直線加速器射線檢測(cè)中不銹鋼增感屏與鉛增感屏的性能對(duì)比試驗(yàn)研究

陳甫旭

（上海阿波羅機(jī)械股份有限公司，上海 201401）

1 引言

某核電項(xiàng)目600 MW 示范快堆工程新組件轉(zhuǎn)換筒下支撐盤（見(jiàn)圖1），壁厚為110 mm，直徑為5 220 mm。坡口形式為雙面對(duì)稱U 形坡口，采用手工氬弧焊打底，自動(dòng)焊氬弧填充方法，對(duì)該焊縫進(jìn)行焊接。由于焊接厚度大，填充量多，奧氏體散熱慢，易產(chǎn)生熱裂紋、氣孔及根部未熔合等缺陷。為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，對(duì)該焊縫進(jìn)行射線檢測(cè)尤為重要。

圖1 轉(zhuǎn)換筒下支撐盤設(shè)計(jì)圖

設(shè)計(jì)要求按照《核安全二、三級(jí)設(shè)備焊縫射線檢測(cè)技術(shù)條件》進(jìn)行100%射線檢測(cè)。

在程序編制時(shí)，為保證檢測(cè)工藝的可行性，特對(duì)此項(xiàng)目射線檢測(cè)工藝進(jìn)行驗(yàn)證。

2 選用直線加速器的理論依據(jù)

選擇射線源的首要因素，是射線源所發(fā)出的射線對(duì)被檢試件必須有足夠的穿透能力。在射線源具有足夠穿透能力的前提下，確保射線照相質(zhì)量及工作效率。

2.1 加速器的選用

在工業(yè)射線照相檢測(cè)中，一般選用加速器產(chǎn)生更高能量的射線。適合工業(yè)射線照相探傷的加速器主要是：電子感應(yīng)加速器、電子直線加速器、電子回旋加速器。

根據(jù)NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第2 部分：射線檢測(cè)》中5.6.3 條要求，檢測(cè)技術(shù)等級(jí)為A 級(jí)、AB 級(jí)，透照厚度大于或等于50 mm 時(shí)，可選用大于4～12 MeV 高能X 射線檢測(cè)進(jìn)行檢測(cè)。

本文選用電子直線加速器（也稱直線加速器）。

2.2 直線加速器的工作原理

直線加速器的主體結(jié)構(gòu)是圓柱形金屬波導(dǎo)管，波導(dǎo)管中每隔一定距離安放一個(gè)金屬圓盤，圓盤中心有一圓孔，它是行波電磁場(chǎng)和電子的通路。這種加速器采用電磁場(chǎng)在波導(dǎo)管內(nèi)不斷供給電子能量，使電子加速，電子每前進(jìn)1 cm 可獲得約6.0×104eV 的能量。電子在加速管內(nèi)沿直線運(yùn)動(dòng)，加速到一定能量后撞擊在靶上產(chǎn)生X 射線。圖2 是行波電子直線加速器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 行波電子直線加速器結(jié)構(gòu)示意圖

電子直線加速器是性能更適合于工業(yè)射線照相探傷的加速器。對(duì)工業(yè)射線照相檢測(cè)，其能量多為1～15 MeV；在這個(gè)能量范圍它可以制造得輕巧、操作方便；其焦點(diǎn)尺寸約2 mm。與電子感應(yīng)加速器相比，它的體積大，但它的電子束流強(qiáng)度大，產(chǎn)生的X 射線強(qiáng)度大，約為電子感應(yīng)加速器的10～100 倍。

2.3 高能X 射線檢測(cè)的特點(diǎn)

高能X 射線照相檢驗(yàn)技術(shù)基本與采用常規(guī)低能X 射線機(jī)的射線照相檢驗(yàn)技術(shù)相同，但存在一些高能X 射線本身的特點(diǎn)。

1）X 射線轉(zhuǎn)換效率高。由于在加速器中電子的能量很高，并且能量集中，因此轉(zhuǎn)換成X 射線的效率高。高能X 射線轉(zhuǎn)換效率通常可以達(dá)到50%～60%。低能X 射線轉(zhuǎn)換效率一般只有1%～2%。

2）射線照相檢驗(yàn)厚度寬容度大。在大約1～10MeV 范圍，高能X 射線，物質(zhì)的射線吸收系數(shù)隨能量的增高比較慢地減小，射線照相檢驗(yàn)的厚度寬容度遠(yuǎn)大于低能X 射線時(shí)的情況。對(duì)高能射線照相檢驗(yàn)，厚度相差1 倍的2 個(gè)厚度，可以同時(shí)得到清晰的圖像。

3）輻射場(chǎng)的橫斷面上，輻射強(qiáng)度很不均勻。加速器中產(chǎn)生的X 射線主要在電子速度方向輻射。這樣，在輻射場(chǎng)的橫斷面上，輻射強(qiáng)度很不均勻。束中心的強(qiáng)度比偏離中心處的強(qiáng)度高出很多，圖3 是典型的高能X 射線輻照?qǐng)鰪?qiáng)度分布。這種情況隨射線能量的提高而更加顯著，它限制了高能射線可使用的輻照?qǐng)觥?/p>

圖3 高能X 射線輻照?qǐng)鰪?qiáng)度分布

4）射線穿透力能力強(qiáng)，透照厚度大；焦點(diǎn)尺寸小，焦距大，照相清晰度高；散射線少，照相靈敏度高。

5）射線強(qiáng)度大，曝光時(shí)間短，可以連續(xù)運(yùn)行，工作效率高等[1]。

3 試驗(yàn)條件

3.1 試驗(yàn)研究相關(guān)設(shè)備

1）直線加速器：型號(hào)DZ-6/100，最高能量6 MeV，最高劑量率1 000 cGy/min，焦點(diǎn)尺寸2 mm，最大重復(fù)頻率加到250 Hz。

2）工業(yè)用恒溫洗片機(jī)、全自動(dòng)干片機(jī)；3）透射式黑白密度計(jì)、強(qiáng)光觀片燈等。

3.2 材料

1）試驗(yàn)件：選用與實(shí)際產(chǎn)品同規(guī)格（板厚T=110 mm）、同材質(zhì)304 不銹鋼及焊接方法、坡口形式均相同，焊接試驗(yàn)件見(jiàn)圖4。

圖4 轉(zhuǎn)子對(duì)接焊縫模擬試驗(yàn)件

2）膠片：工業(yè)X 光膠片，牌號(hào)Agfa-C4。根據(jù)NB/T 47013.2—2015 標(biāo)準(zhǔn)中5.4.2 條要求，采用高能X 射線檢測(cè)，膠片選擇應(yīng)采用C 類或更高類別的膠片。

3）像質(zhì)計(jì)：JB/T 7902-型號(hào)I 型-Fe1/7。

4 焦距及曝光參數(shù)選擇

根據(jù)NB/T 47013.2—2015 中5.7 條關(guān)于（射線源至工件表面的最小距離）及（諾模圖）要求：AB 級(jí)射線檢測(cè)技術(shù)射線源至工作件距離f≥10 db2/3；焦距F＞601 mm 可以滿足幾何不清晰度要求。

由于DZ-6/100 型直線加速器固有特性，廠家推薦焦距F＞1.8 m。因透照厚度為110 mm，為了得到更好的射線照相效果，本次焦距選擇2.5 m。

圖5 曝光曲線圖

5 增感屏選用

5.1 增感屏的類型及作用

增感屏主要有3 種類型：金屬增感屏、熒光增感屏、復(fù)合增感屏（金屬熒光增感屏）。

金屬增感屏是將厚度均勻、平整的金屬箔黏結(jié)在一定的支持物（如紙片、膠片片基等）上構(gòu)成的。金屬箔增感屏主要與非增感型膠片一起使用。

金屬箔增感屏在射線照射下可以發(fā)射電子，這些電子被膠片吸收也產(chǎn)生照相作用，從而增加了射線的照相效應(yīng)，產(chǎn)生增感作用。圖6 是金屬增感屏增感過(guò)程示意圖。

圖6 金屬增感屏增感過(guò)程

金屬增感屏的另一個(gè)重要作用是濾波，還能夠吸收散射線。一次射線能量較高，能夠穿透金屬箔并激發(fā)金屬箔發(fā)射電子，實(shí)現(xiàn)增感，但工件中產(chǎn)生的散射線能量較低，大部分被金屬箔吸收，這將大大地降低散射比，提高底片的影像質(zhì)量。

5.2 金屬增感屏的選用

目前，工業(yè)射線探傷常用的均為金屬增感屏。

當(dāng)射線能量一定時(shí)，增感屏厚度相同但金屬材料不同，增感效果是不相同的。

根據(jù)NB/T 47013.2—2015 中4.2.6.2 條關(guān)于增感屏選用應(yīng)符合下文試驗(yàn)數(shù)據(jù)的規(guī)定。6 MeV 直線加速器射線照相AB級(jí)：鉛增感屏、前后屏均為0.5～1.0 mm；鋼增感屏前后屏均為≤1.0 mm。

因此，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)模式不僅僅是科學(xué)醫(yī)學(xué)而是科學(xué)醫(yī)學(xué)與社會(huì)學(xué)的綜合，是一個(gè)系統(tǒng)工程。建立與完善現(xiàn)代醫(yī)學(xué)模式需要結(jié)合中國(guó)國(guó)情，走中國(guó)特色之路[11]。堅(jiān)持以人為本，不僅關(guān)注患者身體疾病的生物學(xué)治療，更應(yīng)關(guān)注患者的心理健康和社會(huì)環(huán)境、生活方式對(duì)健康的影響，關(guān)注人與環(huán)境的和諧統(tǒng)一[12-13]，根據(jù)疾病譜的變化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r合理構(gòu)建與完善醫(yī)療保健體系。

為了得到最佳底片增感效果，現(xiàn)選用0.5 mm 鉛增感屏、0.5 mm 不銹鋼增感屏、1.0 mm 鉛增感屏、1.0 mm 不銹鋼增感屏4 個(gè)規(guī)格增感屏進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，研究各增感屏的性能差別。為編制射線檢測(cè)工藝提供驗(yàn)證（注：前屏和后屏均相同）。

6 檢測(cè)實(shí)施

根據(jù)DZ-6/100 型直線加速?gòu)S家推薦的曝光曲線，查得照射劑量8.7 Gy?，F(xiàn)對(duì)使用0.5 mm 鉛增感屏、0.5 mm 不銹鋼增感屏、1.0 mm 鉛增感屏及1.0 mm 不銹鋼增感屏的射線底片，以2.5 m 焦距，累積劑量為8.7 Gy 能量進(jìn)行曝光。

7 暗室處理

暗室處理是射線照相檢驗(yàn)的一道主要工序，被射線曝光的工業(yè)膠片經(jīng)過(guò)暗室處理后變?yōu)閹в锌梢?jiàn)影像的射線底片。底片的質(zhì)量是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求與暗室處理過(guò)程中的人員技能水平、顯影液、定影液、溫度、時(shí)間有密切關(guān)系。

現(xiàn)以相同的暗室處理?xiàng)l件，對(duì)使用0.5 mm 鉛增感屏、0.5 mm不銹鋼增感屏、1.0 mm 鉛增感屏及1.0 mm 不銹鋼增感屏的射線底片進(jìn)行暗室處理[2]：

顯影（20 ℃）5 min—停顯30 s—定影（20 ℃）10 min—水洗30 min—自動(dòng)烘干。

8 增感效果的驗(yàn)證

在曝光參數(shù)和暗室處理等條件一定時(shí)，靈敏度與黑度是證明底片質(zhì)量的最重要的依據(jù)。

根據(jù)NB/T 47013.2—2015 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：?jiǎn)伪谕刚?，像質(zhì)計(jì)置于源測(cè)，AB 級(jí)射線照相靈敏度要求，公稱厚度110 mm 時(shí)，需識(shí)別到6 號(hào)（1.0 mm）的絲徑，底片評(píng)定結(jié)果如下：

0.5 mm 鉛增感屏，如圖7 所示，底片黑度在3.03～3.31，像質(zhì)計(jì)靈敏度可識(shí)別6（1.0 mm）號(hào)絲徑，底片輪廓相對(duì)模糊清晰度較差。

圖7 0.5 mm 鉛增感屏/焊縫底片

0.5 mm 不銹鋼增感屏，如圖8 所示，底片黑度在2.32～2.56，像質(zhì)計(jì)靈敏度可識(shí)別7（0.8 mm）號(hào)絲徑，底片輪廓相對(duì)清晰。

圖8 0.5 mm 不銹鋼增感屏/焊縫底片

1.0 mm 鉛增感屏，如圖9 所示，底片黑度在2.35～3.72，像質(zhì)計(jì)靈敏度可識(shí)別6（1.0 mm）號(hào)絲徑，底片輪廓相對(duì)模糊清晰度較差。

圖9 1.0 mm 鉛增感屏/焊縫底片

1.0 mm 不銹鋼增感屏，如圖10 所示，底片黑度在2.32～2.56，像質(zhì)計(jì)靈敏度可識(shí)別7（0.8 mm）號(hào)絲徑，底片輪廓相對(duì)清晰。

圖10 1.0 mm 不銹鋼增感屏/焊縫底片

根據(jù)圖7～圖10 實(shí)驗(yàn)結(jié)果，匯總見(jiàn)表1。

9 分析總結(jié)

通過(guò)射線照相檢測(cè)，缺陷是否能夠而被檢出，取決于若干個(gè)因素：首先，缺陷必須在底片上留下足夠的識(shí)別影像；底片上的影像應(yīng)在適當(dāng)條件下得以充分顯示，以利于評(píng)片人員觀察和識(shí)別；然后，才是評(píng)片人員對(duì)觀察到影像應(yīng)做出正確分析與判斷[3，4]。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

依據(jù)上文試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)：

1）使用同厚度的不銹鋼增感屏，比使用同厚度的鉛增感屏靈敏度較高，黑度較低，底片清晰度較好；

2）使用同材質(zhì)不同厚度增感屏，靈敏度、底片清晰度幾乎未發(fā)生變化；

3）鉛增感屏厚度較大的底片黑度，大于鉛增感屏厚度較薄的底片黑度；

4）不同厚度的不銹鋼增感屏底片黑度未發(fā)生明顯變化。

對(duì)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析研究得知，對(duì)大于100 mm 的超厚板對(duì)接焊縫，采用6 MeV 直線加速器進(jìn)行射線檢測(cè)時(shí)：雖然采用0.5 mm 或1.0 mm 鉛增感屏及不銹鋼增感屏都可以滿足NB/T47013.2—2015 標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)條款要求，但是從靈敏度、底片黑度、清晰度等底片影像質(zhì)量評(píng)價(jià)，不銹鋼增感屏更適用于高能量直線加速器超厚板對(duì)接焊縫射線檢測(cè)。