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常用无损检测技术分析

158 第三篇 常用无损检测技术第15章 射线照相检测技术15.1射线照相检测技术概述(Ⅱ级人员仅要求本节内容)射线是具有可穿透不透明物体能力的辐射,包括电磁辐射(X 射线和γ射线)和粒子辐射。

在射线穿过物体的过程中,射线将与物质相互作用,部分射线被吸收,部分射线发生散射。

不同物质对射线的吸收和散射不同,导致透射射线强度的降低也不同。

检测透射射线强度的分布情况,可实现对工件中存在缺陷的检验。

这就是射线检测技术的基本原理。

射线照相检测技术,利用射线对胶片可以产生感光作用的原理,采用胶片记录透射射线强度,在底片上形成不同黑度的图像,完成检验。

图15—1显示了射线照相检测技术的基本原理。

射线照相检测的基本过程为准备、透照、暗室处理、评片,从底片上给出的图像,判断缺陷性质、分布、尺寸,完成对工件的检验。

图15-1 射线照相检测技术基本原理 图15-2 光电效应示意图射线照相检验技术可应用于各种材料(金属材料、非金属材料和复合材料)、各种产品缺陷的检验。

检验技术对被检工件的表面和结构没有特殊要求。

检验原理决定了,这种技术最适宜检验体积性缺陷,对延伸方向垂直于射线束透照方向(或成较大角度)的薄面状缺陷难于发现。

射线照相检验技术特别适合于铸造缺陷和熔化焊缺陷的检验,不适合锻造、轧制等工艺缺陷检验。

现在它广泛应用于航空、航天、船舶、电子、兵器、核能等工业领域。

射线照相检测技术直接获得检测图像,给出缺陷形貌和分布直观显示,容易判定缺陷性质和尺寸。

检测图像还可同时评定检测技术质量,自我监控工作质量。

这些为评定检测结果可靠性提供了客观依据。

射线照相检测技术应用中必须考虑的一个特殊问题是辐射安全防护问题。

必须按照国家、地方、行业的有关法规、条例作好辐射安全防护工作,防止发生辐射事故。

15.2射线照相检测技术基础15.2.1 射线与物质的相互作用射线按其特点分为二类:电磁辐射和粒子辐射,以下仅讨论X射线与γ射线(电磁辐射)。

X射线、γ射线与物质的相互作用是光量子和物质的相互作用。

包括光量子与原子、原子核、原子的电子及自由电子的相互作用。

主要的作用是:光电效应、康普顿效应、电子对效应和瑞利散射。

图15—2、图15—3、图15—4是光电效应、康普顿效应、电子对效应作用示意图。

在光电效应中,入射光量子与原子的轨道电子相互作用,把全部能量传递给这个轨道电子,获得能量的电子克服原子核的束缚成为自由电子。

光电效应是一个吸收过程,将伴随发射特征X射线的荧光辐射。

图15-3康普顿效应示意图图15-4 电子对效应示意图图15-5射线穿透物体时的衰减在康普顿效应(康普顿散射)中,入射光量子与原子外层轨道电子发生的相互作用,光子的一部分能量传递给电子,使电子从轨道飞出,这种电子称为反冲电子,同时,入射光量子的能量减少,成为散射光量子,并偏离了入射光量子的传播方向。

康普顿效应是一个既有吸收又有散射的过程。

从能量守恒定律,电子对效应只能发生在入射光量子的能量不小于 1.02 MeV时。

光量子与原子核发生相互作用,转化为一对正、负电子在不同方向飞出。

电子对效应中,入射光量子消失,它是一个吸收过程。

简单说,瑞利散射是入射光量子与原子的弹性碰撞散射过程。

在这个过程中,入射光量子的能量不改变,但传播方向发生改变。

15.2.2 射线衰减规律1)衰减概念在射线与物质的上面相互作用中,入射光量子的能量一部分转移到能量或方向改变了的光量子那里,一部分通过电子损失在物体之中。

前面的过程称为散射,后面的过程称为吸收。

因此,入射到物体的射线,一部分能量被吸收、一部分能量被散射。

这导致从物体透射的射线强度低于入射射线强度,这称为射线强度发生了衰减。

2)单色窄束射线衰减规律单色射线是指波长(能量)单一的射线。

如果到达胶片的射线只有从射线源沿直线穿过物体透射的射线(一次射线),称为窄束射线。

如果到达胶片的射线还包括散射线等,则称为宽束射线。

简单地说,宽束射线和窄束射线就是是否考虑散射线。

对单色窄束射线,实验表明,在厚度非常小的均匀媒质中,强度的衰减量正比于入射射线强度和穿透物体的厚度。

按照图15—5所示的符号,这种关系可以写为I=I0e-μT(15—1)式中:I0—入射射线强度;I—为透射射线强度;T—为吸收体厚度;μ—射线的线衰减系数。

这就是单色窄束射线的衰减规律,也称为射线衰减的基本规律。

这个公式指出,射线穿过物体时的衰减程度与射线本身的能量、所穿透的物体厚度相关。

理论上有由μ=ρμm(15—2)μm≈KZ3λ3(15—3)159160 μm 称为质量衰减系数,ρ是吸收体的密度,λ是射线的波长,Z 是吸收体物质的元素的原子序数,k 为一常系数。

它们具体说明了线衰减系数与射线能量、吸收体性质的关系。

在实际应用中,常引入半值层(厚度)描述吸收体对一定能量射线的衰减。

半值层是指使射线的强度减弱为入射射线强度值的 1/2的物体厚度,常记为T 1/2。

容易得到T 1/2 =0.693/μ (15—4) 利用半值层概念,上面的射线衰减规律可以写成概念清晰的关系式2/1/021TT I I ⎪⎭⎫ ⎝⎛= (15—5)利用此式可从概念上进行简单计算。

3)宽束连续谱射线衰减规律实际射线探伤中,一般都是宽束连续谱射线情况。

这时,当射线穿过物体时,连续谱的不同波长部分,衰减情况不同,这导致了连续谱射线的“硬化”现象——随穿过物体厚度增加,连续谱保留更多的是波长短的部分。

另外,到达胶片总会含有散射线。

因此,必须采用宽束连续谱射线衰减规律时,处理实际问题。

15.2.3工业射线胶片的感光特性1)底片黑度概念胶片经过曝光和暗室处理后称为底片,底片的黑度定义为入射光亮度L 0与透射光亮度L 之比的常用对数之值,即D =lg (L 0/L ) (15—6)2)工业射线胶片的感光特性与特性曲线胶片的主要感光特性是:感光度、梯度、灰雾度和宽容度等。

胶片感光特性曲线给出了底片黑度与曝光量常用对数关系的曲线,集中显示了胶片的主要感光特性。

典型的工业射线胶片的感光特性曲线如图15—6所示。

感光度表示胶片对射线(光)的敏感程度,也称为感光速度,表示胶片感光的快慢。

得到同样黑度所需曝光量少的胶片感光度高,或说感光速度快。

梯度是胶片特性曲线上任一点的切线的斜率,显然,特性曲线上不同点的梯度不同。

灰雾度表示胶片不经曝光在显影后得到的黑度。

宽容度定义为特性曲线上直线部分对应的曝光量对数之差,在这个范围内,黑度与曝光量对数近似成正比关系。

VV 图15-6 工业射线胶片的感光特性曲线 图15-7 影像质量基本因素 对正常曝光部分,胶片感光特性曲线的函数关系161D =G lg H +K (15—7)式中:D —底片黑度;G —特性曲线的斜率(梯度); H —曝光量(射线强度与曝光时间之积); k 为一个常数。

影响胶片感光特性的一个重要方面是胶片的粒度,即感光乳剂中卤化银颗粒的尺寸。

不同类别胶片的基本区别是粒度不同。

粒度大的胶片感光度快、梯度小、灰雾度高。

3)工业射线胶片分类按工业射线胶片感光特性,我国现在将射线胶片分为四类,即微粒胶片(T1)、细颗粒胶片(T2)、中颗粒胶片(T3)、粗颗粒胶片(T4)。

颗粒越细的胶片,其感光速度越慢、梯度越大、灰雾度越小,可以得到更好的射线照相检测影像。

15.2.4影像质量的基本因素1)影像质量基本因素概念底片影像质量的三个基本因素是,对比度、不清晰度、颗粒度。

影像黑度最大值与背景黑度之差ΔD 称为影像的对比度,•影像边界扩展的宽度值U 称为影像的不清晰度,影像黑度起伏的标准差σD 称为影像的颗粒度。

图15—7给出了影像质量三个基本因素的几何意义。

影像的对比度决定了在射线透照方向上可识别的细节尺寸,影像的不清晰度决定了在垂直于射线透照方向上可识别的细节尺寸,影像的颗粒度决定了影像可显示的细节最小尺寸。

对底片影像,希望的是对比度高、不清晰度小、颗粒度低。

2)射线照相对比度基本公式射线照相对比度基本公式给出的是,物体的一个小厚度差T ∆对应的底片黑度差。

利用射线衰减规律、胶片感光特性曲线的函数关系,可以得到射线照相对比度基本公式=∆D nT G +∆-1434.0μ (15—8) 从此式可以看到,某个细节(缺陷)影像的射线照相对比度相关的因素主要是,细节本身的性质和尺寸、射线照相技术因素、被透照物体本身的性质和尺寸。

为了得到较高的射线照相对比度主要应:选用质量优良的胶片(增大胶片梯度G )、选用可能的较低能量射线(增大线衰减系数μ)、降低散射比等。

3)射线照相不清晰度对通常的工业射线照相检验,不清晰度主要考虑几何不清晰度和胶片固有不清晰度,它们构成的总的不清晰度记为U 。

几何不清晰度是所成像的半影区,它产生于射线源必定有一定尺寸大小,计算式为TF dT U g -= (15—9) 式中:d —射线源(焦点)尺寸;F —焦距,即射线源至胶片的距离;T —工件射线源侧表面与胶片的距离,通常取为工件本身的厚度。

胶片固有不清晰度产生于入射到胶片射线在乳剂层中激发出的电子的散射。

因此胶片固有不清晰度决定于射线的能量,随着射线能量增大胶片的固有不清晰度也增大。

射线照相总的不清晰度162 与几何不清晰度和胶片固有不清晰度的关系如下222i g U U U += (15—10)15.3射线照相检验基本技术15.3.1 射线照相检验技术的基本工艺过程完成射线照相检验的基本工艺过程是:准备、透照、暗室处理、评片、报告与文件归档。

1)准备准备主要是按编制的射线照相检验工艺卡,清理透照现场、准备透照使用的设备与工装、准备胶片等。

2)透照按照工艺卡规定的具体透照技术:透照方式、透照方向、一次透照区和透照参数,完成工件的透照,也常称为曝光。

3)暗室处理对已曝光的胶片在暗室进行显影、定影等处理,使胶片成为底片(射线照片),得到被透照工件的射线照相影像。

4)评片在评片室观片灯上观察底片,识别、记录底片给出的信息,按照有关技术文件或验收标准对被检验的工件的质量级别进行评定。

5)报告与文件归档依据评片结果签发检验结论报告,整理有关技术资料,完成文件归档工作。

15.3.2 射线照相检验技术级别按照缺陷检验能力,射线照相检验技术一般分为二个级别:A 级,B 级。

A 级技术是一般灵敏度技术,B 级是高灵敏度技术,具有更高的缺陷检验能力。

控制射线照相检验技术级别主要是对透照技术控制,控制方面主要是:胶片选用、透照布置、透照参数、底片图像质量。

15.3.3透照技术透照技术包括胶片选用、确定透照布置、设计透照参数、设计辅助技术。

1)胶片选用胶片是保证透照技术结果的基础,透照技术的其他方面是在胶片提供的基础上进行控制、调整,获得期望的透照质量。

选用胶片的基本处理方法是按技术级别选用。

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