Оптимизация условий для контроля качества наполнителя в металлических трубках Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

Коробов Кирилл Николаевич, аспирант кафедры «Физические методы и приборы контроля» ТПУ.

E-mail:

[email protected] Область научных интересов: рентгеновский и ультразвуковой методы контроля. Капранов Борис Иванович, д-р техн. наук, профессор кафедры «Физические методы и приборы контроля», заведующий сектором лаборатории № 40 ТПУ.

E-mail: [email protected] Область научных интересов: комптоновская томография. Абрамов Иван Николаевич,

инженер-технолог приборо-

строительного завода, г. Трёхгорный.

E-mail:

[email protected] Область научных интересов: технология изготовления детонационных шнуров.

УДК 620.179

ОПТИМИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА НАПОЛНИТЕЛЯ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБКАХ

К.Н. Коробов, Б.И. Капранов, И.Н. Абрамов1

Томский политехнический университет Приборостроительный завод, г. Трёхгорный E-mail: [email protected]

Проанализирована возможность с помощью цифровой радиографии контролировать качество наполнителя в детонирующем шнуре с целью обнаружения разноплотных включений, разрывов и других технологических нарушений. Проанализированы закономерности изменений интенсивности прошедшего потока квантов в геометрии узкого пучка. Определена энергия рентгеновского излучения, обеспечивающая максимальный перепад интенсивности прошедшего потока при изменении плотности наполнителя на ±30 %.

Ключевые слова:

Рентгеновская трубка, линейный коэффициент ослабления, массовый коэффициент ослабления, интенсивность потока квантов.

Введение

Оперативный непрерывный контроль внутреннего заполнения детонирующего шнура (ДШ) возможен только с помощью просвечивания рентгеновским или гамма излучением с регистрацией прошедшего через ДШ потока квантов. Возможность обнаружения включений с меньшей и большей плотностью в материал наполнителя связана, соответственно, с уменьшением или увеличением линейного коэффициента ослабления комбинацией стенка-наполнитель-стенка.

Наполнитель

Наполнитель ДШ представляет собой органическое вещество сложного состава [1]. Процентное содержание элементов представлено в табл. 1.

Таблица 1. Процентное содержание элементов

Элемент C H N O

Процентное содержание, % 40,77 2,43 10,19 46,61

В соответствии с [2] массовый коэффициент ослабления для наполнителя определяется по формуле (1):

(1)

Расчёт производился для каждого вида взаимодействия: - для некогерентного

рассеяния, (-1 - для фотоэффекта, (-1 - для полного массового коэффициента ослабления

р x,t 'Р' tot,t

узкого пучка в диапазоне энергий до 100 кэВ. Полученные данные представлены в табл. 2. Таблица 2. Массовые коэффициенты ослабления для наполнителя

E, МэВ Winc,t И WT,i

0,005 0,2008 31,449 32,096

0,006 0,2007 17,906 18,409

0,008 0,1986 7,3236 7,7484

0,01 0,1976 3,5952 3,9525

0,015 0,1935 0,9599 1,2398

0,02 0,1904 0,3749 0,6182

0,03 0,1843 0,0976 0,31

0,04 0,1782 0,0372 0,2324

0,05 0,173 0,0177 0,2018

0,06 0,1679 0,0097 0,1858

0,08 0,1593 0,0037 0,1673

0,1 0,1516 0,0015 0,1565

Расчёт прохождения излучения через объект контроля проводился в геометрии, представленной на рис. 1.

Исследуемый объект представляет собой алюминиевую трубку диаметром 1,5 мм и толщиной стенки 0,4 мм.

!11 |12

Рис. 1. Геометрия расчёта

Изменение потока квантов N происходит по экспоненциальному закону. Для поглотителя, имеющего сложное строение [3]:

N = м0е~^1Х1е~^Х2е~^зХз, (2)

где Ць ц2; ц3 - линейные коэффициенты ослабления для алюминия и наполнителя; х^ х2; х3 -толщина алюминия и наполнителя.

Переход от массового коэффициента ослабления к линейному определяется формулой:

М = МРР< (3)

где р - плотность поглотителя, г/см3.

Для расчёта использовались следующие начальные условия: N = 1010; E = 10.. .100 кэВ; x(Al) = 0,04 см; x (сердечника) = 0,07 см; р(А1) = 2,69 г/см3; р (сердечника) = 1,66 г/см3.

Линейный коэффициент ослабления для алюминия и сердечника рассчитывался с использованием формулы (3), данных табл. 2 и значений плотностей алюминия и сердечника в диапазоне энергий от 10 до 100 кэВ.

Полученные данные представлены в табл. 3.

Таблица 3. Линейные коэффициенты ослабления для Al и сердечника.

Е, МэВ А1 Сердечник

0,01 70,747 6,5612

0,015 21,439 2,0581

0,02 9,1729 1,0262

0,03 2,9321 0,5145

0,04 1,4661 0,3857

0,05 0,955 0,335

0,06 0,7263 0,3084

0,08 0,538 0,2777

0,1 0,4546 0,2599

Расчёт изменения интенсивности потока квантов N в геометрии узкого пучка излучения проводился с использованием формулы (2), данных табл. 3, исходных данных толщин материалов x и начального потока N0. Полученные данные представлены в табл. 4.

Таблица 4. Изменение интенсивности потока квантов N в геометрии узкого пучка излучения для четырёх случаев: с сердечником, без сердечника, плотность сердечника ±30 %

Е, кэВ С сердечником Без сердечника Плотность сердечника +30 % Плотность сердечника -30 %

10 0,22х108 0,36х108 0,2х108 0,27х108

15 15,7х108 18,2х108 15,1х108 16,5х108

20 45х108 48,3х108 44х108 45,9х108

30 76,5х108 79,2х108 75,7х108 77,3х108

40 86,8х108 89,1х108 86х108 87,5х108

50 90,6х108 92,7х108 90х108 91,2х108

60 92,4х108 94,4х108 91,8х108 92,8х108

80 94,1х108 95,9х108 93,5х108 94,6х108

100 94,7х108 96,4х108 94х108 95,3х108

Расчёт абсолютного и относительного отклонений производился по формулам [4]:

ДN = Кзм-^т (4)

где ДN - абсолютное отклонение интенсивности потока прошедших квантов; ^зм - измеренное значение N интенсивности потока прошедших квантов; ^т - эталонное значение N интенсивности потока прошедших квантов.

За эталонное значение приняты значения, вычисленные для первого случая (2 столбец табл. 4), за измеренные - значения, вычисленные для второго, третьего и четвёртого случаев (3, 4, 5 столбцы табл. 4).

ЛУ

8Х = — х 100% (5)

хэт

где 8Х - относительное отклонение.

Расчёт абсолютного и относительного отклонений производился по формуле (4) и (5). Полученные данные представлены в табл. 5.

Таблица 5. Значения абсолютных отклонений ДN

Е, кэВ дш 51 дш 52 дш 53

10 0,14 63,3 -0,02 -9 0,05 22,7

15 2,5 15,9 -0,6 -3,8 0,8 5,1

20 3,3 7,3 -1 -2,2 0,9 2

30 2,7 3,5 -0,8 -1 0,8 1

40 2,3 2,6 -0,8 -0,9 0,7 0,8

50 2,1 2,3 -0,6 -0,6 0,6 0,6

60 2 2,1 -0,6 -0,6 0,4 0,4

80 1,8 1,9 -0,6 -0,6 0,5 0,5

100 1,7 1,7 -0,4 -0,4 0,6 0,6

По данным табл. 5 построены графики зависимости абсолютного ДЫ и относительного отклонений интенсивности потока прошедших квантов при наличии в наполнителе разрывов (отсутствии наполнителя) и при изменении плотности вещества наполнителя на ±30 % графики зависимостей абсолютного ДЫ и относительного отклонений представлены на рис. 2 и 3.

со

О

тН

X

г'

<з

Рис. 2. График зависимости абсолютного отклонения ДК от энергии Е

Е. кэВ

70

60

50

40

30

Ю 20

10

0

-10

-20

Е, кэВ

Рис. 3. График зависимости относительного отклонения 8К от энергии Е

Анализ полученных зависимостей позволяет сделать следующие выводы:

1. Максимальное значение отклонения интенсивности потока квантов при образовании в наполнителе разрыва (воздух) имеет место при энергии квантов 20 кэВ. При использовании в качестве источника излучения рентгеновской трубки это соответствует напряжению на трубке 40 кВ.

2. Максимальное абсолютное отклонение интенсивности потока прошедших квантов при отклонении плотности на ±30 % также имеет место при энергии квантов 20 кэВ, т. е. при напряжении на трубке 40 кВ.

3. Относительное отклонение с увеличением энергии всегда уменьшается, т. е. имеет смысл использовать минимально возможные энергии.

4. При эффективной энергии 20 кэВ (напряжение на трубке 40 кВ) отклонение плотности наполнителя на ±30 % изменяет интенсивность потока прошедшего излучения на ±2 %.

Таким образом, система измерения должна обеспечивать статистическую погрешность не более ±0,2 %, что соответствует количеству квантов в детекторе N = пЧ > 106 квантов.

С учетом малой ширины области регистрации, ограниченной требуемым пространственным разрешением 0,1 мм, это требует интенсивности потока квантов, создаваемых источником излучения, порядка 107 квантов на 1мм на детекторе или, с учетом ослабления расстоянием источник-детектор порядка 50 см, порядка 1013 квантов в секунду. Подобные интенсивности может обеспечить только рентгеновская трубка. При напряжении на трубке 40 кВ это соответствует току трубки 1 мА.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лучинский Г.П. Курс химии. - М.: Высшая школа, 1985. - 416 с.

2. Сторм Э., Израэль Х. Сечения взаимодействия гамма-излучения. - М.: Атомиздат, 1973. -168 с.

3. Неразрушающий контроль. Т. I. / под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 2008. -560 с.

4. Румянцев С.В. Радиационная дефектоскопия. - М.: Атомиздат, 1968. - 560 с.

Поступила 11.04.2012 г.