УДК 620.179.152.1

БЕТАТРОННЫЙ ТОМОГРАФ ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ

ИЗ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДИАМЕТРОМ ДО 1000 ММ

¹Федеральный научно-производственный центр «Алтай», Россия 659322 Бийск, Алтайский край,

ул. Социалистическая, 1

E-mail: ^*kar@frps.secna.ru

Поступила в редакцию 13.11.2018; после доработки 22.01.2019;

принята к публикации 01.02.2019

Представлены результаты разработки и испытаний томографа на основе бетатрона с энергией изучения до 10 МэВ.

Томограф позволяет исследовать объекты с просвечиваемой толщиной до 250 мм по стали. В отличие от зарубежных

аналогов применено горизонтальное расположение изделия, при котором условия выявления таких дефектов, как тре-

щины и расслоения, наиболее благоприятны, поскольку в таком положении изделие подвергается небольшим деформа-

циям под действием гравитационных сил. Предложенная схема сканирования обладает свойствами томографа третьего

поколения, сохраняет качество томограммы и время ее получения при сокращенном количестве детекторов и габаритов

томографа. Приведены результаты оценки чувствительности томографа на тестовом образце и результаты контроля

изделий, содержащих дефекты.

Ключевые слова: неразрушающий контроль, бетатронный томограф, компьютерная томография, высокоэнергетиче-

ские материалы.

DOI:10.1134/S0130308219040080

ВВЕДЕНИЕ

Развитие ракетно-космической техники РФ тесно связано с применением изделий из высоко-

энергетических материалов, однако существующая технология их изготовления недостаточно

совершенна, поэтому в них могут возникнуть различные дефекты (рис. 1).

Отслоение

Раковины

Трещины

Расслоение

Рис. 1. Возможные дефекты в изделии.

Наличие дефектов может привести к непредсказуемым последствиям в процессе эксплуатации

таких изделий. По этой причине в РФ на заводах отрасли в настоящее время применяются три основ-

ных метода неразрушающего контроля (НК): радиометрический, радиографический и ультразвуко-

вой. Использование перечисленных методов регламентируется отраслевыми стандартами и обуслов-

лено тем, что каждый метод позволяет исследовать лишь отдельные свойства и характеристики

материалов и изделий, имеет различную чувствительность к дефектам определенного вида.

Для контроля сплошности наполнителя используется радиометрический метод, позволяющий

обнаруживать раковины объемом 1—10 см³, но не выявляет отслоения и произвольно ориентирован-

ные трещины. С помощью ультразвукового контроля обнаруживаются отслоения наполнителя от

корпуса площадью 3—9 см², но не выявляются дефекты в зонах под корпусными расслоениями.

Возможности радиографического метода ограничены малой производительностью и невысокой чув-

Бетатронный томограф для неразрушающего контроля изделий...

ствительностью (выявляются отслоения от 0,5 мм по раскрытию при известной ориентации плоско-

сти дефекта).

Известно, что томографические методы позволяют значительно повысить чувствительность к

дефектам и упростить расшифровку результатов контроля. Упоминания о современных томографах,

предназначенных для контроля крупногабаритных объектов, немногочисленны. В [1] представлены

результаты использования компьютерного томографа на основе линейного ускорителя электронов

фирмы LINAC, имеющего энергию рентгеновского излучения 4,6—9 МэВ и позволяющего контроли-

ровать объекты толщиной до 200 мм по стали. В [2] описан инспекционно-досмотровый комплекс на

основе бетатрона с энергией излучения 4—9 МэВ и мощностью дозы до 13 Р/мин-м. В известных из

литературных источников томографах применяются типовые схемы сканирования второго или третье-

го поколения. В данной работе рассмотрены технические свойства промышленного томографа третье-

го поколения с половинным полем облучения сечения крупногабаритного объекта.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТАННОГО ТОМОГРАФА

В известных зарубежных томографах подобное изделие закрепляется вертикально на поворот-

ном столе, источник и линейка детекторов устанавливаются на определенной высоте [3]. При раз-

работке отечественного томографа предпочтение было отдано горизонтальному сканеру, на котором

изделие располагается на вращающихся валках. При горизонтальном расположении изделия дефек-

ты в верхней части имеют тенденцию к раскрытию под действием гравитационных сил (рис. 2), что

увеличивает вероятность их выявления.

Вектор

гравитационной

силы

Рис. 2. Влияние гравитационных сил на раскрытие дефекта в верхней части изделия:

1 — приемник излучения; 2 — изделие; 3 — источник излучения; 4 — дефект (отслоение); 5 — вращающиеся валки.

В рентгеновской компьютерной томографии рассматривают пять поколений томографов, каж-

дое из которых определяется своей схемой сканирования [4]. В промышленной томографии в

основном применяются томографы второго [3, 5] и третьего поколений. Томографы первого поко-

ления не используются из-за слишком низкой производительности. Томографы второго поколения

более производительны, но сложны механически по сравнению с томографами третьего поколе-

ния, поскольку требуют вращения и поступательного перемещения при сканировании одного слоя.

Для сравнения следует отметить, что в медицинском томографе первого поколения изображения

одного среза получали за 4 мин, второго поколения — за 20 с, третьего — за 5 с.

В томографах третьего поколения веерный пучок излучения перекрывает все сечение контро-

лируемого объекта. Процесс сканирования заключается лишь во вращении системы источник —

детекторы относительно объекта контроля, что равносильно вращению объекта при неподвиж-

ных детекторах и источнике. Схема сканирова-

ния такого томографа представлена на рис. 3.

В данном варианте в поле облучения попадают

вращающиеся валки, на которых расположен

объект контроля.

Рис. 3. Схема сканирования томографа третьего поколения:

1 — приемник излучения; 2 — объект контроля; 3 — источник

излучения.

Дефектоскопия

№ 4

2019

В.П. Карих, А.В. Кодолов, А.А. Охотников, А.А. Скоков

20 МэВ

10 МэВ

6—8º

12—15º

1 м

5 м

10 м

Рис. 4. Зависимость фокусного расстояния от энергии электронного ускорителя:

1 — приемник излучения; 2 — объект контроля; 3 — источник излучения.

При томографии крупногабаритных объектов применяют источники жесткого тормозного

излучения - ускорители электронов с энергией до 10—20 МэВ. Основная часть пучка излучения

сосредоточена в конусе, раствор угла которого уменьшается с увеличением энергии электронов

[6]. Таким образом, чем больше энергия источника тормозного излучения, тем дальше от объекта

он должен располагаться (рис. 4).

Томограф третьего поколения с жестким тормозным излучением представляется достаточно громозд-

ким в связи с большим удалением источника.

Рассмотрим томограф, в котором веерный пучок

перекрывает не все сечение объекта, а лишь половину

(рис. 5).

Сканирование производится поворотом объекта

на 360°. Очевидно, что за один оборот получается

полный набор данных для реконструкции томограм-

мы. При такой схеме сканирования вдвое уменьшает-

ся количество детекторов при том же разрешении и

вдвое сокращается расстояние от источника до центра

объекта. Кроме того, вращающиеся валки не влияют

на регистрируемый поток излучения. Приближение

источника позволяет увеличить скорость сканирова-

Рис. 5. Схема сканирования томографа третьего

поколения с половинным полем облучения:

ния, поскольку возрастает интенсивность излучения.

— линейка детекторов;

— объект контроля;

В результате уменьшаются габариты томографа и его

3 — источник излучения.

стоимость. Новое сканирование повлекло разработку

соответствующего алгоритма реконструкции томограмм. Элементы новизны предлагаемого томо-

графа изложены в патенте [7].

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОМОГРАФА

На сегодняшний день изготовлены и эксплуатируются два бетатронных томографа (на ФКП

«Комбинат «Каменский» и в АО «ФНПЦ «Алтай»), предназначенных для контроля изделий из высо-

коэнергетических материалов диаметром до 1000 мм. Конструкция томографа представлена на рис. 6.

Рис. 6. Конструкция бетатронного томографа:

1 — детекторная линейка; 2 — изделие; 3 — излучатель бетатрона; 4 — устройство ориентации бетатрона; 5 — устройство ориентации

детекторной линейки; 6 — платформа-сканер на шаговых двигателях.

Дефектоскопия

№ 4

2019

Бетатронный томограф для неразрушающего контроля изделий...

Источником излучения является бетатрон МИБ-10 с энергией тормозного излучения до 10 МэВ и

мощностью дозы до 25 Р/мин-м, что позволяет просвечивать изделия до 1000 мм (при ρ ≈ 1,8 г/см³).

Бетатрон имеет малые размеры фокусного пятна (0,3×3,0 мм) по сравнению с линейными ускорителя-

ми (в Linatron L-6000 размер фокусного пятна 3,0×3,0 мм), что дает хорошую резкость изображения.

В качестве приемника излучения используется детекторная линейка, содержащая 256 детекто-

ров. Каждый детектор представляет собой сборку «сцинтиллятор-фотодиод», размеры сцинтиллято-

ра — 4×6×30 мм, материал сцинтиллятора — вольфрамат кадмия (CdWO₄). Используемые кремние-

вые фотодиоды обладают высокими чувствительностью, быстродействием и низкими темновыми

токами.

Для позиционирования и сканирования изделия используется прецизионная платформа-сканер

на шаговых двигателях с точностью позиционирования до 0,25 мм. Скорость сканирования (вра-

щения) изделия — 25—35 мм/c.

Сканирование сечения обычно занимает 2—5 мин, разрешение томограммы — 512×512 пиксе-

лей, используемые алгоритмы реконструкции — метод обратного проецирования с фильтрацией

двойным дифференцированием (ОПФДД) [8] и метод обратного проецирования на основе фильтра

Шеппа — Логана [9] с предварительной «переупаковкой» половинных веерных проекций в парал-

лельные.

Предельная чувствительность томографа для максимальной просвечиваемой толщины 1000 мм

составляет:

к раковинам — 64 мм³ (0,064 см³);

к трещинам и отслоениям — 0,4 мм по раскрытию.

При уменьшении просвечиваемой толщины чувствительность увеличивается.

Разработанные средства томографии могут быть применены для НК:

твердотопливных ракетных двигателей;

жидкостных ракетных двигателей;

самолетных конструкций.

РЕЗУЛЬТАТЫ КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ

На рис. 7 представлена томограмма тестового образца (помещенного в канал макетного изде-

лия), показывающая чувствительность томографа к различным дефектам.

Отверстие

Зазор 0,4 мм

Отверстие

∅ 3 мм

∅ 2 мм

∅ 1 мм

Рис. 7. Томограмма тестового образца (а) и увеличенный фрагмент (б).

На рис. 8 представлены томограммы изделия с дефектами, которые образовались при попада-

нии воздуха при литье.

На рис. 9 представлены томограммы изделия с дефектами, образовавшимися из-за недостаточ-

ного заполнения при формовании.

В первом случае отчетливо прорисовываются границы различных элементов в плоскости сече-

ния (конструктива, дефектов и т.п.) за счет увеличения контраста на границах перепада плотности

объекта, что повышает надежность обнаружения дефектов и точность контроля геометрических

характеристик объекта. Во втором случае определяются плотности материалов внутри контроли-

руемого объекта — чем светлее цвет материала на томограмме, тем больше его плотность, напри-

мер, черное — воздух, белое — сталь.

Дефектоскопия

№ 4

2019

В.П. Карих, А.В. Кодолов, А.А. Охотников, А.А. Скоков

Оснастка

Наполнитель

Корпус

Наполнитель

Корпус

Рис. 9. Томограммы изделия с обнаруженными дефектами,

полученные с использованием метода ОПФДД (а) и фильтра

Шеппа — Логана (б).

Рис. 8. Томограммы изделия, содержащего дефекты

различной формы.

ВЫВОДЫ

На предприятии АО «ФНПЦ «Алтай» разработан и изготовлен бетатронный томограф для

контроля ответственных изделий диаметром до 1000 мм. Томограф предназначен для контроля

конструктивно сложных и ответственных участков изделий в целях обнаружения дефектов моно-

литности наполнителя и дефектов сплошности границ скрепления наполнителя с корпусом, а

также конкретизации дефектов сложной формы, выявленных другими методами.

Применение средств и методов томографического контроля изделий позволяет исключить

неконтролируемые зоны в изделиях и обнаруживать ряд опасных дефектов, для которых возможно

определение размеров, конфигурации и расположения в плоскости сечения, а также оценка про-

тяженности в пространстве (по набору томограмм). Кроме того, томографический контроль позво-

ляет проводить оценку взаимного расположения конструктивных элементов в изделиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Reims N., Schoen T., Boehnel M., Sukowski F., Firsching M. Strategies for efficient scanning and

reconstruction methods on very large objects with high-energy x-ray computed tomography / SPIE Optical

Engineering + Applications. International Society for Optics and Photonics, 2014. P. 921209—921209.

2. Бориков В.Н., Чахлов С.В., Рычков М.М., Штейн А.М., Смолянский В.А. Промышленная томогра-

фия крупногабаритных объектов / XXI Всероссийская конференция по неразрушающему контролю и

технической диагностике. Сборн. тр. Москва, 28 февраля — 2 марта 2017 г. М.: Изд. дом «Спектр»,

2017. С. 358—361.

3. Lerner E. CAT scaner probes MX’s vital organs // Aerossp. Amer. 1986. V. 24. No 3. P. 24.

4. Календер В. Компьютерная томография. М.: Техносфера, 2006. 343 с.

5. Клюев В.В., Вайнберг Э.И. Рентгеновская вычислительная томография в промышленной диагно-

стике // Приборы и системы управления. 1989. № 5. С. 10—12.

6. Ковалев В.П. Вторичное излучение ускорителей. М.: Атомиздат, 1979. 307 с.

7. Промышленный томограф. Пат. 2431825 Рос. Федерация. МПК G01N 23/04 / В.П. Карих; заяви-

тель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Федеральный научно-производствен-

ный центр «Алтай», № 2010121804/28; заявл. 28.05.2010; опубл. 20.10.2011. Бюл. № 29. 7 с.: ил.

8. Вайнберг Э.И., Казак И.А., Файнгойз М.Л. Рентгеновская вычислительная томография по методу

обратного проецирования с фильтрацией двойным дифференцированием // Дефектоскопия. 1985. № 2.

С. 31—39.

9. Shepp L.A., Logan B.F. The Fourier reconstruction of a head section // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1974.

V. 21. No.3. P. 21-43.

Дефектоскопия

№ 4

2019