Badania rentgenowskie
Wstęp teoretyczny.
Badania rentgenowskie należą do grupy najważniejszych nieniszczących badań materiałów.
W badaniach tych wykorzystywane jest oddziaływanie z materią fal elektromagnetycznych
odpowiedniej długości, zwanych promieniowaniem rentgenowskim. Na podstawie analizy
wyników badań podejmowana jest decyzja o dopuszczeniu badanego elementu do
eksploatacji.
Promieniowanie rentgenowskie jest falą elektromagnetyczną. Fala elektromagnetyczna
powstaje w wyniku rozchodzenia się zmiennego pola elektrycznego i magnetycznego.
Energia takiego promieniowania wysyłana jest porcjami (kwantami), które nazywają się
fotonami.
Energia kwantu fali elektromagnetycznej zależy od długości fali. Im mniejsza jest długość
fali, tym większa jest jej energia. Widmo promieniowania elektromagnetycznego można
podzielić na następujące obszary w kierunku coraz krótszych fal:
- fale radiowe,
- mikrofale,
- podczerwień,
- światło widzialne,
- nadfiolet, i
- promieniowanie rentgenowskie.
Promieniowanie rentgenowskie przechodząc przez badany obiekt ulega osłabieniu. Oznacza
to, że natężenie promieniowania za badanym obiektem jest niższe od natężenia
promieniowania padającego na obiekt. Osłabienie promieniowania spowodowane jest jego
pochłanianiem przez materię i rozpraszaniem.
Stosowane w technice materiały powodują zróżnicowane osłabienie promieniowania
rentgenowskiego.
Rejestracji promieniowania rentgenowskiego dokonuje się najczęściej przy wykorzystaniu
efektu fotochemicznego, dobrze znanego z fotografii.
Promieniowanie rentgenowskie powoduje zaczernienie błony pokrytej halogenkiem srebra.
Zaczernienie to zależy od natężenia promieniowania i czasu jego działania. Istnieją także inne
sposoby rejestracji promieniowania rentgenowskiego.
W trakcie badań rentgenowskich rejestruje się promieniowanie, które pozostało po przejściu
przez badany obiekt.
Łączna długość drogi przejścia promieniowania przez materię w miejscu występowania wady
jest mniejsza niż w sąsiadującym obszarze. Oznacza to, że osłabienie promieniowania jest
również mniejsze. Tak więc, na płaszczyźnie rejestracji promieniowania jego intensywność w
polu odwzorowania wady jest większa niż w sąsiadującym obszarze.
Zmiany intensywności promieniowania po przejściu przez badany obiekt powodują
zróżnicowane zaczernienie błony rentgenowskiej. W ten sposób powstaje cień nieciągłości
(wady), który umożliwia jej wykrycie, lokalizację oraz określenie rodzaju i kształtu.
Promieniowanie rentgenowskie wytwarzane jest w specjalnych lampach próżniowych. Lampa
taka jest najważniejszą częścią aparatu rentgenowskiego. Klasyczna lampa rentgenowska
zbudowana jest ze szkła i współpracuje z następującymi elementami składowymi aparatu
rentgenowskiego: transformatorem wysokiego napięcia, prostownikiem oraz transformatorem
do zasilania włókna żarzenia katody.
Nowoczesne lampy rentgenowskie, budowane coraz częściej z użyciem ceramiki i metalu,
zasilane są poprzez układ tzw. kaskady napięciowej. Praca lampy rentgenowskiej przebiega w
czterech etapach.
Najbardziej w praktyce popularny sposób rejestracji promieniowania rentgenowskiego, to
rejestracja na specjalnej błonie przy wykorzystaniu efektu fotochemicznego. Jest to również
wygodny i trwały sposób dokumentowania badań. Błona taka, zbliżona swoimi
właściwościami do błony fotograficznej nosi nazwę błony rentgenowskiej.
Badaniem właściwości błon rentgenowskich oraz metodami pomiaru tych właściwości
zajmuje się sensytometria. Właściwości błony rentgenowskiej opisuje tak zwana krzywa
charakterystyczna, która podaje zależność pomiędzy gęstością optyczną a ekspozycją.
Rozróżnia się dwa główne rodzaje błon rentgenowskich:
- błony gruboziarniste, oraz
- błony drobnoziarniste.
W celu skutecznego wykrywania niewielkich wad stosowane są błony drobnoziarniste o małej
czułości. Dla osiągnięcia właściwego zaczernienia błona taka wymaga odpowiednio
dłuższego czasu naświetlania. Naświetlona błona poddawana jest obróbce w ciemni.
Okładki wzmacniające stosuje się w celu zwiększenia działania promieniowania na błonę
rentgenowską i, co za tym idzie, skrócenia koniecznego czasu jej naświetlania. Efekt
wzmocnienia polega na wykorzystaniu dużej czułości błon rentgenowskich na światło
widzialne oraz na strumień elektronów.
Najczęściej stosowane są okładki solne i okładki metalowe. Okładki solne pozwalają na
znaczne skrócenie czasu naświetlania błony, ale zwiększają tzw. nieostrość wewnętrzną.
Okładki metalowe obok skrócenia czasu naświetlania poprawiają także kontrast radiogramu.
Prawidłowe naświetlenie błony rentgenowskiej jest bardzo ważne dla właściwego wykonania
badań. Największy wpływ na naświetlenie błony rentgenowskiej mają cztery parametry:
napięcie lampy, odległość, prąd anodowy i czas.
Zmieniając napięcie lampy zmienia się przenikliwość promieniowania rentgenowskiego.
Zwiększenie napięcia pomiędzy anodą i katodą lampy rentgenowskiej zwiększa prędkość z
jaką elektrony bombardują anodę, a to prowadzi do wzrostu energii wytwarzanego
promieniowania.
Zmiany napięcia zmieniają wprost proporcjonalnie zaczernienie błony rentgenowskiej.
Wartość napięcia ustawia się na tablicy sterującej lampy. Najczęściej stosowane lampy
rentgenowskie pracują przy napięciach dochodzących do 400 kV.
Zmiana odległości między ogniskiem anody lampy rentgenowskiej i błoną rentgenowską
powoduje zmianę natężenia promieniowania oraz zmianę obszaru obejmowanego
promieniowaniem rentgenowskim. Natężenie promieniowania zmienia się z odwrotnością
kwadratu odległości.
Zmiana odległości powoduje więc odwrotnie proporcjonalne zaczernienie błony
rentgenowskiej.
W celu ułatwienia przeprowadzenia badań wprowadzono w praktyce badań rentgenowskich
parametr "odległość" jako wielkość ustaloną. Uwzględniając wielkość optymalnego obszaru
obejmowanego promieniowaniem określono standardową odległość na 700 mm i oznaczono
symbolem FFA.
Prąd anody jest to prąd płynący w obwodzie wysokiego napięcia lampy rentgenowskiej.
Mocniejsze nagrzanie katody powoduje zwiększenie prądu anodowego, co prowadzi do
wzrostu natężenia promieniowania.
Zmiany prądu anodowego zmieniają wprost proporcjonalnie zaczernienie błony
rentgenowskiej.
Czas działania promieniowania na błonę rentgenowską związany jest między innymi z
grubością badanego obiektu. Badanie elementów o większej grubości wymaga wydłużenia
czasu.
Zmiany czasu zmieniają wprost proporcjonalnie zaczernienie błony rentgenowskiej.
Iloczyn prądu anodowego i czasu nazywany jest ekspozycją.
Promieniowanie przechodzące przez badany obiekt powinno naświetlić błonę rentgenowską
w sposób optymalny. Zbyt mocno lub zbyt słabo zaczerniony radiogram może nie uwidocznić
wady znajdującej się w badanym obiekcie. W celu wyznaczenia prawidłowych parametrów
naświetlenia błony rentgenowskiej należy posłużyć się odpowiednim nomogramem. Takie
nomogramy sporządzane są dla jednego rodzaju materiału, ustalonej odległości oraz
ustalonego typu błony rentgenowskiej. Jeżeli dysponowane dane (warunki badania) nie są
zgodne z podanymi w legendzie nomogramu, to odczytana wartość ekspozycji może być
skorygowana przy pomocy odpowiednich równań.
Promieniowanie rentgenowskie, podobnie jak światło widzialne rozchodzi się prostoliniowo.
W zależności od wzajemnego ustawienia lampy rentgenowskiej, badanego obiektu oraz
kasety z błoną rentgenowską, mogą wystąpić różne deformacje geometryczne. Przykłady
takich deformacji pokazane są na rysunkach.
Ź
ródło promieniowania rentgenowskiego nie jest punktowe, lecz ma określoną powierzchnię.
Obok cienia krawędzi prześwietlanego obiektu lub wady pojawiają się półcienie. Zjawisko
powstawania półcienia wywołanego określonymi wymiarami źródła promieniowania oraz
wzajemną odległością źródła, błony rentgenowskiej i obiektu nosi nazwę nieostrości
geometrycznej.
Nieostrość geometryczna zależy:
- wprost proporcjonalnie od wielkości ogniska anody,
- wprost proporcjonalnie od odległości pomiędzy obiektem a błoną rentgenowską,
- odwrotnie proporcjonalnie od odległości pomiędzy obiektem a ogniskiem anody.
Nieostrością wewnętrzną nazywa się efekt polegający na braku gwałtownej zmiany gęstości
optycznej przy odwzorowywaniu krawędzi. Efekt ten spowodowany jest pośrednim
naświetlaniem ziaren błony w kierunku poprzecznym do głównego kierunku promieniowania.
Wielkość nieostrości wewnętrznej zależy od:
- rodzaju okładek wzmacniających,
- energii promieniowania,
- odległości między okładką wzmacniającą i błoną rentgenowską.
Nieostrość wewnętrzną redukuje się poprzez próżniowe pakowanie błon rentgenowskich z
okładkami wzmacniającymi.
Przy prześwietlaniu badanych obiektów promieniowaniem rentgenowskim powstaje tzw.
promieniowanie rozproszone, które naświetla błonę w sposób przypadkowy. Związane jest to
z właściwym dla fali elektromagnetycznej zjawiskiem odbicia, rozproszenia i załamania.
Szczególnie jest to widoczne przy badaniu obiektów o dużych grubościach. Sposoby
ograniczenia działania promieniowania rozproszonego polegają na stosowaniu odpowiednich
osłon, najczęściej z ołowiu.
Ostateczna jakość radiogramu zależy od różnych czynników, przy czym najważniejsze to:
- nieostrość geometryczna,
- nieostrość wewnętrzna błony rentgenowskiej,
- nieostrość spowodowana promieniowaniem rozproszonym wewnętrznym i zewnętrznym.
Nieostrość całkowita powoduje, że odwzorowanie krawędzi nie jest linią, lecz obszarem o
rozmytej gęstości optycznej. Ogranicza to zdolność rozpoznawania szczegółów na
radiogramie. Dlatego konieczne jest zawsze określenie klasy jakości radiogramu przy pomocy
odpowiednich wzorców. Najpopularniejsze są tzw. wzorce pręcikowe.
Typowe stanowisko do przemysłowych badań rentgenowskich składa się z następujących
części:
- aparatu rentgenowskiego,
- badanego obiektu,
- skrzynki sterowniczej,
- lampy ostrzegawczej,
- osłony ołowianej górnej,
- osłony ołowianej dolnej,
- wzorca pręcikowego,
- oznaczenia badanego obiektu,
- kasety z błoną rentgenowską.
Typowa kaseta do badań zawiera błonę rentgenowską wraz z okładkami wzmacniającymi.
Ś
ciana z odpowiedniego materiału zapewnia ochronę operatora przed promieniowaniem.
Parametry badania takie jak napięcie lampy i ekspozycja nastawiane są na pulpicie skrzynki
sterowniczej.
Właściwa ocena radiogramu jest bardzo odpowiedzialnym zadaniem, wymagającym wiedzy i
doświadczenia. Naświetloną błonę rentgenowską poddaje się obróbce w ciemni. Obraz na
błonie zostaje wywołany i utrwalony. Tak otrzymany radiogram ogląda się dokładnie na
negatoskopie.
Przy ocenie wad i podejmowaniu decyzji dotyczącej jakości badanego obiektu pomocne są
specjalne atlasy wad zlokalizowanych np. w spoinach, odlewach lub odkuwkach.
W zależności od rodzaju materiału, dostępności obiektu badanego, wydajności i
dopuszczalnych kosztów oraz stopnia zagrożenia promieniowaniem opracowano różne
techniki badań rentgenowskich. Najbardziej znaną jest omówiona w poprzednich rozdziałach
technika wykorzystująca błonę rentgenowską. Stosuje się także rejestrację obrazu przy
zastosowaniu ekranu fluoroscencyjnego, często z użyciem kamery telewizyjnej.
Promieniowanie rentgenowskie jest bardzo niebezpieczne dla żywych organizmów.
Niezwykle ważną rolę odgrywa odpowiednia ochrona przed promieniowaniem. Przepisy
określają wielkość dopuszczalnej dawki promieniowania, która może być pochłonięta przez
człowieka bez szkody dla jego zdrowia.
Główne zasady ochrony przed promieniowaniem to:
- stosowanie osłon,
- ograniczanie czasu pracy,
- zachowanie bezpiecznej odległości od źródła promieniowania.
Osoby przeprowadzające badania rentgenowskie poddają się regularnie kontroli
dozymetrycznej dotyczącej wchłoniętej dawki promieniowania.