Методы радиационного контроля различаются способами детектирования дефектоскопической информации (рисунок 3) и соответственно делятся на радиографические, радиоскопические и радиометрические.
Радиографические методы РНК основаны на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в радиографический снимок или запись этого изображения на запоминающем устройстве с последующим преобразованием в световое изображение. На практике этот метод наиболее широко распространен в связи с его простотой и документарным подтверждением получаемых результатов. В зависимости от используемых детекторов различают пленочную радиографию и ксерорадиографию (электрорадиографию).
В первом случае детектором скрытого изображения и регистратором видимого изображения служит фотопленка, во втором — полупроводниковая пластина, а в качестве регистратора используют обычную бумагу.
|
Методы радиационного контроля |
|
Радиографический Радиоскопический Радиометрический
Фиксация изображения Наблюдение Регистрация
Рисунок 3 — Классификация методов радиационного контроля
В зависимости от используемого излучения различают несколько разновидностей промышленной радиографии: рентгенографию, гаммаграфию, ускорительную и нейтронную радиографии. Каждый из перечисленных методов имеет свою сферу использования. Этими методами можно просвечивать стальные изделия толщиной от 1 до 700 мм.
Радиационная интроскопия — метод РНК, основанный на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в световое изображение на выходном экране радиационно-оптического преобразователя, причем анализ полученного изображения проводится в процессе контроля. Чувствительность этого метода несколько меньше, чем радиографии, но его преимуществами являются повышенная достоверность получаемых результатов благодаря возможности стереоскопического изображения дефектов и рассмотрения изделий под разными углами, экспрессность и непрерывность контроля.
Радиометрическая дефектоскопия — метод получения информации о внутреннем состоянии контролируемого изделия, просвечиваемого ионизирующим излучением, в виде электрических сигналов (различной величины, длительности или количества).
Этот метод обеспечивает наибольшие возможности автоматизации процесса контроля и осуществления автоматической обратной связи контроля и технологического процесса изготовления изделия. Преимуществом метода является возможность проведения непрерывного высокопроизводительного контроля качества изделия, обусловленная высоким быстродействием аппаратуры. По чувствительности этот метод не уступает радиографии.
1.2 Физические основы радиационного неразрушающего контроля
1.2.1 Механизмы возникновения рентгеновского и гамма — излучений
Основными направлениями радиационной дефектоскопии являются рентгено- и гамма- дефектоскопия. Различие между рентгеновской и гамма — дефектоскопией заключается в используемых источниках ионизирующих излучений, однако ввиду общности способов регистрации излучения и целей испытаний они имеет общую методику и технологию проведения контроля в производственных условиях.
Рентгеновские и гамма-лучи (г-лучи) обладают, той же самой природой, что и видимый свет (электромагнитное излучение).
Диапазон длин волн жесткого электромагнитного излучения приведен в таблице 1.
Таблица 1 — Диапазон энергий и длин волн рентгеновского и гамма — излучения
|
Диапазон энергий (кэВ) |
Диапазон длин волн |
Название |
|
|
0,11 — 100 |
от 0,01 до 12 нм |
Рентгеновское излучение |
|
|
10 — 5000 |
от 0,0002 до 0,12 нм |
Гамма-излучение |
|
Рентгеновское и гамма-излучение являются ионизирующим излучением, то есть оно способно при похождении через вещество выбить из атомов электроны. При этом образуются положительно заряженные ионы и электроны. Кроме того, высокоэнергетическое ионизирующее излучение обладает большой проникающей
способностью, поэтому оно нашло широкое применение в неразрушающем исследовании живых и неживых объектов. Электромагнитное излучение возникает, когда частицы в результате какого-то изменения теряют энергию. Это может произойти при торможении, изменении направления движения или переходе на более низкий энергетический уровень в электронной оболочке атома.
1.2.2 Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом
При прохождении через вещество интенсивность рентгеновского и гамма-излучения уменьшается по закону, характерному для электромагнитного излучения (закон Ламберта-Бугера):
I = I?exp (- µх) , (1)
где I и I? — конечная и начальная интенсивности излучения, соответственно;
- µ — полный линейный коэффициент ослабления;
- x — толщина слоя вещества.Коэффициент µ зависит от длины волны и плотности поглощающего материала.
Чтобы µ не зависел от физического состояния вещества, вводят массовый коэффициент ослабления: µс = µ/с (с — плотность вещества).
Собственно полный линейный коэффициент ослабления равен:
µ = ф + у + р + к , (2)
где ф — линейный коэффициент фотоэффекта;
- у — линейный коэффициент Комптон-эффекта;
- р — линейный коэффициент образования электрон-позитронных пар;
- к — линейный коэффициент рэлеевского рассеяния.
На рисунке 4 приведен спектр поглощения рентгеновского излучения — зависимость µс от длины волны л. На этой кривой наблюдается несколько “скачков”. Природу этих “скачков” можно понять, рассматривая изменение µс. По мере уменьшения длины волны сначала наблюдается уменьшение коэффициента поглощения, но при достижении определенной длины волны, например лL111, возникает резкий скачок µс. Одновременно с появлением скачка поглощения усиливается эмиссия фотоэлектронов и в спектре рассеянных лучей появляются линии вторичного характеристического излучения. Появление скачков объясняется тем, что энергия квантов рентгеновского излучения становится достаточной для ионизации электронов с определенного энергетического уровня атомов поглощающего вещества. Появление линий вторичного характеристического излучения связано с излучением квантов при переходах электронов атома на освободившиеся внутренние уровни. При дальнейшем уменьшении длины волны наблюдается еще несколько скачков µс: при лL11, лL1 и лК. Каждый из этих скачков связан с ионизацией определенного энергетического уровня. В пределах между двумя соседними скачками коэффициент µс ?лі.
Рисунок 4 — Зависимость коэффициента поглощения от длины волны л
1.3 Аппаратура для радиационной дефектоскопии
1.3.1 Рентгеновские аппараты
Рентгеновский аппарат служит для получения рентгеновского излучения с заданными параметрами и состоит из рентгеновской трубки в защитном кожухе, генератора высокого напряжения и пульта управления (рисунок 5).
В настоящее время применяют аппараты с напряжением от 10 до 400 кВ.
Рисунок 5 — Блок-схема рентгеновской установки
Высоковольтный генератор преобразует напряжение сети в напряжение питания рентгеновской трубки. Высоковольтный генератор включает: преобразователи переменного тока в постоянный, конденсаторы для фильтрации и удваивания напряжения, трансформаторы накала рентгеновской трубки, трансформаторы накала кенотронов, выключатели и защитные устройства.
Контрольно-измерительная часть представляет собой группу приборов, которые служат для измерения и регулирования времени, тока, напряжения и частоты (реле времени, измерительные приборы, прерыватели, селекторы, защитные приборы и т.п.).
Рентгеновский излучатель в самом простом случае состоит из рентгеновской трубки и защитного кожуха, заполненного изолирующей средой: трансформаторное масло, воздух или газ под давлением.
Используют два вида рентгеновских аппаратов: аппараты с постоянной нагрузкой и импульсные рентгеновские аппараты. Аппараты с постоянной нагрузкой в свою очередь выпускают двух типов:
1) аппараты-моноблоки, у которых рентгеновская трубка и трансформатор смонтированы в единые блок-трансформаторы, залитые маслом или заполненные газом.
2) аппараты кабельного типа, состоящие из самостоятельного генераторного устройства, рентгеновской трубки и пульта управления. Аппараты этого типа выпускают, как правило, передвижными и используют их для работы в цеховых и лабораторных условиях.
Импульсные аппараты в связи с их малым весом и габаритами служат в основном для работы при контроле качества сварных соединений магистральных трубопроводов, в условиях стапеля и монтажа.
1.3.2 Рентгеновские трубки
Все рентгеновские трубки работают по одинаковому принципу: ускорение электронов в электрическом поле и их торможение в материале анода. Технически это реализуется таким образом, что между нагретым катодом и анодом прикладывается сильное электрическое поле. Электроны испускаются из нагретого материала катода и ускоряются, благодаря приложенному высокому напряжению, в направлении анода. Далее они проникают в материал анода и теряют там свою энергию в результате торможения. При этом необходимо вакуумировать путь прохождения пучка, чтобы избежать столкновения с молекулами газа. Выход рентгеновского излучения из корпуса осуществляется обычно через тонкое бериллиевое окно, проницаемое для этого излучения. Место на аноде, куда попадают ускоренные электроны и откуда излучается рентгеновский пучок, называется фокусным пятном, или фокусом трубки.
Основные конструктивные различия трубок заключаются в способе подключения высокого напряжения, длительности генерации излучения, в направлении выходного излучения. Наиболее важные типы трубок, применяемые в рентгеновской дефектоскопии, — это трубка обычной двухэлектродной конструкции двух- и однополярные; специализированные конструкции с вынесенным полым анодом; с вращающимся анодом; импульсные и высоковольтные.
Трубка средней мощности (рисунок 6) состоит обычно из вакуумно-плотного баллона, изготовленного из стекла или по металлокерамической технологии. Трубки со стеклянным баллоном чувствительны к тепловым и механическим ударам. Баллон металлокерамических трубок представляет собой металлический цилиндр, закрытый с обеих сторон керамическими дисками, обычно из окиси алюминия. Высокие изоляционные характеристики такой керамики позволяют уменьшить размеры излучателей.
1 — подводящие провода; 2 — провод; 3 — вольфрамовая спираль; 4 — фокусирующая трубка; 5 — катод; 6 — угол скоса; 7 — окно; 8 — центр генерации рентгеновского излучения; 9 — стеклянная оболочка; 10 — высоковольтный анод; 11 — вольфрамовая мишень
Рисунок 6 — Схема рентгеновской трубки
Катодный узел включает вольфрамовую нить накала, окруженную металлическим электродом, создающим вокруг нее такую конфигурацию электрического поля, при которой электроны, выходящие из катода, движутся к аноду в виде узкого электронного пучка. Нить обычно питается переменным током (50 Гц) от отдельного регулируемого трансформатора. Ток нити накала находится в пределах 1…10 А. Ток трубки лежит в диапазоне несколько десятков микроампер, у микрофокусных трубок — до 20 мА. Анод рентгеновских трубок изготовляют из материала, обладающего высокой удельной теплопроводностью, например, из меди, а мишень анода — из вольфрама. Мишень плотно размещается в медном аноде для обеспечения высокой теплопроводности. Только малая часть энергетических потерь электронов испускается в виде рентгеновских квантов. Большая часть энергии уходит на нагрев материала анода. Отсюда следует, что анод должен
охлаждаться. Технически это реализуется подключением циркуляционного контура водяного или масляного охлаждения, либо анода вращения.
В импульсных рентгеновских аппаратах используется не обычная рентгеновская трубка с накальным катодом, а так называемая трубка с взрывной электронной эмиссией (с холодным катодом).
В качестве катода в такой трубке используется вольфрамовая фольга толщиной в несколько микрон. Под действием импульса высокого напряжения очень короткой длительности 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. В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются 2 типа импульсных рентгеновских трубок — игольчатая и прострельного типа.
Спектр излучения импульсной рентгеновской трубки отличается от трубки с постоянным напряжением. Максимум интенсивности спектра импульсного аппарата сдвинут в сторону больших длин волн. Кроме того, непрерывный спектр импульсной рентгеновской трубки имеет более протяженный вид.
1.3.3 Гамма-дефектоскопы
Гамма-дефектоскопы предназначены для выявления скрытых дефектов сварных соединений и других изделий просвечиванием их гамма-излучением радионуклидов. Дефектоскопы состоят, как правило, из следующих узлов: радиационной головки с защитным блоком, в котором находится источник гамма-излучения; привода, управляющего выпуском и перекрытием пучка излучения; систем сигнализации об излучении и наведении пучка на объект контроля.
В комплект гамма-дефектоскопов входят также штативные устройства, вспомогательные принадлежности, транспортно-перезарядные контейнеры для безопасной транспортировки и перезарядки источников в эксплуатационных условиях, коллиматоры и диафрагмы, обеспечивающие получение пучков излучения различной формы и размеров. По своей конструкции гамма-дефектоскоп должен быть прост, прочен, надежен в эксплуатации и мобилен.
1.4 Выявление и анализ дефектов изделия
1.4.1 Радиографическая пленка как детектор
Радиографические пленки являются основным видом детекторов при радиационном контроле. Их действие основано на фотохимическом эффекте взаимодействия ионизирующих излучений с веществом. Радиографические пленки в процессе экспонирования отображают изменения интенсивности излучения, прошедшего через объект контроля. Эти изменения интенсивности соответствуют изменению плотности с и коэффициента поглощения м в объекте контроля, и эти изменения можно связать с наличием в нем дефектов. Пленки обладают способностью интегрально регистрировать чрезвычайно низкие интенсивности излучения за длительное время просвечивания в широком диапазоне энергий. Фотографическая эмульсия содержит чувствительное к излучению химическое
вещество (бромистое серебро с небольшой примесью йодистого серебра), которое равномерно, в виде зерен, распределено в тонкой органической пленке (желатин).
Эмульсия нанесена на подложку (целлюлоза, стекло, бумага) с обеих сторон. Под воздействием излучения в фоточувствительных зернах эмульсии происходят изменения, приводящие к образованию центров проявления — мелких металлических частиц, состоящих из нескольких атомов. Химическая обработка фотослоя приводит к восстановлению зерен, в которых появились центры проявления, до металлического состояния, и при этом изменяется оптическая плотность пленки. При последующей обработке пленки закрепителем (фиксажем), те зерна, которые не восстановились до металлического состояния, вымываются. Обычно более интенсивное излучение приводит к более сильному почернению пленки. Для экспериментального определения плотности почернения радиографической пленки используют денситометр.
1.4.2 Выбор параметров радиографического контроля
Основными параметрами, выбираемыми при рентгенографическом контроле, являются:
- напряжение на рентгеновской трубке U;
- тип рентгеновской пленки;
- тип усиливающего экрана;
- фокусное расстояние F;
- экспозиция.
Напряжение на рентгеновской трубке влияет на энергетический спектр и интенсивность излучения. Энергетический спектр в свою очередь определяет проникающую способность излучения и чувствительность контроля. Выбор радиографической пленки определяется необходимостью получения рентгеновского снимка с определенной контрастностью и четкостью изображения. Контрастность пленки, ее чувствительность и зернистость взаимосвязаны между собой, высокочувствительные пленки имеют крупные зерна и низкий предел разрешения, а низкочувствительные — мелкие зерна и высокий предел разрешения. Поэтому с экономической точки зрения желательно, чтобы время экспонирования пленки было как можно короче, использование высокочувствительной пленки ограничивается ее зернистостью, которая в значительной мере определяет качество изображения мелких дефектов. Часто производители пленок для контроля конкретных объектов рекомендуют к применению определенный тип чувствительного материала.
Усиливающие металлические и флуоресцентные экраны применяют для сокращения времени просвечивания. Усиливающее действие экранов характеризуется коэффициентом усиления, определяемым отношением времени просвечивания без экрана и с экраном.
Усиливающее действие металлических экранов, используемых при контроле методом прямой экспозиции, определяется вторичными электронами, образующимися в экране при прохождении через него ионизирующего излучения. Экраны изготавливают из фольги тяжелых металлов (Pb, W, Sn и др.).
Для каждого источника ионизирующего излучения материал экрана следует выбирать в зависимости от его энергии, в частности, для рентгеновского излучения целесообразно использовать олово, вольфрам, свинец, для гамма-излучения — вольфрам, свинец. Толщина экрана должна соответствовать максимальной длине пробега вторичных электронов в экране. При изменении толщины фольги либо уменьшается коэффициент преобразования энергии излучения в кинетическую энергию вторичных электронов, либо ослабляется интенсивность ионизирующего излучения, и вследствие этого уменьшается усиливающее действие экрана. При применении металлических экранов практически не ухудшается разрешающая способность.
Усиливающее действие флуоресцентных экранов определяется действием фотонов видимой и ультрафиолетовой областей спектра, высвечиваемых из люминофоров при прохождении через них ионизирующего излучения. В качестве люминофоров используют ZnS, CdS, BaSO4, PbSO4 и др. Флуоресцентные экраны изготавливают в виде пластмассовых или картонных подложек, на которые наносят слой люминофора. Эти экраны рекомендуется использовать со специально приспособленными рентгеновскими пленками, поскольку спектральная чувствительность эмульсии таких пленок и спектр свечения экранов хорошо согласуются. При использовании флуоресцентных экранов разрешающая способность изображения на пленках существенно ухудшается из-за крупнозернистости экранов. С помощью флуоресцентных экранов получают меньшие экспозиции, а при использовании металлических экранов — лучшую чувствительность.
При промышленной радиографии основным показателем качества выполненного снимка является относительная чувствительность, под которой понимают отношение размера минимального выявляемого дефекта или элемента эталона чувствительности к толщине просвечиваемого изделия.Однако измерение чувствительности по эталону еще не дает представления о реальных размерах выявленных дефектов, а служит лишь средством оценки качества изображения дефектов на пленке. Используют различные типы эталонов: проволочные, пластинчатые или ступенчатые с канавками и отверстиями. Проволочные эталоны лучше, чем эталоны с канавками, имитируют дефекты сварки типа трещин и непроваров. Пластинчатые и ступенчатые эталоны с отверстиями хорошо имитируют дефекты типа пор, раковин, шлаковых включений. Выбор того или иного эталона чувствительности зависит от конкретной задачи контроля и обычно регламентируется техническими условиями.
Радиография позволяет получить наиболее высокую чувствительность контроля по сравнению с другими методами радиационного контроля. Она составляет для рентгенографии 1,5-2 %, а для гаммаграфии — 3-5 % толщины контролируемого соединения. Существенное влияние на выявляемость дефектов оказывает радиографическая общая нерезкость изображения (рисунок 7), которая характеризуется величиной размытия краев на радиографическом снимке.
Рисунок 7 — Схема формирования нерезкости
Величина нерезкости при просвечивании зависит от геометрии просвечивания, микроструктуры пленки и процессов взаимодействия ионизирующего излучения с веществом пленки (образованием фотоэлектронов, комптоновских электронов и их пробегом в эмульсии).
Геометрическая нерезкость зависит от размеров источника излучения и геометрических условий просвечивания и определяется размером фокусного пятна или активной части, фокусным расстоянием, толщиной объекта контроля, расстоянием от контролируемого предмета до пленки и размером поля облучения.
Для уменьшения геометрической нерезкости следует применять источники излучения с малым фокусным пятном.1.4.3 Расшифровка дефектограмм
Расшифровку дефектограмм выполняют в проходящем свете на негатоскопе — устройстве, в котором имеются закрытые рассеивающим или матовым стеклом осветительные лампы для создания равномерно рассеянного светового потока. При этом помещение для расшифровки затемняют, чтобы поверхность пленки не отражала падающий на нее свет. Негатоскопы обеспечивают регулирование яркости освещенного поля и его размеров. Расшифровку снимков и оценку качества контролируемого сварного соединения производят операторы — расшифровщики, которые по выполненным дефектограммам дают заключение о наличии дефектов.
Так как рентгеновская пленка является детектором с высоким уровнем собственных шумов, вызванных неравномерностью полива эмульсии, некачественным проявлением и т.д., расшифровщики должны уметь отличать дефекты пленки от дефектов изделия. В сомнительных случаях проводят повторное просвечивание или применяют зарядку кассет двумя пленками.
В разных отраслях промышленности существуют собственные правила и нормы, регламентирующие как уровень дефектности сварных соединений, так и требования к качеству выполнения самой дефектограммы. В общем виде снимок должен удовлетворять следующим требованиям:
- на дефектограмме должны быть видны весь сварной шов с усилением и околошовная зона, ширина которой определяется правилами контроля;
- на снимке должны быть отчетливо видны маскировочные знаки и эталоны чувствительности;
- на снимке должны отсутствовать пятна, царапины, отпечатки пальцев, подтеки, белый налет от плохой промывки и другие дефекты пленки и обработки.
При контроле сварных соединений на дефектограммах выявляют следующие дефекты:
- трещины продольные и поперечные в наплавленном и основном металле, направление которых совпадает с направлением просвечивания в диапазоне углов от 0 до 10-12°;
- непровары сплошные и прерывистые;
- вольфрамовые и шлаковые включения;
- поры — газовые включения;
- подрезы, проплавы, прожоги.
Расшифровка пленок при гаммаграфировании производится так же, как и при рентгенографировании.
2. Специальная часть
2.1 Исследование возможностей радиационного контроля обваловки магистральных газопроводов с использованием источников нейтронного излучения
Нарушение обваловки магистральных газопроводов создает реальную опасность при эксплуатации: на наземных участках это приводит к обнаружению изоляции трубопровода и интенсификации процессов коррозии; на подводных переходах вследствие размытия обвалочных грунтов образуются безопорные участки, прогибы трубопроводов, что чревато аварийными разрывами.
Разработка экспрессных методов внутритрубного контроля обваловки диктуется необходимостью диагностических обследований трасс большой протяженности и возможностью предотвращения аварийных ситуаций, связанных с большим материальным ущербом и экологическими последствиями в зоне аварии. Применяемые в настоящее время внутритрубные технические средства (магнитные, акустические, ультразвуковые) в виде снарядов и зондов, переносимые потоком продукта, дают информацию о поврежденных участках трубопровода, но не позволяют решить задачу контроля затрубной среды. Для решения этой задачи имеется ряд опытных разработок по радиационному контролю подводных переходов газопроводов, на основе регистрации гамма-излучения, стимулированного источником быстрых нейтронов в затрубной среде.
С учетом практической значимости внутритрубного контроля обвалки магистральных трубопроводов и возможности получения эмпирических данных об информативности нейтронно-радиационного метода о параметрах затрубной среды проведен комплекс экспериментальных исследований по определению зависимостей альбедных потоков термализованных нейтронов и захватного гамма-излучения от вида, толщины и влажности обваловочных грунтов.
На рисунке 8 приведена схема лабораторного макета участка трубопровода, состоящая из стального бункера (120x80x90 см) и герметично вваренной в нижнюю часть продольно разрезанной по диаметру (60 см/2) трубы. Изготовленный макет позволяет проводить моделирование затрубной среды, состоящей из воды и различных грунтов с варьируемой толщиной до 60 см от поверхности трубы. Трубная полость макета предназначена для установки источника быстрых нейтронов и детекторов альбедного излучения, которые размещались в центральной части трубы и обеспечивали получение радиационной информации о параметрах затрубной среды в геометрии, приближенной к 2р.
В качестве грунтовых сред использованы речной песок, гравийный грунт и песчано-гравийная смесь в диапазоне влажности от 3 до 15 мае. %. В целях имитации затрубных бетонных перекрытий, пригрузов, свайных опор использованы брикеты из цементного камня, изготовленные смешиванием портландцемента марки 400 с водой (26 мае. %) с толщиной отдельных слоев 12 см. Для относительного сравнения аппаратурной счетности потоков стимулированных излучений от затрубных слоев твердотельных сред и сыпучих грунтов в качестве образцовой среды использовалась вода, обладающая наилучшими замедляющими свойствами.
1 — емкость для изучаемой среды; 2 — источник быстрых нейтронов; 3 — сборка детекторов тепловых нейтронов; 4 — сцинтилляционный детектор гамма — излучения
Рисунок 8 — Структурная схема лабораторного макета участка трубопровода
На основе физических закономерностей взаимодействия быстрых нейтронов с веществом, информативными признаками параметров затрубной среды служили:
- альбедные потоки термализованных нейтронов;
- интенсивность гамма-линии захватного излучения от (n; i) реакции на водороде с энергией 2,23 МэВ.
Эти информационные возможности легли в основу построения двух- канальной системы внутритрубной регистрации радиационных сигналов.
Для исключения альбедного фона замедленных нейтронов от материалов опорной части макета трубопровода детекторный узел смонтирован в кадмиевой коробке с открытым верхом, обращенным к надтрубной среде, в которую вмонтированы источник высоковольного питания счетчиков и зарядочувствительный предусилитель импульсов,
На рисунке 9 приведены аппаратурный спектр продуктов реакции при взаимодействии термализованных нейтронов с чувствительным объемом детектора нейтронов и информативная область регистрируемых радиационных сигналов.
Канал регистрации захватного гамма — излучения разработан на основе спектрометрического сцинтилляторного блока размером 63х63 мм со встроенным в корпус малогабаритным источником высоковольтного питания. Интерпретацию энергетического интервала фотопика гамма — линии 2,23 МэВ осуществляли с использованием образцовых спектрометрических г — источников.
Рисунок 9 — Аппаратурный спектр продуктов реакции при взаимодействии замедленных нейтронов с чувствительным объемом детектора с наполнителем Не3
Аппаратурную информацию о регистрируемых потоках стимулированных излучений выводили на многоканальный амплитудный анализатор в фиксированной зоне каналов, соответствующей принятым информативным признакам радиационных сигналов (рисунок 9,10)
Рисунок 10 — Аппаратурный спектр спонтанного (источник 252Cf) и захватного гамма-излучений от затрубной водной среды при наличии кадмиевой экипировки
Выбор источников нейтронного излучения определяется оценкой влияния средней энергии спектра быстрых нейтронов на чувствительность метода измерений и возможностями регистрации захватного гамма — излучения на фоне спонтанного гамма — излучения источника.
Для источника 252Cf фиксируемые фотопики гамма — линий спонтанного излучения имеют энергию в диапазоне 1 — 1,35 МэВ, а более жесткая компонента дает незначительный вклад и носит характер непрерывного распределения, что обуславливает возможность аппаратного выделения на гамма — фоне источника линейчатой компоненты захватного гамма — излучения (рисунок 10)
Практическая реализация предлагаемых методов контроля обваловки основывается на анализе аппаратурных зависимостей стимулированных потоков от параметров затрубных сред и оценке чувствительности нейтронного и гамма — каналов.
Для рассматриваемых условий детектирования по нейтронному каналу на рисунке 11 для Рu-б-Ве источника приведены экспериментальные зависимости скоростей счета регистрируемых альбедных потоков термализованных нейтронов от толщины слоев различных видов I степени важности затрубных сред в сравнении со слоями одной фазы.
1 — водная среда; 2 — речной песок, вл. 15%; 3 — песчано — гравийный грунт (7:3), вл. 15%; 4 — цементный камень; 5 — гравийный грунт, вл. 3%; 6 — речной песок, вл. 3%
Рисунок 11 — Аппаратурные зависимости альбедных потоков нейтронов от толщины слоев и влажности различных видов затрубных сред (Рu-б-Ве источник)
За «нулевую» отметку отсчета толщины обваловки принята верхняя кромка поверхности трубопровода. Начальный уровень счетности под значением «нулевой»
толщины соответствуют альбедному вкладу боковой засыпки затрубной среды от напольного основания лабораторного макета до уровня верхней кромки трубы.
Ход отмеренных зависимостей имеет характер «кривых с насыщением». Обобщенным показателем «толщины насыщения» в функции скорости счета является величина длины замедления нейтронов в рассматриваемых затрубных средах, существенно зависящая от влагонасыщенности затрубного слоя. Оцененные с учетом пятипроцентных отклонений скоростей счета на участках «перегиба» и «насыщения» значения граничной толщины замедляющих слоев и относительный вклад зарегистрированных альбедных потоков нейтронов на граничной толщине рассматриваемых затрубных сред по сопоставлению с водной фазой приведены в таблице 2.
Таблица 2 — Граничные толщины и относительный вклад альбедо нейтронов песчано — гравийных сред. Рu-б-Ве источник
|
Вид среды, влажность, мае, % |
Вода |
Речной песок, 3% |
Гравий, 3% |
Речной песок, 15% |
Песчано-гравийный грунт, 15 % |
Цементный камень |
|
|
Lтр, см Ош вклад альбедо |
8,0 |
30 |
27 |
20 |
20 |
30 |
|
|
Отн. вклад альбедо нейтронов ( Lтр) |
1,0 |
0,17 |
0,24 |
0,80 |
0,73 |
0,49 |
|
Величина относительного вклада нейтронного альбедо сыпучих грунтов в существенной степени зависит от влагонасыщенности зондируемых слоем. Для твердотельной среды из цементного камня величина вклада определяется содержанием химически связанного водорода.
На рисунке 12 приведены экспериментальные зависимости скоростей счета альбедо нейтронов от толщины затрубных слоев песчано — гравийных сред в сравнении со слоями водной фазы для источника 252Cf.
1 — водная среда; 2 — речной песок, вл.15%; 3 — песчано — гравийный грунт (7:3), вл. 15%; 4 — гравийный грунт, вл. 3%; 5 — песчаный грунт, вл. 3%.
Рисунок 12 — Аппаратурные зависимости альбедо нейтронов от толщины слоев песчано-гравийного грунта различной влажности (источник 252Cf)
Точки начальных уровней счетности под значением нулевой толщины соответствуют альбедному вкладу нейтронов боковой засыпки затрубной среды от напольного основания макета до уровня верхней поверхности трубы.
В таблице 3 даны аппаратурные значения граничной толщины рассматриваемых видов затрубных сред и относительный вклад альбедо нейтронов по сравнению с водной средой.
Таблица 3 — Граничные толщины и относительный вклад альбедо нейтронов песчано-гравийных сред (источник 252Cf)
|
Вид среды, влажность, мае, % |
Вода |
Речной песок, 3% |
Гравий, 3% |
Речной песок, 15% |
Песчано-гравийный грунт (7:3), 15 % |
|
|
Lтр, см |
8,0 |
28 |
25 |
21 |
20 |
|
|
Отн. вклад альбедо нейтронов Lтр |
1,0 |
0,15 |
0,22 |
0,76 |
0,72 |
|
Относительное изменение аппаратурной величины граничной толщины слоя для «реперной» водной среды при изменении средней энергии зондирующего источника нейтронов от 4,5 МэВ (таблица 2, Рu-б-Ве источник) до 1,8 МэВ (таблица 3,252Cf) не превышает 6 %. Регистрируемое различие в альбедо нейтронов «сухих» песчаных и гравийных сред (кривые 4 — 5 рисунок 12) интерпретируется наличием в гравийной фракции «связанного» водорода (CHсвяз = 1,85
- 1021 см- і).
В целях оценки аппаратурных возможностей нейтронного канала по обнаружению промоин под песчаным и песчано — гравийным основанием трубопровода проведены измерения скоростей счета альбедных потоков нейтронов при максимальном увлажнении затрубной среды с толщиной «насыщения» (установившийся уровень воды над поверхностью грунта после суточной выдержки ~ 5 см).
Экспериментальное значение предела обнаружения имитируемой промоины при сравнении с аппаратурной счетностью по водной фазе составило 16,4% для песчаного основания и 15,1% — для песчано-гравийного основания.
В свете комплексного исследовании информативных признаков нейтронно-радиационного метода для внутритрубного контроля обваловки трубопроводов, на основе источника 252Cf проведены измерения выходов захватного гамма-излучения от песчано-гравийных сред по аппаратурному фотопику гамма-линии 2,23 МэВ (рисунок 10).
На рисунке 13 приведены зависимости выходов захватного гамма-излучения от толщины слоев песчано-гравийных грунтов в сопоставлении с водной средой.
1 — водная среда; 2 — речной песок, вл.15%; 3 — песчано — гравийный грунт (7:3), вл. 15%; 4 — гравийный грунт, вл. 3%; 5 — песчаный грунт, вл. 3%.
Рисунок 13 — Аппаратурные зависимости потоков захватного гамма — излучения с Ег = 2,23 МэВ от толщины слоев и влажности различных видов затрубных сред (источник 252Cf)
Точки начальных уровней счетности под значением нулевой толщины соответствуют вкладу г — квантов боковой засыпки затрубной среды от напольного основания макета до уровня верхней поверхности трубы.
В таблице 4 даны значения граничных толщин затрубных слоев в области «насыщения» аппаратурной счетности фотопика гамма-линии 2,23 МэВ и относительный вклад стимулированных гамма-потоков граничных толщин рассматриваемых видов грунтов по отношению к водной фазе.
Таблица 4 — Величины граничной толщины слоев и относительного вклада потоков захватного гамма-излучения 2,23 МэВ
|
Вид среды, влажность, мае. % |
Вода |
Речной песок, 3% |
Гравий, 3% |
Речной песок, 15% |
Песчано-гравийный грунт (7:3). 15% |
|
|
L гр, см |
9,0 |
25 |
25 |
22 |
20 |
|
|
Отн. вклад интенсивности фотопика 2,23 МэВ (L гр) |
1,0 |
0,24 |
0,24 |
0,84 |
0,77 |
|
Проведенные по аналогии с нейтронным каналом измерения предела обнаружения имитируемой водной промоины при регистрации захватного гамма-излучения для песчано-гравийного грунта составили 13,2%.
Экспериментальным путем проверена возможность повышения чувствительности гамма-канала в 1,5 раза путем дополнительной конверсии термализованных нейтронов в гамма-излучение радиационного захвата посредством кадмиевой экранировки (рисунок 10) сцинтилляционного кристалла гамма-детектора с последующей регистрацией аппаратурной счетности под фотопиками гамма-линий 2,23 МэВ от водорода и 2,7 МэВ от кадмиевого экрана.
Проведенные экспериментальные исследования показывают принципиальную возможность внутритрубного нейтронно-радиационного контроля грунтовых насыпей наземных участков трубопроводов при критическом уменьшении толщины обваловки менее 30 см (по нормам СНиП толщина обваловки при укладке трубопроводов — 80 см), а также возможность контроля наличия бетонных переходов и обнаружения водных промоин под основанием трубопроводов с глубиной более 5 см.
2.2 Радиационный контроль сырья и материалов, поступающих на металлургический комбинат
радиационный контроль нейтронное излучение
На ОАО “МК Азовсталь» в 1998 г. введен в эксплуатацию индикатор суммарной плотности потока нейтронного и гамма-излучения РПС-01 “Кордон”, обеспечивающий входной радиационный контроль поступающих на комбинат сырья и металлолома. Радиационный контроль движущихся составов позволяет не допустить попадания загрязнений сырья и металлолома на территорию комбината.
Для того, чтобы предотвратить возможность попадания радиоактивных веществ в материалы металлургического производства, нужно организовывать радиационный контроль поступающих на предприятие сырья и материалов. При организации входного радиационного контроля металлургического сырья нужно учитывать многообразие видов его радиоактивного загрязнения: «точечные» радиоизотопные источники, располагающиеся в объеме сырья, перевозимого транспортным средством, загрязненные элементы конструкций демонтируемых ядерно-энергетических или военных установок, сыпучие материалы, загрязненные естественными и искусственными радионуклидами. В зависимости от вида и расположения в транспортном средстве указанные загрязнения создают на его поверхности излучение мощностью 1,0- 105 мкР/ч. Для определения такого излучения необходимо использовать аппаратуру с порогом срабатывания 0,5 мкР/ч над уровнем естественного фона и с диапазоном измерения 10 — 105 мкР/ч.
На металлургическом комбинате “Азовсталь” был организован входной радиационный контроль сырья и материалов в зоне приема железнодорожных составов. Для осуществления этого контроля смонтирована, освоена и внедрена система, основой которой является индикатор суммарной мощности нейтронного и гамма-излучения РПС-01 “Кордон”, разработанный специалистами фирмы “Позитрон GmbH” (г. Желтые Воды, Украина).
Система установлена на железнодорожных вагон-весах станции «Сортировочная» в феврале 1998 г. Пороговый уровень срабатывания системы — 30 мкР/ч, включая природную (фоновую) составляющую.
“Кордон” является одним из наиболее надежных стационарных постов радиометрического контроля для эффективного обнаружения радиоактивных материалов в железнодорожных составах с грузами. Конструктивно индикатор представляет собой 4 блока детектирования, установленных в непосредственной близости от проверяемого объекта, и пульт управления, расположенный в месте постоянного нахождения дежурного (весовщика вагон-весов № 1 станции “Сортировочная”).
Характерными особенностями индикатора являются:
- высокая чувствительность к гамма-излучению и быстрым нейтронам;
- порог чувствительности 0,5 — 1,0 мкР/ч;
- детектор БДПС-03 (пластмассовый сцинтилляционный), чувствительный к гамма- и нейтронному излучению;
- наличие от одного до четырех независимых каналов измерения (в нашем случае задействованы два канала);
- наличие датчиков присутствия объекта в зоне контроля;
- возможность увеличения чувствительности индикатора путем наращивания блоков детектирования;
- наличие независимых сигнальных порогов `Тревога” по каждому измерительному каналу;
- вероятность ложного срабатывания не выше 10-4 на одно транспортное средство;
- возможность предварительной установки параметров (порог срабатывания сигнализации, алгоритм измерения фона, время измерения, точное астрономическое время) с последующим их хранением в энергонезависимой памяти;
- наличие удобного программного обеспечения для работы с базой данных на IBM PC в среде WINDOWS версии 3.1 и выше;
- удобство работы, которое заключается в наличии диалогового режима с помощью меню;
- наличие “Журнала фона» (записывает и хранит в памяти измеренные значения гамма-фона с привязкой к реальному времени), “Журнала срабатываний” (записывает и хранит в памяти случаи срабатывания пороговых уровней “Тревога” с привязкой их к реальному времени);
- универсальность питания;
- низкое энергопотребление;
- непрерывное самотестирование;
- малые масса и габариты.
Процесс входного радиационного контроля осуществляется по методике, согласованной с Донецкой ОблСЭС, следующим образом. Железнодорожный состав с различным сырьем, в том числе с металлоломом, при приближении к вагон-весам снижает свою скорость, что позволяет свести к минимуму количество ложных срабатываний, уменьшает вероятность необнаружения источника излучения и облегчает поиск источника при срабатывании системы. Железнодорожный состав при прохождении зоны досмотра пересекает линию контроля, образованную датчиками наличия объекта, стойки с которыми установлены по обеим сторонам железнодорожного полотна на одной линии с блоками детектирования. Датчики наличия объекта работают по принципу пересечения объектом инфракрасного луча. Регистрация измерений излучения проводится при обязательном наличии естественного радиационного фона, уровень которого может изменяться от 5 до 20 мкР/ч. “Кордон” обладает системой непрерывного слежения за изменением мощности эквивалентной дозы естественного гамма-фона в зоне расположения устройства. Если в железнодорожном составе находится какой-либо источник радиоактивного загрязнения, то при проведении радиационного контроля сработает индикатор. Сигнал о срабатывании индикатора передается на пульт управления. Кроме того, на одной из стоек с блоками детектирования устанавливается сигнальная лампа с красным фонарем, которая также сигнализирует о наличии загрязненного объекта в зоне контроля.
В повседневной практике наблюдаются такие случаи, когда железнодорожные составы с сырьем, содержащим естественные радионуклиды (огнеупорный кирпич, цирконовые изделия, поташ, селитра и др.) могут создавать дозы излучения мощностью, превышающей порог срабатывания устройства. При этом концентрация радионуклидов в сырье, как правило, не превышает допустимые пределы.
Устройство “Кордон” доказало свою работоспособность, выявив, например, в вагоне с металлоломом, поступившем на ОАО “МК Азовсталь” 11.07.98 г., 2 листа железа размером 100Ч80 см с уровнем гамма-фона до 1000 мкР/ч, величиной бета-излучения — 101-5879 бета-частиц/см2·мин. Зарегистрированные индикатором “Кордон” превышения гамма-фона до уровня аварийных (50,95 и 55,38) зафиксированы 11.07.98 в 0 ч 36 мин и 8 ч 12 мин соответственно, что послужило причиной забраковки данной партии металлолома.
Донецкой ОблСЭС подтвержден факт обнаружения радиоактивного загрязнения металлолома и установлено, что источником загрязнения железа явились цезий-137 и цезий-134.
Эксплуатация установки в течение 1998 г. показала ее надежность, удобство в эксплуатации и стабильность в работе.
В октябре 1999 г. на МК “Азовсталь” с помощью РПС-01 “Кордон” был выявлен еще один вагон с радиоактивно загрязненным металлоломом. По данным дозиметрического контроля на поверхности отдельных участков металла мощность дозы гамма-излучения 1800-2000 мкР/ч.
