Zkoušení materiálů prozařováním 1
Elektromagnetické vlnění Energie elektromagnetického vlnění je dána jeho frekvencí nebo vlnovou délkou. Čím kratší je vlnová délka, tím vyšší je frekvence. c T c f Př: Radiové vlny velká vlnová délka malá frekvence nízká energie X záření malá vlnová délka velká frekvence vysoká energie Schopnost záření - X pronikat pevnou látkou se zvyšuje se vzrůstající energií. 2
Z hlediska NDT jsou nejdůležitější rtg. záření (X) a záření gama. rentgenové záření (záření X) je označováno krátkovlnné fotonové záření, vznikající v elektronovém obalu atomu. Jedná se o charakteristické záření vznikající v hlubších slupkách atomového obalu při přechodech elektronů z vyšších energetických hladin do nižších a o brzdné záření vznikající při zpomalování nabitých částic v látce. záření gama - je krátkovlnné fotonové záření, vznikající většinou při přechodu atomového jádra z vyššího energetického stavu do nižšího (radioaktivní přeměna) 3
Vznik rentgenového záření K vytvoření rentgenova záření je zapotřebí: zdroj elektronů zařízení pro urychlení elektronů terčík pro zabrzdění urychlených elektronů 4
Vznik rentgenového a gama záření Rentgenovo záření - vzniká, když urychlený elektron část své energie ztratí mezi atomy nebo elektronovým obalem atomů. Tato část energie je při tom vyzářena jako X záření a je tím větší, čím je větší rychlost elektronů. Rentgenové záření vzniká ve speciálních elektronkách, zvaných rentgenky. Wolframové vlákno na katodě rentgenky je žhaveno elektrickým proudem. To má za následek emisi volných a slabě vázaných elektronů z kovu vlákna do vyčerpaného prostoru rentgenky celé zařízení je umístěné ve skleněné baňce, ve které je vysoké vakuum. Vloží-li se mezi katodu a anodu potenciální spád U, budou elektrony urychlovány směrem k anodě. High Electrical Potential + Electrons - X-ray Generator or Radioactive Source Creates Radiation Radiation Penetrate the Sample Exposure Recording Device 5
Vznik rentgenového záření Pro napájení přístrojů se obvykle používá střídavého napětí 50 Hz/220 V. Každý přístroj tedy musí mít vysokonapěťový transformátor. Střídavý proud mění 50x za sec. svůj směr, ale záření X může vznikat jen tehdy, pokud jsou elektrony urychlovány od katody k anodě opačný postup není možný. Pro vznik záření X je tedy využito jen půl periody a je dobré použít usměrnění střídavého proudu ke zvýšení výkonu zařízení. 6
7
8
Vznik gama záření Na rozdíl od záření X, které vzniká výměnným procesem mezi urychlenými elektrony a atomy terčíku (ohniska) na anodě, vzniká záření gama jako několik ostře definovaných jaderných procesů. Spektrum gama záření se skládá proto z několika ostrých čar. Energie záření gama je větší než X-záření a má proto jiné radiografické účinky. Je možno říci, že záření-x a gama záření se rozlišuje pouze svým vznikem. V defektoskopii používáme pro vznik záření gama jako zářiče zejména Ir 192 a Co 60. Je možné si představit, že: Ir 192 z hlediska účinků odpovídá max. energii X-záření 600 kv Co 60 energii X-záření cca 2500 kv. Vlastnosti izotopů závisí na 3 faktorech: 1. Na druhu izotopu 2. Na jeho aktivitě 3. Na jeho poločasu rozpadu 9
Vznik gama záření Většina radioaktivních materiálů používaných v průmyslu je vyrobená uměle. Proces výroby probíhá umístěním stabilního materiálu do zdroje neutronů ve speciálním nukleárním reaktoru Tento proces sa nazývá aktivace. 10
Vznik gama záření Aktivita izotopu se vyjadřuje počtem rozpadů jeho atomů za sekundu. V prozařování přichází v úvahu z hlediska doby expozice izotopy mezi 37 a 3700 miliardami rozpadů za sekundu (1-100 Ci). V současnosti používáme jednotku Bequerel Bq. 1 Bq = 1 rozpad za sekundu 37 GBq = 37 miliard rozpadů za sekundu Původně měla radiografie jinou jednotku 1 curie: 1 Ci = 37 GBq Aktivita každého izotopu se zmenšuje s časem, podle fyzikálního zákona poločasu rozpadu: Poločas rozpadu (T 1/2 ) je čas, za který aktivita daného izotopu poklesne na ½ původní hodnoty. T 1/2 Ir 192 = 74 dní T1/2 Co 60 = 5,3 roků 11
Vznik gama záření 12
Vznik gama záření 13
Porovnání rtg. a gama záření Při rozhodování o použití X-záření nebo gama záření pro zkoušku prozařováním je nutno vzít v úvahu výhody a nevýhody izotopových zářičů a rtg. Zařízení: Přednosti zářičů: nižší pořizovací cena lepší možnost prozařování dutých výrobků žádné starosti s el. energií Nevýhody zářičů: nemožnost přerušení záření žádná možnost změny energie záření menší kontrast radiogramů 14
Katastrofy jaderné energetiky poruchy na jaderných zařízeních jsou klasifikovány stupnicí INES, kterou zavedla IAEA (International Atomic Energy Agency), podle závažnosti takto: 0 - Událost bez významu na bezpečnost (zero level event - below scale) - nejběžnější provozní poruchy, bezpečně zvládnuté 1 - Odchylka od normálního provozu (anomaly) - poruchy nepředstavující riziko, ale odhalující nedostatky bezpečnostních opatření 2 - Porucha (incident) - technické poruchy, které neovlivní bezpečnost elektrárny přímo, ale mohou vést k přehodnocení bezpečnostních opatření 3 - Vážná porucha (serious incident) - ozáření personálu nad normu, menší únik radioaktivity do okolí (zlomky limitu) 4 - Havárie s účinky v jaderném zařízení (accident mainly in installation) - částečné poškození aktivní zóny, ozáření personálu, ozáření okolních obyvatel na hranici limitu 5 - Havárie s účinky na okolí (accident with off-site risks) -vážnější poškození aktivní zóny, únik 100 až 1000 TBq biologicky významných radioizotopů, nutnost částečné evakuace okolí 6 - Závažná havárie (serious accident) - velký únik radioaktivních látek mimo objekt, nutnost využít havarijních plánů k ochraně okolí 7 - Velká havárie (major accident) - značný únik radioaktivních látek na velké území, okamžité zdravotní následky, dlouhodobé ohrožení životního prostředí 15
Černobyl (26. dubna 1986) - stupeň 7 Celkem z reaktoru uniklo do životního prostředí 30 až 50 milionů Curie radioaktivních látek, tj. pouze" asi jedna dvacetina (4 až 5 %) veškeré radioaktivity obsažené v reaktoru. jód I 131 (poločas rozpadu 8 dní), cesium Cs 134 (poločas rozpadu 2 roky) cesium Cs-137 (poločas rozpadu 30 roků). 16
Havárie jaderné elektrárny Fukušima I 11. března 2011. Na mezinárodní stupnici jaderných událostí byla ohodnocena nejvyšším stupněm 7 (stejným stupněm jako havárie v Černobylu) a je považována za jednu z historicky nejkomplikovanějších. 17
Princip metody prozařování Svazek ionizujícího záření vycházejícího ze zdroje záření prochází zkoušeným objektem, kde dochází k interakci záření s materiálem objektu. Svazek ionizujícího záření se stává nositelem požadované informace o objektu, kde mírou informace je lokální změna hustoty toku částic ve svazku resp. změna energie částic. Svazek ionizujícího záření je potom detekován záznamovým prostředkem. 18
Zeslabení a výběr energie záření Definice zeslabení zeslabení je zmenšení dávky záření po průchodu hmotou výrobku. Tyto rozdíly v dávce záření (rozdíly v zčernání na filmu) jsou nejvíce zřetelné, když je použita optimální energie záření s ohledem na prozařovaný materiál a jeho tloušťku a velikost vady. záření. Kromě optimální energie záření, je nutné mít k dispozici i dostatečně velikou dávku j 0 j 0 j 1 j 0 j2 j1 j 2 19
Primární a rozptýlené záření Při pronikání záření prozařovaným výrobkem jde pouze část záření přímo primární záření. Zbytek záření mění směr a nazývá se rozptýlené záření. Vada ve výrobku může být promítnuta na film pouze primárním zářením. Rozptýlené záření promítá vadu na různá místa filmu. Proto je snahou omezit množství rozptýleného záření a využít více primárního záření dopadajícího na film. Prostředkem jsou nám fólie mezi výrobkem a filmem. Primární záření Rozptýlené záření 20
Reliéf intenzity Průchodem rtg. záření (nebo záření gama) prozařovaným předmětem se změní jeho intenzita v důsledku interakce záření s hmotou. Změna intenzity bude záviset na tloušťce prozařovaného objektu x, jeho protonovém čísle Z a vlnové délce dopadajícího záření Prozařovaný objekt má proměnnou tlouštku stěny a jsou v něm uloženy vměstky 1 s vyšší měrnou hmotností a 2 s nižší měrnou hmotností než základní materiál. Graf A vyjadřuje řez reliéfem intenzity záření prošlého prozařovaným objektem. V tomto případě se však neberou v úvahu rozptylové jevy, které způsobují rozptylovou neostrost N R a geometrickou neostrost N G. Graf B znázorňuje řez reálným reliéfem intenzity záření prošlého prozařovaným objektem. 21
Zjistitelnost vad V prozařování se pod pojem vada zahrnují všechny necelistvosti, ležící buď na povrchu nebo uvnitř materiálu, které mohou být podle své charakteristiky klasifikovány jako vady plošné (trhliny, vruby, zdvojeniny) nebo prostorové (bubliny, vměstky, řediny a pod.) Detekce vad při prozařovaní je umožněna zviditelněním změny intenzity záření po průchodu prozařovaným výrobkem V technické praxi zatím převládá použití radiografického filmu jako detektoru záření a v současné době prostředků televizní techniky Kromě obrazu přirozených vad jsou na radiogramu zobrazeny zpravidla i vady umělé - radiografické měrky - které jsou používány jako pomůcka ke stanovení kvality radiogramu vady: K popisu základních parametrů obrazu vady můžeme použít následující 3 kriteria zjistitelnosti Zjistitelnost dané vady bude lepší, jestliže: zviditelněný rozdíl intenzity záření prošlého v místě vady a jejím okolí bude větší rozhranní obrazu vady a jejího okolí bude ostré zrnitost detektoru (filmu) bude menší Tato 3 kriteria (subjektivní i objektivní) zjistitelnosti vad je možno vyjádřit v radiografii jako kontrast vady, neostrost a zrnitost radiogramu 22
Fotografická registrace rentgenového obrazu RENTGENOGRAFIE je nejrozšířenějším způsobem radiologického zkoušení Vyznačuje se: ostrou kresbou obrazu vysokou citlivostí širokým rozmezím použití možností dokumentace Radiografický film Výsledný rentgenogram 23
Kvalita obrazu Kvalita obrazu je limitující pro přesný odhad celistvosti zkoumané součásti. Za tímto účelem se používají různé pomůcky, nazývané indikátory kvality obrazu. Existuje spousta různých tvarů těchto indikátorů. 24
Kvalita obrazu Indikátory jsou obyčejně umístěné vedle zkoušeného vzorku. Kvalita obrazu se určuje na základě nejmenšího otvoru anebo průměru drátu, který se zobrazí na snímku. 25
26
Fotografická registrace rentgenového obrazu ukázky rentgenogramů svarů struskové vměstky porezita shluk porezity 27
Fotografická registrace rentgenového obrazu ukázky rentgenogramů svarů neprovařený kořen trhlina 28
Fotografická registrace rentgenového obrazu ukázky rentgenogramů svarů oxidické vměstky 29
Rentgeno - televizní řetězec (radioskopie) 31
Detekce obrazu Radioskopie Jsou postupy, jimiž lze zviditelnit obraz vnitřních vad zkoušeného předmětu. Obvykle rozděluji do dvou skupin: - radiografie poskytuje trvalý záznam obrazu - radiogram, který můžeme hodnotit až po zkoušce, - radioskopie užívá prostředků umožňujících přímé pozorování obrazu vad během zkoušky. Radioskopie zachovává výhodu radiografie, tj. možnost zjistit výskyt vad v celé tloušťce předmětu včetně určení druhu, velikosti a tvaru vady, navíc dovoluje získat informace o vadách v předmětu bezprostředně v době jeho prozařování. výhody radioskopie : - obraz kontrolovaného předmětu je viditelný ihned, jakmile expoziční příkon záření dopadající po průchodu předmětem na konvertor (převodník) dosáhne dostatečné úrovně - kontrast a jas obrazu je možno plynule měnit a přitom lze neustále sledovat prozařovaný předmět - umožňuje operativně měnit podmínky prozařování (geometrické zvětšení, nastaveni vhodné orientace vad ke směru prozařování, použití vhodné energie záření v závislosti na tloušťce předmětu apod. - odpadá manipulace s filmem a negativní proces - umožňuje okamžité vyhodnocení nevýhody radioskopie - neposkytuje přímo záznam (doklad) o provedené zkoušce K získání trvalého dokumentu je nutno buď vyfotografovat stínítko nebo u televizních systémů provést záznam videosignálu na videomagnetofon, případně ofotografovat obrazovku monitoru. 32
Real-Time radiografie Porovnání filmové a Real-Time radiografie Filmové obrazy jsou tmavší v místech, kde více rtg. záření zasáhne a ionizuje molekuly stříbra na filmu. Real-time obrazy jsou světlejší v oblastech kde více fotonů rtg. záření zasáhlo a vybudilo florescenční vrstvu. 33
Počítačová tomografie (CT) Počítačová tomografie (CT) používá real time kontrolní systém, který zahrnuje snímač pozice součásti a speciální software. 34
35
36
Počítačová tomografie (CT) Množství jednotlivých obrazů je uložených a spojených do 2-D obrazu, tak jak součást rotuje. 2-D obrazy jsou následně přetransformované na 3-D obrazy. Real-Time záznam Poskladané 2-D obrazy Poskládaná 3-D struktura 37
38
Paměťové folie Někdy také nazývané fosforové folie (neobsahují prvek fosfor, ale mikrokrystaly na bázi CsI). Záznamu obrazu se dosáhne po expozici rentgenovým zářením. Při dopadu rentgenového nebo gama záření jsou vybuzeny elektrony v krystalické struktuře folie a posouvají se do vyšších energetických vrstev, kde zůstávají v kvazistabilním stavu. Postupným ozářením (skenováním) jednotlivých bodů folie červeným laserem se elektrony převedou zpět; přitom pohlcená energie se vyzáří ve formě modrého záření, úměrného intenzitě exponujícího rentgenového záření. Záření se sejme a digitalizuje. Životnost folie je prakticky nekonečná, pokud nedojde k mechanickému poškození manipulací s foliemi. Dá se však uvažovat v praxi o použití cca 1000x. 39
DIGITALIZACE V RENTGENOVÉ KONTROLE Laserový svazek je směrován na velmi rychle rotující hranol, tak, že laserový svazek velmi rychle rotuje. Současně je posouvána folie v axiálním směru skeneru. V místě odpadu laserového svazku je emitováno modré světlo, které je systémem parabolického zrcadla soustředěno na fotosnímač. V závislosti na okamžité poloze laseru na filmu je výsledkem hodnota expozice zčernání v daném místě filmu. Doba skenování je v řádu desítek sekund. Folie se dají stříhat na libovolný rozměr. Většina skenerů umožňuje čtení folie do šířky 35 cm a neomezené délky. 40
41