Введение

Многие современные агрегаты, детали и машины работают в экстремальных условиях: при высоких температурах и больших силовых нагрузках, которые зачастую имеют не статический, а циклический характер. С каждым годом рабочие условия лишь усложняются, а требования к безопасности эксплуатации ужесточаются [1]. Особенно это заметно в таких быстро развивающихся отраслях, как авиация, космос и атомная энергетика, где зачастую требуется проведение 100%-ного контроля деталей в партии, что может обеспечить только неразрушающий контроль [2, 3]. Одним из основных видов неразрушающего контроля, широко применяемых в производстве изделий авиационной техники, является рентгеновский, основанный на ослаблении рентгеновского излучения материалами. Степень ослабления зависит от свойств изделия и материала, из которого оно изготовлено: чем больше плотность материала, чем толще слой поглотителя, тем сильнее степень ослабления рентгеновского излучения. Теневая картина представляет собой распределение экспозиционной дозы или экспозиционной мощности дозы излучения. Радиационное теневое изображение чаще всего регистрируется на радиографическую пленку, свойства которой существенно влияют на результат контроля.

Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии № 15-ст от 17.01.2023 введен в действие ГОСТ Р ИСО 11699-1–2023 в качестве национального стандарта Российской Федерации. Данный стандарт регламентирует классификацию пленочных систем, правила ее применения, обработки и оценки качества [4]. Рентгеновский неразрушающий контроль с применением в качестве детектора радиографической пленки используют практически на всех предприятиях, производящих авиационную и космическую технику.

Нормативными документами, действующими в указанных отраслях, регламентировано применение радиографических пленок классов С1–С4. При контроле объектов большой толщины с применением высокой энергии рентгеновского излучения (>180 кэВ) допускается использование радиографической пленки класса С5. Применение радиографической пленки строго определенного класса обеспечивает надежное обнаружение дефектов, что гарантирует безопасную эксплуатацию летательных аппаратов.

Для установления классификации радиографических технических пленок необходимы, во-первых, сложные технические средства, которые являются средствами измерений, во-вторых, юридические документы, определяющие право на проведение таких испытаний. В России на данный момент проводятся работы по созданию средств испытаний радиографических пленок, но пока право их сертификации отсутствует. Таким правом обладает Берлинский Федеральный институт исследований и испытаний материалов (ВАМ), который в условиях действующих санкций недоступен, как и недоступны радиографические пленки с подтвержденной им классификацией. На рынок поступают отечественные и зарубежные радиографические пленки, не прошедшие испытания в ВАМ. Для оценки качества радиографических пленок в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработана и много лет применяется собственная методика испытаний [5]. В данной статье приведено описание исследований адекватности разработанной методики по отношению к испытаниям в ВАМ.

Испытания радиографических пленок в соответствии с ГОСТ Р ИСО 11699-1–2023 и разработанной методикой и их сравнение

Характеристическая кривая радиографической пленки

Сенситометрические свойства радиографической пленки иллюстрирует характеристическая кривая – зависимость оптической плотности D от логарифма экспозиционной дозы излучения K_S (рис. 1) [6, 7]. Имея в распоряжении характеристические кривые, можно определить следующие свойства пленки:

– широта K_S1 (диапазон дозы излучения, ослабленной диапазоном толщины объекта контроля, который при экспонировании на данную радиографическую пленку позволяет получить снимок с оптической плотностью, пригодной для его расшифровки);

– чувствительность к излучению S (способность получать требуемую оптическую плотность при определенной дозе излучения), S = 1/K_S, где K_S = 10^lgKs;

– средний градиент G (показатель контрастных свойств), G= tgα, где α – угол наклона касательной к характеристической кривой;

– оптическая плотность вуали D₀ (оптическая плотность снимка на неэкспонированной радиографической пленке) [8].

Рис. 1. Характеристическая кривая радиографической пленки

Способ получения характеристической кривой по ГОСТ Р ИСО 11699-1–2023

Зависимость величины дозы излучения, генерируемой рентгеновским аппаратом, от режима его работы выражается соотношением

где k – константа, определяемая конструкцией рентгеновского аппарата; f(U) –возрастающая функция от анодного напряжения; U – анодное напряжение, кВ; I – ток рентгеновской трубки, мА; t – продолжительность экспонирования, с; F – расстояние от анода рентгеновской трубки до кассеты с испытуемой пленкой, мм. Величины k и f(U) определяются экспериментально.

Чтобы получить адекватную зависимость D = f(lgK_S), на одном и том же образце пленки выполнили ряд экспозиций при определенном режиме: анодное напряжение 200 кВ, анодный ток 10 мА, фокусное расстояние 700 мм. Меняя продолжительность экспонирования, получили сенситограмму, содержащую не менее восьми равномерно распределенных оптических плотностей, охватывающих интервал от 1,0 до 4,5 Б, и превышающих D₀. Затем построенную зависимость D = f(lgK_S) аппроксимировали полиномом третьей степени. Полиномиальная аппроксимация должна включать все измеренные значения от 1,0 до 4,5 Б. Чтобы определить среднее значение градиента G, на каждом поле с определенной оптической плотностью необходимо выполнить не менее шести измерений. Средние значения градиента должны определяться с максимальной неопределенностью ±5 % для градиента при D = 2 Б над плотностью вуали и основы и ±7 % для градиента при D = 4 Б над плотностью вуали и основы на 95%-ном доверительном интервале [9, 10].

Согласно методике построения характеристических кривых испытуемой пленки по ГОСТ Р ИСО 11699-1–2023, при строго определенных условиях получают рентгеновские снимки, экспонирование которых осуществляют при постоянной мощности дозы рентгеновского излучения и 12 разных продолжительностях. При указанных условиях оптическая плотность полученных рентгеновских снимков должна быть равномерно распределена в интервале от 1,0 до 4,5, Б, превышающем плотность вуали D₀.

Доза излучения K_S, создаваемая рентгеновским аппаратом, пропорциональна мощности Р и продолжительности работы t:

K_S= Pt.

При проведении испытаний радиографических пленок по ГОСТ Р ИСО 11699-1–2023 мощность дозы постоянна, меняется продолжительность работы рентгеновского аппарата.

Получение аналога характеристической кривой по разработанной методике

Испытания проводили на радиографической пленке класса С4. Для получениязависимости оптической плотности от логарифма экспозиционной дозы излучения использовали специальные образцы в виде ступенчатых клиньев из магния и стали (табл. 1, рис. 2).

Таблица 1

Технические характеристики испытательных образцов

Рис. 2. Эскиз ступенчатого клина для определения сенситометрических свойств радиографических пленок

Для определения сенситометрических характеристик испытуемой радиографической пленки проводят экспонирование образцов при режимах, представленных в табл. 2 и на рис. 3.

Таблица 2

Режимы экспонирования испытательных образцов

Рис. 3. Схема экспонирования ступенчатого стального клина 1 и 2

Каждая ступенька испытательных образцов получает определенную дозу излучения K_Sспл = Р_сплt. В зависимости от толщины ступеньки и плотности сплава образца мощность дозы за ней определяется соотношением

K_Sспл = Р_сплt = Р_0сплte^{–μсплdiспл},

где Р_0спл и Р_спл – мощность экспозиционной дозы излучения в отсутствии и при наличии поглотителя соответственно, Гр/с; μ_спл – линейный коэффициент поглощения излучения сплавом; d_iспл – толщина ступеньки образца, мм.

Согласно разработанной методике, в отличие от изложенной в ГОСТ Р ИСО 11699-1–2023, изменение оптической плотности полей сенситограммы происходит за счет изменения мощности дозы излучения, которая при достижении радиографической пленки ослабевает в результате прохождения сквозь ступеньки испытательного образца.

Значения μ_сплd_iспл для всех испытательных образцов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты экспонирования испытательных образцов

Логарифм дозы излучения за каждой ступенькой испытательного образца рассчитывается по формуле

lgK_Siспл = lg(Р_0спл·t) + lge^{–μсплdiспл} = lgР_0Mg + lgt – 0,435μ_Mgd_iMg.

Для одного рентгеновского аппарата при постоянных значениях тока, продолжительности экспозиции и фокусного расстояния мощность экспозиционной дозы зависит от анодного напряжения в определенных пределах:

Аналитически зависимость мощности экспозиционной дозы от анодного напряжения представляет собой сложную функцию, поэтому ее установили экспериментально, а зависимость ее логарифма от анодного напряжения рассчитали (рис. 4).

Рис. 4. Зависимости мощности экспозиционной дозы излучения (а) и ее логарифма (б) от анодного напряжения

При экспонировании ступенчатого клина из сплава на основе магния при анодном напряжении 60 кВ мощность экспозиционной дозы составила Р₀ = 2,1 мГр/с (lgР₀ = 0,32). Логарифм дозы излучения за каждой ступенькой магниевого образца при анодном напряжении 60 кВ рассчитан по формуле:

lgK_SiMg = 0,32 + 2,08 – 1,41d_iMg.

В результате получены зависимости оптической плотности сенситограмм при экспонировании образцов от логарифма дозы излучения при анодном напряжении 40 кВ (табл. 4 и рис. 5).

Условия получения характеристической кривой по ГОСТ Р ИСО 11699-1–2023

Образцы пленок экспонировали рентгеновским излучением, генерируемым рентгеновской трубкой с вольфрамовым анодом.Фильтр трубки, наряду с дополнительным медным фильтром, расположенным по возможности максимально близко к мишени, обеспечил фильтрацию, равноценную медному фильтру толщиной 8,00±0,05 мм. Напряжение на рентгеновской трубке подбирали таким образом, чтобы медный фильтр толщиной 3,5±0,2 мм являлся слоем половинного ослабления и доза излучения на выходе соответствовала половине дозы на входе. Этому требованию соответствует напряжение ~220 кВ, анодный ток 10 мА, общая продолжительность экспонирования 2 мин. Экспонирование пленки осуществляли с использованием сенситометра - специального устройства, с помощью которого разные участки радиографической пленки получали разную дозу излучения. Полученная после фотообработки рентгенограмма называется сенситограммой. Сенситограмма содержит восемь участков с различной оптической плотностью D. Для каждого участка сенситограммы оптическая плотность тем выше, чем больше длина участка диафрагмы сенситометра, так как продолжительность экспонирования радиографической пленки зависит от длины участка диафрагмы сенситометра. Таким образом, получены характеристические кривые, построенные на основании экспериментальных данных (рис. 5) [5, 10, 12].  

Таблица 4

Зависимость оптической плотности от логарифма дозы излучения

Рис. 5. Зависимости оптической плотности от логарифма дозы излучения для радиографической пленки D5, полученные экспериментально по разработанной методике при различном анодном напряжении и по ГОСТ Р ИСО 11699-1–2023

Анализ результатов испытания радиографической пленки

по разработанной методике

При испытании радиографических пленок по разработанной методике абсолютная величина доз излучения была такой же, как при испытании по регламенту ГОСТ Р ИСО 11699-1–2023. Однако излучине качественно было другим, так как состояло из фотонов разной энергии. Таким образом, величина доз излучения не менялась, но энергия фотонов, составляющих дозы излучения при разных анодных напряжениях (от 40 до 200 кВ), менялась от 26,0 до 133,3 кэВ. Чем меньше энергия дозы излучения, тем менее чувствительна радиографическая пленка к воздействию излучения. Кривые зависимости D = f(lgK_S) при уменьшении энергии излучения смещаются вправо (рис. 5).

По определению градиент характеристической кривой пленки численно равен тангенсу угла наклона касательной к кривой при значении оптической плотности 2 и 4 Б. Из рис. 4 видно, что при испытании радиографической пленки класса С4 эта величина меняется при изменении энергии излучения при одной и той же дозе и значительно отличается от tgα_D = 2 для кривой D = f(lgK_S), полученной по ГОСТ Р ИСО 11699-1–2023. Чтобы избежать влияния масштаба на рис. 4, примем величину tgα_D = 2 для кривой D = f(lgK_S), полученной по ГОСТ Р ИСО 11699-1–2023, за единицу и относительно этой величины определим tgα_D = 2 для кривых D = f(lgK_S), полученных при анодном напряжении 200, 120 и 40 кВ. Результаты представлены на рис. 6.

Рис. 6. Зависимости tgα_D = 2 для кривых D = f(lgK_S), полученных при разном анодном напряжении (––) и согласно ГОСТ Р ИСО 11699-1–2023 (––)

Этот факт объясняется тем, что, помимо контрастных свойств собственно радиографической пленки, на изображение влияет контраст радиационного изображения испытательных образцов, зависящий в значительной степени от линейного коэффициента ослабления рентгеновского излучения материалами. Контраст радиационного изображения аналитически выражается зависимостью

где ∆d– изменение толщины ступенек испытательных образцов; B – фактор накопления рассеянного излучения; Е – энергия фотонов рентгеновского излучения.

Таблица 5

Зависимость линейного коэффициента ослабления излучения от энергии излучения

Зависимость коэффициентов линейного ослабления от энергии рентгеновского излучения (анодного напряжения) представлена в табл. 5.

Заключения

Проанализированы результаты испытаний пленок по регламенту ГОСТ Р ИСО 11699-1–2023 и по методике, разработанной в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. И те и другие испытания направлены на определение сенситометрических характеристик пленочных систем. Испытания проведены для пленочной системы класса С4. Исходя из свойств пленочных систем, справедливо считать возможным распространение испытаний на классы С1–С5.

Сравнение полученных результатов показало, что качественно испытания, проводимые по регламенту ГОСТ Р ИСО 11699-1–2023 и разработанной методике, позволяют определить такие характеристики, как:

– характеристическую кривую (непосредственно по регламенту ГОСТ Р ИСО 11699-1–2023 и опосредованно по разработанной методике);

– чувствительность к излучению;

– контрастные свойства пленок.

Существенным различием результатов испытаний является тот факт, что ГОСТ Р ИСО 11699-1–2023 не учитывает зависимости сенситометрических свойств от энергии излучения [13–15]. При проведении рентгенографического контроля и выборе пленочной системы следует учитывать, что градиент радиографической пленки зависит от энергии излучения. Контрастные свойства радиографической пленки при контроле объектов, требующих высоких значений анодного напряжения, могут оказаться существенно ниже, чем заявленные принадлежностью пленочной системы к определенному классу [16].

С другой стороны, разработанная методика не предусматривает определения гранулярности пленочной системы ввиду отсутствия специальных средств испытаний. Гранулярность – показатель собственного шума пленочной системы, который оказывает негативное влияние при воспроизведении мелких и малоконтрастных дефектов. При проведении рентгенографического контроля особо ответственных объектов, помимо контрастных характеристик, необходимо учитывать шумовые характеристики пленочной системы.

Разработанная методика, не требующая специальных средств для проведения испытаний, доступна на любом предприятии и может оказаться полезной при проведении экспресс-испытаний на входном контроле.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.