Принцип действия импульсных рентгеновских аппаратов

Принципиальная схема. В основе работы импульсного аппарат лежит принцип накопления энергии за сравнительно долгий промежуток времени и последующей ее реализации за существенно более короткий промежуток вре­мени.

Все импульсные аппараты выполнены по одной принципиальной схеме (рис. 3.2):

 

С1 - накопительный конденсатор; К - ключ (первичный коммутатор); Тр - импульсный трансформатор; С2 - разрядная емкость; Р - разрядник-обостритель; Т - рентгеновская трубка

 

Рисунок 3.2 – Принципиальная схема импульсных аппаратов (серии АРИНА)

 

При замыкании ключа К предварительно заряженный накопительный конденсатор С1 разряжается через первичную обмотку трансформатора Тр. При этом во вторичной его обмотке возникает импульс высокого напряжения длительностью порядка 10-6с, заряжающий выходную емкость С2 до напряже­ния 100-200 кВ в зависимости от типа аппарата.

Разрядник-обостритель Р преобразует энергию, накопленную в емкости С2, в импульс высокого напряжения длительностью 10-8с, который приклады­вается к электродам рентгеновской трубки Т.

В аппаратах АРИНА используется не обычная рентгеновская трубка с на-кальным катодом, а так называемая трубка с взрывной электронной эмиссией.

В качестве катода в такой трубке используется вольфрамовая фольга тол­щиной в несколько микрон.

 

Под действием импульса высокого напряжения очень короткой длитель­ности (который обеспечивается разрядником – обострителем) кромка вольфра­мового катода взрывается, образуется облако плазмы, которая является источ­ником электронов. Далее процесс ускорения электронов и возбуждения рентге­новского излучения протекает так же, как и в классических рентгеновских трубках с накальным катодом.

Итак, вместо термоэмиссии – плазменная эмиссия, вместо накаливаемого катода – холодный катод.

При этом необходимым и главным условием образования электронной плазмы является короткий импульс высокого напряжения.

Импульсный трансформатор, разрядник-обостритель и рентгеновская трубка располагаются в металлическом цилиндре, заполненном трансформа­торным маслом. Этот цилиндр, в дальнейшем будем называть его высоко­вольтным блоком, является сердцем всего аппарата. Он определяет ресурс работы прибора, его габаритно-весовые и рентгеновские характеристики.

Рентгеновская трубка

В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются 2 ти­па импульсных рентгеновских трубок.

На рис. 3.3 изображен схематический разрез так называемой игольчатой трубки типа ИМА 5-320 Д, которая применяется в аппаратах АРИНА-3, АРИНА-5 и АРИНА-7.

 

1 - выходное окно, 2 - анод, 3 - катод, 4,9 - фланцы, 5- кольцо, 6- экран, 7 - вывод, 8 - стекло, 10 - штенгель

 

Рисунок 3.3 – Конструкция импульсной рентгеновской трубки ИМА 5-320 Д

 

 

Максимальное рабочее напряжение ее составляет 320 кВ. Лезвийный ка­тод 3 в виде шайбы изготовлен из вольфрамовой фольги толщиной 20 мкм. Внутренняя кромка шайбы и является взрывной кромкой, эмитирующей плаз­му.

Анод 2 выполнен из вольфрамового прутка диаметром 4 мм, заточенного на конус. Конец этого прутка является фокусным пятном трубки. Диаметр его примерно равен 2 мм.

Анод припаян к стальному стержню - выводу 7, соединенному с малым фланцем 9. Большой фланец 4 электрически соединен с катодом. К этому флан­цу приварено выходное окно 1, имеющее форму полусферического купола. Оно изготовлено из ковара толщиной 0,2мм. Благодаря такой форме окна труб­ка пригодна как для направленного, так и для панорамного просвечивания.

 

 

Стальной экран 6, на котором непосредственно укреплен катод, жестко соединен с большим фланцем с помощью кольца 5. Основное назначение экра­на препятствовать осаждению на стеклянный изолятор 8 паров вольфрама, об­разующихся при плазменном разряде.

Штенгель 10 служит для вакуумной откачки объема трубки при ее изго­товлении.

В аппарате АРИНА-1 используется трубка прострельного типа ИМА 2-150 Д (рис. 3.4) с максимальным напряжением 150 кВ.

 

1 - выходное окно, 2 - анод, 3 - катод, 4 - электрод, 5 - корпус, 6 - изоля­тор, 7 - штенгель

Рисунок 3.4 – Конструкция импульсной рентгеновской трубки PIMA 2-150 Д

 

 

Здесь катод 3 выполнен из вольфрамовой трубки диаметром 2 мм с тол­щиной стенки 0,2 мм, который установлен на грибовидный электрод 4. Данный электрод защищает стеклянный конический изолятор 6 от конденсации паров металла.

К металлическому цилиндрическому корпусу 5 припаяно выходное плос­кое окно 1 из ковара толщиной 0,2 мм.

Прострельный вольфрамовый анод 2 приварен непосредственно к вы­ходному окну. Штенгель 7 предназначен для вакуумной откачки трубки.

В данной трубке электроны из плазмы, образующейся на кончике цилин­дрического катода, бомбардируют плоский заземленный анод, а рентгеновские фотоны проходят сквозь него и выходное окно. Достоинством такой конструк­ции является возможность размещения исследуемого объекта вплотную у вы­ходного окна трубки. Недостатком же является менее четкое фокусное пятно. К тому же оно имеет большие размеры по сравнению с игольчатой трубкой.

Как та, так и другая описанные рентгеновские трубки имеют существен­но меньшие габариты по сравнению с классическими накальными трубками. Объясняется это тем, что при столь коротких воздействиях высокого напряже­ния (10-8 с) длина стеклянного изолятора сокращается в несколько раз по срав­нению с изоляторами в трубках с постоянным напряжением. Длина же изоля­тора и определяет геометрические размеры любой трубки.

Разрядник-обостритель

Основным элементом высоковольтного блока, его "ахиллесовой пятой", определяющей срок службы аппарата является разрядник-обостритель. На рис. 3.5 изображен разрез разрядника-обострителя Р-43.

Именно он вырабатывает чрезвычайно короткий импульс высокого на­пряжения, обеспечивающий образование электронной плазмы в районе катода рентгеновской трубки.

1 - корпус, 2 - изолятор, 3 - электроды

Рисунок 3.5 – Разрядник-обостритель

 

Он состоит из стального цилиндрического корпуса 1, керамического изо­лятора 2 в виде усеченного конуса и двух электродов 3 из тугоплавкого метал­ла, один из них припаян к крышке корпуса, другой – к изолятору. Рабочий объ­ем разрядника заполнен техническим водородом или азотом под давлением 30 - 40 атмосфер. Благодаря столь высокому давлению, при пробое межэлектрод­ного зазора электрический импульс с выхода импульсного трансформатора со­кращается по длительности примерно в 100 раз, что и обеспечивает взрыв микроострий катода рентгеновской трубки.

Напряжение срабатывания разрядника-обострителя является рабочим на­пряжением рентгеновской трубки. Поэтому для данного конкретного разряд­ника оно всегда одно и то же и не может регулироваться.

Разрядник имеет два резьбовых вывода, с помощью которых он с одной стороны соединяется с импульсным трансформатором, а с другой – с рентге­новской трубкой.

Металлический корпус разрядника совместно с корпусом высоковольт­ного блока образуют конструктивную выходную емкость С2 (см. рис. в первой статье главы), которая разряжается через рентгеновскую трубку. Именно вели­чина этой емкости определяет амплитуду импульса тока в трубке, а, следова­тельно, и интенсивность рентгеновской вспышки.

Амплитуда импульса тока в описываемых аппаратах составляет 500 -1000 А при длительности 10-20 нс, а частота следования импульсов составляет 5 - 20 Гц в зависимости от марки аппарата. Нетрудно вычислить, что средний ток через рентгеновскую трубку при этом находится в пределах 0,1 - 0,5 мА. Величина среднего тока зависит от амплитуды импульса, его длительности и частоты следования импульсов. В отличие от классических накальных трубок, в трубках с взрывным катодом средний ток, так же как и высокое напряжение, не регулируется и определяется только частотой следования импульсов излу­чения.

Напряжение срабатывания разрядников-обострителей типа Р-43 находят­ся в интервале 140 - 170 кВ. Выбирая разрядник с той или иной величиной на­пряжения срабатывания в каждом конкретном случае можно наиболее полно соблюсти требования ГОСТ 20426-82 с точки зрения соответствия контроли­руемой толщины изделия рабочему напряжению трубки. Рабочее напряжение рентгеновской трубки, как уже отмечалось, точно равняется величине напря­жения срабатывания разрядника.

Многих потребителей вводит в заблуждение величина напряжения на трубке, указанная в ее паспорте. Следует иметь в виду, что это величина мак­симально допустимая для данного типа трубки.

 

Реальное же рабочее напряже­ние всегда определяется величиной напряжения срабатывания разрядника-обострителя. Так, например, в аппарате АРИНА-3 используется трубка ИМ А 5-320 Д с максимальным напряжением 320 кВ.

Рабочее же напряжение ее в аппа­рате АРИНА-3 - 200-240 кВ. В аппарате АРИНА-1 используется трубка ИМА 2-150Д с максимальным напряжением 150 кВ, рабочий режим ее 140 - 150 кВ.

Разрядник-обостритель определяет не только напряжение срабатывания рентгеновской трубки, но и как уже отмечалось, срок службы высоковольтного блока. Именно он, а не трубка в первую очередь выходит из строя через 100 -150 часов работы аппарата. Поэтому замена трубки без замены разрядника-обострителя, как правило, не приводит к положительному результату.

 

3.3. Особенности рентгенографического контроля импульсными ап­паратами

Рентгенографический контроль импульсными аппаратами, в целом, ана­логичен контролю, выполняющемуся с помощью других видов источников рентгеновского излучения. Вместе с тем, имеется и ряд характерных особенно­стей, обусловленных спецификой этого рода устройств.

В то время как излучение рентгеновских аппаратов с постоянным или пульсирующим напряжением на рентгеновской трубке представляет собой не­прерывный поток рентгеновских фотонов, в той или иной степени лишь слегка промодулированный формой тока и напряжения на трубке, излучение им­пульсных рентгеновских аппаратов имеет вид пачек рентгеновских фотонов, с огромной плотностью фотонов в пачке. Это обусловлено тем, что, как указано в статье, вся накопленная энергия выделяется в виде излучения в течение 10-20 нс.

Поскольку в таком импульсе излучается порядка 1010 рентгеновских фото­нов, то плотность потока составляет порядка 1018 фотонов/с.

Вместе с тем, время накопления энергии для следующего импульса дос­таточно велико, порядка 0,1с, поэтому суммарная или интегральная доза излу­чения за какое-то время достаточно мала.

Более того, она в несколько десятков раз меньше, чем у непрерывно излучающих аппаратов при том же напряжении.

Благодаря тому, что рентгеновская пленка имеет свойство накапливать изменения, происходящие в ней под действием излучения, результат его воз­действия не зависит от того, попадает ли излучение на пленку в виде непрерывного потока фотонов или импульсов, несущих сразу большое их количест­во. В первом случае плотность потемнения пленки линейно растет во времени, тогда как в последнем это изменение происходит "ступеньками". Другими сло­вами, если для непрерывно излучающих аппаратов справедлива формула:

(3.1)

где: – доза излучения, накопленная за время t;

Р – мощность дозы излучения,

то для импульсных рентгеновских аппаратов:

(3.3)

где D₁ – доза, полученная пленкой за один импульс,

N – число импульсов излучения за время t

f – частота следования импульсов.

Таким образом D ₁ f является средней мощностью дозы излучения для импульс­ных аппаратов.

Другая существенная особенность рассматриваемых аппаратов заключа­ется в спектре их излучения, т.е. относительном содержании в составе излуче­ния фотонов тех или иных энергий или длин волн.

Вследствие того, что излучение в импульсных аппаратах происходит при разряде источника высокого напряжения через рентгеновскую трубку, спектр излучения отличается от «классического», соответствующего постоянному на­пряжению на трубке и имеет вид:

(3.3)

 

где: λ₀ – коротковолновая граница, определяемая напряжением на трубке. Максимум этого спектра, т.е. эффективная длина волны излучения

(3.4)

или соответственно эффективная энергия:

(3.5)

 

где: Е₀ - энергия, численно равная амплитуде приложенного к трубке напряже­ния.

Напомним, что для аппаратов с постоянным напряжением

Е_ЭФФ = (2/3)Е₀, (3.6)

Спектр излучения импульсных аппаратов и аппаратов с постоянным напряже­нием показаны на рис. 3.6.

Наглядно видно, что спектр импульсного аппарата сдвинут в сторону больших длин волн, т.е. меньших энергий, иначе говоря, соответствует мень­шей «жесткости» излучения. Интересно отметить, что соотношение выполняет­ся также для бетатронов.

Зависимость рентгенографических характеристик от формы спектра из­лучения заложена в формуле

I=I₀ * exp(-μd) (3.7)

где: I₍₎ - интенсивность падающего на слой вещества толщиной d рентгеновско­го излучения;

I - интенсивность излучения, прошедшего сквозь него;

μ - коэффициент ослабления, зависящий как от энергии (длины волны) фото­нов, так и от атомарного состава и плотности вещества поглотителя.

 

Рисунок 3.6 – Спектр излучения импульсных аппаратов и аппаратов с постоянным напряжением

 

Практическим следствием большой протяженности спектра, т.е. наличию в нем фотонов с энергиями как близкими к приложенному напряжению, так и с го­раздо меньшими, является возможность контроля более широкого диапазона толщин и плотностей материала при одном напряжении на трубке.

Существенной особенностью импульсных рентгеновских аппаратов яв­ляется отсутствие регулировки тока и напряжения.

Поэтому, решение задачи контроля заданных толщин и материалов должно начинаться с подбора аппара­та с соответствующим напряжением срабатывания разрядника-обострителя.

Отсутствие регулировки тока перекрывается выбором экспозиции, т.е. количества импульсов излучения.

При определении условий рентгенографирования, т.е. при выборе пле­нок, экранов, фокусных расстояний и т.д. следует иметь в виду, что средняя мощность излучения импульсных аппаратов невелика и поэтому следует ста­раться (насколько это позволяют требования к выявляемое™ дефектов и каче­ству снимков в каждом конкретном случае) выбирать:

- съемку с флуоресцентными или флуорометаллическими экранами;

- съемку на пленку с наибольшей возможной чувствительностью. Приме­нение высококонтрастных пленок оправдано лишь при контроле незначитель­ных толщин или легких материалов;

- съемку при минимально допустимых фокусных расстояниях, поскольку экспозиция возрастает как квадрат фокусного расстояния;

- применение методов съемки, позволяющих сократить просвечиваемую толщину и/или фокусное расстояние. Например, панорамное просвечивание предпочтительнее направленного, т.к. просвечивается только одна стенка вме­сто двух и с фокусного расстояния равного радиусу вместо диаметра.

Выполнение этих рекомендаций не только повышает эффективность ис­пользования аппарата, но и экономит его ограниченный ресурс.

Применение флуоресцентных экранов желательно, т.к. существенно (в десятки раз) уменьшает необходимую экспозицию. Наибольшее усиление из выпускаемых в настоящее время имеют экраны серии ВП. Они, в то же время, имеют и наибольший размер зерна, т.е. обеспечивают только удовлетворитель­ную контрастную чувствительность.

Применение флуорометалиических экранов в любом случае желательно, т.к. они обеспечивают достаточно высокое качество контроля при экспозициях не превышающих нескольких минут.

Металлические усиливающие экраны могут использоваться с соответст­вующими типами пленок. Следует, однако, иметь в виду, что толщины приме­няемых свинцовых экранов должна быть в пределах 20-50 мкм. В этом случае их коэффициент усиления, т.е. сокращение экспозиции при их применении со­ставляет 1,2-1,5. Применение свинцовых экранов с толщиной 100 мкм и более категорически недопустимо, т.к. их фильтрующее (ослабляющее) действие пре­высит эффект усиления и вместо сокращения экспозиции приведет к ее увели­чению.