Понятие и физические основы рентгеновских методов контроля.

 

 

В 1895 году немецкий физик В.Рентген открыл новый, не из­вестный ранее вид электромагнитного излучения, которое в честь его первооткрывателя было названо рентгеновским. Было уста­новлено, что это излучение обладает целым рядом удивительных свойств. Во-первых, невидимое для человеческого глаза рентге­новское излучение способно проникать сквозь непрозрачные тела и предметы. Во-вторых, оно способно поглощаться веществами тем интенсивнее, чем больше их атомный (порядковый) номер в перио­дической системе Менделеева. В-третьих, рентгеновское излуче­ние вызывает свечение некоторых химических веществ и соедине­ний. В-четвёртых, рентгеновские лучи обладают линейным характе­ром распространения. Эти свойства рентгеновских лучей и используются для получения информации о внутреннем содержании и строении "просвечиваемых" ими объектов без их вскрытия.

Рентгеновские лучи в "табеле о рангах"- шкале электро­магнитных волн, - имея диапазон длин волн от 0,06 до 20 ангст­рем (IA=10^-10 м), занимает место между ультрафиолетовым излу­чением и гамма-лучами (Рис. 2.1) и характеризуется энергией квантов от единиц килоэлектронвольт до сотен мегаэлектрон­вольт. Рентгеновское излучение образуется двумя путями. Пер­вый - в результате торможения быстро движущихся электронов в веществе, так называемое "тормозное" излучение, второй – в ре­зультате изменения энергетического состояния атомов вещества, т.н. "характеристическое" излучение. Физику явлений можно показать на примере работы рентгеновской трубки, как специа­льного электровакуумного высоковольтного прибора, предназна­ченного для генерирования рентгеновского излучения.

 

Шкала электромагнитных волн.

 

Рисунок.2.1

 

На Рис.2.2 схематично представлены основные узлы рентгенов­ской трубки: катод (1) нить накала (2), стеклянная или керами­ческая колба (3), анод (4) и источник высокого напряжения (5). Получение рентгеновского излучения осуществляется путём бом­бардировки анода трубки пучком электронов, ускоренных приложенным к её электродам напряжением. Источником электронов явля­ется катод с нитью накала из вольфрамовой проволоки, который нагревается до высокой температуры (примерно 2500°С).

 

Схема основных узлов рентгеновской трубки

Рисунок.2.2.

 

Фокусировка потока электронов в узкий пучок достигается оптимальным выбором электрического поля в межэлектродном пространстве. Направляющиеся от катода к аноду электроны бомбар­дируют анод, на поверхности тела которого происходит их резкое торможение, образуя таким образом тормозное излучение непре­рывного спектра. Интенсивность его зависит от величины уско­ряющего напряжения и атомного номера материала мишени анода. Чем выше атомный номер материала мишени, тем сильнее тормозятся в нём электроны. Поэтому, как правило, на изготовление анода идут ма­териалы типа вольфрама, имеющие, кроме этого, высокую точку пла­вления и хорошую теплопроводность. Интенсивность тормозного излучения характеризуется так называемой "лучевой отдачей" рентгеновской трубки, зависящей, главным образом, от величины питающего трубку напряжения и уровня предварительной фильтра­ции излучения.

Оптические свойства рентгеновской трубки определяются формой и размерами оптического фокуса трубки, а также углом раствора пучка излучения. Кроме тормозного излучения при бомбардировке анода электронами возникает характеристическое рентгеновское излучение, вызванное, как уже говорилось, измене­нием энергетического состояния атомов. Если один из электро­нов внутренней оболочки атома выбит электроном или квантом тормозного излучения, то атом переходит в возбужденное состояние. Освободившееся место в оболочке заполняется электронами внешних слоев с меньшей энергией связи. При этом атом пере­ходит в нормальное состояние и испускает квант характеристи­ческого излучения с энергией равной разности энергии на соот­ветствующих уровнях. Частота характеристического рентгеновс­кого излучения связана с атомным номером (Z) вещества анода. В отличие от непрерывного спектра тормозного рентгеновского излучения длины волн характеристического рентгеновского излу­чения имеют вполне определённые для данного материала анода значения.

При прохождении через исследуемое вещество пучок рентге­новского излучения ослабляется вследствие взаимодействия его с электронами, атомами и ядрами вещества. Основные процессы взаимодействия рентгеновского излучения с веществом при энергии квантов электромагнитного поля (фотонов) - менее 10⁶ эВ - это фотоэлектрическое поглощение и рассеяние. Физика явлений при этом совершенно адекватна физике образования рентгеновского излучения.

Фотоэлектрическое поглощение рентгеновского излучения происходит при взаимодействии фотонов рентгеновского излуче­ния с атомами вещества. Фотоны, попадая на атомы, выбивают электроны с внутренней оболочки атома. При этом первичный фотон полностью расходует свою энергию на преодоление энергии связи электрона в атоме и сообщает электрону кинетическую энергию. В результате энергетической перестройки атома, проис­ходящей после вылета из атома фотоэлектрона, образуется характеристическое рентгеновское излучение, которое при взаимодей­ствии с другими атомами может вызывать вторичный фотоэффект. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока энергия фото­нов не станет меньше энергии связи электронов в атоме. Очень важно отметить, что процесс ослабления излучения при прохож­дении через вещество зависит не только от энергии фотонов и длины волны излучения, но и от атомного номера вещества, в котором происходит фотоэлектрическое поглощение.

Образующееся при прохождении через вещество рассеянное излучение либо обусловлено тем, что под действием электричес­кого поля электроны получают переменное ускорение, в результа­те которого они сами излучают электромагнитные волны с часто­той, совпадающей с частотой первичного излучения и изменённым направлением излучения, (так называемое - когерентное рассея­ние), либо обусловлено взаимодействием фотонов со свободными или слабо связанными электронами атома вещества (так называемое - комптоновское рассеяние).

Таким образом, в результате фотоэлектрического поглощения рентгеновского излучения в веществе и рассеяния - часть энергии первичного излучения остаётся в виде характеристического и рассеянного излучения, часть энергии поглощается, а часть -пре­образуется в энергию заряженных частиц - электронов.

Прошедшее через предмет или вещество рентгеновское из­лучение ослабляется в различной степени в зависимости от рас­пределения плотности их материала. Таким образом, оно несёт информацию о внутреннем строении объекта, т.е.образует рентге­новское изображение просвечиваемого объекта, которое затем преобразуется в адекватное оптическое изображение воспринимаемое глазами оператора. Возникающее рассеянное излучение не несёт информации о внутреннем строении предмета и только ухудшает качество формируемого изображения.

Основными требованиями к преобразователям рентгеновского изображения являются: максимальная информативность рентгенов­ского изображения при минимально возможной поглощённой дозе излучения просвечиваемым объектом и оптимальное преобразова­ние рентгеновского изображения в оптическое, обеспечивающее получение оператором максимума информации, содержащейся в те­невом рентгеновском изображении.

Качество рентгеновского изображения в основном определя­ется: контрастностью, яркостью, не резкостью и разрешающей способностью.

Контрастность изображения тем выше, чем меньше уровень рассеянного излучения. Реальные источники излучения дают рас­ходящийся пучок лучей, выходящий из фокусного пятна анода рентгеновской трубки, причём интенсивность рентгеновского излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от фокуса рентгеновской трубки. Для получения большей интен­сивности излучения в плоскости наблюдательного экрана и, сле­довательно, большей яркости свечения экрана при заданной мощ­ности рентгеновской трубки выгодно максимально приближать фокус трубки и экран к исследуемому объекту. Однако в зависи­мости от расстояния от фокуса трубки до поверхности просвечи­ваемого объекта и от поверхности объекта до преобразователя рентгеновского изображения (экрана) возникает искажение гео­метрических соотношений в теневом рентгеновском изображении: одинаковые по размерам структуры элементов, находящихся на разных расстояниях до фокуса рентгеновской трубки, дают сущес­твенно различные по форме и площади тени. Поскольку размеры фокусного пятна трубки имеют конечную величину, переход от наибольшей яркости изображения к области полной тени происхо­дит постепенно - вместо резкой границы образуется переходная область полутени. Контраст, обеспечивающий заданную вероятность обнаружения объекта и определяемый заданными параметрами изо­бражения, а также условиями зрительной работы, принято называть пороговым контрастом. Этот параметр очень значим, т.к. прак­тически оператор не знает того, где и когда в поле его зрения появится "запрещённый" объект. Кроме того, в поле зрения опе­ратора представляется одновременно нескольких объектов, часть из которых он должен опознать по известным признакам с учётом таких факторов как определённое ограничение времени наблюде­ния (особенно при конвейерном способе контроля), побочные воз­буждения оператора в производственных условиях, а также нали­чие шумов на изображении и его определённая не резкость.

Не резкость изображения определяется явлением рассеяния и конечными размерами фокусного пятна трубки. Не резкость тем больше, чем ближе трубка к просвечиваемому объекту и чем дальше находится от объекта преобразователь рентгеновского изображения (экран). При просвечивании движущегося объекта на не резкость его изображения накладывается так называемая динамическая не резкость, обусловленная инерционностью элемен­тов системы визуализации рентгеновского изображения. К плав­ным переходам интенсивности между соседними участками рент­геновского излучения (не резкости) может привести и сама вну­тренняя структура просвечиваемого объекта, толщина элементов которого может изменяться постепенно.

Яркость изображения - это отношение силы света элемента излучающей поверхности к площади проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения. Яркость изображения в значительной степени, кроме мощности источника рентгеновского излучения, зависит от свойств применяемых рент­геновских экранов и детекторов, которые характеризуются доста­точно высокими параметрами энергетического выхода люминесцен­ции, высоким уровнем поглощения и высоким коэффициентом спек­трального соответствия глазу человека (только при рентгеноско­пии).

Разрешающая способность - это способность давать чёт­кие раздельные изображения двух близких друг к другу мелких объектов. Пределом разрешения называется наименьшее линей­ное (для досмотровой рентгеновской техники) или угловое рас­стояние между двумя объектами, начиная с которого их изображе­ния сливаются. В практике принято оценивать величину разрешаю­щей способности числом линий на 1мм, причём толщина линий рав­на толщине промежутков между ними.