Badania radiograficzne na 10 ECNDT w Moskwie

Badania radiograficzne na 10 ECNDT w Moskwie
Jan Kielczyk
ENERGOMONTAŻ-PÓŁNOC
Technika Spawalnicza i Laboratorium Sp. z o.o.
Wstęp
Na 10. Europejskiej Konferencji Badań Nieniszczących w dniach 7-11 czerwca 2010 w
Moskwie przedstawiono 477 referatów, w tym 67(14%) dotyczących badań radiograficznych.
Konferencji towarzyszyła wystawa wyposażenia-uczestniczyło 111 wystawców.
Poniżej przedstawione są skróty kilku ciekawszych referatów.
1.Obrazowanie rentgenowskiego rozproszenia wstecznego
użyciem kolimatora ze skręconą szczeliną [1].
Rozproszenie wstecznie promieniowania rentgenowskiego odkrył W.C. Roentgen, a
jego mechanizm wyjaśnił amerykański fizyk Artur Compton. W oddziaływaniu
promieniowania rentgenowskiego z materią począwszy od energii fotonów ok. 100 keV
dominuje właśnie rozproszenie Comptona, które powoduje m.in. obniżenie kontrastu obrazu.
Dzięki małej zdolności do absorbowania promieniowania rentgenowskiego lżejsze materiały
składające się z pierwiastków o niskim Z są bardziej podatne na efekt rozproszenia
Comptona. Oznacza to także, że jeśli promieniowanie rozproszone zostanie wizualizowane,
obraz będzie zdominowany przez materiały lekkie, odwrotnie do klasycznej radiografii.
W pewnych okolicznościach rozproszone promieniowanie wsteczne może być wykorzystane
do tworzenia obrazu. Ograniczeniem jest brak określonego kierunku tego promieniowania.
Problem ten rozwiązano na dwa różne sposoby, jak pokazano na Rys. 1.1
Rys. 1.1 Zasady obrazowania promieniowania wstecznego:
a) różne podejścia do skanowania (na lewo) i obserwacja z użyciem kamery,
b) skanowanie pojazdu,
c) zasada kamery otworkowej.
Detektor znajduje się po tej samej stronie próbki co źródło promieniowania.
1-szy sposób: metoda skanowania-sterowanie silnie skolimowaną wiązką promieniowania
rentgenowskiego, zbieranie promieniowania rozproszonego wstecznego za pomocą
wysokoczułego kolimatora o dużej powierzchni i tworzenie obrazu. Przy kontroli np. linii
produkcyjnej technologia odbiciowa została wprowadzona do skanowania albo ciągłego
strumienia produktów albo dużych powierzchni.
2-gi sposób: cały obraz napromienionej próbki mógłby być oglądany za pomocą kamery.
Do ukierunkowania promienia rozproszonego stosowana jest kamera otworkowa. Idealna
kamera powinna mieć diafragmę tak cienką jak to możliwe. Z kolei przenikliwość
promieniowania rentgenowskiego wymaga odpowiedniej osłonności-kilku centymetrów
ciężkiego metalu, aby uzyskać dobry kontrast. Rozwiązaniem tego problemu jest
przedstawiony tu kolimator szczelinowy, który otwiera otwór szczelinowy w różnych
położeniach wzdłuż szczeliny w grubościennej diafragmie w zależności od kierunku padania
promieni. Doświadczalne ustawienie pokazano na Rys. 1.2
Rys.1.2 Eksperymentalne zastosowanie kamery dla promieniowania o wysokiej energii:
a) kamera z ołowianych cegieł z diafragmą ze skręconą szczeliną w ściance frontowej
b) ustawienie całości z lampą rentgenowską, usuniętą pokrywą kamery i z umieszczoną
wewnątrz kasetą z płytą obrazową,
c) kolimator ze skręconą szczeliną,
d) wewnętrzna powierzchnia kolimatora,
e) przejście wiązki przez kolimator w kierunku prostopadłym,
f) przejście wiązki od góry.
Wnętrze skręconej szczeliny ustawione jest w linii z powierzchnią prostopadłą, co pozwala na
przejście tylko jednej wybranej wiązki przy każdym położeniu w zależności od kąta wejścia
(panele 2e i f). Pierwszym krokiem było sprawdzenie przedstawionej zasady z obiektem
odbijającym promieniowanie. W tym celu napełniono wodą i zamknięto gumowym korkiem
100 ml erlenmajerkę ( Rys.1.3). Próbki umieszczono przed kamerą z Rys.1.2 i naświetlano
aparatem rentgenowskim. W pierwszym eksperymencie określono minimum niezbędnej
energii. Obok erlenmajerki ustawiono kawałek marmuru (Rys 1.3a). Przy 150 kV woda i
korek były dobrze widoczne, marmur gorzej (Rys 1.3b). Przy 200 kV woda i szkło były
dobrze widoczne (Rys. 1.3c). Dalszy wzrost napięcia nie okazał się korzystny, więc do
dalszych eksperymentów stosowano napięcie 200 kV.
Rys.1.3 Studium odbicia wstecznego:
a) erlenmajerka z wodą i gumowym korkiem,
b) obraz z odbicia wstecznego przy 150 kV,
c) j.w. ale przy 200 kV,
d) próbka bez otoczenia,
e) odległość od kamery 45 cm, promieniowanie pada od góry,
f) odległość zwiększona do 67 cm, mniejszy kąt wiązki promieniowania,
g) ołowiana litera W umocowana przed próbką,
h) obraz z zarysem litery W.
Sylwetka litery W na radiogramie wskazuje, że promieniowanie wsteczne było pochłaniane
przez ołów.
Aby zademonstrować, że technologia ta może być zastosowana do rozwiązywania problemów
bezpieczeństwa, erlenmajerka schowana została w walizce wypełnionej drobiazgami(Rys.1.4)
Panel b jasno pokazuje, że erlenmajerka jest dobrze widoczna w walizce. Kilka otaczających
erlenmajerkę drobiazgów również odbiło promieniowanie pozostawiając ślady w obrazie
Rys. 1.4 Erlenmajerka napełniona wodą i zamknięta gumowym korkiem schowana w walizce:
a)
układ doświadczalny,
b)
obraz powstały w wyniku odbicia wstecznego ukrytego obiektu.
Aby określić kontrast między różnymi dającymi rozproszenie wsteczne materiałami, płyta o
grubej strukturze typu plaster miodu została naświetlona jak poprzednio (Rys 1.5). Płyta ta
zostawiła jednorodną płaszczyznę zakrywającą całe okno kolimatora szczelinowego (b).
Dodatkowo 2 fiolki napełnione wodą z gumowym korkiem zostały przymocowane z tyłu
płyty (c), a inna fiolka z przodu płyty. Wszystkie trzy przymocowane obiekty widoczne były
na obrazie odbiciowym (c).
Rys. 1.5 Obiekty na matrycy odbiciowej:
a)
płyta o strukturze typu plaster miodu przed kamerą,
b)
odbiciowy obraz płyty,
c)
dalsze obiekty o własnościach odbiciowych umocowane za płytą,
d)
inny obiekt przed płytą,
e)
obraz odbiciowy z przymocowanymi obiektami.
Ponieważ obecność wody w strukturach typu plaster miodu jest poważnym problemem
głównie w lotnictwie, małe kropelki wody wstrzyknięto w taką strukturę (Rys. 1.6).Kropelki
te były dobrze widoczne na obrazie odbiciowym (b), co potwierdził potem konwencjonalny
radiogram (c). W tym kontekście ogromną zaletą technologii odbiciowej jest badanie z
jednostronnym dostępem do obiektu.
Rys. 1.6 Obecność wody w strukturze typu plaster miodu:
a)
płyta i strzykawka do wstrzykiwania kropelek wody do komórek,
b)
obraz odbiciowy pokazujący wstrzyknięte kropelki wody,
c)
potwierdzenie konwencjonalną radiografią.
Rys. 1.7 Kontrola elementu lotniczego (klapa):
a)
cały model,
b)
widok powierzchni,
c)
obraz odbiciowy pokazujący szczegóły pod powierzchnią,
d)
radiogram jako odniesienie.
a)
b)
c)
d)
Rys. 1.8 Wewnętrzna struktura drewna:
eksperymentalne ustawienie z kamerą (wieko usunięte) i w pobliżu aparat rentgenowskiego
powierzchnia z przymocowanymi ołowianymi literkami,
obraz odbiciowy,
konwencjonalny obraz radiograficzny.
Wszystkie główne części pojawiające się na radiogramie odniesienia mogą być widoczne na
radiogramie odbiciowym, ale w inny sposób. Rdzenie kabli widoczne są bardzo dobrze na
konwencjonalnym radiogramie, na obrazie odbiciowym widoczna jest tylko izolacja.
Ołowiane oznaczenie wskaźnika jakości radiogramu na obrazie odbiciowym pokazuje się w
postaci cienia.
Technologie odbiciowe mogą być korzystne w innych obszarach, jak pokazano na
przykładzie klejonego dźwigara (Rys. 1.8). Źródło promieniowania rentgenowskiego
ustawiono w pobliżu obiektu, jak pokazano w panelu a. Skierowane było w kierunku
ołowianej litery K w środku obrazu (b). Obraz odbiciowy (c) pokazuje wszystkie wewnętrzne
struktury nie zawsze widoczne na powierzchni, ale widoczne na tradycyjnym radiogramie (d).
Kolimator ze skręconą szczeliną skutecznie rozwiązał problem z systemem kamery
otworkowej przy wysokiej energii promieniowania. Ze względu na tą energię technologia
ograniczona jest do zastosowań technicznych.
2. Małowymiarowy betatron o energii 2,5 MeV
dla zastosowań terenowych. [2]
Betatron MIB-2.5D(PXB-2.5D) o energii szczytowej 2.5MeV przeznaczony jest do
terenowych badań elementów o grubości ekwiwalentnej dla stali do 120mm. Posiada szereg
zalet w stosunku do akceleratorów i źródeł promieniowania gamma. Wysoka energia, mały
wymiar ogniska, ciągły zakres widma promieniowania. Słabym punktem jest niska moc
dawki. Rozwój czułych detektorów (radiografia cyfrowa, linie detektorów scyntylacyjnych)
powoduje, że niska moc dawki nie jest tak istotna.
Parametry: - energia maks. 2.5 MeV,
- zakres energii 1-2.5 MeV,
- moc dawki z odległości 1m od tarczy przy 2.5 MeV-0.7 R/min,
- wymiar ogniska 0.2x2 mm,
- cykl pracy: 60 min. praca, 15 min. przerwy przy włączonej dmuchawie,
- pole wiązki z odległości 1 m-350x350 mm,
- ciężar-30 kg , radiator-10.5 kg.
Rys. 2.1 Promiennik
Rys. 2.2 Panel sterujący
czas / minuty
Grubość stali [mm]
Rys. 2.3 Wykres ekspozycji dla stali ( odległość ogniskowa 1m, błona D7, D=2.0)
Jeśli porównamy betatron z aparatem rentgenowskim 300 kV YXLON SMART 300HP, to
czas badania stali o grubości 50 mm jest podobny. Zaletą betatronu jest możliwość
prześwietlania stali o grubości do 120 mm (aparat rentgenowski do 65 mm) i mniejszy
wymiar ogniska.
3. Zastosowanie mikroogniskowej rentgenowskiej tomografii
komputerowej do badania segregacji w wysokowytrzymałych
stopach aluminium. [3]
Wysokowytrzymałe przerobione plastycznie stopy aluminium są szeroko stosowane w
lotnictwie ze względu na ich sztywność i wytrzymałość, dobrą obrabialność i odporność na
korozję. Mikrostruktura w stanie lanym materiału wyjściowego do obróbki plastycznej składa
się dzięki segregacji z dendrytów α-Al. i regionów eutektyki międzydentrytycznej.
Do stopów aluminiowych dodawane są Sc i Zr celem utworzenia dyspersoidów Al3(Sc, Zr),
ułatwiających powstawanie zarodków krystalizacji i wstrzymania rozrostu ziaren, co
poprawia wytrzymałość i ciągliwość.
Mikroogniskowa rentgenowska tomografia komputerowa wiązką stożkową (µXCT) pozwala
na lepsze zrozumienie zjawisk zachodzących przy odlewaniu i przeróbce stopów Al. Badane
jest tworzenie i uporządkowanie struktury dendrytycznej. Odróżniane są różne typy segregacji
(eutektyka międzydendrytyczna i dyspersoid AL3(Sc, Zr), które absorbują promieniowanie
bardziej niż osnowa Al. Mikrostruktury weryfikowano stosując technikę metalograficzną.
Dzięki szybkości i jakości pomiaru systemy XCT z wiązką stożkową i detektorami 2D
zyskały powszechne uznanie w nauce i przemyśle.
Próbka do badania umieszczana jest na obrotowym stoliku między źródłem promieniowania
i detektorem. Przy każdym położeniu kątowym uzyskuje się obraz projekcyjny. Komputer
rekonstruuje projekcje do danych objętościowych. Stopień szarości obliczany jest dla każdego
woksela. Określone stopnie szarości odpowiadają skutecznemu współczynnikowi µ
pochłaniania promieniowania, co jest funkcją gęstości i liczby atomowej elementu dla tego
woksela (x, y, z).
Tomogramy rentgenowskie skanowano z użyciem nanotronu 180NF CT i nanoogniskowego
aparatu rentgenowskiego o napięciu do 180 kV z wymiarem ogniska 0.8 µm. Zastosowano
detektor Hamamatsu 2316x2316 pikseli. Dane XCT z wiązki stożkowej zostały
zrekonstruowane za pomocą filtrowanej projekcji wstecznej-algorytm Feldkampa. Dla
wszystkich danych przeprowadzono korektę utwardzenia wiązki, pierścieniową korektę
artefaktu i korektę środka obrotu. Zrekonstruowane dane zostały obrobione i wizualizowane z
użyciem programu VGStudio MAX 2.0
Badaniom poddano próbkę ze stopu AlCu4Mg1 i dwie próbki z Al.-Zu-Mg-Cu.
Wybrane obszary próbki poddano badaniom metalograficznym skaningowym mikroskopem
elektronowym (SEM), aby zidentyfikować różne niejednorodności i fazy. Elementarna
analiza została przeprowadzona z użyciem rentgenowskiej analizy rozproszenia energii
(Energy Dispersive X-ray analysis-EDX).
Rys. 3.1 µXCT o wysokiej rozdzielczości z wymiarem woksela (1.1µm)3 próbki A (AlCu4Mg1) i obszary z
eutektyką Al.-Al2-Cu.
a)
przekrój z jasną eutektyką międzydendrytyczną ( bardziej pochłania
promieniowanie) i mikropęknięciem,
b)
powiększony przekrój z mierzoną grubością przestrzeni międzydentrytycznej,
c)
eutektyka,
d)
prostopadłościan 550x550x850 µm3
Rys. 3.2 Zapisy SEM-BSE z identyfikacji faz międzydendrytycznych próbki A w powiększonym
obszarze B1: Al2Cu (A), Al.xCuyMgz (B), gliniany Fe-Mn (C) i Fe-Mn-Cu (D)
Odlew kokilowy kęsów Al.-Zn-Mg-Cu zawierający Sc i Zr tworzy głównie dyspersoidy
wtórne Al3(Sc, Zr) wstrzymujące rozrost ziaren, ale wtórny dyspersoid Al3(Sc,Zr) może być
również poddany segregacji. W dodatku do tych cząstek pojawiają się międzydendrytyczne
segregacje bogate w mocno absorbujące promieniowanie pierwiastki jak Zn i Cu.
Rys. 3.3 Tomogram ze słabo pochłaniającymi promieniowanie pęcherzami i silnie
pochłaniającymi dendrytami α-Al. w próbce B (AlZu8Mg2Cu2:
a) na zewnętrznej krawędzi kęsiska o szerokości ok. 0,45 mm pęcherze (ciemne)
i międzydendrytyczna segregacja kęsiska (jasne),
b) segmentacja pęcherzy w przezroczystej objętości,
c) przekroje międzydendrytycznych segregacji w prostopadłościanie 1,2x1,3x2,8 mm3
Rys.3.4 Tomogramy warstw z różnymi typami niejednorodności w próbce C (AlZn6Mg2Cu2)
a) różne przekroje próbki z segregacjami międzydendrytycznymi (jasne) i cząstkami białymi,
b) powiększone obrazy B1 z pęcherzami międzydendrytycznymi i B2 z wysoko pochłaniającymi
promieniowanie cząstkami Al3(Sc,Zr) (Z),
d) najmniejsze (c) i największe (d) wykryte pierwotne Al3(Sc,Zr)
Rys. 3.5 Ilustracja 3D segmentacji w próbce C:
a) powierzchnia w pobliżu rejonu z oznakowaną objętością B3,
b) pęcherze w kierunku krzepnięcia,
c) rejon eutektyki i cząstki Al3(Sc,Zr)
Rys.3.6 Różnica między cząsteczkami Al3(Sc,Zr) (turkus) i rejonami eutektyki (złoty):
a) widok 3D objętości B3 z Rys.3.5(a),
b) powiększone obrazy cząstek Al3(Sc,Zr) położonych centralnie w dendrytach α-Al
Rys.3.7 Typowy układ dendrytów α-Al. (biały), rejony eutektyki międzydentrytycznej
(pomarańczowy) i cząstki Al3(Sc,Zr)-cząstki Z w próbce C:
a)
dendryt α-Al. w prostopadłościanie 0,21x0,15x0,08 mm3,
b)
prostopadłościan o objętości 0,09x0,11x0,07 mm3,
c)
prostopadłościan 0,27x0,29x0,12 mm3
Optyczne zapisy i analiza (EDX) pokazują na rys. 3.8, że rejon eutektyki składa się z faz
bogatych w Zn2Mg i Cu. Ponadto pokazują się cząstki Al3(Sc,Zr) <50µm głównie w centrum
dendrytów µ-Al i międzydentrytyczne pęcherze o szerokości do 100 µm.
Rys. 3.8 Obraz z mikroskopu optycznego przekroju próbki C i interpretacja faz: cząstki Al3(Sc,Zr)
w kolorze szarym zlokalizowane głównie w centrum dendrytów α-Al. (białe),
międzydendrytyczne fazy bogate w Zn2Mg i Cu (szare) i pęcherze (czarne).
Wnioski
• Poza wykryciem międzydendrytycznych pęcherzy skurczowych możliwe jest określenie
liczbowe segregacji eutektyki i pierwotnych cząstek Al3(Sc,Zr) większych niż 50µm3 w
wysokowytrzymałych stopach aluminium w stanie lanym zawierających Zn i Cu stosując
µXCT w 3D wysokiej rozdzielczości.
• Morfologia i rozkład eutektyki dendrytycznej obrazuje dendrytyczną strukturę krzepnięcia,
gdzie położenie i szerokość poszczególnych ramion dendrytu mogą być mierzone.
Z wyników tych mogą być wyciągnięte wnioski dotyczące szybkości kierunku procesu
krzepnięcia przy różnych położeniach w kęsisku.
• Morfologia i wydłużenie międzydendrytycznych segregacji mogą być określone w 3D
z dużą dokładnością w różnych położeniach odlewu w stosunkowo dużej objętości
( w porównaniu z metalograficzną techniką 2D).
• Zdolność rozróżnienia między kulistymi cząsteczkami Al3(Sc,Zr) i kompleksową
międzydendrytyczną segregacją pierwiastków cięższych od Al pozwala na ocenę ilości
pierwotnych cząstek Al3(Sc,Zr) większych niż 5 µm. Metalurg ocenia ilość pierwotnych
cząstek Al3(Sc,Zr) i ich funkcję jako zarodków krzepnięcia.
•W dużym stopniu istnieje liniowa zależność między wykrywalnością nieciągłości i
wymiarem woksela. Jest możliwa identyfikacja niejednorodności w stopach aluminium
ze średnicą przynajmniej 3-5 wokseli.
4. Zastosowanie radiografii cyfrowej do kontroli złączy
spawanych rurociągów ropy i gazu [4]
Celem opracowania przedstawionego w referacie była ocena możliwości zastosowania
radiografii bezpośredniej (DDA) do kontroli spoin rurociągów ropy i gazu w procesie
wytwarzania.
Zasadą DDA jest przemiana promieniowania na ładunek elektryczny, który można odczytać.
Do procesu tego stosowany jest amorficzny krzem jako półprzewodnik. Istnieją dwie metody
przemiany: metoda scyntylacyjna (przemiana pośrednia) i metoda przewodnikowa (przemiana
bezpośrednia).
Jako detektor zastosowano płaski panel systemu PaxScan model 2520V firmy Varian
z wymiarem piksela 127 µm i aparat rentgenowski MG226 firmy Yxlon o napięciu do 225 kV
prądzie10 mA oraz ognisku 0,4 i0,1 mm. Do badania przygotowano 6 próbek o różnych
grubościach, wysokościach lica i z pięcioma rodzajami wad. Próbki prześwietlano z użyciem
detektora typu płaski panel i błon klasy systemu 1. Długość kontroli wynosiła 8”.Przy
badaniu z użyciem panelu odległość obiekt-detektor różniła się do kilku średnic rur.
Obliczona była uwzględniając fizyczny wymiar detektora utrzymując najmniejszy możliwy
współczynnik powiększenia, aby uzyskać określoną długość badania.
Rys. 4.1 Układ badania
Obrazy uzyskane z użyciem panelu analizowane były pod kątem jakości ocenianej przez:
- kontrast (wskaźniki pręcikowe wg. DNV 2007/ISO 12096 dla lica i ISO 10893-7 dla
materiału rodzimego),
- podstawową rozdzielczość przestrzenną BSR ( wg, ISO 10893-7),
- znormalizowany stosunek sygnał-szum SNR ( wg. ISO10893-7),
- wykrywalność w porównaniu do radiografii błonowej.
Rys.4.2 Ułożenie wskaźników IQI
1 - środek wiązki,
2 - wskaźnik pręcikowy od strony źródła,
3 - wskaźnik typu podwójny pręcik od strony źródła,
4 - klin kompensacyjny do kontroli wysokości,
5 - najcieńszy pręcik poza centrum wiązki,
6 - szerokość ekranu wejściowego DDA (8”, powiększenie x1)
Tablica 4.1 Wymagana jakość obrazu
Nr próbki
11
6
10
1
3
18
Grubość
ścianki
(mm)
Grubość
ścianki z licem
(mm)
DNV 2007 ISO
12096
ISO19893-7
Wym.
SRb
4,85
6,40
9,67
19,21
25,25
32,30
7,75
9,90
13,27
23,21
30,75
36,10
14
14
13
12
11
10
16
15
14
13
12
11
65
65
80
100
100
100
Kontrast IQI
Wym.
SNRN
>70-Kl.A>
100-Kl.B
Tablica 4.2 Minimalny czas badania dla uzyskania wymaganej jakości obrazu
Nr
mA
SDD
(mm)
ODD
(mm)
Wym.
ogn.
(mm)
Ram.
na
Sek.
tT
(s)
Próbki
kV
11
180
4
700
100
0,4
10
6
200
4
700
103
0,4
10
225
3,5
700
108
1
225
8
700
3
225
8
18
225
8
Kontrast IQI
SRb (µm)
SNRN
DNV
ISO12096
ISO10
893-7
Mat.
Rodz
Lico
8
15
18
100
100
569
10
8
16
18
100
100
573
0,4
10
4
14
16
100
100
352
66
1,0
1
8
13
14
100
100
356
700
73
1,0
1
16
12
14
100
100
294
700
80
1,0
1
32
11
12
100
100
188
Rysunki 4.3 do 4.8 pokazują porównanie radiografii błonowej i cyfrowej dla
minimalnego czasu badań wg. Tablicy 4.2
Rys.4.3 Próbka 11. Porównanie radiografii cyfrowej z czasem 8 sekund (u góry)
i radiografii z użyciem błony D4 (u dołu)
Rys. 4.4 Próbka 6. Jak Rys.4.3
Rys. 4.5 Próbka 10. Porównanie radiografii cyfrowej z czasem 4 sekundy (u góry)
i radiografii z użyciem błony D4
Rys. 4.6 Próbka1. Porównanie radiografii cyfrowej z czasem 8 sekund (u góry)
i radiografii z użyciem błony D4
Rys. 4.7 Próbka 3. Porównanie radiografii cyfrowej z czasem 16 sekund (u góry)
i radiografii z użyciem błony D4
Rys.4.8 Próbka 18. Porównanie radiografii cyfrowej z czasem 32 sekundy (u góry)
i radiografii z użyciem błony D4
Technika cyfrowa okazała się dla wad rzeczywistych w spoinach bardziej czuła niż
technika błonowa. Radiografia cyfrowa z użyciem płaskiego panelu stosowana do rurociągów
ropy i gazu może być korzystniejsza niż technika błonowa pod względem jakości,
wydajności, środowiska, bezpieczeństwa i zdrowia.
5. Badanie drewna neutronami [5]
Przy badaniu elementów drewnianych z użyciem promieniowania rentgenowskiego
niektóre cechy drewna mogą być mniej widoczne. Szczególnie w przypadku wzmocnienia
konstrukcji drewnianej materiałami obcymi, jak klej, metalowe płyty, śruby czy nakrętki.
Warstwy kleju w sklejkach widoczne są na radiogramie rentgenowskim tylko wtedy, gdy
są eksponowane dokładnie równolegle do kierunku wiązki promieniowania. W innym
przypadku są niewidoczne ze względu na niski kontrast. Ponieważ promieniowanie
neutronowe jest czułe na wodór, jest w stanie wizualizować rozkład kleju bez względu na
kierunek wiązki promieniowania. Będzie to widoczne w neutronowej radiografii i tomografii.
Drewno ze względu na dużą zawartość wodoru jest spowalniaczem dla neutronów. Dla
elementów drewnianych o grubości kilku centymetrów neutrony termiczne nie są
odpowiednie; powinny być stosowane neutrony szybkie o energii ponad 1 MeV.
Rys.5.1 Dźwigar klejony z wynikami badań radiologicznych
a) próbka,
b) obraz rentgenowski 160 kV,
c) radiografia neutronowa,
d), e) radiografia neutronowa, suma 30 warstw z wybranych sekcji
Badania przeprowadzano na urządzeniu NECTAR reaktora badawczego FRM II Politechniki
w Monachium, wytwarzającym strumień neutronów 4,9x106cm-2s-1 o energii 1,5 do 2 MeV.
Rekonstrukcje tomograficzne zostały uzyskane za pomocą filtrowanej projekcji wstecznej z
wiązką równoległą. Pierwszym badanym obiektem była sklejka pokazana na Rys. 5.1 i 5.2.
celem oceny stanu wnętrza, szczególnie warstw kleju. Porównanie z obrazem rentgenowskim
pokazuje różnicę gęstości warstw kleju, szczególnie w części centralnej (Rys.5.1), choć
ogólna jakość obrazu jest gorsza od obrazów uzyskiwanych z zastosowaniem innych
technologii (Rys.5.2) Rekonstrukcja tomograficzna pozwala na obejrzenie wybranych
warstw, np. tych z wierconymi otworami. Szczegółowa ocena warstw kleju może wymagać
zastosowania tomografii, jak pokazano w panelach d-g Rysunku 5.2.Widoczne jest nierówne
rozłożenie kleju, w niektórych miejscach wchłoniętego przez strukturę słojów rocznych
przyrostów.
Rys.5.2 Dźwigar klejony z wynikami badań radiograficznych
a) próbka,
b) obraz rentgenowski 160 kV,
c) radiogram neutronowy,
d-g) tomografia komputerowa, przekroje, suma 40 warstw z wybranych położeń
Rys. 5.3 Częściowa tomografia dużego fragmentu sklejki (szerokość 50 cm)
a) próbka w położeniu wiązki,
b) radiogram neutronowy z warstwami klejonymi,
c-e) cząstkowa tomografia (90o),
c) przekrój z wtrąceniem,
d) podłużna sekcja z wtrąceniem i sękiem,
e) sekcja równoległa do centralnej warstwy kleju z przylegającym wtrąceniem
Jednym z osiągnięć z algorytmu rekonstrukcji zastosowanego w tym opracowaniu
było zestawienie obrazu z niekompletnego zbioru projekcji. Było to konieczne w przypadku,
gdy wymiar próbki przekracza wymiary wiązki neutronów i okna detektora. Przykład takiej
sytuacji pokazany jest na Rys. 5.3. Ten duży blok sklejki nie pasuje do objętości wiązki.
Celem eksperymentu było co najmniej uzyskanie dostępu do cech strukturalnych
równoległych do kierunku wiązki. W samym centrum wykryto wtrącenie, które mogło
składać się z żywicy, a co najmniej z materiału dającego kontrast neutronów, tj. bogatych w
wodór. Ta centralna cecha była wizualizowana szczegółowo przez częściową tomografię z
serią projekcji ograniczonych tylko do kąta 900. Przekrój (c) i sekcje podłużne (d i e)
pokazały tę cechę w całej okazałości.
Inną perspektywą radiologii neutronowej było wizualizowanie cech strukturalnych
materiałów lekkich schowanych za osłonami metalowymi, co jest problemem przy
promieniowaniu rentgenowskim i gamma. Celem demonstracji przymocowano folie ołowiane
o grubości 1 mm do próbki drewnianej o strukturze wewnętrznej pokazanej na Rys. 5.4. Cała
próbka została zbadana metodą tomografii.
Rys. 5.4 Drewniana belka z osłonami ołowianymi
a)
trzy arkusze ołowiane przymocowano taśmą przylepną,
b)
widok z wystającym gwoździem,
c)
rekonstrukcja tomograficzna,
d)
j.w. ale z drugiej strony-widoczny 2-gi gwóźdź przechodzący przez sęk
Wykres blokowy pokazany w panelu c i d pokazał obecność obszarów zmurszałych,
sęków i gwoździ. Wszystkie struktury widoczne z kontrastem niemożliwym do uzyskania
z użyciem promieniowania rentgenowskiego.
Rys. 5.5 pokazuje obrazy przekrojów belki. Pozycje przekrojów widoczne są na
rysunkach a, e i g. Przekrój b pokazuje nie tylko obszary zbutwienia, ale także taśmę
mocującą ołowiane arkusze. Niżej widoczne pierścienie rocznych przyrostów biegnące
prostopadle do ołowianej osłony. Sekcja biegnąca ukośnie przez drewniany dźwigar pokazuje
zarówno gwoździe, z których jeden przechodzi przez sęk, jak i metalowy arkusz blachy z
lewej.
Rys. 5.5 Szczegóły próbki z ołowianą osłoną: a) położenie przekrojów b, d i d,
b-d) przekroje, e) położenie sekcji przekątnej, f) sekcja przekątna z arkuszami ołowianymi,
g) położenie sekcji podłużnych, h) sekcja z ołowianymi arkuszami, i) pozycja z gwoździem na
powierzchni
Rys. 5.6 Element złącza drewnianego mostu z płytą stalową:
a) kładka dla pieszych, element złącza drewnianego z płytą stalową i śrubami,
b) widok od frontu (jak na radiogramie),
c) próba penetracji promieniowaniem rentgenowskim lampą impulsową (150 kV i płyta
obrazowa), dalsza próba z maksymalną czułością
d) widok poprzeczny (prom. rentg.) –równolegle do płyt stalowych
Ostatni przykład reprezentuje bardziej sądowe zastosowanie, tzn. badanie elementów
usuniętych z budowli. Dotyczy części nieużywanego mostu dla pieszych. Most zburzono,
gdyż jego używanie stało się niebezpieczne (Rys.5.6). Drewniane złącze posiadało centralnie
wmontowaną płytę stalową, która stanowiła przeszkodę w badaniu rentgenowskim. Wgląd do
wnętrza był możliwy tylko w przypadku skierowania wiązki promieniowania
rentgenowskiego równolegle do metalowej płyty. Próbkę tą poddano badaniu metodą
tomografii komputerowej. Wyniki rekonstrukcji tomograficznej widoczne są na Rys. 5.7.
Przekroje pokazały, że była to sklejka, co nie było takie oczywiste przy pierwszym
spojrzeniu, a to dzięki długotrwałym wpływom atmosferycznym i brakom konserwacji.
Dla lepszej orientacji położenia sekcji pokazane są na rysunkach a i e. Przekroje
pokazują cechy strukturalne prostopadłe do stalowej płyty takie, jak pęknięcie i sęk (b), śruby
z otaczającymi je pustkami (c) i centralny otwór (a). Sekcja podłużna za (f) i przed (g)
metalową płytą wykazują nawet kilka pierścieni rocznych przyrostów położonych prostopadle
do metalowej płyty.
Rys. 5.7 Tomografia neutronowa elementu ze złączem drewnianym pokazująca cechy strukturalne
prostopadłe do wstawionej płyty stalowej: a) usytuowanie przekrojów,
b) przekrój z sękiem, c) przekrój ze śrubami, d) przekrój z centralnym otworem,
e) usytuowanie sekcji podłużnych, f) za płytą stalową, g) przed płytą stalową
Choć jakość obrazu z użyciem szybkich neutronów jest gorsza niż w przypadku
radiografii rentgenowskiej, to pozwala na wykrycie w dużych próbkach drewnianych różnych
cech i umożliwia badanie przez osłonę metalową. Zostały wykorzystane własności neutronów
przechodzących przez ciężkie metale i osłabianych przez materiały zawierające wodór.
Zidentyfikowano dwie sytuacje, w których zastosowanie radiografii neutronowej do
drewnianych próbek było satysfakcjonujące. Jedną z nich była wizualizacja małych różnic w
zawartości wodoru jak np. przy wprowadzaniu materiałów sztucznych takich jak klej. Drugą
była widoczność obszarów za metalową osłoną. Z sytuacją taką można się spotkać najczęściej
przy badaniu obiektów kultury lub archeologii, gdy interesujące elementy mogą być
zamknięte w metalowej obudowie.
6. Pomiar okrągłości za pomocą miękkiego promieniowania
rentgenowskiego. [6]
Zaprezentowano system pomiarowy do szybkiej kontroli zabrudzonych elementów
cylindrycznych w linii produkcyjnej. Badane są takie wyroby w przemyśle samochodowym,
lotniczym i medycznym jak zawory, wałki transmisyjne i zębate, dysze krzywki i inne.
Na powierzchniach wyrobów często występują pozostałości procesu produkcyjnego jak,
np. smary chłodzące, oleje, kurz, woda i ich mieszaniny.
Technika pomiarowa powinna być elastyczna i obejmować zarówno małe jak i duże serie i
dotyczyć różnych kształtów i wymiarów,
Dotykowe metody mechaniczne lub pneumatyczne są mało elastyczne, wolne, brak jest
czasu i miejsca na czyszczenie powierzchni. W metodzie ultradźwiękowej nie występuje
problem zanieczyszczenia powierzchni, gdyż stosowany jest środek sprzęgający, ale
przetwornik musi być w bliskim kontakcie z mierzonym obiektem, a ze względu na częstą
zmianę geometrii obiektu i jego małe wymiary metoda ta jest trudna do zaadaptowania.
Radiografia pozbawiona jest w/w wad. Zasada pomiaru oparta jest rzutowaniu cienia
obiektu na detektor. Kontur i okrągłość określane są na podstawie rzutowanej krawędzi
obiektu. Na ostrość krawędzi praktycznie nie ma wpływu zanieczyszczenie powstałe w czasie
procesu produkcyjnego. Stosowana jest mikroogniskowa lampa rentgenowska i czuły detektor
pracujący generalnie jako kamera liniowa na matrycy 1024x256 pikseli. Układ badania
przedstawiony jest na Rys. 6.1
Rys. 6.1 Eksperymentalny układ badania
Obiekt o kształcie walcowym rzuca cień na detektor. Obraz cienia poddawany jest obróbce.
Obwód obiektu rekonstruowany jest z wielu cieni, z których każdy powstaje z rzutowania pod
innym kątem. Na Rys. 6.2 pokazany jest proces rekonstrukcji.
Rys. 6.2 Rekonstrukcja profilu obwodu zewnętrznego obiektu
Obraz z lewej strony pokazuje pierwsze rzutowanie, obraz w środku wynik dwóch
pomiarów a obraz po prawej profil obiektu po wielokrotnym rzutowaniu. Rzeczywisty układ
laboratoryjny pokazany jest na rys. 6.3.
Rys. 6.3 Układ laboratoryjny: 1-lampa rentgenowska, 2-przesłona, 3-obiekt, 4-oś liniowa,
5-stół obrotowy, 6-kamera, 7-krzywki, 8-termometr
Pomiar w systemie charakteryzowany jest przez obróbkę informacji począwszy od cienia
obiektu do uzyskania końcowego profilu okrągłości.
Rys. 6.4 Łańcuch przetwarzania informacji
Gdy na detektorze ukaże się cień obiektu, muszą być wykryte dwie krawędzie.
Następnym krokiem jest określenie trójkąta, potem różne trójkąty powstające przy różnych
kątach ekspozycji będą się przecinać do utworzenia wewnętrznego wieloboku. Wielobok ten
określa wartości do pomiaru średnicy lub okrągłości.
Algorytm wykrywania krawędzi jest ważny dla określenia szerokości cienia na
detektorze. Błąd wykrywania krawędzi ma bezpośredni wpływ na pomiar. Ponieważ wymiar
piksela na detektorze wynosi 26 µm, wykrywanie krawędzi musi osiągnąć dokładność
podpiksela w zakresie od poniżej 1µm, co oznacza dokładność mniejszą niż 1/25 piksela.
Ponieważ jednym z głównych celów systemu XUV jest precyzyjne określenie
średnicy wałków nawet w przypadku zanieczyszczenia powierzchni, dyskutowane są dwie
różne strategie. Rys. 6.5 pokazuje dwa obrazy: u góry jest obraz cylindra bez
zanieczyszczenia powierzchni i krzywa na wykresie obok (niebieska) ma kształt litery S; u
dołu jest obraz na detektorze przedstawiający krawędź cylindra zanieczyszczonego, co
odwzorowane jest odbiegającym od kształtu litery S przebiegiem krzywej (czerwona linia).
Rys.6.5 Mierzona lewa krawędź cylindra z zanieczyszczeniem i bez zanieczyszczenia
Pomiary wykazały, że w przypadku pokrycia powierzchni cylindra smarem o niskiej
lepkości średnica cylindra mieści się w ramach 1-2 µm wokół średnicy kalibrowanej, a
docelowa dokładność leży poniżej 1 µm.
Zaprezentowany sposób pomiaru stosowany jest do dużych metalowych części o średnicy
do ok. 300 mm. Dla tej geometrii niska rozdzielczość zastosowanej kamery rentgenowskiej i
słabe promieniowanie rentgenowskie ograniczają dokładność i prędkość pomiaru. Algorytm
wykrywania krawędzi zanieczyszczonych elementów daje średni błąd promienia 3 µm.
Niepewność pomiaru została oszacowana w oparciu o kalibrowany cylinder i leży między
0,76 i 3,29 µm. Prędkość pomiaru okrągłości na prototypowym urządzeniu jest
porównywalna do prędkości pomiaru urządzeń dotykowych.
Wykaz prezentowanych referatów i ich autorów
[1] X-RAY BACKSCATTER IMAGING WITH A NOVEL TWISTED SLIT COLLIMATOR
Kurt Osterloh, Uwe Zscherpel, Mirko Jechow, Daniel Fratzscher, Norma Wrobel, Uwe Ewert
Bam Federal Institute For Material Research And Tesing
[2] SMALL-SIZE BETATRON FOR THE ENERGY 2,5 MEV FOR FIELD INSPECTION
V,G.Volkov, Yu.D.Zrelov, V.A. Kasyanov, A.A.Filimonov, V.L.Chakhlov, M.M.Shtein
State educational instituction of higher professional training Tomsk polychnic university,
Research institute of introscopy, Russia, P.Marioribanks, John Macleod Electronics Ltd., UK
[3] MICROFOCUS COMPUTED X-RAY TOMOGRAPHY OF SEGREGATIONS IN HIGH STRENGTH
ALUMINIUM ALLOYS
Bernard Harrer, H.Peter Degisher, Johann Kastner
Upper Austrian University of Applied Sciences, Wels Campus, 4600, Austria
Institute of Matrials Science and Technology, University of Technology Vienna, 1400
[4] APPLICATION OF THE DIGITAL RADIOGRAPHY IN WELD INSPECTION OF GAS AND OIL PIPELINES
Davi F.Oliveira, Edson V.Moreira, Aline S.S. Silva, Jose M B.Rabello, Ricardo T.Lopes,
Marcelo S. Pereira, Uwe Zscherpel Nuclear Instrumentation Laboratory-COPPE/UFRJ-Brasil
Materials and technology Department-UNESP and TENARIS CONFAB-Brasil, SEQUI/PETROBRAS-Brasil
Materials and Technology Department-UNESP-Brasil
Federal Institute for Materials Research and Testing-BAM-Germany
[5] RADIOLOGICAL EXAMINATION OF WOOD WITH NEUTRONS, DIFFERENT PERSPECTIVES
Kurt Osterloh, Thomas Bücherl, Mirko Jechow, Daniel Fratzscher, Norma Wrobel, Thomas Tannert, Andreas Hasenstab,
Uwe Zscherpel, Uwe Ewert Bam Federal Institute for Materials Research and Testing, Berlin
Lehrstuhl für Radiochemie, TU München, Rewers Fachplanung GmbH, Löningen, Germany
Berner Fachhochschule, Biel/Bienne, Switzerland
[6] ROBUST ROUNDNESS MEASUREMENTS WITH SOFT X-RAYS
Stefan Kasperl, Rolf Behrendt, Björn Damm, Christoph Funk, Randolf Hanke,
Jochen Hiller, Michael Krumm, Ernst Neumann, Arno Rehbein, Robert Schmitt, Frank Sukowski, Norman Uhlmann,
Raimund Volk, Alexander Warrikhoff Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT, Fraunhofer-Institut IIS,
WZL of theRWTH Aachen University Hommel-Etamic GmbH,
Rtw Röntgentechnik Dr. Warrikhoff GmbH & Co. KG