Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 17 )

Поток -частиц, проходя через слой вещества, так же как поток -частиц, довольно быстро затухает. В веществе -частицы испытывают упругие и неупругие столкновения, в результате чего изменяется направление движения, уменьшается интенсивность и излучение полностью затухает. Этот вид излучения в неразрушающем контроле применяется редко.

Нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому их взаимодействие происходит с атомными ядрами. Вероятность их встречи зависит от энергии нейтрона в гораздо большей степени, чем для других видов излучений, химического состава и структуры вещества. Поэтому данный вид не нашел широкого применения в микродиагностике материалов.

4.4 Элементная база и основная аппаратура радиационного контроля

4.4.1 Краткая характеристика источников излучения

Радиоизотопные источники излучения. Основой радиоизотопных источников являются искусственные изотопы, которые получают путем облучения нерадиоактивных веществ в нейтронных потоках ядерных реакторов или на циклотронах, а также путем разделения продуктов деления ядерного реактора. Радиоактивный изотоп является излучающей (активной) частью источника, определяющей его активность и спектр излучения.

Радиоизотопные источники имеют дискретный спектр излучения, состоящий обычно из излучения частиц и -квантов с различной энергией. Они могут создавать все виды ионизирующих излучений: -излучение, -излучение, - излучение, тормозное и нейтронное излучения.

Радиоизотопные источники дают постоянное излучение, интенсивность которых непрерывно падает, поэтому хранятся в защитных контейнерах, а вне пределов рабочего времени помещаются в специальные хранилища. При их использовании важно знать дату изготовления источника и учитывать снижение интенсивности излучения. Эту особенность учитывают при организации неразрушающего контроля и построении аппаратуры путем введения необходимого запаса по чувствительности и дополнительных регулировок. Один из основных видов таких источников схематично приведен на рис. 4.1.

Ускорители заряженных частиц (обычно электронов) непосредственно создают поток частиц, движущихся с определенной энергией, зависящей от его режима работы. С их помощью при достаточной скорости движения электронов можно получить различные виды корпускулярных излучений и -излучение путем бомбардировки специально подобранных мишеней. Так, используя мишени из дейтерия, трития, бериллия, урана или висмута, при бомбардировке их электронами можно получать нейтронное излучение, а мишени из вольфрама или молибдена создают тормозное g-излучение. Тормозное излучение, полученное с помощью облучения мишени от ускорителей, имеет немоноэнергетический спектр, подобный излучению рентгеновской трубки. Размер фокусного пятна вторичного тормозного излучения ускорителей составляет доли квадратного миллиметра.

Рис. . Радиоизотопный источник излучения: 1 – радиоактивное вещество; 2 – защитный корпус; 3 – крышка; 4 – внутренняя оболочка ампулы; 5 – герметик

Бетатрон является мощным источником электронов, построенным на базе циклического индукционного ускорителя (рис. 4.2 – поперечный разрез).

Основной частью бетатрона является мощный электромагнит 1, имеющий осевую симметрию. Электроны в бетатроне двигаются в его магнитном поле, нарастающем во времени, под действием индуцированного вихревого ускоряющего электрического поля, силовые линии которого – коаксиальные окружности. Обмотки электромагнита 1 питаются от сети переменного тока.

В начале периода инжектор 2, выполненный в виде высоковольтной электронной пушки (катод, ускоряющий электрод и анод), впрыскивает в полости вакуумной камеры 3, 4 – поток электронов, движущийся по касательной к центральной окружности камеры. За четверть периода питающего напряжения (около 5 мс при частоте 50 Гц) электроны сделают несколько миллионов оборотов и приобретут необходимую энергию. В конце четверти периода, когда происходит ускорение, на смещающие обмотки электромагнита (не показаны на рис. 4.2) подается импульс тока, заставляющий электроны сдвинуться с орбиты, и они попадают в нужную область вне камеры на мишень 5, установленную для получения тормозного излучения. Изменяя момент подачи импульса тока в смещающих обмотках, можно регулировать энергию электронов, попадающих на мишень.

Рис. . Схема конструкции бетатрона: 1 – электромагнит; 2 – инжектор; 3 – вакуумная камера; 4 – вакуумный насос; 5 – мишень

Линейные ускорители отличаются тем, что ускоряемые электроны двигаются по траекториям, близким к прямым линиям. По сравнению с другими источниками тормозного излучения они дают большую интенсивность излучения.

Линейные ускорители могут использовать различные принципы ускорения: электростатический, каскадный, импульсный, индукционный и резонансный. В промышленности наибольшее применение получили линейные резонансные ускорители, построенные на использовании бегущей электромагнитной волны в диафрагмированном волноводе, созданной магнетронным СВЧ-генератором (рис. 4.3).

Рис. . Схема конструкции линейного ускорителя с согласующей системой: 1 – блок питания; 2 – инжектор; 3 – СВЧ-генератор; 4 – фокусирующие катушки; 5 – волноводные замедляющие структуры; 6 – подстройка фазы; 7 – вакуумный насос; 8 – согласованная нагрузка; 9 – камера излучателя; 10 – мишень; 11 – подстроечные поршни

В резонансных линейных ускорителях используют катушки, фокусирующие электроны магнитным полем и замедляющие волноводные структуры. Линейные ускорители имеют хорошие перспективы в неразрушающем контроле качества, особенно при контроле изделий из черных металлов большой толщины.

Микротрон является циклическим ускорителем с постоянным и однородным магнитным полем и постоянной частотой СВЧ ускоряющего поля, которая выбирается таким образом, чтобы электроны при движении по круговым орбитам попадали в резонатор в такие моменты, когда поле между его пластинами – ускоряющее. Периодическое ускорение электронов обеспечивается в том случае, если время обращения электрона отличается от времени обращения на предыдущей или последующей орбите на один период СВЧ-колебаний. При достижении орбиты наибольшего диаметра электроны выводятся из микротрона на мишень.

Помимо отмеченных выше устройств находят применение и другие виды ускорителей: ускорители прямого действия, в которых ускорение происходит под действием постоянного электрического поля, и ускорители более тяжелых заряженных частиц (-частиц, протонов, дейтонов), энергию которых помимо непосредственного использования можно преобразовать в другие виды ионизирующих излучений (тормозное излучение, поток нейтронов и др.).

Источники рентгеновского излучения. Наибольшее распространение в неразрушающем контроле качества имеет рентгеновская аппаратура [1; 4]. В зависимости от решаемой контрольно-измерительной задачи используют: рентгеновскую трубку, рентгеновский излучатель, моноблок или рентгеновский аппарат. Неотъемлемой частью всех вышеперечисленных устройств является рентгеновская трубка – высоковольтный электровакуумный прибор, имеющий катод, анод и фокусирующие элементы, предназначенный для генерации рентгеновских лучей. Рентгеновская трубка является основным прибором, применяемым в других функциональных устройствах.

Рентгеновская трубка изготавливается в виде замкнутого стеклянного или керамического баллона с вакуумным разряжением  мм рт. ст. На рис. 4.4 показана конструкция наиболее часто применяемой двухэлектродной рентгеновской трубки с нагреваемым катодом и неподвижным анодом.

В вакуумированной колбе 8 располагаются катод 2 и анод 7, являющиеся двумя основными электродами трубки. Катод 2 является источником потока электронов, появляющихся при его нагреве до температуры 2370–2770 К нитью накала 1 за счет термоэлектронной эмиссии. Количество вылетающих электронов определяет ток анода и зависит от температуры катода, которая задается величиной тока нити накала. Фокусирующие электроды 3 и 4 создают электрические поля специальной формы, собирающие электроны в узкий пучок. С этой же целью используют дополнительную фокусировку магнитным полем коротких катушек 5, по которым пропускают постоянный электрический ток. Анод 7 изготовлен из медного цилиндра с приваренной к его торцу мишенью 6 из вольфрама, графита или другого тугоплавкого материала и часто имеет систему 9 охлаждающих трубок для отвода теплоты жидкостью, выделяемой при попадании электронов на анод. Между анодом и катодом приложено высокое постоянное напряжение от десятков киловольт до нескольких мегавольт. За счет большого положительного потенциала на аноде электроны ускоряются до больших скоростей и при ударе о мишень 6 за счет торможения создают рентгеновское излучение, выходящее через окно 10.

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