Поліпшення параметрів рентгеноскопічних систем неруйнівного контролю на основі електронно-променевих приладів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Поліпшення параметрів рентгеноскопічних систем неруйнівного контролю на основі електронно-променевих приладів

05.27.02 - Вакуумна, плазмова та квантова електроніка

Михайлов Сергій Ростиславович

Київ 2004

Дисертація є рукопис

Робота виконана в Національному технічному університеті України

"Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України на кафедрі електронних приладів та пристроїв

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Денбновецький Станіслав Володимирович,

Національний технічний університет України "КПІ",

завідувач кафедри електронних приладів та пристроїв

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Воронов Сергій Олександрович,

Національний технічний університет України "КПІ", завідувач кафедри технічної фізики НТУУ "КПІ"

кандидат технічних наук

Дзюба Валентин Павлович,

Державне підприємство "Завод Генератор" Міністерства промислової політики України, м. Київ, головний інженер

Провідна установа: Інститут фізики Національної Академії Наук України, відділ газової електроніки

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасний етап розвитку промислового виробництва обумовлює підвищення вимог до якості і надійності промислової продукції різних галузей народного господарства. Необхідні якість і надійність продукції можуть бути забезпечені за умови застосування ефективних методів та засобів неруйнівного контролю якості матеріалів та виробів. Серед методів неруйнівного контролю значне місце займає контроль за допомогою рентгенівського випромінювання. При рентгенівському контролі найбільш поширені рентгенографія з використанням рентгенівської плівки та рентгеноскопія, яка проводиться за допомогою рентгеноскопічних систем (РСС), більшість з яких побудована на основі передавальних електронно-променевих приладів (ЕПП) рентгенівського та оптичного діапазонів випромінювання. Такі системи дозволяють значно підвищити продуктивність та знизити собівартість контролю, поліпшити якість рентгенівських зображень за рахунок використання аналогових і цифрових методів обробки зображень. Незважаючи на низку суттєвих переваг, РСС по основних рентгенотехнічних параметрах (відносна чутливість контролю, діапазон товщин контрольованих об'єктів) поступаються методу рентгенографії на плівку. Одним з головних факторів, що перешкоджає поліпшенню цих параметрів, є обмежений і нерегульований час накопичення потенційного рельєфу на мішенях передавальних ЕПП, обумовлений періодом кадрової розгортки. Відповідно до цього найбільш ефективним способом поліпшення основних параметрів РСС є застосування в передавальних ЕПП режиму регульованої тривалості накопичення сигналів на мішені.

Однак ефективному застосуванню режиму регульованої тривалості накопичення в РСС перешкоджає низка невирішених проблем.

Відсутні теоретичні та эксперементальні дослідження перспективних ЕПП рентгенівського та оптичного діапазонів випромінювання і РСС на їх основі в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів і, відповідно, не визначені доцільні діапазони тривалостей накопичення сигналів, можливе підвищення відносної чутливості контролю, розширення діапазону контрольованих товщин об'єктів і зниження необхідної потужності експозиційної дози вхідного рентгенівського випромінювання в таких системах.

У рентгеноскопічних системах, які працюють в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів, не визначені залежності параметрів, що впливають на виявлення дефектів (відносної чутливості контролю, вихідного відношення сигнал/шум, просторової роздільної здатності) від тривалості накопичення, характеристик вхідного рентгенівського випромінювання, а також від параметрів і електричного режиму роботи ЕПП. Встановлення таких залежностей можливе за допомогою математичних моделей передавальних ЕПП рентгенівського й оптичного діапазонів випромінювання в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів, які до теперішнього часу достатньо не розроблені, а також за допомогою моделей формування пучка рентгенівського випромінювання і тіньового зображення контрольованого об'єкта.

Перераховані проблеми, розв'язання яких є актуальним як з наукової, так і з практичної точок зору, визначили мету даної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження по темі дисертаційної роботи проводилися на кафедрі електронних приладів та пристроїв Національного технічного університету України "КПІ" в рамках виконання НДР № ДР 01820090657, № ДР 01880008836 і № ДР 01860051795, а також у відповідності з Державними науково-технічними програмами 05.52 "Діагностичне забезпечення надійної й ефективної експлуатації енерго- і ресурсомістких машин" (проект 05.52.06/163-94 "Розробка портативних рентгеноскопічних систем для технічної діагностики") і 04.03 "Підвищення надійності і довговічності машин і конструкцій" (проект 04.03/05284 "Створення високочутливих рентгеноскопічних систем для неруйнівного контролю"), які виконувалися при безпосередній участі здобувача.

Мета і задачі роботи. Метою дисертаційної роботи є поліпшення параметрів рентгеноскопічних систем неруйнівного контролю на основі електронно-променевих приладів - відносної чутливості контролю і граничної товщини контрольованих об'єктів, за рахунок переведення електронно-променевих приладів в режим регульованої тривалості накопичення сигналів, що дозволить замінити неоперативний і дорогий рентгенографічний контроль з використанням рентгенівських плівок, які містять срібло, на рентгеноскопічний.

Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі:

розробка моделі процесу формування потоку рентгенівського випромінювання з урахуванням конструктивних параметрів та електричних режимів роботи рентгенівської трубки;

аналітичне дослідження змінювання параметрів потоку рентгенівського випромінювання при його проходженні через контрольований об'єкт та визначення закономірностей формування тіньового рентгенівського зображення типових дефектів зварних з'єднань з урахуванням параметрів потоку випромінювання, контрольованного об'єкта та його дефектів;

розробка математичних моделей перетворення сигналів в передавальних ЕПП рентгенівського та оптичного диапазонів випромінювання, працюючих в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів;

визначення залежностей параметрів, що впливають на виявлення дефектів (відносної чутливості контролю, вихідного відношення сигнал/шум, просторової роздільної здатності), від тривалості накопичення, характеристик вхідного рентгенівського випромінювання, а також від параметрів і електричного режиму роботи ЕПП;

дослідження основних параметрів перспективних передавальних ЕПП та РСС на їх основі в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів;

розробка алгоритмів настроювання і роботи РСС, що працюють у режимі регульованої тривалості накопичення сигналів.

Об'єктом досліджень в дисертаційній роботі є рентгеноскопічні системи на основі рентгеночутливих передавальних ЕПП (рентгеновідиконів), а також системи з рентгено-оптичними перетворювачами і передавальними ЕПП оптичного діапазону випромінювання.

Предметом досліджень є основні рентгенотехнічні параметри та характеристики рентгеноскопічних систем на основі передавальних ЕПП при їх роботі в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів.

Методи досліджень. Для розв'язання поставлених задач застосовувалися диференціальне та інтегральне числення, метод перетворення Фур'є, теорія апроксимації та інтерполяції функцій, числові методи розв'язання математичних задач на ЕОМ, аналітичне та натурне моделювання, комп'ютерні програмні засоби обчислення.

Наукова новизна одержаних результатів роботи:

запропонована фізико-топологічна модель рентгенівської трубки, яка враховує самопоглинання випромінювання матеріалом анода трубки, з більшою адекватністю, ніж існуючі моделі, описує процес генерації гальмівної складової рентгенівського випромінювання, і яка придатна для розрахунку енергетичних спектрів рентгенівського випромінювання на виході трубки;

удосконалена методика розрахунку параметрів рентгенівського випромінювання за контрольованим об'єктом, яка враховує форму спектра випромінювання та його змінювання при проходженні через об'єкт. Встановлені залежності форм сигналу та просторового спектра від дефектів типу пора та включення сферичної форми на вході РСС від параметрів рентгенівського випромінювання, параметрів дефектів та контрольованого об'єкта. Показано, що форма сигналу від таких дефектів змінюється в залежності від параметрів рентгенівського випромінювання відповідно від кругової до гаусової та від кругової до прямокутної;

вперше запропоновані математичні моделі перетворення сигналів в передавальних ЕПП рентгенівського та оптичного діапазонів випромінювання, працюючих в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів, які враховують параметри та електричний режим роботи ЕПП, а також параметри розгортки електронного променя;

вперше запропонована методика визначення оптимальних значень потужності експозиційної дози рентгенівського випромінювання на вході РСС на основі рентгеновідиконів (РВ), працюючих в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів, яка дозволяє для заданих типу матеріалу і товщини контрольованого об'єкта встановити однозначну відповідність між тривалістю накопичення та потужністю експозиційної дози, що забезпечує максимальне вихідне відношення сигнал/шум і найкраще виявлення дефектів;

вперше визначена залежність просторової роздільної здатності РСС на основі РВ, працюючих в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів, від тривалості накопичення, параметрів рентгенівського випромінювання та електричного режиму роботи РВ. Показано, що при переводі таких систем в режим регульованої тривалості накопичення сигналів їх роздільна здатність зменшується не більш, як на дві пари лін./мм, якщо на вході встановлювати оптимальні значення потужності експозиційної дози випромінювання, які забезпечують максимальне вихідне відношення сигнал/шум і найкраще виявлення дефектів.

Практичне значення отриманних результатів:

запропонована фізико-топологічна модель рентгенівської трубки разом з удосконаленою методикою розрахунку ослаблення рентгенівського випромінювання при його проходженні через контрольований об'єкт дає можливість визначати диференціальні та інтегральні параметри випромінювання за об'єктом, що підвищує ефективність розробки і експлуатації різноманітних систем неруйнівного рентгенівського контролю;

розроблені математичні моделі перетворення сигналів у ЕПП рентгенівського та оптичного діапазонів випромінювання, працюючих в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів, та пакет прикладних програм дозволяють автоматизувати процес проектування високочутливих РСС;

застосування методики визначення по дозових характеристиках РСС оптимальних значень потужності експозиційної дози рентгенівського випромінювання, що забезпечують найкраще виявлення дефектів, дозволяє автоматизувати процес настроювання РСС, що працюють у режимі регульованої тривалості накопичення сигналів;

на основі отриманих в роботі результатів розроблено ряд рентгеноскопічних установок нового покоління, працюючих в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів, які забезпечують підвищену чутливість контролю при розширенні діапазону контрольованих товщин об'єктів та дозволяють в багатьох випадках замінити неоперативний і дорогий рентгенографічний контроль на рентгеноскопічний, та які впроваджені на підприємствах: НДІ промислового телебачення ''Растр '' та НВО ''Волна'', м. Новгород, Росія; Суднобудівний завод ''Залів'', м. Керч; 63-й котельно-зварювальний завод, м. Івано-Франківськ.

Особистий внесок здобувача. Особисто здобувачем запропонована фізико-топологічна модель рентгенівської трубки; удосконалена методика розрахунку параметрів рентгенівського випромінювання за контрольованим об'єктом; запропоновані математичні моделі перетворення сигналів у передавальних ЕПП рентгенівського та оптичного діапазонів випромінювання, працюючих в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів; запропонована методика визначення оптимальних величин потужності експозиційної дози рентгенівського випромінювання на вході рентгеновідиконних систем; визначена залежність просторової роздільної здатності РСС на основі РВ, працюючих в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів, від тривалості накопичення, параметрів рентгенівського випромінювання та електричного режиму РВ; проведені експериментальні дослідження перспективних передавальних ЕПП і РСС на їх основі в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів; а також розроблені алгоритми настроювання та роботи систем в цьому режимі.

Апробація роботи. Матеріали дисертації доповідалися та обговорювалися на наступних науково-технічних конференціях: Республіканська науково-технічна конференція "Телевізійні методи і засоби в науці і техніці", Ужгород, 1989; Республіканська науково-технічна конференція "Підвищення ефективності і якості електронно-променевих приладів та пристроїв і їх застосування в народному господарстві", Київ, 1990; Республіканська науково-технічна конференція "Телевізійні методи і засоби в науці і техніці", Київ, 1991; Міжнародна науково-технічна конференція "Проблеми автоматизованого моделювання в електроніці", Київ, 1994; I, II та III Українські конференції "Неруйнівний контроль та технічна діагностика", Дніпропетровськ, 1994, 1997, 2000; Міжнародна конференція "Сучасні прилади, матеріали і технології для технічної діагностики та неруйнівного контролю промислового устаткування", Харків, 1998; 15-та Всесвітня конференція по неруйнівному контролю, Рим, 2000.

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 21 науковій роботі, серед яких 9 статей в провідних фахових виданнях, 1 брошура, 7 тез доповідей на наукових конференціях та 4 авторських свідоцтва на винаходи.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та трьох додатків. Дисертація вміщує 150 сторінок основного тексту, 64 рисунки, 17 таблиць та 130 найменувань використаних бібліографічних джерел. Повний обсяг дисертації складає 214 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі викладено загальну характеристику роботи, обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та основні задачі дослідження. Викладено наукову новизну роботи, практичне значення отриманих результатів та відомості про її апробацію.

В першому розділі проведений огляд принципів побудови та структурних схем сучасних РСС, серед яких найбільш поширені системи з проміжним перетворенням тіньового рентгенівського зображення в оптичне на основі рентгенівських екранів та рентгенівських електронно-оптичних перетворювачів (РЕОП), і системи з безпосереднім перетворенням тіньового рентгенівського зображення в електричний відеосигнал на основі РВ. Показано, що незважаючи на розробку та удосконалення перетворювачів світло-сигнал на основі приладів з зарядовим зв'язком (ПЗЗ), у більшості РСС використовуються передавальні ЕПП, які переважають ПЗЗ-перетворювачі по чутливості, роздільній здатності та радіаційній стійкості. Визначена система основних рентгенотехнічних параметрів РСС, яка обумовлює можливості РСС по виявленню дефектів в контрольованих об'єктах, до якої відносяться відносна чутливість контролю, діапазон контрольованих товщин об'єктів, просторова роздільна здатність, розмір робочого поля, часова інерційність. Проведений детальний порівняльний аналіз основних параметрів сучасних РСС, методу рентгенографії з використанням рентгенівської плівки та інших перетворювачів рентгенівського зображення (перетворювачів типу сцинтилятор-фотодіод; перетворювачів на основі люмінісценції, стимульованої лазером; твердотільних перетворювачів, тощо). РСС на основі рентгенівських екранів та РЕОП забезпечують відносну чутливість контролю 23 %, роздільну здатність 24 пари лін./мм та по цих параметрах поступаються методу рентгенографії на плівку. Більш високі рентгенотехнічні параметри мають РСС на основі РВ, які забезпечують відносну чутливість контролю 1,5 % та роздільну здатність більше 20 пар лін./мм. По відносній чутливості контролю такі системи незначно поступаються методу рентгенографії, а по діапазону товщин контрольованих об'єктів поступаються рентгенографії та системам на основі рентгенівських екранів та РЕОП.

На основі статистичного аналізу перетворення рентгенівського зображення у РСС показано, що найбільш ефективним способом зниження порогового рентгенівського контрасту і, відповідно, поліпшення відносної чутливості РСС та розширення діапазону контрольованих товщин об'єктів є збільшення часу накопичення шляхом переведення передавальних ЕПП в режим регульованої тривалості накопичення сигналів на мішені. В цьому режимі робочій цикл ЕПП розбивається на два етапи. На першому етапі при запертому на певний час, кратний періоду кадрової розгортки, електронному промені відбувається накопичення вхідного зображення на мішені. На другому етапі накопичене зображення зчитується за один чи декілька кадрів та запам'ятовується в пристрої пам'яті, з якого потім виводиться для відображення чи обробки. В цьому режимі можуть ефективно працювати передавальні ЕПП як оптичного, так і рентгенівського діапазонів випромінювання, а також ПЗЗ-матриці. Проведений порівняльний аналіз параметрів перспективних передавальних ЕПП та ПЗЗ-матриць, які застосовуються в РСС. На прикладі експериментальних даних показана можливість підвищення відносної чутливості контролю РСС при переведенні передавальних ЕПП в режим регульованої тривалості накопичення сигналів. Обгрунтовано вибір напрямку досліджень та визначені основні задачі дисертаційної роботи.

В другому розділі запропонована методика моделювання тіньового рентгенівського зображення контрольованого об'єкту.

Проаналізовані недоліки відомої методики розрахунку параметрів рентгенівського випромінювання з неперервним спектром за контрольованим об'єктом з використанням ефективних (інтегральних) коефіцієнтів ослаблення випромінювання матеріалів та псевдоекспоненціальної залежності інтенсивності випромінювання від товщини об'єкту, яка забезпечує невисоку точність розрахунку з похибкою 1520 %.

Запропонована удосконалена методика визначення параметрів рентгенівського випромінювання з неперервним спектром за контрольованим об'єктом, яка враховує форму енергетичного спектра випромінювання та його змінювання при проходженні випромінювання через об'єкт за допомогою коефіцієнтів послаблення моноенергетичного випромінювання матеріалів. Табличні залежності коефіцієнтів ослаблення та поглинання моноенергетичного випромінювання від енергії квантів в діапазоні 10-400 кеВ для різних матеріалів були інтерпольовані кубічними сплайнами, що дозволило коректно врахувати К і L стрибки поглинання випромінювання в матеріалах та підвищити точність розрахунку.

Урахування розсіяного випромінювання при розрахунку параметрів рентгенівського випромінювання за контрольованим об'єктом здійснювалось за допомогою фактора накопичення розсіяного випромінювання. Для апроксимації залежності фактора накопичення В від товщини контрольованого об'єкта Н та анодної напруги рентгенівської трубки U_а запропонована степенева функція виду В=1+аН^b, де а і b - коефіцієнти, які залежать від анодної напруги U_а. За допомогою цієї функції були апроксимовані табличні залежності фактора накопичення від Н та U_а для сталі та алюмінію, при цьому значення коефіцієнтів а і b для різних напруг U_а визначались за методом найменших квадратів, а отримані табличні залежності коефіцієнтів а і b від напруги U_а були апроксимовані за методом найменших квадратів поліномами третьої степені. Похибка такої апроксимації не перевищує 5 % для сталі та 10 % для алюмінію.

Для розрахунку енергетичного спектра гальмівної складової випромінювання на виході рентгенівської трубки на практиці застосовується формула Крамерса, яка не враховує самопоглинання випромінювання в аноді трубки. В роботі запропонована фізико-топологічна модель рентгенівської трубки, в якій самопоглинання випромінювання в аноді враховується шляхом введення послаблюючого шару з матеріалу, що відповідає матеріалу анода та товщина якого змінюється по спектру за певним законом. Відповідно до цього, енергетичний спектр щільності потоку квантів n₀(Е) (у квант./см²скеВ) на відстані R (у см) від анода рентгенівської трубки разрахо-вувався за формулою:

, (1)

де k₁=1,110¹², 1/АскеВ; Е -енергія квантів, кеВ; i-анодний струм трубки, А; Z - атомний номер матеріалу анода трубки; _м - щільність матеріалу анода, г/см³; Н₀ та Н_ф - товщини випускного вікна та додаткового фільтра на виході трубки відповідно, см; _м(E), ₀(E) та _ф(E) - лінійні коефіцієнти послаблення випромінювання анода трубки, випускного вікна та додаткового фільтра відповідно, см^-1; С_тв - постійна Томсона -Відінгтона, кеВ²см² /г; - кут нахилу анода; Е_max - максимальна енергія у спектрі випромінювання, кеВ, яка чисельно дорівнює анодній напрузі U_а, кВ.

Залежність постійної Томсона - Відінгтона від анодної напруги U_а була апроксимована з похибкою, яка не перевищує 5 %, функцією виду

С_тв(U_a) = -1,37610⁶ exp(-3,6710^-3 U_a)+1,65810⁶. (2)

Для оцінки адекватності запропонованої моделі проводилися тестові розрахунки енергетичних спектрів щільності потоку квантів та потужності експозиційної дози випромінювання за об'єктами різної товщини при різних напругах U_a, результати яких порівнювалися з експериментальними даними.

На рис. 1 показані результати розрахунку за формулами (1) та (2) (неперервна крива) та експериментальні дані (точки) нормованого енергетичного спектра щільності потоку квантів рентгенівської трубки з вольфрамовим анодом при U_a=150 кВ, =30, i=10 мА, R=30 см, випускного вікна із берілія та додаткового фільтру із алюмінію з відповідними товщинами 4 мм та 6 мм. Залежності коефіцієнтів послаблення від енергії квантів для вольфраму, берілію та алюмінію були інтерпольовані кубічними сплайнами. Розрахункові значення відрізняються від експериментальних не більше як на 7 %, що не перевищує похибку вимірювання та обробки експериментального спектру.

Розглянуто особливості формування тіньового рентгенівського зображення контрольованого об'єкта при наявності в ньому дефектів, а також основні види характерних дефектів зварних з'єднань. За допомогою запропонованих моделі рентгенівської трубки та методики визначення параметрів випромінювання за об'єктом проведені розрахунки поверхневого розподілу інтенсивності випромінювання за дефектом на вході РСС (рентгенівського сигналу) від найбільш росповсюджених дефектів зварних з'єднань - пор та включень сферичної форми. Проведені теоретичні дослідження залежності форми сигналу від таких дефектів на вході РСС від параметрів рентгенівського випромінювання, контрольованого об'єкту та його дефектів. Результати досліджень показали, що форма сигналу від таких дефектів визначається їх діаметром, анодною напругою рентгенівської трубки U_a та співвідношенням між коефіцієнтами послаблення випромінювання матеріалу контрольованого об'єкта _о(Е) та дефекту _д(Е). В залежності від діаметра дефекту та анодної напруги U_a форма сигналу від газової пори в стальному об'єкті, для якої _о(Е)>>_д(Е), змінюється від кругової до гаусової, а форма сигналу від вольфрамового включення в стальному об'єкті, для якого _о(Е)<<_д(Е), змінюється від кругової до прямокутної.

Виходячи із завдання заміни рентгенографічного методу контроля рентгеноскопічним, розраховані просторові спектри найменших сферичних дефектів типу пора та включення діаметром 0,2 мм, які повинні виявлятися в зварних з'єднаннях при рентгенографії. По результатах розрахунку визначені вимоги щодо роздільної здатності РСС, яка повинна бути 69 пар лін./мм. Показано, що таким вимогам відповідають РСС на основі РВ.

У третьому розділі теоретично та експериментально досліджено РСС на основі рентгеновідиконів в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів.

На основі теоретичного аналізу формування потенційного рельєфу на мішені РВ за час накопичення під дією рентгенівського випромінювання з енергетичним спектром щільності потоку квантів n(Е) та його зчитування електронним променем з гаусовим розподілом щільності струму по перетину при поліноміальній апроксимації вторинно-емісійної характеристики (ВЕХ) мішені в режимі швидких електронів розроблена математична модель перетворення сигналів у РВ, яка є системою інтегро-алгебраїчних рівнянь:

;

;

; (3)

;

,

де _p та _т - нерівноважна та темнова питомі провідності мішені відповідно; (Е) -лінійний коефіцієнт поглинання мішені; _n та _p - рухливості електронів та дірок відповідно; _n та _p - час життя електронів та дірок відповідно; V=( U_м - U_А2)/ U_А2 - приведене значення потенціалу мішені; U_м, U_А2 та U_сп -потенціали мішені, другого анода та сигнальної пластини відносно катода; _м(V) - ВЕХ мішені; =I_п/(R_пхСU_А2) - ефективність комутації електронного променя; R_п - ефективний радіус променя, при якому щільність струму зменьшується у ''е'' разів порівняно з центром; _х - швидкість сканування променем по координаті х; С та С_мп - питома сумарна ємність та питома ємність мішень-сигнальна пластина відповідно; erf(x/R_п) - інтеграл імовірностей; x та у - прямокутні координати, зв'язані з центром променя, який рухається по координаті х, зв'язанной з мішенню та співпадаючої по напрямку з x; Т_к-тривалість кадру; N_к- кількість кадрів накопичення; I_п-струм електронного променя; та ₀-діелектричні проникності мішені та вакуума відповідно; k-степінь апроксимуючого полінома; Е_g-енергія, яка необхідна для створення пари носіїв струму; I_вих-вихідний струм РВ.

Модель є універсальною та дозволяє розраховувати чисельними методами необхідні характеристики РВ ( дозові, накопичувальні, просторові частотно-контрастні та інш.) в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів на мішені. При цьому враховуються параметри РВ, його електричний режим роботи та параметри розгортки електронного променя.

Запропонована модель РВ (3) разом з моделлю рентгенівськї трубки (1) і (2) та методикою визначення параметрів рентгенівського випромінювання за контрольованим об'єктом були застосовані для моделювання РСС на основі РВ з діаметром робочого поля 90 мм та мішенню з аморфного селену в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів.

Розраховані характеристики формування та зчитування потенційного рельєфу, які дозволяють дослідити вплив на величину та динамічний діапазон вихідного сигналу РВ параметрів мішені, електронного променя, вхідного рентгенівського випромінювання та електричного режиму роботи РВ. Показано, що одним з головних факторів, який обмежує тривалість накопичення і, відповідно, можливість підвищення чутливості РВ, є темнова провідність мішені, яку для розширення діапазону по накопиченню треба зменшувати.

Розраховані дозові та накопичувальні характеристики РВ, які порівнювалися з експериментальними. На рис. 2 подані розраховані (неперервні криві) та експериментальні (штрихові криві) дозові характеристики РВ типу ЛИ-473-1 в режимі регульованої тривалості накопичення при просвічуванні сталі товщиною 4 та 8,7 мм. Як видно з рис. 2, збільшення кількості кадрів накопичення N_к (тривалість кадру Т_к=0,04 с) призводить до збільшення крутизни характеристик та, відповідно, до поліпшення чутливості РСС. Розраховані також залежності сигналу від дефекту на виході РВ від потужності експозиційної дози випромінювання на його вході.

Проведений аналіз комутаційної інерційності РВ та визначені величини залишкового потенційного рельєфу після зчитування електронним променем від глибини початкового рельєфу, параметрів променя та кількості кадрів зчитування. Показано, що при встановленні на вході РВ потужності експозиційної дози, яка забезпечує максимальний сигнал від дефекту, кількість кадрів зчитування повинна становити від 1 до 3.

Проведений аналіз джерел шуму в РСС на основі РВ та показано, що основними джерелами шуму є шум попереднього підсилювача РВ та квантовий шум, який при великих вхідних потужностях експозиційної дози випромінювання може значно перевищувати шум підсилювача. Запропонована методика розрахунку ефективного значення квантового шуму по дозових характеристиках та відношення сигнала від дефекту до квантового шуму, відповідно до якої ефективне значення квантового шуму на виході РВ визначається як

,

де f_д(n_е) - похідна дозової характеристики РВ в залежності від кількості квантів n_е, яка поглинається елементом мішені за час накопичення.

За допомогою цієї методики були розраховані залежності квантового шуму та відношення сигнал/шум на виході РВ від потужності експозиційної дози вхідного випромінювання для різних товщин контрольованих об'єктів зі сталі та алюмінію. Приклад розрахунку відношення сигнал/шум при моделюванні просвічування сталі товщиною 10 мм з дефектом типу пора та дефектоскопічним контрастом 5 % показаний на рис. 3. При визначенні шуму враховувався як квантовий шум, так і шум попереднього підсилювача. Розрахунок таких характеристик дозволив визначити залежності оптимальних значень потужності експозиційної дози від тривалості накопичення та товщини об'єкта, приклад яких для сталі приведений на рис. 4. Залежності, визначені за допомогою запропонованої методики, дозволяють для конкретної товщини встановити однозначну відповідність між тривалістю накопичення та потужністю експозиційної дози випромінювання на вході РВ, яка забезпечує максимальне відношення сигнал/шум та найкраще виявлення дефектів.

Проведені експериментальні дослідження РСС на основі РВ ЛИ-473-1та ЛИ-504, які довели, що переведення РВ в режим регульованої тривалості накопичення дозволяє поліпшити чутливість контролю до величин, меньших 0,5 %, та розширити діапазон товщин контрольованих об'єктів зі сталі з 10 до 45 мм. Найліпша досягнута чутливість контролю становила 0,22 % по пластинчатому еталону при просвічуванні сталі товщиною 22 мм та накопиченні у РВ N_к=600. Проведені дослідження також показали, що найліпша чутливість контролю забезпечувалась при встановленні на вході РВ оптимальних значень потужності експозиційної дози випромінювання, які визначались по запропонованій методиці.

При моделюванні просвічування об'єктів у вигляді штрихової міри розраховані просторові частотно-контрастні характеристики (ПЧКХ), а також перехідні характеристики РВ при скануванні границі свинець-повітря. Визначена залежність форми ПЧКХ зчитування та просторової роздільної здатності РВ від параметрів зчитуючого електронного променя. Показано, що при роботі РВ в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів необхідно враховувати розпливання зарядів по поверхні мішені, яке при великих тривалостях накопичення та вхідних потужностях експозиційної дози може значно погіршувати роздільну здатність РВ. Аналітично досліджена залежність форми ПЧКХ, яка обумовлена розпливанням зарядів, від тривалості накопичення та потужності експозиційної дози вхідного випромінювання. Встановлено, що при переведенні РВ в режим регульованої тривалості накопичення сигналів його роздільна здатність зменшується не більше як на 2 пари лін./мм, якщо вхідна потужність експозиційної дози випромінювання відповідає оптимальній по критерію максимального відношення сигнал/шум, що підтверджено результатами експериментального вимірювання роздільної здатності РВ.

Проведені експериментальні дослідження цифрової РСС на основі РВ ЛИ-504 та цифрового пристрою пам'яті в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів з малогабаритними імпульсними рентгенівськими апаратами типу МИРА-2Д та АРИНА-02, а також з малогабаритним острофокусним апаратом неперервної дії РЕИС-И. Результати досліджень показали, що РСС при роботі з імпульсними рентгенівськими апаратами забеспечує відносну чутливість контролю по канавкових еталонах меньше 1 % та дозволяє розширити порівняно з рентгенографією діапазон контрольованих товщин об'єктів зі сталі з 20 до 30 мм (при роботі з апаратом МИРА-2Д) та з 25 до 34 мм (при роботі з апаратом АРИНА-02). Найліпша чутливість отримана в циклічному режимі накопичення на мішені РВ та в цифровому пристрої пам'яті, в якому кожний кадр зображення, який записується в пам'яті, формується після накопичення певної кількості кадрів на мішені РВ. При роботі з апаратом РЕИС-И РСС забезпечує відносну чутливість контролю по канавкових еталонах 0,6 % при розширенні порівняно з рентгенографією діапазону контрольованих товщин об'єктів із алюмінію з 12 до 25 мм.

У четвертому розділі досліджувались РСС на основі рентгено-оптичних перетворювачів (рентгенівських екранів та РЕОП) з передавальними ЕПП оптичного діапазону випромінювання в режимі регульованої тривалості накопичення.

Запропонована модель перетворення світло-сигнал у передавальних ЕПП оптичного діапазону в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів. Показано, що такою моделлю є система (3), якщо в ній замінити перші два рівняння на рівняння, яке описує формування потенційного рельєфу під дією оптичного віпромінювання, а поліном Р(V) апроксимує ВЕХ ЕПП в режимі повільних електронів. Приведені результати моделювання відикону ЛИ-503, порівняння яких з експериментальними даними свідчіть про адекватність запропонованої моделі.

Проведені експериментальні дослідження ряду перспективних відиконів (ЛИ-479, ЛИ-469, ЛИ-503, ЛИ-451 та інш.) в режимі регульованої тривалості накопичення оптичних зображень з метою визначення можливості їх застосування у РСС. Дослідження дозволили визначити для кожного відикона діапазони доцільних тривалостей накопичення та освітленості в площині мішені, а також можливе підвищення їх чутливості при переведенні в режим регульованої тривалості накопичення сигналів. Обгрунтована доцільність використання порядкової розгортки при зчитуванні накопичених зображень.

Проведені експериментальні дослідження РСС на основі РЕОП ZOX-193-ВК з різними типами відиконів в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів. Результати досліджень показали, що переведення ЕПП в цей режим дозволяє поліпшити відносну чутливість контролю у 1,31,5 рази та більше ніж на порядок зменшити необхідну потужність експозиційної дози випромінювання на вході РСС, що дає можливість використання малопотужних рентгенівських апаратів для просвічування більших товщин об'єктів.

Досліджувалась також РСС на основі високочутливого передавального ЕПП -супервідикона ЛИ-702-3 в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів з різними типами рентгенівських екранів. По виміряних дозових характеристиках такої РСС з монокристалічним перетворювачем на основі матеріалу CsI(Tl) встановлено, що доцільна тривалість накопичення у супервідиконі становить від 1 до 20 телевізійних кадрів мовного стандарту розкладення зображення. Переведення супервідикона в режим регульованої тривалості накопичення сигналів дозволяє поліпшити відносну чутливість контролю РСС у 1,52 рази. Показано, що при роботі РСС на основі супервідикона в режимі регульованої тривалості накопичення з імпульсними рентгенівськими апаратами необхідно передбачати синхронізацію початку накопичення з імпульсами випромінювання, а також їх вимикання на протязі кадру зчитування.

Розроблені алгоритми настроювання та роботи у різних режимах РСС з регульованою тривалістю накопичення сигналів, які дозволяють автоматизувати процес контролю та включають в себе операції вимірювання сигналу від еталонного об'єкта та ефективного значення шуму, визначення необхідної тривалості накопичення для заданої відносної чутливості контролю, встановлення на вході РСС оптимальних значень потужності еспозиційної дози випромінювання, запам'ятовування нерівномірності фону та ії віднімання із зображення контрольованого об'єкта, тощо. Приведені результати впровадження у виробництво високочутливих РСС на основі ЕПП, працюючих в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів.

У додатках приведені розроблені програми, які застосовувалися для комп'ютерного моделювання тіньового рентгенівського зображення контрольованого об'єкта та РСС на основі РВ, а також акт та довідки про впровадження результатів дисертаційної роботи у виробництво.

Висновки

В дисертації розроблені теоретичні засади поліпшення основних параметрів рентгеноскопічних систем неруйнівного контролю, таких, як відносної чутливості контролю та граничної товщини контрольованих об'єктів, за рахунок переведення передавальних ЕПП в режим регульованої тривалості накопичення сигналів, що відкриває можливість для заміни дорогого та неоперативного рентгенографічного контролю на рентгеноскопічний.

1. Показано, що сучасні рентгеноскопічні системи на основі перспективних передавальних ЕПП широко застосовуються в промисловості для неруйнівного контролю якості матеріалів та виробів, однак по основних рентгенотехнічних параметрах (відносна чутливість контролю, гранична товщина контрольованих об'єктів) поступаються рентгенографічному контролю з використанням рентгенівської плівки. Теоретично обгрунтовано, що найбільш ефективним способом поліпшення відносної чутливості контролю та розширення граничного діапазону товщин контрольованих об'єктів РСС є переведення передавальних ЕПП рентгенівського та оптичного діапазонів випромінювання в режим регульованої тривалості накопичення сигналів на мішені.

2. Запропоновано фізико-топологічну модель рентгенівської трубки, яка враховує самопоглинання випромінювання матеріалом анода, фізичні та конструктивні параметри трубки (тип і властивості матеріалу анода, кут нахилу анода, параметри випускного вікна і додаткового фільтра), ії електричний режим роботи (анодний струм і анодна напруга) і придатна для розрахунку енергетичних спектрів щільності потоку квантів, інтенсивності та потужності експозиційної дози рентгенівського випромінювання на ії виході.

3. Удосконалена методика розрахунку параметрів рентгенівського випромінювання за контрольованим об'єктом, що дозволяє врахувати форму спектра випромінювання та його змінювання при проходженні через об'єкт за допомогою апроксимації кубічними сплайнами табличних залежностей коефіцієнтів послаблення та поглинання моноенергетичного випромінювання матеріалів, яка коректно враховує K і L стрибки поглинання випромінювання в матеріалах та дозволяє підвищити точність розрахунку.

4. Визначені закономірності формування тіньового рентгенівського зображення типових дефектів зварних з'єднань-пор та включень сферичної форми. Показано, що форма сигналу від таких дефектів залежить від параметрів рентгенівського випромінювання, параметрів дефектів і контрольованого об'єкта та може змінюватись відповідно від кругової до гаусової та від кругової до прямокутної.

5. На основі аналізу процесу формування потенційного рельєфу під дією рентгенівського і оптичного випромінювання та його зчитування електронним променем при поліноміальній апроксимації ВЕХ мішені, розроблені математичні моделі передавальних ЕПП при їх роботі в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів, які враховують параметри і електричний режим роботи ЕПП, а також параметри розгортки електронного променя.

6. Запропоновано методику визначення оптимальних величин потужності експозиційної зони на вході РВ по його дозових характеристиках, яка дозволяє встановити однозначну відповідність між тривалістю накопичення і потужністю експозиційної дози, що забезпечує максимальне відношення сигнал/шум і найкраще виявлення дефектів.

7. Визначено, що роздільна здатність РСС на основі РВ при роботі в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів визначається як ПЧКХ зчитування, яка залежить від параметрів електронного променя, так і ПЧКХ, що обумовлена розпливанням зарядів по мішені, яка залежить від тривалості накопичення і вхідної потужності експозиційної дози випромінювання. Встановлено, що при переведенні РВ в режим регульованої тривалості накопичення його роздільна здатність зменшується не більше ніж на 2 пари лін./мм за умови установки на вхідному вікні оптимальних значень потужності експозиційної дози.

8. Результати роботи впроваджені в розробку ряду високочутливих рентгеноскопічних установок нового покоління ПТУ-81 ПТУ-84, що дозволяють значно поліпшити відносну чутливість контролю (до значень, менших 0,5 %), розширити діапазон товщин контрольованих об'єктів і замінити в багатьох випадках рентгенографічний контроль з використанням рентгенівської плівки на рентгеноскопічний.

рентген випромінювання промінь дефект

Список основних публікацій за темою дисертації

1. Денбновецкий С.В., Троицкий В.А., Белый Н.Г., Гром В.С., Кузьмичева Н.В., Лещишин А.В., Михайлов В.Н., Михайлов С.Р., Шутенко О.В. Оптимальная мощность дозы излучения в рентгенотелевизионных системах промышленной дефектоскопии // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 1989. - №2. - С. 43-49.

Особиста участь здобувача: розробка методики визначення оптимальних величин потужності експозиційної дози рентгенівського випромінювання на вході РВ, які забезпечують максимальне вихідне відношення сигнал/шум.

2. Денбновецкий С.В., Троицкий В.А., Белый Н.Г., Лещишин А.В., Михайлов С.Р. Высокочувствительные рентгенотелевизионные системы для дефектоскопии // Электроника и связь. - 1996. - №- 1. - С. 20-36.

Особиста участь здобувача: експериментальні дослідження РСС в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів, розрахунок сигналу від дефекту на виході РВ.

3. Денбновецкий С.В., Троицкий В.А., Белый Н.Г., Лещишин А.В., Михайлов С.Р. Дефектоскопические рентгенотелевизионные системы высокой чувствительности // Техническая диагностика и неразрушающий контроль.- 1997.- № 4. - С. 13-22.

Особиста участь здобувача: експериментальні дослідження РСС на основі рентгено-оптичних перетворювачів та ЕПП оптичного діапазону випромінювання в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів.

4. Михайлов С.Р. Моделирование рентгеновидикона в режиме регулируемой длительности накопления сигналов// Электроника и связь. - 1997. - № 2, ч. II. - C. 361-365.

5. Михайлов С.Р. Отношение сигнал/шум в рентгеновидиконных системах неразрушающего контроля, работающих в режиме регулируемой длительности накопления сигналов// Электроника и связь. - 1997. - № 3, ч. II. - С. 29-34.

6. Михайлов С.Р. Разрешающая способность рентгеновидиконных систем// Электроника и связь. - 1998. - № 4, ч. I. - C. 137-140.

7. Михайлов С.Р. Моделирование теневого рентгеновского изображения контролируемого объекта в рентгеноскопических системах неразрушающего контроля// Электроника и связь. - 2002. - № 16. - С. 59-70.

8. Денбновецкий С.В., Михайлов С.Р., Салин В.И. Алгоритм расчета на ЭВМ чувствительности передающих телевизионных камер// Автоматизация проектирования в электронике. -1989. - № 39. - С. 116-123.

9. Денбновецкий С.В., Михайлов С.Р., Салин В.И. Расчет на ЭВМ и оценка погрешности расчета чувствительности передающей телевизионной камеры// Автоматизация проектирования в электронике. -1989. - № 40. - С. 111-119.

Особиста участь здобувача: запропонован алгоритм розрахунку чутливості передавальної камери з урахуванням спектральних характеристик джерела та приймача світла.

10. Устройство для запоминания телевизионного изображения: А.с. 1343561 СССР, МКИ Н 04 № 5//20/ С.В. Денбновецкий, В.П. Кузьмин, А.В. Лещишин, С.Р. Михайлов, О.А. Мельничук, В.Н. Михайлов, В.В. Смирнов, А.В. Терлецкий. - № 3960537/24-09; Заявл. 02.10.85; Опубл. 07.10.87, Бюл. № 12. - 4 с.

Особиста участь здобувача: розробка принципу дії та технічна реалізація пристрою.

11. Устройство для накопления телевизионного сигнала: А.с. 1300659 СССР, МКИ Н 04 № 5/76/ С.В. Денбновецкий, В.П. Кузьмин, А.В. Лещишин, С.Р. Михайлов, О.А. Мельничук, В.Н. Михайлов, О.Ф. Родионов, В.В. Смирнов, А.В. Терлецкий, Б.А. Цыганок. - № 3946625/24-09; Заявл. 26.06.85; Опубл. 30.03.87, Бюл. № 12. - 4 с.

Особиста участь здобувача: розробка принципу дії та технічна реалізація пристрою.

12. Телевизионная камера: А.с. 1543568 СССР, МКИ Н 04 № 5/225, 5/30/ С.В. Денбновецкий, Ф.С. Исламов, А.В. Лещишин, С.Р. Михайлов, В.Д. Мироненко, В.Н. Михайлов, А.В. Терлецкий. - № 4292280/24-09; Заявл. 30.07.87; Опубл. 15.02.90, Бюл. № 6. - 5 с.

Особиста участь здобувача: розробка принципу дії та технічна реалізація телевізійної камери.

13. Способ рентгенотелевизионной дефектоскопии и устройство для его осуществления: А.с. 1820720 СССР, МКИ G 01 № 23/04/ В.И. Абрамов, Я.Ю. Гозман, С.В. Денбновецкий, Л.Г. Демина, В.П. Кузьмин, А.В. Лещишин, С.Р. Михайлов, О.А. Мельничук, В.В. Смирнов, А.В. Терлецкий, П.П. Цуккерман, О.В. Шутенко. - № 4783324/25; Заявл. 16.01.90; Опубл. 10.11.92, Бюл. № 21. - 9 с.

Особиста участь здобувача: розробка способу рентгеноскопічного неруйнівного контролю та алгоритмів настроювання і роботи РСС.

14. Денбновецкий С.В., Михайлов С.Р., Михайлов В.Н. Повышение чувствительности устройств на основе электронно-лучевых приборов с накоплением зарядов. - К.: Знание, 1990. - 23 с.

Особиста участь здобувача: експериментальні дослідження ЕПП та систем на їх основі в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів.

15. Лещишин А.В., Михайлов С.Р. Накопительные и амплитудные характеристики ММ видиконов// Труды республ. конф. ''Телевизионные методы и средства в науке и технике''. - Ужгород. - 1989. - С. 115-117.

Особиста участь здобувача: експериментальні дослідження відиконів в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів.

16. Михайлов В.Н., Михайлов С.Р., Смирнов В.В. Алгоритмы работы рентгенотелевизионной системы с регулируемой длительностью накопления сигналов // Труды республ. конф. ”Телевизионные методы и средства в науке и технике.” - Ужгород. - 1989. - C. 69-70.

Особиста участь здобувача: розробка алгоритмів настроювання та роботи РСС з регульованою тривалістю накопичення сигналів.

17. Денбновецкий С.В., Лещишин А.В., Михайлов С.Р., Чан Тху Ха. Моделирование передающего электронно-лучевого прибора в режиме регулируемой длительности накопления сигналов// Труды междунар. конф. ”Проблемы автоматизированного моделирования в электронике”. - Киев:- КПИ. - 1994. - C. 152-156.

Особиста участь здобувача: розробка математичної моделі передавального ЕПП оптичного діапазону випромінювання в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів.

18. Белый Н.Г., Лещишин А.В., Михайлов С.Р. Высокочувствительные радиоскопические системы// Труды II Украинской конф. "Неразрушающий контроль и техническая диагностика" - Днепропетровск. - 1997. - С. 235-236.

Особиста участь здобувача: експериментальні дослідження РСС в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів.

19. Денбновецкий С.В., Лещишин А.В., Михайлов С.Р., Белый Н.Г. Рентгенотелевизионная система с микропроцессорным управлением // Труды Междунар. конф. ”Современные приборы, материалы и технологии для технической диагностики и неразрушающего контроля промышленного оборудования”. - Харьков: ХТУРЭ. -1998. - С. 318-321.

Особиста участь здобувача: розробка мікропроцесорного блоку керування РСС.

20. Белый Н.Г., Троицкий В.А. Денбновецкий С.В., Лещишин А.В., Михайлов С.Р. Повышение чувствительности рентгенотелевизионного контроля// Труды III Украинской конф. "Неразрушающий контроль и техническая диагностика" - Днепропетровск. - 2000. - С. 225-228.

Особиста участь здобувача: експериментальні дослідження РСС в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів.

21. Belij N., Troitskij V.A., Denbnovetskij S., Leshchishin A., Mikhailov S. Increase of sensitivity of X-Ray TV Inspectioon // Proc. 15-th World conf. on Non- Destructive Testing.-Roma.- 2000.- P. 633.

Особиста участь здобувача: експериментальні дослідження РСС в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів.

АНОТАЦІЯ

Михайлов С.Р. Поліпшення параметрів рентгеноскопічних систем неруйнівного контролю на основі електронно-променевих приладів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.02 - вакуумна, плазмова та квантова електроніка. - Національний технічний університет України ''Київський політехнічний інститут'', Київ, 2004.

Дисертація присвячена поліпшенню параметрів рентгеноскопічних систем неруйнівного контролю, таких, як відносної чутливості контролю та граничної товщини контрольованих об'єктів, за рахунок переведення передавальних електронно-променевих приладів в режим регульованої тривалості накопичення сигналів на мішені. Запропонована методика моделювання тіньового рентгенівського зображення контрольованого об'єкта. Розроблені математичні моделі перетворення сигналів в передавальних електронно-променевих приладах рентгенівського та оптичного діапазонів випромінювання. Визначені залежності відносної чутливості контролю, відношення сигнал/шум та роздільної здатності систем від тривалості накопичення, параметрів рентгенівського випромінювання, параметрів і режиму роботи електронно-променевих приладів. Проведені експериментальні дослідження рентгеноскопічних систем, працюючих в режимі регульованої тривалості накопичення сигналів, з різними джерелами рентгенівського випромінювання.

...