Радиационный вид неразрушающего контроля однородности объектов таможенного досмотра и поиска

Радиационный вид неразрушающего контроля однородности объектов таможенного досмотра и поиска

Введение

Радиационный вид неразрушающего контроля основан на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия его с объектом контроля (ОК). В практике таможенного контроля объектов используют рентгеновское и гамма-излучение. Выбирая необходимый частотный диапазон излучения, можно производить контроль объектов разных габаритных размеров, выполненных из различных веществ и материалов. По характеру взаимодействия с ОК основной применяемый способ радиационного контроля - метод прохождения. Он основан на разном поглощении излучения частями объекта.

Информативный основной параметр этого метода - плотность потока излучения. Чем больше толщина и поглощающая способность материала объекта, тем более высокочастотное (более жесткое) излучение должно быть применено для его контроля. При просвечивании объектов контрастность изображения обуславливается разницей в поглощении лучей отдельными деталями объекта. Рентгеновские лучи поглощаются в той или иной степени всеми веществами, через которые они проходят. Доля энергии лучей, поглощенной в веществе, зависит от толщины поглощающего слоя, природы вещества и длины волны лучей.

1. Задание на работу

Целью настоящей работы является использование радиационного метода неразрушающего контроля для оценки аномальной области ОК (места заложения сокрытия).

В процессе выполнения работы необходимо:

­   рассмотреть процесс прохождения рентгеновских лучей ОК;

­    изучить последовать вывода выражения для определения объёма аномальной области ОК и вывести окончательное расчётное выражение;

­    провести анализ зависимости объема Vа аномалии, которые можно выявить, при вариации размеров коллиматора и скорости перемещения ν ОК относительно коллиматора.

В работе требуется установить зависимости: Vа = f(ν), ( b = const); Vа = f(d), Vа = f(b), (ν = const). Исходные данные для проведения расчётов приведены в таблицах 1, 2.

Таблица 1

Таблица 2

Методы радиационного контроля изложены в указанных ниже работах.

2. Прохождения рентгеновских лучей через ОК

Радиометрия основана на измерении одного или нескольких параметров ионизирующего излучения после его взаимодействия с объектом контроля. В радиометрии различают дефектоскопию и толщинометрию.

В основном при радиометрическом контроле используют радиоактивные источники, рентгеновские аппараты и бетатроны. В качестве детекторов применяют ионизационные камеры, полупроводниковые и сцинтилляционные детекторы. Радиометрический контроль может быть основан на измерении параметров излучения, прошедшего объект контроля (см. рис. 1) и рассеянного.

Рис. 1. Схема радиометрического контроля: 1 - источник излучения; 2 - коллиматоры; 3 - контролируемый объект; 4 - направление перемещения; 5 - сцинтилляционный кристалл; 6 - фотоэлектронный умножитель; 7 - усилитель; 8 - регистрирующий прибор

В зависимости от выходного сигнала детектор может быть аналоговым и дискретным. При использовании дискретного детектора определяется число импульсов, при использовании аналогового детектора - суммарный сигнал.

Источниками рентгеновского излучения в промышленности служат ускорители электронов (рентгеновские аппараты, микротроны, бетатроны, линейные ускорители и т. п.).

Рентгеновским аппаратом называют совокупность технических средств, предназначенных для получения и использования рентгеновского излучения. Основные блоки рентгеновского аппарата: рентгеновский излучатель, рентгеновское питающее устройство, устройства для приема рентгеновских лучей и дополнительные устройства и принадлежности.

Рентгеновский излучатель представляет собой рентгеновскую трубку (электронный вакуумный прибор-баллон с запаянными в него электродами: катодом и анодом, заключенную в защитный кожух) (см. рис. 2).

           1   2    3        4   5  6    7    8    9

                                    10

Рис. 2. Схема конструкции рентгеновской трубки: 1 - нить накала; 2 - катод; 3, 5 - фокусирующие электроды; 4 - фокусирующие катушки; 6 - мишень; 7 - анод; 8 - колба; 9 - охлаждающие трубки; 10 - выходное окно

Подробней рассмотрим применяемый в данной работе сцинтилляционный детектор. Сцинтилляционные (от лат. Scintillation - мерцание) - радиолюминесцентные детекторы, в которых используется сцинтиллирующее вещество, испускающее фотоны света под действием ионизирующего излучения. Детектор оптически связан непосредственно или через световод с фоточувствительным устройством - фотоэлектронным умножителем.

3. Прохождения излучения через аномальную область

Контрабанда может закладываться внутри материала строительных полуфабрикатов. Для этого в указанных объектах изготовляются пустоты, куда и закладываются предметы контрабанды, а затем место вложения соответствующим образом заделывается. Если физические свойства вложения отличаются от физических свойств материала полуфабриката, то такая аномалия будет надёжно выявляться (см. рис. 3).

Рис. 3. Схема проведения контроля: 1 - монолит полуфабриката, 2 - вложение, 3 - излучатель, 4 - приемник.

Для количественного описания процесса поглощения вводят понятие линейного коэффициента ослабления рентгеновских лучей. Интенсивность рентгеновского пучка после прохождения слоя вещества толщиной х уменьшается до величины I:

I = I0 · e-μ·x                                                                                    (1)

где: I0 - интенсивность исходного пучка; μ - линейный коэффициент ослабления.

Если излучение проходит через аномальную область (место заложения сокрытия) с коэффициентом линейного поглощения μа и размером x в направлении распространения излучения, интенсивность излучения будет равна:

Iа = I0 ·(R0 /R)2·                                                              (2)

где: I0 - интенсивность излучения, создаваемая источником; R0 - фокусное расстояние; R - расстояние от фокусного пятна до края аномальной области; h - толщина контролируемого объекта; ε - толщина аномалии.

Рассмотрим связь между входными параметрами схем регистрации и параметрами ОК. Пусть источник создаёт на входе ОК плотность потока фотонов φпо, который перпендикулярен плоскости ОК. Радиационный дефектоскоп имеет коллиматор с прямоугольным окном размерами d (высота) и b (ширина). ОК, выполненный из материала с коэффициентом μ линейного ослабления излучения источника и имеющий внутреннюю полость в виде куба размером ε << h, где h - толщина ОК, перемещается со скоростью ν относительно коллиматора. Тогда средняя скорость счёта регистрируемых импульсов:

υ0 · [( μ · ε3)/(d · b) + 1] при 0 ≤ t ≤ d/ ν,

υ= (3)

υ0 при других t,

где: υ0 - эффективное число статистических импульсов при сканировании участков без аномалий ОК при условии, что вклад рассеянного ОК излучения в сигнал сведён к минимуму; QD - обобщённый квантовый выход детектирующей системы.

υ0 = QD · φпо· Ak                                                                          (4)

При поступлении нормированных импульсов с частотой υ на интегрирующую ячейку сигнал на ней напряжение u(t) описывается соотношением:

· {[( μ · ε3)/(d · b)] · (1 - e-t/τ) + 1} при 0 ≤ t ≤ d/ν,

u(t)= (5)

u0 · {[( μ · ε3)/(d · b)] · (1 - e-t/τ) · e-(t-d/τ)/τ + 1} при t > d/ν.

Пусть ρN - случайные величины с нулевым среднем, т. к. аномалии вносят незначительные возмущения в регистрируемый поток.

ρN = N - N0 / N0, ρu = (u - u0) / u0                                                 (6)

Если N0 или u0 - средние величины на участках, не содержащих аномалий, то σ(ρN) = δN, а σ(ρu) = δu. В дальнейшем предполагается, что аппаратурная погрешность не превышает статистическую и σр = σа.

Для счётных схем регистрации при времени накопления сигнала t = d / ν отношение сигнал/шум:

q = Δυ /σN = ρN /σ(ρN) = μ·Vа ·k                      (7)

где: Vа = ε3 - объём аномалии; Π = b· ν - производительность контроля по площади; k = 0,5…1 - коэффициент, учитывающий, что в момент окончания и начала отсчёта в канал регистрации поступает информация не от всей аномалии.

Критерием выявляемости аномалии считается условие q ≥ К (где, например, К = 3), тогда (7) c учетом (4):

K = μ·Vа ·k                                                                     (8)

где: Ak = d ∙ b - площадь коллиматора.

Преобразуем (8) для токовых схем регистрации при τ = 0,8∙ d / ν и t = d ν:

Vа ≥                                                                            (9)

Оценим объем Vа аномалий, которые можно выявить, а алюминиевом объекте контроля (ОК) с помощью радиометрического дефектоскопа, работающего в токовом режиме при помощи дозы излучения в зоне преобразователя 400 мкР/с, его квантовой эффективности QD = 0,8, энергии рентгеновских фотонов Е = 100 кэВ, размере коллиматора b, скорости контроля ν.

Для фотонов с энергией Е = 100 кэВ для ОК из алюминия μ = 0,5 см-1, а мощности дозы излучения 400 мкР/с соответствует φп = 4·104 фотонов/(мм2·с).

В работе требуется установить зависимости: Vа = f(ν), (b = const); Vа = f(b), (ν = const). Исходные данные для проведения расчётов приведены в таблицах 3, 4.

Таблица 3

Таблица 4

Произведём расчёт для первого случая, когда ширина коллиматора b неизменна, скорость перемещения ОК относительно коллиматора v варьируется.

Производительность контроля по площади:

Π = b[мм]· ν[мм/с] = [мм2/с].

Π1 = b· ν1 = 4· 115 = 460 [мм2/с].

Π2 = b· ν2 = 4· 120 = 480 [мм2/с].

Π3 = b· ν3 = 4· 125 = 500 [мм2/с].

Π4 = b· ν4 = 4· 130 = 520 [мм2/с].

Π5 = b· ν5 = 4· 115 = 540 [мм2/с].

Во втором случае неизменна скорость перемещения ОК относительно коллиматора v, а ширина коллиматора b варьируется.

Производительность контроля по площади:

Π1 = b1· ν = 3· 125 = 375 [мм2/с].

Π2 = b2· ν = 3,5· 125 = 437,5 [мм2/с].

Π3 = b3· ν = 4· 125 = 500 [мм2/с].

Π4 = b4· ν = 4,5· 125 = 562,5 [мм2/с].

Π5 = b5· ν = 5· 125 = 625 [мм2/с].

Преобразуем формулу (3.8) и выведем расчётную формулу для определения объёма аномалий Vа, которые можно выявить в алюминиевом объекте контроля с помощью радиометрического прибора, работающего в токовом режиме:

Vа ≥

Vа ≥                                                             (10)

Vа ≥                                       (11)

Оценим объём аномалий Vа для первого случая, когда ширина коллиматора b неизменна, а скорость перемещения ОК относительно коллиматора v варьируется.

Vа1 ≥

Vа2 ≥

Vа3 ≥

Vа4 ≥

Vа5 ≥

Построим график зависимости Vа = f(ν), (b = const) (см. рис. 4).

Рис. 4. График зависимости Vа = f(ν), (b = const)

Оценим объём аномалий во втором случае, когда неизменна скорость перемещения ОК относительно коллиматора v, а ширина коллиматора b варьируется.

Vа1 ≥

Vа2 ≥

Vа3 ≥

Vа4 ≥

Vа5 ≥

Построим график зависимости Vа = f(b), (ν = const) (см. рис.5).

Рис. 5. График зависимости Vа = f(b), (ν = const).

Заключение

Анализируя полученные зависимости, устанавливаем следующее. Объём, выявляемых аномалий Vа для случая, когда ширина коллиматора b неизменна, а скорость перемещения ОК относительно коллиматора v варьируется, линейно возрастает. Таким образом, для выявления аномалий малого размера, необходимо снижать скорость контроля.

Объём, выявляемых аномалий для случая, когда неизменна скорость перемещения ОК относительно коллиматора v, а ширина коллиматора b варьируется, линейно возрастает. Таким образом, для выявления аномалий малого размера, необходимо ширину коллиматора уменьшать.

рентгеновский контроль излучение диапазон

Литература

1.  Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 4. Контроль излучениями: Практ. пособие/Б. Н, Епифанцев, Е. А. Гусев, В. И. Матвеев, Ф. Р. Соснин; Под ред. В. В. Сухорукова. - М.: Высш. шк., 1992. - 321 с.

.    Бякин Г. И., Кулешов А. В., Улупов Ю. Г. Интроскопия в таможенном деле: учебно-методическое пособие. - СПб.: СПб им. В.Б. Бобкова филиал РТА, 1998.- 114 с.

3.       Ермолов И. Н., Останин Ю. Я. Методы средства неразрушающего контроля качества: Учеб. пособие для инженерно-техн. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1988. - 368 с.