Как выбрать рентгеновский аппарат

Как работают трубки импульсных аппаратов

Схема работы трубки с конусообразной мишенью

Импульсные аппараты поставляются только со стеклянными трубками. С одной стороны находится лезвийный катод, а с другой — анод в виде иголки. Под действием короткого импульса высокого напряжения край вольфрамового катода взрывается. При этом образуется облако плазмы, которая является источником электронов.

Дальнейший процесс ускорения электронов и формирования излучения протекает так же, как у полупериодных аппаратов и аппаратов постоянного потенциала.

Рентгеновская трубка
ИМА5-320

Тренировка трубки

Есть два типа тренировки: автоматическая и ручная. Тренировка проводится для достижения нужных рабочих значений и обеспечения срока службы трубки. Обычно она проводится в начале смены: взяли со склада — провели тренировку и пошли светить. Внештатно тренировку делают при перегревании и переохлаждении аппарата, или при возникновении других ошибок.

Почти у всех аппаратов постоянного потенциала есть встроенная программа тренировки трубки. В ней заранее записано при каких параметрах, какую экспозицию и сколько времени проводить. Это быстрее, и не требует участия дефектоскописта.

У всех полупериодных аппаратов также есть встроенная программа тренировки трубки.

У импульсных аппаратов нет функции автоматической тренировки трубки. Перед началом работы дефектоскопистам придётся провести несколько просветов с постепенным увеличением длительности экспозиции.

Геометрия излучения

 Рентгеновский аппарат 0,3 СБК 200 с боковым выходом излучения

По типу расположения окна излучения аппараты делятся на две группы: с торцовым и боковым выходом. Аппараты с боковым расположением окна излучения могут иметь направленную или панорамную геометрию излучения. Типичные телесные углы — 40×60° и 40×360°. Аппараты с торцевым расположением окна излучения имеют панорамную и направленную геометрию излучения. Типичный телесный угол излучения составляет 150°.

Аппараты постоянного потенциала, в основном, сконструированы с боковым выходом излучения. Но есть и с торцевым, к примеру РПД-250 ИС «Игла» или «Март-200».

Полупериодные аппараты выпускаются только с боковым выходом излучения. Они могут иметь или направленную или панорамную геометрию излучения.

Импульсные аппараты выпускаются только с торцевым выходом излучения. Аппараты с торцевым выходом излучения можно использовать для панорамного и направленного просвечивания.

Рентгеновский аппарат «Арион-600»
с торцевым выходом излучения

Диапазоны регулировки напряжения и тока

Аппараты выпускаются с разными диапазонами рабочих напряжений. Чем больше установленное напряжение, тем большую толщину может просветить аппарат. При этом большое напряжение не подойдёт для контроля тонких объектов. При таком сочетании не будет контраста между дефектной областью и бездефектной — снимок будет иметь одинаковую плотность почернения. Чтобы избежать такой ситуации, в ГОСТ 20426-82 указаны максимальные значения напряжения для определённых радиационных толщин.

Аппараты постоянного потенциала

Аппараты постоянного потенциала позволяют устанавливать напряжение от 5 до 300 кВ и ток от 0,1 до 12 мА. Благодаря этому можно задать оптимальный режим экспозиции. Так, чтобы получить более контрастное изображение можно уменьшить напряжение и увеличить ток. А для того, чтобы увеличить скорость получения снимка достаточно уменьшить ток и увеличить напряжение.

В аппаратах постоянного потенциала нельзя одновременно выставить максимальное напряжение и максимальный ток. Это ограничение вводится производителем из-за того, что система охлаждения может отводить ограниченное количество тепла. Минимальная мощность у аппарата «Март-250» — 200 Вт,  максимальная у Yxlon PXS EVO 225D/1200 — 1 200 Вт.

Питание рентгеновской трубки осуществляется почти постоянным напряжением. Пульсация напряжения составляет несколько процентов. Чтобы выйти на рабочий режим трубке требуется несколько секунд.

Схема работы напряжения на трубке аппарата постоянного потенциала

Полупериодные аппараты

Полупериодные аппараты позволяют устанавливать напряжение от 30 до 360 кВ и ток от 1 до 8 мА. Благодаря этому можно задать оптимальный режим экспозиции. Так, чтобы получить более контрастное изображение можно уменьшить напряжение и увеличить ток. А для того, чтобы увеличить скорость получения снимка достаточно уменьшить ток и увеличить напряжение.

В полупериодных аппаратах можно одновременно выставить максимальное напряжение и максимальный ток. В перерывах между импульсами происходит охлаждение анода.

Питание рентгеновской трубки осуществляется импульсным напряжением с большой длительностью импульса. Форма импульсов приближена к прямоугольной с длительностью фронтов 25%. На фронтах напряжение ниже максимального, в перерывах между импульсами нет излучения, что снижает общую эффективность.

Схема работы напряжения на трубке полупериодного аппарата

Импульсные аппараты

Аппараты импульсного действия не позволяют регулировать ток и напряжение. Но позволяют регулировать время экспозиции или число импульсов. К примеру, на аппаратах «Арина» стоит таймер, на котором выставляется время экспозиции. У аппаратов XRS экспозиция задаётся количеством импульсов.

Из-за того, что мы регулируем только время экспозиции или количество импульсов, мы не можем повлиять на качество изображения за счёт регулировки напряжения, как в случае с другими типами аппаратов.

Напряжение на трубку подается кратковременными импульсами с частотой несколько герц. Длительность импульса составляет порядка 20 нс. Условно форму импульса можно считать треугольной.

Схема работы напряжения на трубке импульсного аппарата

110 мм
Максимальная просвечиваемая толщина заявлена у портативного аппарата «Арион-600»

Максимальная просвечиваемая толщина

Некоторые производители указывают параметр «максимальная просвечиваемая толщина». При этом должно быть указано, при каких условиях были получены эти значения: материал объекта, фокусное расстояние, тип плёнки, оптическая плотность почернения, тип усиливающих экранов и время экспозиции. Зная эти параметры можно корректно сравнивать значения, приведённые для аппаратов разных производителей.

Для расчёта максимальной просвечиваемой толщины обычно используют плёнку типа AGFA D7 и свинцовые экраны 0,027 мм. Но мы зафиксируем другие условия:

• Напряжение — 140 кВ.
• Ток — 2,5 мА.

• Длительность кадра — 0,2 с.
• Усреднение — 15 кадров.

При таких параметрах максимальная просвечиваемая толщина у аппаратов постоянного потенциала и полупериодных аппаратов — 85 мм. А у импульсных аппаратов — 55 мм.

Сравнение снимков

Аппараты постоянного потенциала обладают преимуществом в сравнении с аппаратами импульсного действия. Во-первых, аппараты постоянного потенциала можно поставить на большее расстояние от объекта контроля, уменьшая тем самым нерезкость изображения на снимке. Во-вторых, можно использовать меньшее напряжение и больший ток. В этом случае снимки получаются более контрастными.

Сравним снимки одного участка трубы диаметром 219 мм и толщиной 7,1 мм. Снимки получены с помощью аппарата постоянного потенциала «Март-250» и импульсного аппарата «Арина-7». Аппараты были установлены вплотную к объекту контроля. Экспозиция проводилась через 2 стенки на плёнку F8 с экранами RCF.

Напряжение на аноде «Арины-7» составляет 250 кВ и оно не регулируется. У «Марта-250» максимальное напряжение — 250 кВ, но при экспозиции было установлено напряжение 130 кВ.

Рентгеновский аппарат «Март-250»

Снимок, сделанный с помощью аппарата «Март-250»

Снимок, сделанный с помощью аппарата «Арина-7»

Чувствительность контроля на обоих снимках удовлетворяет требованиям ГОСТ 7512-82. Минимальный размер наблюдаемой канавки на эталоне чувствительности — 0,1 мм. Оптическая плотность в зоне сварного шва у обоих снимков — 2,5 Б. При этом плотность почернения в околошовной зоне у снимка с аппаратом «Март» составляет 3,8 Б, а у «Арины» — 3,3 Б. Соответственно у снимка «Марта» более контрастное изображение, за счёт чего очертания отдельного дефекта выражены сильнее, чем у «Арины».

Импульсные аппараты зачастую используются с высокочувствительной плёнкой и флуоресцентными усиливающими экранами на малом расстоянии. Такое сочетание обусловлено низкой дозой излучения. В результате, за счёт большой собственной нерезкости экранов и плёнки, а также большой геометрической нерезкости страдает качество получаемого изображения.

Чем больше напряжение на аноде, тем выше собственная нерезкость усиливающих экранов. При этом у флюоресцентных и флюорометаллических экранов этот эффект проявится сильнее, чем у свинцовых. Поэтому высокоэнергетичная составляющая излучения импульсных аппаратов сильно увеличивает общую нерезкость снимка.

Качество снимков полупериодных аппаратов сопоставимо со снимками аппаратов постоянного потенциала.

Рентгеновский аппарат «Арина-7»

Производительность контроля

Аппараты постоянного потенциала — самые высокопроизводительные среди портативных аппаратов. Исходя из номограмм для различных аппаратов, аппараты постоянного потенциала позволяют получить изображение быстрее при одинаковых условиях контроля.

Сравним производительность трёх разных типов аппаратов на номограммах экспозиции. Возьмём аппарат постоянного потенциала Eresco 65 MF4, полупериодный аппарат SITE-X D3006 и импульсный аппарат «Памир-300». Обозначим общие условия контроля.

• Объект — стальной лист.
• Толщина — 40 мм.
• Фокусное расстояние — 700 мм.

• Тип плёнки — D7.
• Оптическая плотность почернения снимка D=2.
  
  

Как рассчитать время экспозиции

1. Выберите нужную толщину на нижней шкале.
2. Прочертите вверх прямую до пересечения с кривой нужного напряжения.
3. Проведите влево прямую до шкалы экспозиций.
4. Полученные значения разделите на ток при данном напряжении и получите время экспозиции в минутах.

Номограмма рентгеновского аппарата Eresco 65 MF4

Номограмма рентгеновского аппарата SITE-X D3006

Номограмма рентгеновского аппарата «Памир-300»

Аппарат постоянного потенциала Eresco 65 MF4 получит снимок за 1 минуту 15 секунд. Полупериодный аппарат SITE-X D3006 справится за 2 минуты 10 секунд. А импульсный аппарат «Памир-300» — за 2 часа.

Излучение полупериодных аппаратов не непрерывное, а импульсное, поэтому при одинаковых значениях тока и напряжения производительность будет уступать аппаратам постоянного потенциала. Время получения изображения у полупериодных аппаратов выше примерно на 50% в сравнении с аппаратами постоянного потенциала.

Импульсные аппараты — самые низкопроизводительные среди портативных аппаратов. Исходя из номограмм для различных аппаратов, можно заметить, что импульсные аппараты позволяют получить изображение медленнее всех.

Размер фокусного пятна

Фокусное пятно — область на аноде рентгеновской трубки, откуда исходит рентгеновское излучение. При выборе аппарата важно учитывать по какому стандарту указан размер фокусного пятна. ГОСТ и EN — два основных стандарта.

Всего есть три нормативных документа:

1. ГОСТ 22091.9-86. Первостепенный стандарт для России.
2. EN 12543 — промышленный стандарт. Значения полученные по этой методике близки к значениям, полученным по ГОСТ.
3. IEC 336 — медицинский стандарт. Значения полученные по этой методике также близки к значениям, полученным по ГОСТ

У большинства аппаратов размер фокусного пятна — 2-3 мм. Но есть аппараты постоянного потенциала у которых фокусное пятно составляет 0,4 мм. Для некоторых задач важно иметь маленькое фокусное пятно. К примеру, когда предъявляются повышенные требования по контролю объектов в атомной или аэрокосмической промышленности. Также оно поможет при поиске мельчайших трещин в объектах искусства, когда нужна минимальная нерезкость изображения.

Для задач с повышенными требованиями нерезкости полупериодные аппараты не подойдут.

У импульсных аппаратов отсутствуют малофокусные модели.

У панорамных аппаратов указывают два значения фокусного пятна: один — общий размер, второй — эффективный размер.

С понятием фокусного пятна неразрывно связано понятие геометрическая нерезкость изображения. Чем больше фокусное пятно, тем больше геометрическая нерезкость. Её величина также зависит от расстояний «источник-объект» и «объект-плёнка».

2– 3 мм
Стандартный размер фокусного пятна
среди всех типов аппаратов

Торец рентгеновского аппарата
Eresco 42 MF4. За защитной решёткой
виден вентилятор

 Внешний вентилятор
питается от моноблока
через контактную пробку

Системы охлаждения

Поскольку КПД у рентгеновских трубок не более 10%, основная мощность рассеивается на аноде в виде тепла. Для его отвода применяются различные схемы охлаждения. Обычно их выделяют три:

1. Пассивное воздушное охлаждение. Предполагает снижение температуры за счёт естественной конвекции воздуха. При этом передача тепла от трубки к корпусу осуществляется за счёт изолирующей среды, которой наполнен аппарат.
2. Принудительное воздушное охлаждение. Подразумевает наличие радиатора с вентилятором, которые охлаждают аппарат. Тепло от трубки к радиатору также передаётся при помощи изолирующей среды.
3. Принудительное водяное. Внутри аппарата есть трубки, по которым циркулирует вода. Это незамкнутая система, которая требует внешнего насоса, который будет перекачивать и охлаждать воду. Такая система подразумевает малую подвижность аппарата. Принудительное водяное охлаждение используется только на аппаратах постоянного потенциала.

Также можно условно выделить четвёртую группу. Некоторые производители выпускают приспособления под названием «устройства автономного охлаждения». По сути это внешние вентиляторы, которые призваны сократить время охлаждения моноблоков при работе в жарком климате.

Аппараты постоянного потенциала и полупериодные аппараты, в основном, оснащены системой принудительного воздушного охлаждения. Она позволяет увеличить время непрерывной работы до 1 часа и предохраняет аппараты от перегрева.

Импульсные аппараты не оснащены системами принудительного воздушного и водяного охлаждения, поэтому при их использовании необходимо делать длительные перерывы.

Время непрерывной работы

Аппараты постоянного потенциала

Время непрерывной работы зависит от типа аппарата, изолирующей среды, системы охлаждения и температуры окружающей среды. Так, зарубежные аппараты могут работать от 5 минут до 1 часа. В аппаратах российского производства время непрерывной работы может достигать 15 минут. После этого потребуется охлаждение.

Аппаратам требуется перерыв в работе. К примеру, если аппарат РПД-250 С проработал 15 минут, столько же времени он должен отдохнуть. Или больше. Если не давать аппарату отдыха, то при следующей экспозиции аппарат перегреется, сработает блокировка и аппарат выключится, а экспозиция будет испорчена.

Полупериодные аппараты

Некоторые полупериодные аппараты ограничивают по времени работы. Так обстоят дела с китайскими аппаратами XXG и Raycraft. Они ограничены пятиминутным циклом работы. После этого придётся столько же времени отдыхать. К примеру, если необходимо задать время экспозиции в 6 минут, то процесс контроля займёт 11 минут: 5 минут на просвет, 5 минут на отдых и минута на «досвечивание».

Импульсные аппараты

Рекомендуемое время работы импульсных аппаратов — 1,5 минуты с перерывами на отдых. Отдых должен длиться порядка 4,5 минут. Более продолжительное время работы резко сокращает общий ресурс работы аппарата. Слишком длительная непрерывная экспозиция может полностью вывести аппарат из строя.

Изолирующая среда

По типу изолирующей среды аппараты делятся на два типа: маслонаполненные и газонаполненные. Большинство аппаратов с металлокерамическими трубками выпускается по газовой технологии, со стеклянными трубками — по масляной.

У каждого типа изолирующей среды есть свои особенности.

Элегаз

Элегаз в аппарате находится под давлением. Он может вытечь при значительных механических повреждениях, либо при естественном старении резиновых уплотнителей. Кроме того, при низких температурах — от -20 °С и ниже — элегаз начинает конденсироваться. Из плюсов можно выделить меньший вес в сравнении с маслонаполненными аппаратами.

Высоковольтное масло

Масло — хороший проводник, который отводит тепло. Оно позволяет поднять больший ток рентгеновской трубки. Из минусов можно отметить то, что аппараты с маслом тяжелее аппаратов с элегазом.

Большинство полупериодных аппаратов идут с элегазом. Но есть и маслонаполненные аппараты, к примеру, серия РАП.

Большинство импульсных аппаратов маслонаполненные, за исключением аппаратов «Арион».

Температура эксплуатации