3. Импульсные рентгеновские дефектоскопы (на примере рентгенов­ского аппарата арина)

3.1. Общие сведения

Портативные импульсные рентгеновские аппараты серии АРИНА пред­назначены для использования в качестве источника рентгеновского излучения при неразрушающем контроле материалов методом рентгенографии.

Условия эксплуатации: в диапазоне температур от минус 40 до плюс 50°С, атмосферном давлении 101,3+5,3-25,6кПа (760+40-200мм рт ст), относи­тельной влажности воздуха до 98% при температуре плюс 25°С и при более низких температурах без конденсации влаги.

На рис. 3.1 показан импульсный рентгеновский дефектоскоп серии АРИ­НА (АРИНА-1, АРИНА-3, АРИНА-5, АРИНА-7).

Рисунок 3.1 – Импульсный рентгеновский дефектоскоп серии АРИНА

В табл. 3.1 приведены основные технические характеристики импульс­ных рентгеновских дефектоскопов серии АРИНА

Таблица 3.1 – Основные технические характеристики импульсных рентгеновских дефектоскопов серии АРИНА

Наименование	АРИНА-1	АРИНА-3	АРИНА-5	АРИНА-7
Экспозиционная доза рентгеновского излучения на рас­стоянии (500±20) мм от торца рентгеновского блока в пря­мом пучке за 1,5 мин, не ме­нее	129 (500) мкКл/кг (мР)	206 (800) мкКл/кг (мР)	258 (1000) мкКл/кг (мР)	387 (1500) мкКл/кг (мР)
Толщина стали, с флуорес­центными экранами	30 мм	40 мм	60 мм	80 мм
Толщина стали, доступная для рентгенографирования	15 мм	20 мм	30 мм	40 мм
Напряжение питания	автономно	однофазная сеть переменного тока (220±22) В (50±1) Гц, батарея ак­кумуляторов 24 В
Масса и габаритные размеры составных частей, не более: рентгеновский блок	3* кг - 420 х120х190 мм	5,5 кг-450 х120х190 мм	6,0 кг -460 х130х190 мм	8,5 кг -580 х130х210 мм
Пульт управления	1,0 кг -140 мм х Ǿ70	5,0 кг - 380 х270х100 мм	6,8 кг -380 х270х100 мм	6,8 кг -380 х270х100 мм

Примечание: * – без учета веса аккумуляторных батарей.

3.2. Принцип действия импульсных рентгеновских аппаратов

Принципиальная схема. В основе работы импульсного аппарат лежит принцип накопления энергии за сравнительно долгий промежуток времени и последующей ее реализации за существенно более короткий промежуток вре­мени.

Все импульсные аппараты выполнены по одной принципиальной схеме (рис. 3.2):

С1 - накопительный конденсатор; К - ключ (первичный коммутатор); Тр - импульсный трансформатор; С2 - разрядная емкость; Р - разрядник-обостритель; Т - рентгеновская трубка

Рисунок 3.2 – Принципиальная схема импульсных аппаратов (серии АРИНА)

При замыкании ключа К предварительно заряженный накопительный конденсатор С1 разряжается через первичную обмотку трансформатора Тр. При этом во вторичной его обмотке возникает импульс высокого напряжения длительностью порядка 10-6с, заряжающий выходную емкость С2 до напряже­ния 100-200 кВ в зависимости от типа аппарата.

Разрядник-обостритель Р преобразует энергию, накопленную в емкости С2, в импульс высокого напряжения длительностью 10-8с, который приклады­вается к электродам рентгеновской трубки Т.

В аппаратах АРИНА используется не обычная рентгеновская трубка с на-кальным катодом, а так называемая трубка с взрывной электронной эмиссией.

В качестве катода в такой трубке используется вольфрамовая фольга тол­щиной в несколько микрон.

Под действием импульса высокого напряжения очень короткой длитель­ности (который обеспечивается разрядником – обострителем) кромка вольфра­мового катода взрывается, образуется облако плазмы, которая является источ­ником электронов. Далее процесс ускорения электронов и возбуждения рентге­новского излучения протекает так же, как и в классических рентгеновских трубках с накальным катодом.

Итак, вместо термоэмиссии – плазменная эмиссия, вместо накаливаемого катода – холодный катод.

При этом необходимым и главным условием образования электронной плазмы является короткий импульс высокого напряжения.

Импульсный трансформатор, разрядник-обостритель и рентгеновская трубка располагаются в металлическом цилиндре, заполненном трансформа­торным маслом. Этот цилиндр, в дальнейшем будем называть его высоко­вольтным блоком, является сердцем всего аппарата. Он определяет ресурс работы прибора, его габаритно-весовые и рентгеновские характеристики.

Рентгеновская трубка

В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются 2 ти­па импульсных рентгеновских трубок.

На рис. 3.3 изображен схематический разрез так называемой игольчатой трубки типа ИМА 5-320 Д, которая применяется в аппаратах АРИНА-3, АРИНА-5 и АРИНА-7.

1 - выходное окно, 2 - анод, 3 - катод, 4,9 - фланцы, 5- кольцо, 6- экран, 7 - вывод, 8 - стекло, 10 - штенгель

Рисунок 3.3 – Конструкция импульсной рентгеновской трубки ИМА 5-320 Д

Максимальное рабочее напряжение ее составляет 320 кВ. Лезвийный ка­тод 3 в виде шайбы изготовлен из вольфрамовой фольги толщиной 20 мкм. Внутренняя кромка шайбы и является взрывной кромкой, эмитирующей плаз­му.

Анод 2 выполнен из вольфрамового прутка диаметром 4 мм, заточенного на конус. Конец этого прутка является фокусным пятном трубки. Диаметр его примерно равен 2 мм.

Анод припаян к стальному стержню - выводу 7, соединенному с малым фланцем 9. Большой фланец 4 электрически соединен с катодом. К этому флан­цу приварено выходное окно 1, имеющее форму полусферического купола. Оно изготовлено из ковара толщиной 0,2мм. Благодаря такой форме окна труб­ка пригодна как для направленного, так и для панорамного просвечивания.

Стальной экран 6, на котором непосредственно укреплен катод, жестко соединен с большим фланцем с помощью кольца 5. Основное назначение экра­на препятствовать осаждению на стеклянный изолятор 8 паров вольфрама, об­разующихся при плазменном разряде.

Штенгель 10 служит для вакуумной откачки объема трубки при ее изго­товлении.

В аппарате АРИНА-1 используется трубка прострельного типа ИМА 2-150 Д (рис. 3.4) с максимальным напряжением 150 кВ.

1 - выходное окно, 2 - анод, 3 - катод, 4 - электрод, 5 - корпус, 6 - изоля­тор, 7 - штенгель

Рисунок 3.4 – Конструкция импульсной рентгеновской трубки PIMA 2-150 Д

Здесь катод 3 выполнен из вольфрамовой трубки диаметром 2 мм с тол­щиной стенки 0,2 мм, который установлен на грибовидный электрод 4. Данный электрод защищает стеклянный конический изолятор 6 от конденсации паров металла.

К металлическому цилиндрическому корпусу 5 припаяно выходное плос­кое окно 1 из ковара толщиной 0,2 мм.

Прострельный вольфрамовый анод 2 приварен непосредственно к вы­ходному окну. Штенгель 7 предназначен для вакуумной откачки трубки.

В данной трубке электроны из плазмы, образующейся на кончике цилин­дрического катода, бомбардируют плоский заземленный анод, а рентгеновские фотоны проходят сквозь него и выходное окно. Достоинством такой конструк­ции является возможность размещения исследуемого объекта вплотную у вы­ходного окна трубки. Недостатком же является менее четкое фокусное пятно. К тому же оно имеет большие размеры по сравнению с игольчатой трубкой.

Как та, так и другая описанные рентгеновские трубки имеют существен­но меньшие габариты по сравнению с классическими накальными трубками. Объясняется это тем, что при столь коротких воздействиях высокого напряже­ния (10-8 с) длина стеклянного изолятора сокращается в несколько раз по срав­нению с изоляторами в трубках с постоянным напряжением. Длина же изоля­тора и определяет геометрические размеры любой трубки.

Разрядник-обостритель

Основным элементом высоковольтного блока, его "ахиллесовой пятой", определяющей срок службы аппарата является разрядник-обостритель. На рис. 3.5 изображен разрез разрядника-обострителя Р-43.

Именно он вырабатывает чрезвычайно короткий импульс высокого на­пряжения, обеспечивающий образование электронной плазмы в районе катода рентгеновской трубки.

1 - корпус, 2 - изолятор, 3 - электроды

Рисунок 3.5 – Разрядник-обостритель

Он состоит из стального цилиндрического корпуса 1, керамического изо­лятора 2 в виде усеченного конуса и двух электродов 3 из тугоплавкого метал­ла, один из них припаян к крышке корпуса, другой – к изолятору. Рабочий объ­ем разрядника заполнен техническим водородом или азотом под давлением 30 - 40 атмосфер. Благодаря столь высокому давлению, при пробое межэлектрод­ного зазора электрический импульс с выхода импульсного трансформатора со­кращается по длительности примерно в 100 раз, что и обеспечивает взрыв микроострий катода рентгеновской трубки.

Напряжение срабатывания разрядника-обострителя является рабочим на­пряжением рентгеновской трубки. Поэтому для данного конкретного разряд­ника оно всегда одно и то же и не может регулироваться.

Разрядник имеет два резьбовых вывода, с помощью которых он с одной стороны соединяется с импульсным трансформатором, а с другой – с рентге­новской трубкой.

Металлический корпус разрядника совместно с корпусом высоковольт­ного блока образуют конструктивную выходную емкость С2 (см. рис. в первой статье главы), которая разряжается через рентгеновскую трубку. Именно вели­чина этой емкости определяет амплитуду импульса тока в трубке, а, следова­тельно, и интенсивность рентгеновской вспышки.

Амплитуда импульса тока в описываемых аппаратах составляет 500 -1000 А при длительности 10-20 нс, а частота следования импульсов составляет 5 - 20 Гц в зависимости от марки аппарата. Нетрудно вычислить, что средний ток через рентгеновскую трубку при этом находится в пределах 0,1 - 0,5 мА. Величина среднего тока зависит от амплитуды импульса, его длительности и частоты следования импульсов. В отличие от классических накальных трубок, в трубках с взрывным катодом средний ток, так же как и высокое напряжение, не регулируется и определяется только частотой следования импульсов излу­чения.

Напряжение срабатывания разрядников-обострителей типа Р-43 находят­ся в интервале 140 - 170 кВ. Выбирая разрядник с той или иной величиной на­пряжения срабатывания в каждом конкретном случае можно наиболее полно соблюсти требования ГОСТ 20426-82 с точки зрения соответствия контроли­руемой толщины изделия рабочему напряжению трубки. Рабочее напряжение рентгеновской трубки, как уже отмечалось, точно равняется величине напря­жения срабатывания разрядника.

Многих потребителей вводит в заблуждение величина напряжения на трубке, указанная в ее паспорте. Следует иметь в виду, что это величина мак­симально допустимая для данного типа трубки.

Реальное же рабочее напряже­ние всегда определяется величиной напряжения срабатывания разрядника-обострителя. Так, например, в аппарате АРИНА-3 используется трубка ИМ А 5-320 Д с максимальным напряжением 320 кВ.

Рабочее же напряжение ее в аппа­рате АРИНА-3 - 200-240 кВ. В аппарате АРИНА-1 используется трубка ИМА 2-150Д с максимальным напряжением 150 кВ, рабочий режим ее 140 - 150 кВ.

Разрядник-обостритель определяет не только напряжение срабатывания рентгеновской трубки, но и как уже отмечалось, срок службы высоковольтного блока. Именно он, а не трубка в первую очередь выходит из строя через 100 -150 часов работы аппарата. Поэтому замена трубки без замены разрядника-обострителя, как правило, не приводит к положительному результату.