Электрорентгенографический контроль

Процесс получения электрорентгенограмм принципиально отличается от получения рентгенограмм на пленке. Электрорентгенографический контроль включает следующие основные технологические операции: выбор параметров просвечивания; зарядка селеновой пластины; экспонирование; проявление; перенос порошкового изображения на бумагу; закрепление; очистка пластины.

Для получения высокого качества электрорентгено-графического контроля необходимо четко выполнять все перечисленные выше операции.

Зависимость диапазона  рекомендуемых напряжений от толщины просвечиваемого металла: а — алюминий; б — сталь; в — медь и титан

При просвечивании сварных соединений рентгеновским излучением основную роль играют следующие параметры: фокусное расстояние (расстояние от источника излучения до детектора), напряжение на рентгеновской трубке, ток трубки и время экспозиции.

Фокусное расстояние устанавливают с учетом следующих двух обстоятельств. Для повышения разрешающей способности фокусное расстояние должно быть достаточно большим, а для сокращения времени экспозиции оно должно быть малым.

Напряжение на рентгеновской трубке определяет энергию излучения. Для обеспечения высокой чувствительности контроля излучение должно быть длинноволновым. При повышении напряжения можно сократить время экспозиции. Для данного значения толщины металла подбирают определенный энергетический диапазон излучения, одновременно удовлетворяющий двум указанным факторам. Зависимость диапазона рекомендуемых напряжений от толщины просвечиваемого металла для наиболее распространенных металлов приведена на рисунке. Толщина просвечиваемого металла соответствует толщине сварного шва с учетом выпуклости шва.
Ток трубки обычно устанавливают максимальным (насколько позволяет рентгеновский аппарат), поскольку при этом возрастает мощность дозы излучения и уменьшается время экспозиции.

Время экспозиции выбирают опытным путем с учетом толщины контролируемого материала, энергии излучения, тока трубки, фокусного расстояния и типа применяемой электрорентгенографической пластины.

Схема процесса получения электрорентгенограмм:
а — зарядка; б — экспонирование; в — проявление; г — перенос изображения на бумагу; д — закрепление; е — очистка; 1 — источники высокого напряжения; 2 — электрод; 3— ионы воздуха; 4— селеновый слой; 5 — алюминиевая подложка; 6 — источник ионизирующего излучения; 7 — просвечиваемый объект; 8 — проявитель; 9 — лист бумаги; 10 — порошковое изображение; 11— пары растворителя; 12 — меховая щетка

При зарядке высокое напряжение (около 5—7 кВ) от источника подводится к электроду 2 и в воздушном промежутке между электродом и селеновым слоем возникает коронный разряд. Образовавшиеся при этом ионы воздуха 3 движутся под воздействием электрического поля и оседают на селеновом слое 4. Если на электрод 2 подан положительный потенциал, на пластине оседают положительные заряды, если отрицательный — отрицательные. По окончании зарядки пластину закрывают светонепроницаемой шторкой. Заряд, нанесенный на селеновый слой, в темноте медленно нейтрализуется, поэтому экспонирование проводят непосредственно после окончания зарядки.
Коронный разряд характеризуется критическим потенциалом, величина которого зависит от радиуса коронирующего электрода и расстояния между коронирующим электродом и плоскостью, противоположной электроду. Критический потенциал возрастает с увеличением диаметра коронирующего электрода и расстояния до заряжаемой поверхности. Превышение критического потенциала не допускается. При увеличении потенциала коронирующего электрода выше критического может возникнуть электрический пробой воздушного промежутка. Напряжение пробоя — величина непостоянная, она зависит от влажности воздуха, расстояния между электродами, их конфигурации, атмосферного давления и температуры окружающей среды. Пробой воздушного промежутка между коронирующим электродом и электрорентгенографической пластиной обычно приводит к разрушению селенового слоя. При пробое воздушного промежутка между коронирующим электродом и заземленным экраном создаются условия, близкие к короткому замыканию, что может привести к выходу из строя высоковольтного источника питания аппарата.

В процессе коронного разряда ионы осаждаются на фотополупроводниковый слой, который является барьером на пути их движения. Электрическое поле, создаваемое образовавшимися зарядами, препятствует дальнейшему осаждению одноименных ионов вследствие электрических сил отталкивания. Поэтому имеется предельное значение потенциала фотополупроводникового слоя, при котором устанавливается динамическое равновесие между количеством осаждаемых зарядов и зарядов, стекающих на подложку.

Экспонирование заряженной пластины по своему исполнению не отличается от аналогичного процесса в пленочной радиографии, однако при регистрации излучения протекают другие процессы. Рентгеновское излучение от источника 6 проходит через просвечиваемый объект 7. Поток излучения уменьшается с увеличением толщины контролируемого объекта. Прошедший поток поглощается селеновым слоем. При этом возникают свободные носители тока, которые под действием электрического поля, приложенного к слою во время зарядки, дрейфуют к поверхности слоя и нейтрализуют заряд, нанесенный во время зарядки. В результате скрытое радиационное изображение контролируемого объекта превращается в скрытое электростатическое изображение, представляющее собой распределение плотности заряда по поверхности пластины.

Таким образом, в результате экспонирования предварительно заряженной пластины рельеф контролируемого объекта регистрируется в виде рельефа потенциала. При этом дефекты типа пор регистрируются в виде локальных участков с пониженным потенциалом, поскольку при наличии поры ослабляющая способность материала уменьшается и локальная мощность дозы излучения возрастает, что приводит к локальному разряду пластины. В то же время дефекты с повышенной плотностью (например, вольфрамовые включения в стали) вызывают повышение ослабляющей способности материала, что приводит к уменьшению мощности дозы излучения, в результате такие дефекты регистрируются на пластине в виде локальных участков с повышенным потенциалом.

Проявление скрытого электростатического изображения осуществляется путем опыления селенового слоя 4 высокодисперсным заряженным порошком-проявителем 8. Частицы проявителя оседают на слой со скрытым электростатическим изображением, и оно становится видимым. Если знаки заряда слоя и проявителя одинаковые, получается негатив, если разные — позитив. Получить позитивное или негативное изображение можно, меняя полярность зарядки или полярность проявителя.

При электрорентгенографическом контроле для проявления полутоновых изображений часто применяют метод пылевого облака. Проявляющий порошок в виде пылевого облака подается к полупроводниковому слою и оседает на нем в соответствии с распределением потенциала скрытого электростатического изображения.

Проявляющий порошок, как правило, состоит из частиц, которые заряжаются пололсительным зарядом. В проявителе ПСЧ-1 80 % частиц имеют размер 0,1— 10 мкм. Максимальный диаметр частиц проявителя 60 мкм. Проявитель обеспечивает 60-кратное повторение циклов электрофотографического процесса без промывки селенового слоя растворителем.

Частицы проявителя ПСЧ-74 имеют размер 1 — 18 мкм, что обеспечивает достаточную разрешающую способность. Проявитель ПСЧ-74 хорошо очищается с поверхности электрофотографического слоя и обеспечивает тысячекратное повторение цикла.

Для переноса изображения на бумагу используют коронный разряд. Знак заряда ионов при этом должен быть противоположным знаку заряда порошка. Методика переноса заключается в следующем. На проявленное порошковое изображение 10 накладывают лист бумаги и заряжают его зарядом, знак которого противоположен знаку проявляющих частиц. Напряженность электрического поля должна быть такой, чтобы соответствующая ему электростатическая сила могла преодолеть силу взаимодействия между проявителем и зарядами электрорентгенографического изображения, а также силу тяжести проявляющихся частиц и силу их адгезии к фоточувствительному слою.

Под воздействием электростатических сил бумага прижимается к поверхности электрорентгенографической пластины, а частицы проявителя отрываются от фоточувствительного слоя и переходят на поверхность бумаги. Количество перенесенного порошка зависит от потенциала, до которого заряжается бумага, размера частиц проявителя, их заряда, толщины и свойств поверхности бумаги и фоточувствительного слоя.

Для получения полутоновых изображений осуществляется лишь однократный перенос порошкового изображения на бумагу, так как при повторном переносе нарушается соотношение плотностей различных участков изображения.

Порошковое изображение можно переносить также на триацетатную прозрачную пленку. В последнем случае электрорентгенограммы по внешнему виду напоминают обычные рентгенограммы.

Порошковое изображение, полученное сухим методом проявления, легко разрушается даже при незначительном механическом воздействии. Для обеспечения долговечности электрорентгенограмм необходимо осуществить прочное сцепление частиц проявителя с поверхностью подложки, на которую это изображение перенесено. Пары растворителя 11 частично растворяют изображение 10, которое остается на поверхности бумаги 9.

Во многих электрорентгенографических установках используют метод закрепления изображения в парах активного растворителя. В этом случае лист бумаги с порошковым изображением помещают на рамку, которая находится над органическим растворителем. В насыщенных парах органического растворителя частицы проявителя, в состав которого входят смолы, размягчаются и под действием капиллярных сил проникают в поры бумаги. В результате указанного процесса порошковое изображение закрепляется и в дальнейшем не смазывается.

В качестве органических растворителей для фиксирования порошкового изображения используют ацетон, толуол, тетрахлорид углерода, фреон и др. Основные требования к растворителю: высокое парциальное давление его паров при нормальной температуре; способность быстро растворять смолы, нетоксичность и безопасность в пожарном отношении.

Закрепленную электрорентгенограмму можно рассматривать и хранить длительное время, как обычную фотографию.

Перед повторным использованием электрорентгено-графической пластины оставшейся после переноса порошок необходимо удалить очисткой меховыми щетками. Порошок из зоны выводится потоком воздуха, очищаемого фильтрами.

Очистка пластины — ответственный этап при получении четких электрорентгенограмм, поскольку остатки проявителя усиливают вуаль снимка, уменьшая контрастность.

При механической очистке селеновый слой после длительной эксплуатации покрывается тонкой и прочной пленкой проявителя, которая образуется в процессе трения из-за локального нагрева поверхности селеновой пластины. Для удаления этой пленки слой необходимо периодически промывать спиртом.

Высокое качество очистки обеспечивается только в том случае, если щетки не загрязнены проявителем. Поэтому очистку пластин осуществляют несколькими щетками: первая щетка служит для грубой очистки, вторая — для основной очистки, третья окончательно очищает селеновый слой от остатков проявляющего порошка. Существуют способы очистки с помощью липких пленок, к которым хорошо прилипает проявляющий порошок.
В качестве детекторов в электрорентгенографии используют полупроводниковые пластины, к которым предъявляют строгие требования в отношении однородности, механических и электрофизических свойств, качества поверхности и др. Для дефектоскопии применяют в основном пластины двух типов: ПЭР-3 и ПЭР-4.

Одной из основных характеристик пластины является ее чувствительность к ионизирующему излучению, которая на практике определяется уменьшением рабочего потенциала при облучении пластины рентгеновским излучением, генерируемым при анодном напряжении 100 кВ и прошедшим сквозь слой алюминия толщиной 4,5+0,5 мм.

Часто селеновые пластины имеют собственные дефекты, которые должны оцениваться. Дефекты на полученной электрорентгенограмме определяются визуально, а при необходимости — проверкой размеров дефектов с помощью микроскопа. Средняя концентрация точек диаметром до 1 мм определяется подсчетом числа белых и черных точек на нескольких участках электрорентгенограммы и делением его на общую площадь этих участков. Для определения максимальной концентрации точек визуально определяют место максимальной концентрации и подсчитывают их число на площади 1 см2. Для определения концентрации точек диаметром 1—4 мм подсчитывают их число на всей электрорентгенограмме.

На технически исправной пластине допускается средняя концентрация точек диаметром 0,1 — 1 мм не более 3 шт/см2, а максимальная концентрация — не более 10 шт/см2. Число точек диаметром 1—4 мм не должно быть более шести на всю пластину. Не допускаются сплошные дефектные площади в виде потеков, отслоений и точек диаметром более 4 мм.

Селеновый слой пластины не должен иметь отслоений и трещин. Допускается отламывание краев слоя размером не более 3 мм. На рабочей площади слоя допускается наличие мелких точек, кратеров и других дефектов.
Все дефекты пластины на изображении проявляются в разной степени в зависимости от поверхностного потенциала пластины и полярности заряда. С повышением потенциала резче проявляются дефекты. Особенно это касается точек с высокой проводимостью. При зарядке большим потенциалом в таких листах может произойти пробой слоя (на изображении появляются резкие пятна правильной формы). При положительной зарядке селенового слоя на рентгенограммах выявляются в основном дефекты подложки. Дефекты поверхности селенового слоя проявляются слабее. При отрицательной зарядке слоя значительными становятся дефекты поверхности слоя.

В результате многократного экспонирования и электризации селеновых пластин изменяются их электрические и электрофизические свойства, т. е. появляется так называемый эффект усталости слоев. Один из определяющих факторов усталости электрорентгенографических слоев — уменьшение чувствительности и увеличение дефектности.

В настоящее время в промышленности эксплуатируется несколько типов электрорентгенографических аппаратов: ЭРГА-ПС, ЭРГА-П2, ЭРЕНГ-2, ЭРЕНГ-2М и др. Все аппараты незначительно отличаются друг от друга по чувствительности, так как используют одни и те же пластины и идентичные зарядные устройства.

В электрорентгенографии особое значение имеет передача полутоновых изображений, поэтому во всех аппаратах используется пылевое проявление, дающее хороший результат. Процесс проявления состоит из следующих операций: создание аэрозольного облака проявляющего порошка, электрическая зарядка проявляющего порошка, осаждение заряженных частиц проявителя на селеновую пластину.

Детальное изучение особенностей электрорентгено-графического изображения в сравнении с изображением, получаемым на рентгеновской пленке, показало, что на электрорентгенограммах наблюдается менее точная передача размеров и формы изучаемых структур. Это особенно касается тех дефектов, которые резко отличаются по своей рентгеноконтрастности от окружающего их фона. Искажения менее выражены в тех случаях, если дефект имеет округлую форму.

Тангенциальная составляющая сил электростатического поля скрытого изображения направлена перпендикулярно к границе изображения. Она обусловливает стягивание частиц проявителя внутрь дефекта. Влияние ее у границ настолько велико, что она стягивает все частицы, попавшие в поле ее действия. Поэтому вблизи дефекта образуется область в виде белого ореола, где частицы проявителя практически отсутствуют. Эта область тем больше, чем сильнее влияние тангенциальной составляющей поля, и, следовательно, ореол увеличивается с уменьшением экспозиционной дозы излучения, причем прогиб границы в середине дефекта сильнее, чем на краях. Это обусловлено тем, что тангенциальные составляющие в углах изображения складываются и, поскольку они направлены под углом или навстречу друг другу, действие их результирующей ослабляется.

Осаждение проявителя происходит за счет нормальной составляющей электрического поля, которое имеет максимальное значение на границе дефекта, поэтому большая часть проявителя осаждается здесь, вследствие чего оптическая плотность на границе позитивного изображения выше, чем в середине.

При негативном проявлении частицы осаждаются на местах, где при экспонировании произошло уменьшение заряда. Поскольку влияние поля скрытого изображения также выходит за границы изображения, размер дефекта получается увеличенным.

При электрорентгенографическом контроле в качестве источников ионизирующего излучения используют ту же рентгеновскую аппаратуру, что и при рентгенографии. Однако качество электрорентгенографических снимков, получаемых с помощью импульсных рентгеновских аппаратов, сравнительно низкое, так как отсутствие регулировки высокого напряжения не дает возможности подобрать для каждой толщины контролируемого металла оптимальную длину волны рентгеновского излучения.

Основным критерием, определяющим качество электрорентгенограмм, является их чувствительность, которая определяется ГОСТ 7512—82. Чувствительность электрорентгенографического контроля зависит от энергии излучения, степени ослабления излучения в контролируемом сварном шве, разрешающей способности селеновых пластин и процесса проявления (свойств порошка и метода его нанесения). Разрешающая способность электрорентгенограмм определяется размером частичек порошка и составляет 16—20 линий/мм.

Результаты исследований, проведенные в ИЭС им. Е. О. Патона, показывают, что при оптимальных условиях чувствительность контроля достигает 2—2,5 % по проволочным эталонам чувствительности.
Схемы просвечивания при электрорентгенографическом контроле такие же, как и при радиографическом.

При установке кассеты рекомендуется, чтобы алюминиевая подложка была обращена к источнику ионизирующего излучения, тогда на отпечатке (бумаге) будет зеркальное изображение просвечиваемого сварного шва.
Электрорентгенографический контроль рекомендуется применять для толщин до 30 мм (по стали). Съемку следует проводить не позже 5—10 мин после зарядки во избежание уменьшения контрастности из-за спада потенциала. Если по какой-либо причине это время превышено, то необходимо вновь провести операцию зарядки.

Принципиально расшифровка электрорентгенограмм не отличается от расшифровки рентгеновских снимков. На электрорентгенограммах не должно быть артефактов, мешающих расшифровке. Артефакты — это дефекты изображения, не связанные со структурой просвечиваемого объекта. Их появление обусловлено либо плохим качеством селеновых пластин, либо недостаточной квалификацией оператора.

На электрорентгенограммах не должно быть ярко выраженного эффекта подтравливания. Эффект подтравливания наблюдается, если контролируемый сварной шов имеет большие перепады толщин или плотности. При этом контуры изделия уменьшаются, и в подтравленном крае электрорентгенограммы теряется информация о состоянии сварного шва.

Эффект подтравливания можно уменьшить, если увеличить напряжение на рентгеновской трубке; заряжать пластину до максимального потенциала; облучать сварной шов возможно меньшей дозой; размещать экраны из свинца на границе сварного шва для уменьшения поверхности облучения.

К преимуществам электрорентгенографии относятся высокое качество изображений, большая скорость операций и порошковый метод проявления. При порошковом проявлении не требуется сложных химикатов, водоснабжения, фотолаборатории. Кроме того, поскольку электрорентгенограмма фиксируется на обычной бумаге, стоимость снимка в поточном производстве меньше, чем при пленочной радиографии.

К недостаткам метода электрорентгенографии относятся отсутствие гибких пластин, что затрудняет, а в некоторых случаях исключает контроль сварных соединений сложного профиля. При электрорентгенографии сказывается влияние большого числа факторов на получение качественных изображений.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Производственно-торговая группа «Логус» предлагает широкий выбор лабораторного оборудования, в том числе лабораторные весы, предназначенные для точного измерения массы различного рода материалов и веществ.