в захисних контейнерах, а поза межами робочого часу поміщаються в спеціальні сховища. Під час використання важливо знати дату виготовлення джерела та враховувати зниження інтенсивності випромінювання. Цю особливість враховують під час організації неруйнівного контролю та створення апаратури шляхом введення необхідного запасу чутливості та додаткових регулювань. Побудова одного з таких джерел схематично наведена на рис. 4.3.

Рисунок 4.3 – Радіоізотопне джерело випромінювання: 1 – радіоактивна речовина; 2 – захисний корпус; 3 – кришка; 4 – внутрішня оболонка ампули; 5 – герметик


Прискорювачі заряджених частинок (як правило, електронів) безпосередньо створюють потік частинок, що рухаються з певною енергією, яка залежить від його режиму роботи. З їх допомогою при достатній швидкості руху електронів можна отримати різні види корпускулярних випромінювань та -випромінювання шляхом бомбардування спеціально підібраних мішеней. Так, використовуючи мішені з дейтерію, тритію, берилію, урану або вісмуту, під час бомбардування їх електронами можна отримати нейтронне випромінювання, а мішені з вольфраму або молібдену створюють гальмівне -випромінювання. Гальмівне випромінювання, отримане за допомогою опромінення мішені від прискорювачів, має немоноенергетичний спектр, подібний до випромінювання рентгенівської трубки. Розмір фокусної плями вторинного гальмівного випромінювання прискорювачів становить частки квадратного міліметра.

Бетатрон є потужним джерелом електронів, побудованим на базі циклічного індукційного прискорювача (рис. 4.4 – поперечний розріз).

Основними частинами бетатрона є потужний електромагніт 1, що має осьову симетрію. Електрони в бетатроні рухаються в його магнітному полі, що наростає в часі, під дією індукованого вихрового прискорювального електричного поля, силові лінії якого – коаксіальні кола. Обмотки електромагніта 1 живляться від мережі змінного струму.

Рисунок 4.4 – Схема конструкції бетатрона: 1 – електромагніт; 2 – інжектор; 3 – вакуумна камера; 4 – вакуумний насос; 5 – мішень
На початку періоду інжектор 2, виконаний у вигляді високовольтної електронної гармати (катод, прискорювальний електрод і анод), створює в порожнині вакуумної камери 3 потік електронів, що рухається по дотичній до центрального кола камери. За чверть періоду живлячої напруги (близько 5 мс при частоті 50 Гц) електрони роблять кілька мільйонів обертів і набувають необхідної енергії. Наприкінці чверті періоду, коли відбувається прискорення, на обмотки електромагніта (не показані на рис. 4.4) подається імпульс струму, що змушує електрони зрушитися з орбіти, і вони потрапляють у потрібну область поза камерою на мішень 5, встановлену для одержання гальмівного випромінювання. Змінюючи момент подачі імпульсу струму в обмотках, можна регулювати енергію електронів, що потрапляють на мішень.

Лінійні прискорювачі відрізняються тим, що прискорені електрони рухаються по траєкторіях, близьких до прямих ліній. Порівняно з іншими джерелами гальмівного випромінювання вони дають більшу інтенсивність випромінювання.

Лінійні прискорювачі можуть використовувати різні принципи прискорення: електростатичний, каскадний, імпульсний, індукційний і резонансний. Найбільше застосування в промисловості отримали лінійні резонансні прискорювачі (рис. 4.5), побудовані на використанні електромагнітної біжучої хвилі, створеної магнетронним НВЧ-генератором у діафрагмованому хвилеводі.

Рисунок 4.5 – Схема конструкції лінійного прискорювача із ужгоджувальною системою: 1  блок живлення; 2  інжектор; 3  НВЧ-генератор; 4  фокусувальні котушки; 5 – хвилевідні уповільнювальні структури; 6  підстроювання фази; 7  вакуумний насос; 8  узгоджене навантаження; 9  камера випромінювача; 10  мішень; 11 – настроювальні поршні
У резонансних лінійних прискорювачах використовують котушки, які фокусують електрони магнітним полем, та уповільнювальні хвилевідні структури. Лінійні прискорювачі мають хороші перспективи застосування в неруйнівному контролі, особливо при контролі виробів із чорних металів великої товщини.

Мікротрон є циклічним прискорювачем із постійним і однорідним магнітним полем і сталою частотою прискорювального НВЧ-поля, що обирають таким чином, щоб електрони під час руху по колових орбітах потрапляють в резонатор у такі моменти, коли поле між його пластинами є прискорювальним. Періодичне прискорення електронів забезпечується в тому разі, якщо час обертання електрона відрізняється від часу обертання на попередній або наступній орбіті на один період НВЧ-коливань. При досягненні орбіти найбільшого діаметра електрони виводяться з мікротрона на мішень.

Крім відзначених вище пристроїв, знаходять застосування й інші види прискорювачів: прискорювачі прямої дії, у яких прискорення відбувається під дією постійного електричного поля, і прискорювачі більш важких заряджених частинок ( -частинок, протонів, дейтонів), енергію яких, крім безпосереднього використання, можна перетворити в інші види іонізуючих випромінювань (гальмівне випромінювання, потік нейтронів та ін.).



Джерела рентгенівського випромінювання. Найбільшого поширення в радіаційному неруйнівному контролі отримали рентгенівські апарати [1, 4, 8, 9]. Рентгенівським апаратом називають сукупність технічних засобів, призначених для одержання рентгенівського випромінювання. Рентгенівські апарати можна класифікувати:

 за конструктивним виконанним: кабельні та моноблокові;

 залежно від форми анодної напруги: неперервної дії та імпульсні.

Структурні схеми кабельного та моноблокового рентгенівських апаратів неперервної дії наведені на рис 4.6.

Рентгенівський випромінювач кабельного апарата містить рентгенівську трубку, що знаходиться у захисному кожухі. Високовольтний генератор кабельного апарата виконаний у вигляді окремого блока та складається з високовольтного трансформатора, трансформатора розжарення рентгенівської трубки й випрямляча. Пульт керування звичайно містить регулятори анодної напруги та струму рентгенівської трубки, вимірювальні прилади, сигнальну система та систему керування. Апарати кабельного типу випускають із примусовим водяним охолодженням на анодні напруги до 450 кВ, анодні струми до 20 мА та призначені для роботи в цехових і лабораторних умовах.

У моноблокових рентгенівських апаратах рентгенівська трубка та високовольтний генератор об'єднані в єдиний рентгенівський моноблок, залитий маслом або заповнений газом (рис. 4.6 б). Апарати такого типу випускають як у стаціонарних виконаннях, так й у переносних для роботи в польових умовах. Стаціонарні моноблокові апарати випускають із водяним охолодженням на анодні напруги до 300 кВ та анодні струми до 10 мА.

Пульт керування

Високовольтний генератор

Рентгенівський випромінювач

Пульт керування

Рентгенівський моноблок

а

б



Переносні моноблокові апарати відрізняються малими габаритами й вагою. Важливими характеристиками таких апаратів є потужність і час безперервної роботи, що залежать від їх конструкції та системи охолодження. Переносні моноблокові апарати випускають переважно на анодні напруги до 200 кВ і анодні струми до 5 мА.

Рисунок 4.6 – Структурні схеми кабельного (а) і моноблокового (б) рентгенівських апаратів


До переваг рентгенівських апаратів неперервної дії можна віднести можливість плавного регулювання анодної напруги та анодного струму рентгенівської трубки, високі потужність і часова стабільність випромінювання, що забезпечує високоякісний рентгенівський контроль у широкому діапазоні товщин об'єктів із різних матеріалів.

Імпульсні рентгенівські апарати характеризуються малими габаритами, вагою та низькою вартістю, що забезпечило їх широке застосування в радіаційному неруйнівному контролі. Конструктивно такі апарати виконуються у вигляді двох блоків: пульта керування та рентгенівського випромінювача. На відміну від апаратів неперервної дії, у яких застосовуються рентгенівські трубки з розжарювальним катодом (термокатодом), основою імпульсних рентгенівських апаратів є рентгенівські трубки з холодним катодом і вибуховою електронною емісією.

На рис. 4.7 наведена спрощена принципова схема, що пояснює принцип роботи імпульсного рентгенівського апарата. На початку робочого циклу накопичувальний конденсатор С1 заряджається від джерела живлення постійної напруги (на схемі не показаний). При замиканні ключа К попередньо заряджений конденсатор С1 розряджається через первинну обмотку трансформатора Тр. При цьому у його вторинній обмотці виникає імпульс високої напруги тривалістю порядку 10-6 с, що заряджає вихідну ємність С2 до напруги 100–300 кВ залежно від типу апарата. Розрядник-загострювач Р перетворює енергію, накопичену в конденсаторі С2, в імпульс високої напруги тривалістю 10-8 с, що прикладається до електродів рентгенівської трубки РТ. Під дією імпульсу високої напруги короткої тривалості в області вольфрамового катода за рахунок вибухової емісії утворюється хмара плазми, що є джерелом електронів. Прискорені електрони досягають анода та генерується імпульс рентгенівського випромінювання. Максимальна анодна напруга в імпульсі є фіксованою і дорівнює напрузі спрацьовування розрядника-загострювача. Далі робочий цикл повторюється. Таким чином, такі апарати генерують періодичні імпульси рентгенівського випромінювання тривалістю 10–20 нс із частотою повторення 5–20 Гц.

Конструктивно імпульсний трансформатор, розрядник-загострювач і рентгенівська трубка знаходяться в металевому контейнері, заповненому трансформаторним маслом і розташованому в рентгенівському випромінювачі.



6

Р

С2



РТ6

Тр

К



С1
Рисунок 4.7 – Принципова схема, що пояснює принцип роботи імпульсного рентгенівського апарата: С1  накопичувальний конденсатор; К  ключ (первинний комутатор); Тр  імпульсний трансформатор; С2  розрядна ємність; Р  розрядник-загострювач; РТ  рентгенівська трубка
Області застосування імпульсних рентгенівських апаратів  рентгенівський неруйнівний контроль об'єктів у польових умовах та важкодоступних місцях (газо- і нафтопроводи, корпуси судів, мостових споруджень, контроль багажу тощо). Імпульсні апарати застосовуються також для дослідження швидкоплинних процесів у непрозорих об'єктах (процеси електричного пробою діелектриків і динамічного ущільнення матеріалів, особливості поширення ударних хвиль у різних середовищах, вибухові та детонаційні явища тощо).

До недоліків імпульсних рентгенівських апаратів можна віднести неможливість регулювання анодної напруги та анодного струму рентгенівської трубки, малу середню потужність випромінювання, обмежений час безперервної роботи, малий термін служби імпульсної рентгенівської трубки (100–150 годин).

Невід'ємною частиною рентгенівських апаратів є рентгенівська трубка – високовольтний електровакуумний прилад, що має катод, анод і фокусувальні елементи та призначений для генерації рентгенівського випромінювання.

Рентгенівські трубки класифікують:

 за принципом роботи: неперервної дії та імпульсні;

 за типом охолодження: з водяним, масляним і повітряним охолодженням;

 за способом фокусування електронного пучка: з електростатичним, магнітним і електромагнітним фокусуванням;

 за розміром фокусної плями: макрофокусні (розмір фокусної плями більше 1 мм), гострофокусні (0,1–1 мм) і мікрофокусні (менше 0,1 мм).

Рентгенівську трубку виготовляють у вигляді замкненого скляного або металокерамічного балона з вакуумним розрядженням 10-5–10-7 мм рт. ст. На рис. 4.8 показана конструкція найбільш поширеної двохелектродної рентгенівської трубки неперервної дії з термокатодом і нерухомим анодом. У колбі 8 розміщені катод 2 та анод 7, які є двома основними електродами трубки. Катод 2 є джерелом потоку електронів, що утворюється при його нагріванні до температури 2370–2770 К ниткою розжарення 1 за рахунок термоелектронної емісії. Кількість електронів, що вилітають, визначає струм анода і залежить від температури катода, що задається величиною струму нитки розжарення.
Охолоджувальна

рідина


Рисунок 4.8 – Схема конструкції рентгенівської трубки:

1 – нитка розжарення; 2 – катод; 3, 4 – фокусувальні електроди; 5 – фокусувальні котушки; 6 – мішень; 7 – анод; 8 – колба; 9 – охолоджувальні трубки; 10 – вихідне вікно


Фокусувальні електроди 3 і 4 створюють електричні поля спеціальної форми, що збирають електрони у вузький пучок. Із цією самою метою використовують додаткове фокусування магнітним полем коротких котушок  5, по яких пропускають постійний електричний струм. Анод 7 виготовлений з мідного циліндра із привареною до його торця мішенню 6 із вольфраму, графіту або іншого тугоплавкого матеріалу. Анод 7 звичайно має систему  трубок 9, по яких циркулює охолоджувальна рідина для відведення тепла, що виділяється під час влучення електронів у анод. Між анодом і катодом прикладена висока постійна напруга величиною від десятків до кількох сотень кіловольтів. За рахунок великого позитивного потенціалу на аноді електрони прискорюються до великих швидкостей і при ударі об мішень 6 за рахунок гальмування створюють рентгенівське випромінювання, що виходить через вікно 10.

На рис. 4.9 наведена конструкція імпульсної рентгенівської трубки із прострільним анодом на анодну напругу 150 кВ. Катод 3, виконаний із вольфрамової трубки діаметром 2 мм із товщиною стінки 0,2 мм, установлений на грибоподібний електрод 4. Цей електрод захищає скляний конічний ізолятор 6 від конденсації парів металу. До металевого циліндричного корпуса 5 припаяне вихідне вікно 1 із ковара товщиною 0,2 мм. Вивід 7, що має назву штенгеля, призначений для вакуумного відкачування трубки.

У цій трубці прострільний вольфрамовий анод 2 приварений безпосередньо до вихідного вікна 1. Електрони із плазми, що утворюється на кінці циліндричного катода 3, бомбардують плаский заземлений анод 2 з одного боку. При цьому фотони рентгенівського випромінювання, що генеруються в аноді 2, виходять із анода з іншого боку. Тому такий анод називають прострільним. Далі імпульсне рентгенівське випромінювання через вікно 1 надходить на вихід трубки.

1

2



3

4

5



6

7

Рисунок 4.9 – Схема конструкції імпульсної рентгенівської трубки із прострільним анодом на напругу 150 кВ: 1  вихідне вікно; 2 – анод; 3 – катод; 4 – електрод; 5 – корпус; 6 – скляний ізолятор; 7 – вивід



1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   ...   24


База даних захищена авторським правом ©refs.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка