Приложение ДГ (обязательное). Перевод основных положений международного стандарта ASTM Е1000-98(2009) "Руководство по проведению радиоскопии"

Приложение ДГ
(обязательное)

Перевод основных положений международного стандарта ASTM Е1000-98(2009) "Руководство по проведению радиоскопии"

ДГ.1 Общие положения

Настоящий стандарт содержит руководство по проведению радиоскопии, в том числе порядок выбора оборудования для создания изображений, источника излучения, а также радиоскопических и оптических технологий для достижения требуемого качества.

ДГ.2 Значимость и применение

ДГ.2.1 Радиоскопия является неразрушающим методом исследования образца для контроля в режиме реального времени без использования пленки. Радиоскопия позволяет получить информацию о характере, размерах, местоположении и распределении внутренних и наружных дефектов, а также проверить размеры, конфигурацию, наличие и расположение компонентов в образце.

ДГ.2.2 Изображение может быть воспроизведено путем киносъемки, видеозаписи или получением фотографий с помощью камер. Радиоскопические изображения можно увеличивать электронным способом, оцифровывать или обрабатывать иным способом с целью улучшения условий визуального или автоматизированного компьютерного анализа (или применения обоих способов сразу).

ДГ.3 Классификация систем радиоскопии

Различают следующие системы радиоскопии:

- радиоскопические системы с преобразованием рентгеновского излучения в оптический сигнал;

- радиоскопические системы с преобразованием рентгеновского излучения в электронный сигнал;

- комбинированные радиоскопические системы.

На рисунках ДГ.1 - ДГ.13 показаны основные конфигурации используемых систем радиоскопии. Характеристики основных устройств формирования изображений приведены в таблице ДГ.1.

Таблица ДГ.1 - Характеристики основных устройств формирования изображений

Характеристики	Устройства формирования изображений
	Радиоскопические системы с преобразованием рентгеновского излучения в оптический сигнал		Радиоскопические системы с преобразованием рентгеновского излучения в электронный сигнал
	Флуоресцентные фосфорные экраны	Сцинтилляторы	Усилитель рентгеновского изображения	Полупроводниковые матрицы	Телевизионная передающая трубка типа видикон	Микроканальные пластины	Сканирующие устройства с бегущим лучом
Дополнительное оборудование	Экранирующее стекло, оптика, LLLTV 1)	Экранирующее стекло, оптика, LLLTV 1)	Оптика, CCTV 2)	Фосфорные экраны, оптика, специальная электроника	CCTV 2)	Флуоресцентные фосфорные экраны, специальный корпус, CCTV 2), фосфор на выходе	Флуоресцентные фосфорные экраны или сцинтилляторы, специальная электроника, устройства оцифровки
Методы считывания изображений	Визуальный LLLTV 1)	LLLTV 1)	CCTV 2)	CCTV 2)	CCTV 2)	CCTV 2)	Электронный/визуальный
Разрешающая способность, количество пар линий на мм	до 4,5	10	4	20	20	20	10
Минимальная контрастная чувствительность на большой площади, %	2	1	2	10	5	10	1
Минимальная энергия излучения, кэВ	25	25	5	20	20	15	25
Максимальная энергия излучения, кэВ	300	10 МэВ	10 МэВ	150	250	2 МэВ	15 МэВ
Оптимальная энергия излучения, кэВ	120	200	100	100	75	100	Не доступно
Максимальное поле обзора, мм	Лимита нет	229	305	25,4 x 25,4	9,53 х 12,7	76	Лимита нет
Относительная чувствительность к рентгеновским лучам	Низкая	Средняя	Высокая	Средняя	Низкая	Средняя	Высокая
Относительная стоимость	Низкая	Высокая	Средняя	Средняя	Низкая	Высокая	Высокая
Срок службы, лет	10	Не ограничен	3	Не ограничен	5	5	5
Особые примечания	Простая	Высокое качество изображения	Практичная	Новая	Применение ограничено небольшими тонкими образцами	Новая	Новая
1) LLLTV - телевизионные камеры, работающие при низком уровне освещения. 2) CCTV - телевизионная камера.

1 - источник излучения; 2 - образец для контроля; 3 - преобразователь; 4 - рентгенозащитное свинцовое стекло; 5 - оператор

Рисунок ДГ.1 - Основная система радиоскопии

1 - источник излучения; 2 - образец для контроля; 3 - преобразователь; 4 - рентгенозащитное свинцовое стекло; 5 - оптика; 6 - оператор

Рисунок ДГ.2 - Система радиоскопии с оптикой

1 - источник излучения; 2 - образец для контроля; 3 - преобразователь; 4 - усилитель света; 5 - оператор

Рисунок ДГ.3 - Система радиоскопии с усилителем света

1 - источник излучения; 2 - образец для контроля; 3 - преобразователь; 4 - усилитель света; 5 - оптика; 6 - оператор

Рисунок ДГ.4 - Система радиоскопии с усилителем света и оптикой

1 - источник излучения; 2 - образец для контроля; 3 - преобразователь; 4 - оптика; 5 - телевизионная камера, работающая при низком уровне освещения

Рисунок ДГ.5 - Система радиоскопии с телевизионной камерой, работающей при низком уровне освещения

1 - источник излучения; 2 - образец для контроля; 3 - преобразователь; 4 - геометрическая или волоконная оптика; 5 - усилитель света; 6 - телевизионная камера, работающая при низком уровне освещения

Рисунок ДГ.6 - Система радиоскопии с телевизионной камерой, работающей при низком уровне освещения, и усилителем света

1 - источник излучения; 2 - образец для контроля; 3 - сцинтилляторы; 4 - фотоумножитель; 5 - схема преобразователя; 6 - телевизионный монитор

Рисунок ДГ.7 - Система радиоскопии со сцинтилляторной матрицей и с телевизионным отображением данных

Примечание - Сцинтилляторная матрица может быть двумерной или линейной. В последнем случае для выполнения сканирования требуется относительное перемещение. В некоторых случаях возможно сведение рентгеновского луча в пучок.

1 - источник излучения; 2 - образец для контроля; 3 - преобразователь; 4 - преобразование рентгеновского излучения в свет; 5 - преобразование света в электроны; 6 - видимый свет; 7 - электроны; 8 - преобразование электронов в свет; 9 - вакуумная камера; 10 - оператор с оптической системой или телевизионной камерой/телевизионной камерой, работающей при низком уровне освещения

Рисунок ДГ.8 - Система радиоскопии с усилителем рентгеновского изображения

1 - источник излучения; 2 - образец для контроля; 3 - полупроводниковая (диодная) матрица; 4 - схема преобразователя; 5 - телевизионный монитор

Рисунок ДГ.9 - Система радиоскопии с полупроводниковой (диодной) матрицей

Примечание - Полупроводниковая (диодная) матрица может быть двумерной или линейной. В последнем случае для выполнения сканирования требуется относительное перемещение.

1 - источник излучения; 2 - образец для контроля; 3 - флуоресцентный фосфорный экран; 4 - полупроводниковая (диодная) матрица; 5 - схема преобразователя; 6 - телевизионный монитор

Рисунок ДГ.10 - Система радиоскопии с полупроводниковой (диодной) матрицей и флуоресцентным фосфорным экраном

Примечание - На границах раздела между флуоресцентным фосфорным экраном и полупроводниковой (диодной) матрицей может использоваться геометрическая или волоконная оптика.

1 - источник излучения; 2 - образец для контроля; 3 - круглый щит; 4 - телевизионная передающая трубка типа видикон; 5 - телевизионный монитор

Рисунок ДГ.11 - Система радиоскопии с телевизионной передающей трубкой типа видикон, чувствительной к рентгеновскому излучению

1 - источник излучения; 2 - образец для контроля; 3 - флуоресцентный фосфорный экран; 4 - геометрическая или волоконная оптика; 5 - микроканальная пластина; 6 - катодолюминесцентный экран; 7 - волоконная оптика; 8 - оптическая линза; 9 - телевизионная камера/телевизионная камера, работающая при низком уровне освещения

Рисунок ДГ.12 - Система радиоскопии с микроканальными пластинами

1 - сцинтиллятор; 2 - фотоумножитель; 3 - образец для контроля; 4 - вращающийся диск с прорезью; 5 - источник рентгеновского излучения

Рисунок ДГ.13 - Система радиоскопии со сканирующим устройством с бегущим лучом

ДГ.4 Источники излучения

ДГ.4.1 Общие сведения

ДГ.4.1.1 Источниками излучения являются рентгеновские установки и радиоактивные изотопы. Получаемые уровни энергии - от нескольких кэВ до 32 МэВ. Основным источником излучения являются рентгеновские установки. Для создания энергии излучения до 420 кэВ используют генераторы рентгеновских лучей. Для создания энергии излучения от 1 МэВ и выше используют генераторы Ван-де-Граафа и линейный ускоритель. Источники высокой энергии с большим потоком позволяют проводить контроль образцов большей толщины в режиме реального времени.

ДГ.4.1.2 Радиоактивные изотопы, пригодные для практического использования, имеют энергию от 84 кэВ ( ¹⁷⁰Тm) до 1,25 МэВ ( ⁶⁰Со). С учетом высокой удельной активности эти источники применяются в случаях, когда их мобильность и простота в эксплуатации могут представлять значительное преимущество.

ДГ.4.1.3 Факторы, которые необходимо учитывать при выборе источника излучения, следующие:

- энергия излучения;

- фокусная геометрия;

- цикл нагрузки;

- форма волны;

- период полураспада;

- выходная мощность излучения.

ДГ.4.2 Выбор источника излучения

ДГ.4.2.1 Источники излучения низкой энергии

Выбор источника излучения зависит от образца для контроля, его массы, толщины и необходимой скорости контроля. Если требуемый диапазон энергии не превышает 420 кэВ, рентгеновские установки имеют регулируемый диапазон энергии. Например, установки с энергией излучения до 50 кэВ могут работать с энергией всего в несколько кэВ, установки с энергией излучения до 160 кэВ - с 20 кэВ, а установки с энергией излучения до 420 кэВ - с 85 кэВ.

ДГ.4.2.2 Источники излучения высокой энергии

Повышенная эффективность образования рентгеновских лучей при более высоких ускорительных потенциалах позволяет получить более плотный поток излучения и, следовательно, контролировать образцы большей толщины. Излучения высокой энергии дают менее контрастное изображение, поэтому минимальная толщина образца для контроля должна быть не менее 3/2 толщины отдельного слоя образца для контроля. Максимальная толщина образца для контроля может составлять до пятикратной толщины слоя.

ДГ.4.3 Геометрические параметры источника излучения

ДГ.4.3.1 Геометрические параметры источника излучения зависят от значений нерезкости детектора излучения, которые находятся в пределах от 0,5 до 0,75 мм.

ДГ.4.3.2 При использовании небольших по размеру источников излучения расстояние от образца для контроля до детектора должно быть маленьким. На таких расстояниях подбирают детекторы с малой величиной нерезкости. Если необходимо провести оценку изотопов для радиоскопических систем, следует выбирать изотопы с наибольшей удельной активностью.

ДГ.4.4 Требования к номинальным параметрам источников излучения

ДГ.4.4.1 Рентгеновское оборудование должно бесперебойно работать в течение длительного периода времени. Обычно используют установки с жидкостным охлаждением.

ДГ.4.4.2 Форма волны рентгеновских установок мощностью до 420 кэВ - двухполупериодная волна постоянного напряжения. Установки с двухполупериодовой волной дают 120 импульсов в секунду, что характеризуется пересекающимися линиями на мониторе. Аналогично источники излучения с высокой энергией, способные работать с частотой до 300 импульсов в секунду, дают пересекающиеся линии на мониторе. Количество этих линий можно свести к минимуму за счет особенностей конструкции систем, работающих в режиме реального времени.

ДГ.4.4.3 Для контроля стационарных или медленно движущихся объектов предпочтительны источники излучения с высокой энергией и с продолжительным рабочим циклом.

ДГ.5 Устройства формирования изображения

ДГ.5.1 Устройство формирования изображения преобразует поток рентгеновских лучей в оптический или электронный сигнал.

При прохождении фотонов рентгеновских лучей сквозь образец для контроля их энергия снижается. При низком и среднем уровне энергии это снижение вызывается, в первую очередь, фотоэлектрическим поглощением, или эффектом Комптона. При высоком уровне энергии рассеивание вызывается образованием электронно-дырочной пары (свыше 1 МэВ) и фотоядерными реакциями (при примерно 11,5 МэВ). В результате снижения энергии меняется характер поля потока в сечении рентгеновского луча. Чаще всего встречаются вариации плотности фотонного потока и энергии, вызываемые фотоэлектрическим поглощением и эффектом Комптона.

Анализируя это поле потока, можно делать выводы о составе образца для контроля, поскольку ослабление энергии зависит от количества атомов, с которыми сталкивается исходный рентгеновский луч, и их атомного номера.

ДГ.5.2 Выбор устройства формирования изображения зависит от его компонентов по ДГ.5.3 - ДГ.5.4 и от физических факторов по ДГ.5.5.

ДГ.5.3 Поле обзора устройства для формирования изображения, его разрешение и динамический диапазон взаимосвязаны. Разрешение детектора фиксируется его физическими характеристиками, поэтому, если рентгеновское изображение проецируется в полном размере (плоскости образца для контроля и изображения совпадают), результирующее разрешение будет равно разрешению детектора. Когда разрешение детектора становится лимитирующим фактором, образец для контроля можно отодвинуть от детектора к источнику, чтобы увеличить проецируемое изображение. С увеличением размера изображения уменьшается контрастность и площадь образца, отображаемого на детекторе. Следовательно, уменьшается площадь, которую можно обследовать за единицу времени. Рентгеновское увеличение не должно превышать пятикратного размера, кроме случаев, когда используются источники рентгеновского излучения с очень малыми (микрофокусными) анодами. В таких случаях увеличение может достигать от десятикратного до двадцатикратного порядка. Наиболее часто используется увеличение от 1,2 до 1,5 раза.

ДГ.5.4 Чувствительность устройства формирования изображения определяется как способность реагировать на изменение потока излучения для отображения исследуемых областей образца для контроля. Разрешение рентгеновского устройства является удовлетворительным, если детектор способен отображать изменения оптической плотности изображения от 1 % до 2 %. Рассеянные рентгеновские лучи снижают чувствительность и разрешение системы. Тщательная фильтрация и сведение рентгеновского луча, контроль обратного рассеивания, надлежащее использование светопоглощающих материалов улучшают качество радиоскопии.

ДГ.5.5 Выбор устройства формирования изображений зависит от следующих физических факторов:

- условий окружающей среды, например экстремальные значения температуры и влажности, наличие сильных магнитных полей вблизи усилителей изображения и телекамер, наличие пыли и паров, содержащих нагар и масло;

- надежности системы;

- простоты настройки устройства;

- среднего времени наработки на отказ;

- простоты и стоимости технического обслуживания;

- размеров и массы его компонентов, а также механизмов позиционирования и перемещения.

ДГ.5.6 Устройства формирования изображения, преобразующие поток рентгеновских лучей в оптический сигнал

ДГ.5.6.1 Флуоресцентные фосфорные экраны

ДГ.5.6.1.1 Флуоресцентный фосфорный экран представляет собой слой фосфора, нанесенный на подходящую основу, с прозрачным защитным покрытием или крышкой. Используемые кристаллы обладают способностью поглощать фотоны рентгеновских лучей и повторно излучать часть поглощенной энергии в форме видимого света. Количество света, получаемое при заданном входящем потоке рентгеновских лучей, называется яркостью (свечением) экрана. Количество световых фотонов, излучаемых за один контроль, называется коэффициентом преобразования. Разрешение - это способность отображать мелкие детали (для высококонтрастных объектов), а контрастность - обнаруживаемое видимое различие в яркости при заданном изменении входного потока. Для определения этих показателей используются эталоны чувствительности. Большинство видов фосфора, применяемых при изготовлении экранов, обладают ограниченной способностью передавать излучаемый ими свет без рассеивания или рефракции из-за своих размеров, формы, покрытий и иных факторов и не являются истинно прозрачными. Свет, испускаемый нижними слоями, искажается при прохождении через верхние слои. Более толстые фосфорные покрытия, которые обладают большей способностью к поглощению рентгеновских лучей и, соответственно, производят больше света, дают более яркое изображение с меньшим разрешением по сравнению с более тонкими экранами из того же материала.

ДГ.5.6.1.2 Контрастность изображения при использовании флуоресцентных фосфорных экранов снижается, если происходит рассеивание рентгеновских лучей.

ДГ.5.6.1.3 Флуоресцентные фосфорные экраны обладают инерционностью изображения, или остаточным свечением. Это является свойством фосфора и используемого активатора, поэтому может контролироваться производителем. Обычно она имеет порядок 10 ^-5 с для экранов из вольфрамата кальция (CaWO ₄) и 10 ^-2 с для сульфида цинка (ZnS). Экраны из редкоземельных металлов с использованием в качестве активаторов тербий (Tb ³) и европий (Eu ³⁺) имеют такую же инерционность.

ДГ.5.6.1.4 При использовании флуоресцентных фосфорных экранов существует два варианта просмотра изображения:

- прямой просмотр изображения через рентгенозащитное свинцовое стекло (см. рисунок ДГ.1);

- через оптику (зеркала или линзы или и то, и другое), что позволяет оператору располагаться в стороне от пути рентгеновских лучей или на определенном расстоянии (см. рисунок ДГ.2).

При плохом освещении могут использоваться усилители света (см. рисунки ДГ.3, ДГ.4).

ДГ.5.6.1.5 В наиболее современных системах используется телевизионная камера (см. рисунок ДГ.5). В таких системах неизбежна потеря качества исходного сигнала, однако удобство, возможность повышения яркости и осуществления манипуляций с электронным изображением компенсируют потерю качества. Используются различные типы телевизионных камер, включая те, что имеют встроенные усилители света (см. рисунок ДГ.6). Флуоресцентные фосфорные экраны надежны и долговечны, при надлежащем уходе срок их службы составляет несколько лет. Их не следует подвергать воздействию механических абразивов и высокой температуры. По мере снижения температуры их коэффициент преобразования повышается.

ДГ.5.6.2 Сцинтилляторы

ДГ.5.6.2.1 Под сцинтилляторами понимают оптически прозрачные кристаллы материалов, флуоресцирующих при облучении рентгеновскими лучами, испускающие короткие световые импульсы при поглощении каждого фотона. Практическое различие между флуоресцентными фосфорными и сцинтилляторными экранами состоит в том, что последние представляют собой оптически прозрачные и гомогенные монокристаллические слои и, как правило, значительно толще.

ДГ.5.6.2.2 Сцинтилляторы отличаются высокой эффективностью, особенно при высоком напряжении, по сравнению с флуоресцентными фосфорными экранами, отличным разрешением и контрастностью.

ДГ.5.6.2.3 Получаемый свет имеет спектральную характеристику в видимом диапазоне. Сцинтилляторы используются при энергии рентгеновских лучей до нескольких миллионов электрон-вольт. Они с помощью линз связаны с усилителем света или телевизионной камерой. В силу толщины кристалла в области возникновения света необходимы особые меры предосторожности при проектировании оптики. Необходим объектив с хорошей глубиной фокусировки, чтобы избежать размытия изображения по краям в сравнении с центром экрана. Основные используемые системы показаны на рисунках ДГ.5, ДГ.6.

ДГ.5.6.2.4 Разрешение (в парах линий на миллиметр) - это истинное разрешение экрана, но оно редко реализуется при телевизионном приеме изображения, поскольку разрешение телевизионной системы обычно является лимитирующим параметром. Если поле обзора менее 25,4 мм, можно реализовать экранное разрешение. Использование усилителей света ведет к падению разрешения и контрастности. При низком напряжении следует использовать более тонкие экраны для получения оптимальной контрастности и разрешения. Распространение света от каждой точки поглощения рентгеновских фотонов снижается в более тонких экранах, что повышает контрастность и разрешение. Этот эффект более заметен по краям большого поля, но также зависит и от используемой оптики.

ДГ.5.6.2.5 Сцинтилляторы обычно заключены в круглые металлические рамы с прозрачными для рентгеновских лучей крышками или окнами со стороны источника, а также окошком с толстым оптическим стеклом со стороны наблюдения. Общая толщина набора составляет 25,4 мм.

ДГ.5.6.2.6 Сцинтилляторы должны быть защищены от экстремальных температур, резких скачков температуры и механических воздействий. Некоторые сцинтилляторы (например, на основе иодида натрия) гигроскопичны и должны быть герметичными.

ДГ.5.6.2.7 В некоторых случаях используются матрицы из сцинтилляторных кристаллов меньшего размера, особенно там, где разрешение не имеет критически важного значения, но требуется высокая чувствительность. Наиболее распространенный пример - контроль багажа (см. рисунок ДГ.7).

ДГ.5.6.3 Усилитель изображения

ДГ.5.6.3.1 Основные свойства усилителя изображения приведены в таблице ДГ.2. Основной процесс преобразования - флуоресценция, в котором флуоресцентный экран контактно соединен с фотокатодом, находящимся внутри вакуумного корпуса. При этом высвободившиеся фотоэлектроны ускоряются и фокусируются на гораздо меньшем выходном фосфорном участке, на котором образуется яркое видимое изображение, обычно в 10 000 и более раз ярче, чем на входном фосфоре (см. рисунок ДГ.8). Усилители изображения чувствительны к воздействию магнитных полей, которые искривляют внутренние траектории электронов, вызывая расфокусировку и искажение изображения.

Таблица ДГ.2 - Основные свойства типового усилителя изображения

Свойство	Показатель
Увеличение яркости (по сравнению со стандартным экраном, облучаемым аналогичным рентгеновским потоком)	1000 и более
Лимитирующее разрешение	5 пар линий на мм
Контрастная чувствительность	2 %
Модуляция для разрешения в 2 пары линий на мм	50 %
Контраст на большой площади (это соотношение яркости изображения при наличии и отсутствии свинцовой маски, закрывающей центральные 10 % входной зоны)	12:1
Оптимальное кэВ (имеется около 20 % потери четкости к краю при 70 кэВ и 120 кэВ)	900 кэВ
Геометрическое искажение по краям (по сравнению с центром изображения)	25 %
Падение яркости по краям (по сравнению с центром изображения)	20 %

ДГ.5.6.3.2 Трубка усилителя изображения состоит из большого стеклянного корпуса, из которого откачан воздух, с диаметром рентгеновского входа 152, 230 или 305 мм, который заключен в металлический корпус с подведенным питанием высокого напряжения. Выходной конец трубки обычно рассчитан на оптическое соединение с телевизионной камерой для снятия изображения.

ДГ.5.6.3.3 В трубках усилителя изображения имеется входной экран специальной конструкции из C _SI(TI) толщиной примерно 0,254 мм, оптически связанный (обычно посредством испарения) с фотокатодом. Сформированное распределение электронов ускоряется и фокусируется на выходном фосфорном экране малого диаметра (около 13 мм) на другом конце трубки, изготовленного из мелкозернистого кристаллического сульфида цинка (ZnS). Поскольку электронное изображение уменьшается почти в 18 раз, геометрическое усиление составляет более 320. Энергия фотоэлектронов увеличивается примерно на 30 кэВ за счет напряжения, поданного на трубку. Каждый из ускоренных электронов порождает около 100 видимых фотонов, что дает очень яркое видимое светящееся изображение на выходном фосфорном экране, что позволяет считывать это изображение сравнительно недорогой и простой телевизионной камерой. Она может быть сопряжена с системой релейных объективов или непосредственно с оптоволоконными лицевыми панелями.

ДГ.5.7 Устройства формирования изображения, преобразующие поток рентгеновских лучей в электронный сигнал

ДГ.5.7.1 Полупроводниковая матрица

ДГ.5.7.1.1 Система радиоскопии с использованием полупроводниковой матрицы приведена на рисунке ДГ.9.

Расстояние между активными элементами полупроводниковых матриц очень мало (около 0,025 мм), а максимальный размер обычно связан с ограничениями роста кристаллов кремния (максимальный диаметр составляет около 100 мм) и проблемами, связанными с контролем качества. Размер линейной или двумерной матрицы не превышает 25 мм. Имеются схемы, позволяющие сканировать отдельные детекторы в матрицах и передавать видеосигнал на телевизионный монитор. При использовании флуоресцентного фосфорного экрана совместно с полупроводниковой матрицей экраны можно связать с матрицами посредством линз или оптико-волоконных кабелей. Оптические волокна позволяют как увеличивать, так и уменьшать изображение. Если используемый флуоресцентный фосфорный экран намного больше полупроводниковой матрицы, требуется соединение с помощью линз (см. рисунки ДГ.9, ДГ.10).

ДГ.5.7.1.2 Поскольку полупроводниковая матрица представляет собой совокупность определенного количества отдельных детекторов, это количество детекторов и определяет общее разрешение системы. Для линейной полупроводниковой матрицы, состоящей из 1024 детекторов (диодов), отстоящих друг от друга на 0,025 мм и непосредственно воспринимающих рентгеновские лучи, разрешение в этом направлении составит 25 пар линий на мм. Разрешение в другом направлении будет зависеть от скорости сканирования и при использовании флуоресцентного фосфорного экрана будет равно произведению 0,025 мм на длину экрана. Фактическая характеристика будет ниже за счет оптических потерь. Перекрестная наводка размывает края изображения. Рассеивание рентгеновских и световых лучей в сочетании с емкостным переключением уменьшают разрешение. Такие же характеристики относятся и к двумерным детекторам.

ДГ.5.7.1.3 Чувствительность детекторов полупроводниковой матрицы близка к чувствительности кремниевой трубки-мишени камеры видикон. Она примерно равна лм/м ².

ДГ.5.7.2 Изменение сопротивления полупроводников

ДГ.5.7.2.1 Примером такого устройства является телевизионная передающая трубка типа видикон, чувствительная к рентгеновским лучам (см. рисунок ДГ.11). Этот эффект достигается за счет использования облучаемого слоя оксида свинца в телевизионной передающей трубке типа видикон. Фронтальное стекло трубки должно быть прозрачным для рентгеновских лучей низкой энергии. Чаще всего используется бериллиевое фронтальное стекло.

ДГ.5.7.2.2 Чувствительная зона стандартной 25,4 мм телевизионной передающей трубки типа видикон имеет размеры 9,5 x 13 мм, поэтому поле обзора слишком мало. Некоторые трубки имеют большую площадь. Разрешение составляет от 0,025 до 0,05 мм. Разрешение до 0,013 мм можно получить для высококонтрастных изображений.

ДГ.5.7.2.3 Реакция слоя оксида свинца на фотоны рентгеновских лучей слабая, поскольку его толщина очень мала. Для создания изображений, пригодных для практического использования, необходим большой поток, поэтому требуемое напряжение превышает предпочтительное, что отрицательно сказывается на контрастности. Добиться контрастной чувствительности 2 % сложно.

ДГ.5.7.2.4 Сферой применения телевизионной передающей трубки типа видикон является создание изображений мелких объектов с высокой контрастностью (например, тонких металлических проводников, соединяющих чипы интегральных схем с разъемами в пластиковой упаковке). Считывание производится телевизионным монитором, а вся система относительно недорога.

ДГ.5.7.3 Микроканальные пластины

ДГ.5.7.3.1 Микроканальные пластины представляют собой тонкие (примерно 3 мм) пластины, изготовленные из большого количества стеклянных трубок малого диаметра (примерно 15 мкм), сплавленных стенками. Каждая трубка действует как электронный умножитель. Попадающий в один конец электрон под воздействием аксиально приложенного высокого напряжения ускоряется и отскакивает от стенок трубки, испуская более одного вторичного электрона. Каждый из них испускает еще несколько электронов при соударении со стенками трубки. В результате на каждый попавший в трубку электрон из другого конца трубки вылетает примерно 10 000 электронов. Можно последовательно использовать несколько пластин, что даст еще большее увеличение количества электронов. Эффективность обнаружения для рентгеновских фотонов составляет примерно 2 % при уровне энергии до 420 кэВ.

ДГ.5.7.3.2 Разрешение зависит от "размера пор" и межцентрового расстояния трубок. Имеются двухступенчатые микроканальные пластины с межцентровым расстоянием 32 мкм и диаметром 75 мм. Разрешение для таких моделей составляет 9 пар линий на мм. Имеются и другие модели с разрешением до 32 пар линий на мм.

ДГ.5.7.3.3 Микроканальные пластины должны работать в условиях вакуума, поэтому в корпусе должно иметься входное окно, прозрачное для рентгеновских лучей. Электроны, получаемые на выходном конце, должны преобразовываться в изображение, пригодное для использования. Обычно это достигается использованием экрана из сульфида цинка, который преобразует электроны в видимый свет.

ДГ.5.7.3.4 Эффективность микроканальных пластин при прямом рентгеновском облучении низка, поэтому изображение получается низкого качества. Добиться улучшения качества изображения можно, установив второй приемопередатчик перед микроканальной пластиной для преобразования рентгеновских лучей в электронное или ультрафиолетовое излучение (к которым пластина гораздо более чувствительна).

ДГ.5.8 Комбинация устройств формирования изображения

ДГ.5.8.1 Такие комбинации могут быть как простыми - установка большой увеличительной линзы перед флуоресцентным фосфорным экраном - так и сложными системами, сочетающими в себе современную аппаратную часть из полупроводниковой электронной оптики и ядерной физики.

ДГ.5.8.2 При комбинации устройств создания изображения необходимо учитывать следующие факторы:

- подавление рассеянных рентгеновских лучей;

- подбор первого приемопередатчика (флуоресцентного фосфорного экрана и т.д.), соответствующего как энергии поступающих рентгеновских лучей, так и входным характеристикам следующего приемопередатчика;

- проектирование оптики для оптимизации функции моделирования переноса во всей системе и подавления рассеянного света;

- характеристики электроники должны быть линейными, стабильными и не содержащими шумов;

- если человек непосредственно наблюдает процесс, система должна быть адаптирована к физиологическим особенностям человеческого зрения;

- допускается использовать нелинейные приемопередатчики для получения существенного преимущества.

ДГ.5.8.3 Для улучшения качества изображения используются следующие методы:

- логарифмические усилители напряжения;

- преобразование изображения;

- черно-белое сжатие или расширение.

ДГ.6 Качество изображения

ДГ.6.1 Качество изображения определяется контрастностью и разрешением.

ДГ.6.2 Основы формирования изображения

ДГ.6.2.1 Контрастность является прямым результатом ослабления рентгеновских лучей при прохождении через образец для контроля. На рисунке ДГ.14 показано, как изменяется интенсивность рентгеновских лучей в зависимости от изменения толщины образца.

1 - рентгеновские лучи; 2 - образец для контроля; 3 - кривая интенсивности без нерезкости; 4 - кривая интенсивности с нерезкостью

Рисунок ДГ.14 - Поглощение рентгеновских лучей и нерезкость

Этот рисунок не учитывает влияние рассеивания, экранирования, электронных устройств и т.д. На основании уравнения ослабления интенсивность можно выразить по следующей формуле

.

(ДГ.1)

Взяв производную и подставив I, получаем

.

(ДГ.2)

Отношение I/I считают контрастностью образца для контроля.

ДГ.6.2.2 Нерезкость, вызываемая рассеиванием, геометрическими параметрами и свойствами экрана (детектора), уменьшает контрастность и затрудняет обнаружение граней. На рисунке ДГ.14 показано, как нерезкость влияет на интенсивность, когда изображение резкой грани размывается. Если размер нерезкой зоны значительно меньше размера пустоты (рисунок ДГ.15), контрастность не снижается, и границы изображения легко обнаруживаются. Если размер пустоты меньше размера нерезкой зоны, контрастность снижается. Размер нерезкой зоны может быть столь велик, что изображение пустоты не будет обнаружено.

1 - рентгеновские лучи; 2 - образец для контроля; 3 - полная контрастность; 4 - сниженная контрастность

Рисунок ДГ.15 - Влияние геометрической нерезкости на контрастность изображения

ДГ.6.2.3 На рисунке ДГ.16 показан метод Классена для определения нерезкости по полученному графику.

Рисунок ДГ.16 - Метод Классена

ДГ.6.2.4 Общую нерезкость U _T вычисляют по следующей формуле

,

(ДГ.3)

где - геометрическая нерезкость;

- нерезкость экрана.

ДГ.6.2.5 Модуляционно-передаточная функция

ДГ.6.2.5.1 Одним из способов оценки системы является измерение модуляционно-передаточной функции (MTF). Это изменение контрастности в зависимости от разрешения. График двух переменных дает кривую, представляющую частотную реакцию системы, что позволяет сравнивать различные возможные системы. Типичный график MTF представлен на рисунке ДГ.17, где при низком разрешении контрастность достигает 100 %, а с ростом разрешения падает.

Рисунок ДГ.17 - Типичный график MTF

ДГ.6.2.5.2 Существует несколько методик получения MTF. В некоторых из них используется непосредственное измерение образца для контроля, в других - получение функции рассеяния точки и ее математической изогнутости с синусоидальной функцией, что позволяет получить кривую MTF.

ДГ.6.3 Геометрические факторы

ДГ.6.3.1 Препятствием для реализации систем, работающих в режиме реального времени, является большой размер зерна экрана, т.е. конструктивная проблема. Для решения этой проблемы минимизируют увеличение проекции рентгеновских лучей. Графически увеличение проекции рентгеновских лучей показано на рисунке ДГ.18, а, где коэффициент увеличения V определяется по формуле

,

(ДГ.4)

где b - расстояние от фокуса до образца для контроля;

а - расстояние от образца для контроля до экрана.

а) Увеличение проекции рентгеновских лучей

b) Нерезкость, вызванная геометрическими параметрами U _g

с) Ограничивающее условие для теневого изображения

Ф - ширина фокусного пятна; U _g - ширина изображения с полутеневым размытием; Х = d = ширина дефекта - образец для контроля

Рисунок ДГ.18 - Схемы проекции рентгеновских лучей

ДГ.6.3.2 Изображение с полутеневым размытием с учетом конечных размеров фокусного пятна Ф определяется как нерезкость геометрических параметров U _g, что показано на рисунке ДГ.18, b

,

(ДГ.5)

или

.

(ДГ.6)

ДГ.6.3.3 Изображения с полутеневым размытием не являются достоверными. Граничный случай для теневого изображения показан на рисунке 18, с, что может быть записано следующим образом

,

(ДГ.7)

где d - ширина дефекта образца для контроля.

ДГ.6.3.4 Произведение ширины дефекта образца для контроля d и коэффициента увеличения V должно быть больше или равно нерезкости, возникающей в силу конструкции флуоресцентного экрана.

ДГ.6.3.5 Из выражений ДГ.3 - ДГ.5 получаем, что ширина дефекта образца для контроля определяется по следующей формуле

.

(ДГ.8)

Записав это выражение в безразмерной форме, получаем

.

(ДГ.9)

ДГ.6.3.6 Эта взаимосвязь графически показана на рисунке ДГ.19. Соотношение d/U _s построено как функция коэффициента увеличения проекции V для различных соотношений Ф/U _s. Интерпретация рисунка ДГ.19 упрощается при допущении, что нерезкость флуоресцентного экрана равна 1,0 мм. В этом случае минимальный размер наблюдаемой неоднородности в миллиметрах представляется как функция от увеличения размеров фокусного пятна Ф в миллиметрах. Для фокусного пятна шириной 2 мм имеется небольшое практическое преимущество, получаемое при увеличении; пиковое улучшение 22 % при увеличении 1,3 утрачивается при увеличении 1,7 и более.

ДГ.6.3.7 При размере фокусного пятна 1 мм пиковое улучшение 59 % наступает при коэффициенте увеличения 2. При коэффициенте увеличения от 1,5 до 3 улучшение составляет не менее 43 %. При размере фокусного пятна 0,5 мм пиковое улучшение составит 142 % при коэффициенте увеличения 3,8; при коэффициенте увеличения 2 и более улучшение будет составлять 100 % или более.

Рисунок ДГ.19 - График дефектов

ДГ.6.3.8 Оптимальный коэффициент увеличения V _m определяется по формуле

.

(ДГ.10)

Наименьшая наблюдаемая ширина дефекта образца для контроля d _m определяется по формуле

.

(ДГ.11)

ДГ.6.4 Рассеивание рентгеновских лучей

ДГ.6.4.1 При прохождении рентгеновских лучей через образец для контроля часть излучения поглощается, часть рассеивается, а часть проходит напрямую. Электроны атомов, из которых состоит образец для контроля, рассеивают излучение во всех направлениях. Рассеянные лучи обладают меньшей энергией и проникающей способностью, чем исходные. Величина рассеивания зависит от материала и от интенсивности исходного луча, и определяется следующей формулой

,

(ДГ.12)

где K - коэффициент рассеивания;

I - интенсивность первичного луча.

ДГ.6.4.2 Для уменьшения рассеивания необходимо выполнить следующее:

- использовать маски или экраны для ограничения поступления рентгеновских лучей в зону исследования;

- обеспечить защиту от обратного рассеивания и рассеивания внешними объектами, поместив трубку или экран в экранированное место;

- использовать фильтры для устранения низкоэнергетического рассеивания.

ДГ.6.5 Эталоны чувствительности

ДГ.6.5.1 К радиоскопическим системам применимы те же эталоны чувствительности, что и к пленочной радиографии. Поскольку разрешение радиоскопических систем ограничено, большее внимание уделяется системам измерения разрешения. Поэтому во многих системах требуется несколько устройств, например, эталон чувствительности и проволочная сетка, для обеспечения требуемого качества изображения.

ДГ.6.5.2 Пластинчатый эталон чувствительности описан в ASTM 1025 ¹⁾. Он состоит из пластины стремя отверстиями, диаметры которых равны 1, 2 и 4 от толщины эталона чувствительности (1Т, 2Т и 4Т). Минимальная толщина пластины составляет 0,127 мм, а минимальные диаметры отверстий - 0,25, 0,5 и 1 мм для отверстий 1Т, 2Т и 4Т. В большинстве нормативных документов требуется обнаружение отверстия 2Т в пластине, которое составляет 2 % толщины образца.

------------------------------

¹⁾_{Положения ASTM Е1025, устанавливающие требования к пластинчатым эталонам чувствительности, приведены в 5.2.2.3.}

------------------------------

ДГ.6.5.3 Проволочный эталон чувствительности состоит из набора калиброванных проволок, диаметр которых последовательно увеличивается в 1,26 раза. Видимость основной проволоки определяет видимость системы. Самая тонкая проволока имеет диаметр 0,127 мм, что ограничивает применение для тонких образов для контроля. Поскольку проволока имеет круглое сечение, ее положение не влияет на результат.

ДГ.6.5.4 Двойной проволочный эталон чувствительности состоит из параллельных пар проволок высокой плотности, расстояние между проволоками в паре равно диаметру проволоки. Он используется для измерения общей радиоскопической нерезкости. Диаметр последовательных пар проволок отличается в 1,26 раза. Видимость пространства между проволоками используется как критерий определения нерезкости. Таким образом, нерезкость определяет диаметр пары проволоки, в которой просвет уже не наблюдается. Этот эталон чувствительности дает удовлетворительные результаты при уровне энергии менее 400 кэВ.

ДГ.7 Устройства отображения

ДГ.7.1 Общие положения

ДГ.7.1.1 Обычно в радиоскопических системах используются графические дисплеи. Дисплей должен иметь достаточные размеры, цветовую гамму, яркость, контрастность и разрешение, чтобы соответствовать минимальным уровням чувствительности эталонов чувствительности. Например, чувствительность 4-2-Т может быть приемлемой для движущегося образца, однако для контроля неподвижного образца требуется более высокая чувствительность 2-2-Т. Поэтому дисплей следует выбирать с учетом как динамических, так и статических характеристик. Одним из параметров является послесвечение или инерционность изображения. Послесвечение увеличивает контрастность статических изображений, однако вызывает размазывание и потерю разрешения динамических изображений. Послесвечение также характерно для телевизионных камер и экранов, и при низкой освещенности может быть заметно. Небольшое послесвечение неизбежно, однако его необходимо сводить к минимуму. Цвет флуоресцентных экранов рассчитан так, что пик приходится на область максимальной чувствительности глаз, примерно 550 нм. Это важно при прямом просмотре флуоресцентных экранов с очень малой светоотдачей. Размер, контрастность и разрешение изображения взаимосвязаны. В большинстве случаев коэффициент увеличения изображения (в зависимости от фактических размеров изделия) составляет от 1,2 до 1,5. Увеличение изображения также важно в динамических системах, где кажущаяся скорость увеличивается прямо пропорционально коэффициенту увеличения, что требует соответствующего увеличения поля обзора или скорости реакции оператора.

ДГ.7.2 Непосредственное наблюдение

ДГ.7.2.1 Радиоскопическое изображение можно просматривать напрямую или через подходящую оптическую систему. При минимизации освещения и достаточной адаптации к темноте стабильная контрастная чувствительность на большой площади может достигать при уровне освещения более 2,5 мЛб. При освещенности ниже 2,5 мЛб чувствительность глаза уменьшается примерно вдвое на каждую 0,1 единицы освещенности. Яркость флуоресцентных экранов высокого разрешения имеет порядок 0,1 мЛб, а их чувствительность по стали находится в пределах от 5 % до 10 %. Современные усилители изображения имеют приращение яркости 10 000 раз и более. При использовании усилителей изображения чувствительность 2 % достигается в обычных производственных условиях.

ДГ.7.2.2 В системах просмотра радиоскопических изображений с непосредственным наблюдением используются линзы, зеркала, смотровые экраны из свинцового и матового стекла для защиты от радиации и переноса итогового изображения с линии прохождения передаваемого и рассеянного излучения. Оптические системы способны также обеспечить увеличение для оптимизации размера изображения. Типовые оптические системы включают в себя экраны из свинцового стекла, плоские или криволинейные зеркала, рефракционную оптику или комбинации указанных устройств.

ДГ.7.3 Электронные дисплеи

ДГ.7.3.1 Формирование изображения может осуществляться как в режиме реального времени, так и с использованием сохраненных видео изображений, цифровых матриц или многоцветных дисплеев, на которых возможно выделение дефектов цветом.

ДГ.7.3.2 Телевидение используется для представления оператору радиоскопического изображения с помощью телевизионного монитора. Использование телевизионного монитора имеет несколько преимуществ:

- передача изображения в удаленное место для защиты от радиации и улучшения условий просмотра;

- повышение яркости изображения до уровня, на котором улучшается восприятие визуального контраста, снижаются требования к адаптации в темноте и ограничения по освещению;

- изменение коэффициента контрастности системы для повышения контрастной чувствительности;

- создание нескольких удаленных изображений с различными характеристиками на базе одного и того же входного изображения путем электронной обработки;

- электронная обработка сигнала изображения для увеличения изображения в режиме реального времени;

- электронная обработка сигнала изображения для обеспечения функции распознавания распределения, часто связанной с технологиями компьютерной обработки.

ДГ.7.3.3 В телевизионных системах используются различные типы камер, каждая из которых имеет различные характеристики чувствительности, разрешения, контрастности, задержки, диапазона уровня освещения, расплывания изображения, необходимой защиты от радиации, шумов, спектральной реакции и сложности. Выбор нужного типа зависит от ограничений, накладываемых проектом системы. Используют следующие наиболее распространенные типы телевизионных камер:

- видиконы, особенно плюмбиконы или кремниконы, используются при более высоких уровнях освещенности (около 0,1076 лм/м ²) и обычно подключаются к усилителям рентгеновского изображения. Отличительными характеристиками видикона является простота, прочность и небольшие размеры. Область обзора аналогична 16 мм = фотографическому кадру. Они просты в настройке и стабильны. Динамический диапазон плюмбикона составляет примерно 200:1 против 70:1 у видикона, благодаря чему он может работать в более разнообразных условиях освещенности;

- видиконы со вторично-электронным умножителем (SEC) используются для усиления отраженного от мишени луча. Принцип их работы аналогичен изоконам, они менее сложны, но имеют большую задержку и нуждаются в специальной защитной цепи для защиты от разрушения мишени от перегрузки. Используются в основном при низком уровне освещения для работ с малой контрастностью, до лм/м ²;

- ортиконы и изоконы - это трубки с отраженным лучом и встроенными электронными умножителями. Ортиконы используются при уровне освещенности около лм/м ², а изоконы - при лм/м ². Изокон обладает наилучшими шумовыми характеристиками и разрешением среди всех трубок при низком уровне освещенности, однако плохо работает с движущимися изображениями и очень сложен. Ортиконы и изоконы обладают малой вероятностью повреждения мишени при перегрузке. Ортиконы и изоконы нуждаются в тщательной регулировке для обеспечения оптимальной работы. Оба типа камер чувствительны к температуре и должны эксплуатироваться в стабильных условиях. Динамический диапазон изокона составляет примерно 1000:1.

ДГ.7.3.4 Телевизионные камеры, чувствительные к рентгеновским лучам

Существует несколько разновидностей телекамер, способных непосредственно воспринимать рентгеновские лучи и не требующих дополнительных преобразователей и оптики. Наиболее распространенным типом являются видиконы; при низких уровнях энергии в качестве входного окна видикона используется бериллиевое стекло. Они используются в основном для исследования электронных компонентов и материалов с малой плотностью.

ДГ.7.3.5 Концепции телевизионных дисплеев

ДГ.7.3.5.1 Расстояние просмотра для телевизионного монитора определяется как расстояние, с которого два элемента изображения распознаются как отдельные объекты. Для традиционного телевизионного разрешения 525 строк это расстояние примерно равно четырехкратной высоте изображения, и обычно считается, что для рассмотрения важных деталей без излишнего напряжения подходит расстояние от четырех до восьми высот изображения.

ДГ.7.3.5.2 Формат телевизионного сканирования можно модифицировать для повышения вероятности обнаружения некоторых видов дефектов.

ДГ.7.3.5.3 Разрешение телевизионного монитора по горизонтали и вертикали почти одинаково, и прочие параметры системы, такие как геометрическое увеличение и размер изображения, регулируются таким образом, чтобы полностью использовать возможности телевизионного разрешения. Размер пятна сканирования как на камере, так и на мониторе, должен быть мал по сравнению с минимальным выводимым размером.

ДГ.7.3.5.4 Монитор для просмотра необходимо расположить в помещении с приглушенным светом так, чтобы блики от лица не отражались в мониторе. Положение оператора относительно монитора, элементы управления и формы отчетности следует подбирать так, чтобы избежать ненужных движений и напряжения. Помещение для оператора должно быть надежно защищено от радиации, снабжено кондиционером и иметь окно достаточной площади для наблюдения за обстановкой вокруг контрольного аппарата.

ДГ.7.4 Запись изображения

ДГ.7.4.1 Фотозапись

Можно делать фотографии как непосредственно наблюдаемого, так и удаленного телевизионного изображения, отрегулировав параметры съемки для высокого уровня. Перед детектором можно вставлять рентгеновскую пленку для получения рентгеновских фотографий. Типовые настройки должны включать в себя средства, позволяющие определить номер пленки, место и дату. Чувствительность и качество статической фотографии обычно превышает аналогичные характеристики презентации в реальном времени из-за интеграции пленки и кривой соотношения диаграммы пленки (коэффициента контрастности).

ДГ.7.4.2 Аналоговая видеозапись

Системы, в которых используется телевизионная камера, можно подключать к аналоговым видеомагнитофонам для записи электронных сигналов изображений, как статических, так и динамических. Качество видеозаписи зависит от относительных полос пропускания частот телевизионной системы и видеомагнитофона. При записи статических изображений использование видеографического терминала для сохранения изображения, передающего телевизионный сигнал, совместно с результатами медленного сканирования на магнитофон, может значительно улучшить качество записи. Идентификационные данные записи можно наложить на электронный сигнал или записать в отдельный канал.

ДГ.7.4.3 Цифровая видеозапись

В системах с применением цифровых технологий преобразования можно использовать цифровую видеозапись для сохранения больших объемов визуальной информации. Многие системы создают цифровые изображения в виде матриц элементов изображения или "пикселей". Цифровой формат хорошо подходит для компьютерного отображения, считывания, анализа и хранения. Цифровая запись может храниться на магнитной ленте десять и более лет без ухудшения качества; она совместима с системами лазерной записи, которые обладают еще большими возможностями хранения и сроком службы.

ДГ.7.4.4 Другие технологии записи

Имеются электронные интерфейсы для телевизионных систем, позволяющие создавать бумажные фотографии посредством медленного сканирования статических сцен. Аналогичные бумажные фотографии могут создаваться компьютерными системами. Эти изображения имеют отличную шкалу полутонов и разрешение.