Рентгеновская техника занимает, наверное, самую большую нишу в промышленном неразрушающем контроле. Это обеспечивает непрерывное появление новых разработок. Основой большинства методов рентгеновского контроля является рентгеновский аппарат. На рынке присутствует огромное количество типов рентгеновских аппаратов заметно отличающихся по многим параметрам. Большое количество типов аппаратов, разнообразие их параметров и не всегда корректная реклама может поставить в тупик даже специалистов в области радиационных методов контроля. В данной статья я хочу сделать попытку рассказать читателям об основных типах рентгеновских аппаратов, их параметрам и критериям по которым специалист может выбрать себе необходимый рентгеновский аппарат.
Рентгеновский контроль ведется посредством просвечивания исследуемой детали рентгеновскими лучами с фиксацией изображения на рентгеновскую пленку, многоразовые фосфорные пластины или цифровой детектор изображения.
Основные аксиомы при просвечивании на пленку или Фосфоматик в полевых условиях:
1. Чем выше максимальное напряжение рентгеновского аппарата, тем большую толщину стали, он может просветить.
2. Чем ниже напряжение и выше ток рентгеновской трубки при текущей экспозиции, тем выше контраст и качество получаемого изображения. То есть для просвечивания, например, 20мм стали гораздо правильнее поставить параметры 160кВ/5мА/2мин, чем 190кВ/2мА/2мин.
3. Чем выше рентгеновская эффективность аппарата, тем более высокое качество изображения можно получить. Например, полупериодный аппарат заметно эффективнее импульсного. А аппарат постоянного потенциала заметно эффективнее полупериодного.
4. Чем ниже чувствительность рентгеновской пленки, тем выше качество изображения.
5. Флуоресцентные усиливающие экраны резко ухудшают качество изображения.
Теперь, ознакомив Вас с основными аксиомами, перейдем к подробному описанию типов переносных рентгеновских аппаратов.
В начале статьи я классифицирую рентгеновские аппараты по типу питания рентгеновской трубки.
По этой классификации аппараты можно разделить на импульсные, полупериодные, постоянного потенциала низкочастотные (500Гц и менее), постоянного потенциала среднечастотные (1-10кГц), и постоянного потенциала высокочастотные (более 10кГц).
В импульсных аппаратах питание рентгеновской трубки осуществляется кратковременными импульсами напряжения малой длительности идущими с малой или средней частотой. Эффективность мощность данных аппаратов самая низкая, что обеспечивает низкое качество изображения. Импульсный аппарат по устройству можно сравнить с фотографической вспышкой, которая дает большую мгновенную силу света, но практически нулевую среднюю эффективность. Катод большинства таких аппаратов не имеет накала, и построен по принципу взрывной эмиссии и достаточно быстро выходит из строя. Таким образом, трубку необходимо часто менять. Таким образом, низкая эффективность импульсных рентгеновских аппаратов заставляет использовать высокочувствительную рентгеновскую пленку и усиливающие экраны, что приводит к ухудшению качества изображения. В связи с этим в странах ЕС импульсные практически не используются.
К достоинствам импульсных аппаратов можно отнести очень малый вес и размеры, а также низкую стоимость. Эти достоинства обеспечивают довольно широкое распространение импульсных аппаратов в России, но я надеюсь, что со временем все большее внимание будет уделяться именно качеству получаемого изображения и импульсные аппараты отойдут в мир иной без каких-либо законодательных запретов. Характерный представитель импульсных рентгеновских аппаратов – аппарат Арина.
Полупериодные рентгеновские аппараты являются следующим шагом после импульсных. Они содержат повышающий трансформатор, но не имеют умножителя. Выпрямителем напряжения служит сама рентгеновская трубка, которая является диодом. Полупериодные аппараты, как и следует из их названия используют только половину синусоиды высокого напряжения и их эффективность как минимум в два раза хуже, чем у аппаратов постоянного потенциала, работающих на аналогичной частоте. Кроме того большой коэффициент трансформации практически не позволяет сделать высокочастотный рентгеновский аппарат. Поэтому полупериодные аппараты работают на низких или средних частотах. В среднем эффективность полупериодного аппарата уступает высокочастотному аппарату постоянного потенциала в 4 раза. К полупериодным аппаратам относятся известные в России аппараты Balto и ICM.
Низко и среднечастотные аппараты постоянного потенциала.
Эти аппараты уже содержат умножитель напряжения и обеспечивают питание трубки напряжением, приближенным к постоянному. К сожалению, эффективность работы умножителя зависит от частоты. Низкая частота увеличивает пульсации выходного напряжения и уменьшает эффективность аппарата. Увеличение емкости конденсаторов умножителя может компенсировать эту проблему, но приведет к резкому увеличению веса и габаритов аппарата. Поэтому низко и среднечастотные аппараты уступают по эффективности высокочастотным. Примером низкочастотного аппарата является переносной аппарат РАП.
Высокочастотные аппараты постоянного потенциала.
Они являются вершиной развития. Частота преобразования в таких аппаратах обычно превышает 20кГц. Напряжение на трубке можно считать почти постоянным. Эффективность выхода рентгеновского излучения самая высокая и ограничивается только физикой рентгеновской трубки. Номограммы у высокочастотных аппаратов постоянного потенциала примерно совпадают. Представителями этого семейства являются аппараты Eresco, Smart, MCT.
В дальнейшем мы будем рассматривать (и рекомендовать пользователю) только высокочастотные аппараты постоянного потенциала.
Переносные моноблочные высокочастотные рентгеновские аппараты постоянного потенциала.
Предназначены для использования, как правило, в полевых условиях. Отличаются малым весом и повышенной стойкостью к жестким условиям эксплуатации (в том числе к воздействию низких температур). Представляют собой моноблок, содержащий высоковольтный трансформатор, умножитель и рентгеновскую трубку. Самые современные аппараты включают в состав моноблока еще и силовой электронный модуль, раскачивающий напряжение на высоковольтном трансформаторе. Включение силового модуля в состав моноблока позволяет отказаться от передачи по кабелю высокочастотного переменного напряжения, снизить уровень высокочастотных помех и позволяет иметь практически неограниченную длину кабеля к излучателю.
Высоковольтный трансформатор, умножитель и трубка помещены в высоковольтное масло или эле-газ. Что лучше масло или газ однозначно сказать невозможно. Каждые тип изоляции имеет свои преимущества и недостатки. Газ позволяет создавать более легкие конструкции, а масло более компактные. Масло имеет большой коэффициент температурного расширения, что заставляет использовать малонадежные резиновые груши-расширители, а газ в аппарате находится под большим давлением и обладает способностью быстро утекать через малейшие щели, которые часто образуются в процессе эксплуатации (особенно если аппарат часто роняют). Масло является хорошим проводником тепла и позволяет лучше отводить тепло, выделяющееся на умножителе, что позволяет поднять больший ток рентгеновской трубки. В данный момент большинство аппаратов с металлокерамическими рентгеновскими трубками выпускается по газовой технологии, а аппараты со стеклянными трубками по масляной.
Самой основной характеристикой рентгеновского аппарата является максимальное напряжение на трубке, и максимальная толщина стали, которую может просветить данный аппарат. В рекламе этих параметра врут многие производители, включая западных. Например, многие отечественные аппараты которые рекламируются как аппараты на 200кВ на самом деле имеют всего 180кВ. То же происходит, и с толщиной стали. Из рекламы можно узнать удивительные вещи. Например, что аппарат на 200кВ просвечивает 80мм стали. Наверно это возможно, при применении самых сильных усиливающих экранов и экспозиций по 5-10 часов. Это в рекламе конечно не указывается.
Для исключения такой недобросовестной рекламы придуманы номограммы. Они представляют графики, по которым можно определить значения высокого напряжения, тока трубки и времени экспозиции, необходимые для просвечивания требуемой толщины стали. В описании номограмм также указывается, при каких условиях и на какую пленку или фосфорную пластину снимались данные номограммы.
Далее все очень просто. Качественный высокочастотный аппарат постоянного потенциала с напряжением 200кВ и мощностью 900Вт должен просвечивать около 42мм стали на пленку типа D7 за 10 мин или около 50мм стали на систему Фосфоматик. Если не просвечивает, значит реальное максимальное напряжение аппарата меньше 200кВ или ток меньше заявленного и так далее. Перед покупкой аппарата требуйте прислать Вам номограммы аппарата и сравните их с номограммами, приведенными в этой статье. Если номограммы заметно отличаются – это повод лишний раз задуматься о качестве выбранного аппарата. После получения аппарата можно проверить его на соответствие присланным номограммам. Современные аппараты типа МСТ имеют возможность оперативного вывода номограммы прямо на встроенный монитор пульта управления. Также данные аппараты снабжены системой автоматического расчета экспозиции.
Также есть еще одна тонкость в выборе максимального напряжения аппарата. Наверное, многие знают, что обычная электрическая лампочка, рассчитанная на 220В, проживет намного дольше, если ее включить в 210В. В этом смысле рентгеновская рубка почти ничем не отличается от электрической лампочки. Если трубка по паспорту рассчитана на 250кВ, она проживет намного дольше, если ее включать на 225кВ. То же касается и мощности трубки. При предельной мощности трубки в 900Вт я не рекомендую использовать ее при мощностях выше 750Вт. Таким образом, если аппарат рассчитан на 200кВ и в нем установлена трубка на 200кВ, то это не очень хорошо. Лучше всегда недобрать 10-20кВ. Например, в аппаратах МСТ-200 (200кВ) и МСТ-225 (225кВ) применяется металлокерамическая трубка, рассчитанная на 250кВ.
Основными характеристиками переносных аппаратов помимо максимального высокого напряжения являются мощность, время непрерывной работы и вес. Мощность у большинства переносных аппаратов составляет 900-1000Вт. У облегченных версий 300-450Вт.
Время непрерывной работы (на предельной мощности) зависит от исполнения аппарата, размеров и эффективности радиатора, мощности вентилятора и температуры окружающей среды. Иногда это называют циклом работы аппарата. Например 100% цикл при 20 градусах означает что аппарат при температуре окружающей среды 20 градусов может работать непрерывно по крайней мере в течение часа. А цикл в 50% говорит о том, что после, например 5 минут работы ему надо 5 минут отдыхать. У самых лучших аппаратов цикл составляет 100% при 20 градусах. В зависимости от интенсивности работ можно считать приемлемым цикл и в 50%. Хотя для просвечивания больших толщин стали, следует выбирать аппараты с максимальным временем непрерывной работы. Этот параметр является одним из самых замалчиваемых. Многие производители его либо не указывают совсем, либо откровенно врут в рекламе. Особенно это касается масляных аппаратов со стеклянной рентгеновской трубкой. Эти аппараты имеют хитрость. Время непрерывной работы в положении радиатором вниз и радиатором вверх кардинально отличается. Когда аппарат работает радиатором вниз, то первое включение аппарата позволяет дать очень длительную выдержку, так как необходимо прогреть довольно большой объем масла. Зато дальше необходимо очень долго ждать пока это масло остынет, и вторая выдержка уже будет намного короче первой. Недобросовестные производители замалчивают эту особенность масляных аппаратов. Поэтому при проверке масляного аппарата на рабочий цикл необходимо проверять его в положении радиатором вверх. В этом положении конвекция масла практически отсутствует и реально можно проверить эффективность радиатора и вентилятора охлаждения.
Облегченные аппараты обычно имеют меньший размер радиатора и соответственно меньший рабочий цикл или меньшую мощность (а часто и то и другое). Некоторые облегченные аппараты вообще не имеют вентилятора, рассчитаны на охлаждение только маслом и реальный рабочий цикл у них может быть менее 10%. То есть в реальных условиях ими пользоваться почти невозможно.
Следует учесть, что у полупериодных аппаратов рабочий цикл почти всегда 100%. Это объясняется тем, что у полупериодного аппарата средняя мощность почти в 4 раза меньшая. То есть он эквивалентен высокочастотному аппарату постоянного потенциала, работающему на четверти мощности. Таким образом, эти величины нельзя сравнивать и рабочий цикл в 100% у полупериодных аппаратов типа ICM нельзя считать честным.
Теперь переходим к самому хитрому из параметров и одному из самых актуальных – весу аппарата. Вес аппарата сильно зависит от максимального высокого напряжения и мощности. В соответствии с требованиями ГОСТа и санитарно-эпидемиологической службы переносной рентгеновский аппарат должен при закрытом входном окне обеспечивать при максимальном напряжении и полной мощности дозу излучения не превышающую 1 рентген в минуту на расстоянии 1м. Это достигается за счет надевания на аппарат специальной защитной муфты, толщина которой зависит от предельно допустимого напряжения на трубке и которая по весу сравнима с самим аппаратом. Эта муфта защищает от излучения направленного в обратную сторону и вбок, и использовать аппарат без этой муфты в соответствии с ГОСТом (и здравым смыслом) запрещено. Западные производители указывают вес аппарата уже вместе с муфтой и у многих западных аппаратов эта муфта несъемная. Отечественные производители обычно указывают вес аппарат без муфты, и создается ошибочное впечатление, что аппарат легче. Особенно это касается рекламы облегченных и миниатюрных аппаратов. Вес муфты в основном зависит от предельного напряжения и мало зависит от мощности аппарата. Например, аппарат на 200кВ мощностью 900Вт и аппарат мощностью 450Вт имеют муфту почти не отличающуюся по весу. Некоторые недобросовестные производители получают гигиенические сертификаты с нормальной защитой, а поставляют аппарат с облегченной. К сожалению, это касается не только отечественных, но и некоторых западных производителей. Особенно этим страдают аппараты на очень высокие напряжения, которые с нормальной муфтой оказываются непомерно тяжелыми. Используя аппарат со снятой муфтой или с облегченной муфтой, Вы нарушаете санитарные нормы и подвергаете себя риску радиационного облучения. Получив переносной рентгеновский аппарат, имеет смысл испытать его на соответствие санитарным нормам по защите от излучения и в случае несоответствия выставить претензии производителям.
Одним из основных элементов аппарата является рентгеновская трубка, поэтому мы подробно остановимся на этом элемента. В большинстве отечественных переносных аппаратов представленных на российском рынке используется стеклянная рентгеновская трубка. Также стеклянная трубка используется во многих зарубежных аппаратах, включая Balto и ICM. Частое применение стеклянной трубки обуславливается ее низкой себестоимостью. Однако надежность и срок эксплуатации стеклянных трубок в разы меньше чем у металлокерамических. Особенно это заметно на примере переносных аппаратов, где даже при несильных ударах стеклянная трубка часто разбивается.
Основным типом трубок, применяемым на мировом рынке, являются металлокерамические трубки. Из аппаратов, продающихся в России, металлокерамические трубки установлены в аппаратах Eresco, Smart, MCT. В аппаратах МСТ применяются трубки ведущего мирового производителя компонентов для неразрушающего контроля — фирмы THALES ELECTRON DEVICES (Франция).
Вот мы и закончили краткий обзор типов рентгеновских аппаратов. Что бы еще хотелось сказать. При выборе аппарата обратите внимание на пульт управления. В современных аппаратах используются десятки сервисных функций, которые очень удобны в повседневной работе. Одним из главных отличий современного цифрового рентгеновского аппарата является удобный графический дисплей и клавиатура. На дисплей выводятся все сервисные сообщения системы, в том числе диагностика неисправностей. С клавиатуры программируются режимы и сервисные функции. Наличие этих компонентов – признак того, что разработка не устарела 20 лет назад, и инженеры фирмы производителя постоянно совершенствуют устройство аппарата. К сожалению даже на многих западных аппаратах пульт управления выглядит, мягко говоря, не совсем современно.
23 августа 2006 года.
Крамер Б. Ю.
