Современные стационарные кабельные рентгеновские аппараты. Критерии выбора.

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. Я понимаю, что это почти невозможно сделать в рамках одной статьи, но постараюсь изложить максимум полезной информации.

Для детального понимания данной статьи я хочу  ознакомить читателей с основными аксиомами радиационного метода контроля.
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, пластины или цифровой детектор.

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 меньше фокус  рентгеновской трубки, тем более высокое разрешение можно получить, используя  геометрическое увеличение.
4. Чем меньше фокус  рентгеновской трубки, тем меньше ее удельная мощность и ток, соответственно  меньше возможный контраст получаемого изображения.
5. Чем ближе  находится пленка или детектор к исследуемой детали и чем больше расстояние от  аппарата до детали тем выше качество изображения и меньше сказывается размер  фокуса рентгеновской трубки.
6. 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.
7. Чем выше частота  преобразования аппарата, тем он более эффективный.

Основные  аксиомы при просвечивании на  пленку.

7. 1. Чем ниже      чувствительность рентгеновской пленки, тем выше качество изображения.
   2. Флуоресцентные      усиливающие экраны резко ухудшают качество изображения.

Основные  аксиомы при просвечивании на  цифровой  детектор.

1. Чем меньше  пульсации рентгеновского аппарата, тем более высокое качество изображения можно  получить.
2. Электрические  помехи, создаваемые некоторыми рентгеновскими аппаратами вносят заметные  искажения в изображение получаемое цифровым детектором.

Как Вы можете  увидеть, некоторые аксиомы противоречат друг другу. О том что для Вас более важно  Вы поймете, продолжая читать статью.

Теперь, ознакомив Вас с основными аксиомами, перейдем  к подробному описанию типов рентгеновских аппаратов.

Я разобью рентгеновские аппараты  сначала по типу питания рентгеновской трубки,  затем по типу конструктивного исполнения и в конце по размеру фокуса  рентгеновской трубки.

Итак, по типу питания рентгеновской трубки аппараты  можно разделить на полупериодные, постоянного потенциала низкочастотные (500Гц  и менее), постоянного потенциала среднечастотные (1-10кГц), и постоянного  потенциала высокочастотные (более 10кГц).

Полупериодные  рентгеновские аппараты 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 частотах.  В среднем эффективность полупериодного аппарата уступает высокочастотному  аппарату постоянного потенциала в 4 раза.

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.

Высокочастотные  аппараты постоянного потенциала.
Они являются вершиной развития. Частота преобразования  в таких аппаратах обычно превышает 20кГц и в некоторых доходит до 100кГц.  Напряжение на трубке можно считать почти постоянным. Пульсации очень малы.  Эффективность выхода рентгеновского излучения самая высокая и ограничивается  только физикой рентгеновской трубки. Номограммы у высокочастотных аппаратов  постоянного потенциала примерно совпадают. Разница в частоте практически не  влияет на эффективность и актуальна только для использования с цифровыми  детекторами.

Все рентгеновские аппараты серии ЭКСТРАВОЛЬТ являются  высокочастотными аппаратами постоянного потенциала.

Стационарные аппараты кабельного типа выпускаются по однополярной схеме с заземленным анодом  трубки на напряжения до 225кВ и по двуполярной схеме для охлаждаемых маслом  рентгеновских трубок на напряжения до 450кВ.
В состав однополярного аппарата входят высоковольтный  катодный генератор с установленным сверху силовым блоком, цифровой пульт  управления аппаратом, однополярная рентгеновская трубка, высоковольтный кабель  и система охлаждения анода трубки. В однополярных аппаратах охлаждение анода  производится водой или антифризом. В основном используется одноконтурная  система, в котором вода, проходящая через анод трубки, затем поступает в  радиатор, охлаждаемый мощным вентилятором. В целях экономии возможно охлаждение  однополярных трубок водой из водопровода. В этом случае необходим фильтр с  диаметром пор не более 1мкм и цифровой датчик протока воды, который  автоматически отключит рентгеновский аппарат, если скорость потока воды через  трубку станет ниже допустимой.

В двуполярных аппаратах высокое напряжение на  рентгеновской трубке создается за счет двух высоковольтных генераторов разной  полярности. Например, два генератора по 225кВ создают напряжение на  рентгеновской трубке 450кВ. В состав такого аппарата соответственно входит  дополнительный анодный высоковольтный генератор и дополнительный высоковольтный  кабель. Силовой блок обычно используется один общий на оба генератора. В  двуполярных аппаратах анод рентгеновской трубки находится под высоким  напряжением (половина от напряжения на трубке) и охлаждать его можно только  специальным высоковольтным маслом. Для этого используются специальные масляные  системы охлаждения. Они бывают двух типов. Первый тип это масляно-воздушная  одноконтурная система охлаждения. Она, также как и система охлаждения  однополярных аппаратов имеет один жидкостный контур, проходящий через радиатор,  только в этот контур вместо воды залито высоковольтное масло. Второй тип систем  охлаждения построен по двухконтурному принципу. В первый контур залито  высоковольтное масло, которое мощной помпой прогоняется через анод  рентгеновской трубки и поступает в расширительный бак довольно большого объема.  Внутри расширительного бака проходят трубки второго контура, через которые  пропускается холодная вода из водопровода. Таким образом, осуществляется  охлаждение масла. При высоких температурах окружающей среды предпочтительнее  выбирать второй тип систем, так как водяное охлаждение обеспечивает более  низкую температуры масла и соответственно более долгую жизнь рентгеновской  трубки.

Высоковольтные генераторы содержат высоковольтный  трансформатор, выдающий около 25кВ и умножитель который увеличивает это  напряжение до 160/225 кВ. Катодный генератор также включает в себя накальный  трансформатор для питания накала рентгеновской трубки. Трансформаторы и  умножитель погружены в высоковольтное масло. Все расстояния между  высоковольтными частями генератора рассчитаны с 3-4 кратным запасом. Огромный  запас прочности плюс простота ремонта и обслуживания делает стационарные  кабельные аппараты очень долговечными. Срок эксплуатации такого аппарата может  составлять более 20 лет. И замена такого аппарат чаще обусловлена моральным  устареванием техники, чем какими-либо техническими проблемами.
Большой объем генератора также позволяет использовать  в умножители конденсаторы большой емкости и диоды, допускающие большие токи. В  результате мощность аппаратов может достигать 6кВт. Большая мощность актуальна  при просвечивании на рентгеновскую пленку. В стационарных аппаратах кабельного  типа мощность обычно ограничивается только выбранной рентгеновской трубкой.
Применение конденсаторов большой емкости снижает  пульсации таких аппаратов до десятых долей процента, что делает их идеальным  выбором для рентгенотелевизионных систем.

Самой основной характеристикой рентгеновского аппарата  является максимальное напряжение на трубке, и максимальная толщина стали,  которую может просветить данный аппарат. Эти параметры взаимосвязаны. Перед  выбором аппарата необходимо определить тип материала и максимальную  радиационную толщину просвечивания и, исходя из этих данных, определить  требуемое Вам максимальное напряжение и тип аппарата. В характеристиках  аппарата приведена максимальная толщина просвечивания по обыкновенной стали.  Если Вам необходимо просвечивать нестандартные материалы, например, жаропрочные  стали, свяжитесь с вами для дополнительных рекомендаций по выбору аппарата.
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 225кВ, она проживет намного дольше, если ее включать на 200кВ. То же  касается и мощности трубки. Лучше всегда иметь запас по напряжению около 10% и  по мощности около 15-20%. Металлокерамических рентгеновских трубок это правило касается  не в меньшей степени, чем стеклянных.

Одним из основных элементов кабельного аппарата  является рентгеновская трубка, поэтому мы подробно остановимся на выборе этого  элемента. Основным типом трубок, применяемым на мировом рынке, являются  металлокерамические трубки. Одним из ведущих производителей рентгеновских трубок  является фирма THALES ELECTRON DEVICES (Франция). Этот гигант мировой индустрии, выпускает широкий спектр компонентов,  для неразрушающего контроля включая рентгеновские трубки, РЭОПэ,  плоскопанельные детекторы и многое другое.  Поэтому в дальнейшем мы будем придерживаться номенклатуры и терминологии  принятой на этой фирме.
Однополярные рентгеновские трубки выпускаются на  100/160/225кВ, двуполярные на 320/350/380/420/450кВ. Выбор напряжения трубки  зависит от необходимой толщины просвечиваемого материала. При просвечивании на  рентгеновскую пленку без усиливающих экранов можно приблизительно пользоваться  следующими правилами. Трубки 100кВ до 8 мм стали, 160кВ до 25 мм стали, 225кВ до 40 мм стали,350кВ до 70 мм стали, 420кВ до 100 мм стали.
Следующие параметры трубки это максимальная мощность и  ток. Очевидно, что чем эти параметры больше, тем лучше. К сожалению, мощность  трубки сильно зависит от размера фокусного пятна. Чем меньше размер фокусного  пятна – тем меньше мощность трубки. Есть такое эмпирическое правило – что  мощность в фокусном пятне составляет 1 Ватт на каждый микрон фокусного пятна.  То есть трубка с фокусным пятном 0.4мм (400мкм) должна эксплуатироваться на  мощности не более 400Вт. Конечно, фирмы производители пишут в максимальных  параметрах большие мощности. Но это соревнование у кого больше до добра не  доводит. Срок эксплуатации трубки в режиме повышенной мощности намного меньше,  а с учетом стоимости металлокерамической трубки это становится очень актуально.  Конечно, можно понять задачу фирмы производители. Чем быстрее трубка выйдет из  строя (гарантийный срок она в любом случае отработает), тем быстрее купят  новую. Но это интересы фирмы производителя, а интересы пользователя в данном случае  строго обратные. Поэтому, в дальнейшем мы будем придерживаться правила 1Вт/1мкм  и не рекомендуем пользователю превышать данный параметр.

Теперь, выяснив, как зависит предельная мощность  трубки от размеров фокусного пятна – перейдем к обсуждению вопроса, какое же  фокусное пятно актуально для пользователя.
Есть обиходное мнение, что чем меньше – тем лучше. Эта  позиция приводит к тому, что люди покупают трубки с очень малым фокусом,  которые позволяют токи только 1-2 мА и мало подходят для большинства  приложений.

Сейчас же давайте рассмотрим, какой размер фокусного  пятна можно считать оптимальным с точки зрения радиографии и радиоскопии (рентгенотелевидения).  Для начала рассмотрим классическую схему просвечивания. Это необходимо с точки  зрения понятия “геометрическое увеличение”.

Верхняя картинка иллюстрирует, как рентгеновские лучи, вышедшие с  фокусного пятна проходят через пору размером 1мм и проектируются на  рентгеновскую пленку (или цифровую систему), создавая изображение поры в два  раза больше, чем сама пора. Это пример геометрического увеличения в 2 раза.  Понятно, что чем ближе изделие с порой к источнику излучения, тем больше будет геометрическое  увеличение и тем больше изображение поры на пленке. Также хорошо видно, что лучи,  с разных краев фокуса проходя через край поры, проектируют на пленке не четкое  изображение края поры, а некоторую проекцию фокуса трубки через край поры.  Назовем эту область зоной краевой нерезкости. Совершенно очевидно, что меньше  размер этой зоны тем более резкое и качественное изображение мы получим. На  верхней картинке видно, что при геометрическом увеличении в 2 раза зона  нерезкости равна размеру фокуса трубки. То есть при фокусе трубки 0.4мм и  увеличении в 2 раза зона нерезкости тоже составит 0.4мм. Теперь перейдем к нижней  картинке. Здесь взята трубка с очень большим фокусом 3мм. Но при этом приведена  схема без геометрического увеличения. Очень небольшое увеличение имеется за  счет толщины просвечиваемого металла. То есть пора расположенная близко к  стороне металла обращенной к источнику имеет очень небольшое геометрическое  увеличение. Видим, что на нижней картинке, несмотря на очень большой фокус трубки,  зона нерезкости составила всего 0.088мм при самом неблагоприятном расположении  поры, что намного меньше, чем на верхней картинке. Отсюда легко можно сделать  вывод, что от самого фокуса мало что зависит. Имеет смысл только соотношение  размера фокусного пятна и взаимного расположения объекта исследования  (геометрического увеличения). Из нижней картинки четко видно, что при  классическом просвечивании на рентгеновскую пленку, когда пленка лежит вплотную  к объекту и геометрическое увеличение близко к нулю размер фокуса никакой роли  не играет. Соответственно надо выбирать трубку с максимальной мощностью и как  следствие с большим размером фокусного пятна 1,5…3,0мм. В случае с  рентгенотелевидением в большинстве случаев невозможно приблизить объект совсем  вплотную к экрану рентгенотелевизора. Обычно расстояние составляет около 30-80 мм. Но даже при таком  расстоянии зона нерезкости при размере фокуса 3мм составит порядка 0.4мм, что  соответствует верхней картинке. То есть, в случае рентгенотелевидения фокус  трубки играет более заметную роль, чем при съемке на рентгеновскую пленку, но  все равно не решающую. Исходя их вышесказанного, можно порекомендовать выбирать  для рентгенотелевидения фокус в диапазоне 0,2…0,8 мм в зависимости от  планируемой геометрии просвечивания. Я рекомендую выбирать металлокерамические  рентгеновские трубки с двумя фокусами. Один с малым размером и небольшой  мощностью, второй с большим размером и, соответственно, с большой мощность. Для  напряжений до 160 и 225кВ самыми оптимальными являются трубки THX-160/0510 и THX-225/0510. Они имеют по два фокуса 0,2 и 0,4мм. Малый  фокус крайне удобен для рентгенотелевидения и позволяет проводить геометрическое  увеличение до 6 раз. Второй фокус позволяет просвечивать детали как на рентгенотелевизор  с большой мощностью для получения большего контраста, так и на рентгеновскую  пленку. Для напряжений до 320/350/380/420/450кВ самыми оптимальными являются  трубки MB-320/3, MB-350/3, MB-380/3, MB-420/3 и MB-450/3. Они   также имеют два фокуса 0,8 и 1,8мм.
Для тех пользователей, которые в настоящее время  проводят исследование на рентгеновскую пленку, выбор этих трубок позволит в  дальнейшем осуществить переход на цифровую технику без необходимости смены  трубки.

Теперь немного об увеличении пространственного  разрешения за счет использования геометрического увеличения. В некоторых  статьях приводятся различные данные, что при увеличении, например в 2 раза  разрешение рентгенотелевизора составило 2.8 пар линий/мм, а при фокусе 1,5мм  только 1,6 пар линий/мм. Возникает вопрос, а зачем для получения разрешения в  2.8 пар линий вообще использовать геометрическое увеличение. Ведь при  геометрическом увеличении в 2 раза соответственно в 4 раза уменьшается площадь  просматриваемого изображения. Это приводит к увеличению в 4 раза количества  снимков и увеличению времени исследования. Не надо увеличивать разрешение  плохой рентгенотелевизионной системы за счет уменьшения фокуса рентгеновской  трубки. Хорошие рентгенотелевизионные системы имеют разрешение не хуже 4-5 пар  линий/мм. А у самых лучших оно достигает 10 пар линий/мм. В подавляющем  большинстве случаев для качественного контроля разрешение в 5 пар линий более  чем достаточно, так как разрешение снимка начинает ограничиваться уже  контрастной чувствительностью установки. Кроме того, геометрическое разрешение  в 5 пар линий вовсе не означает, что мы увидит только проволочку 0.1 мм. На экране системы с  разрешением 5 пар линий/мм легко видна проволочка всего в 40 микрон, только с  меньшим контрастом. Поэтому геометрическое увеличение имеет смысл только для  контроля в определенных случаях для повышения контрастной чувствительности.

Теперь обсудим стеклянные трубки и их применение.  Стеклянные трубки выпускаются заводом СВЕТЛАНА-РЕНТГЕН в С.Петербурге. К сожалению,  выбор трубок невелик, но он вполне удовлетворит многих покупателей. Срок службы  стеклянной трубки уступает сроку службы металлокерамической, но если  использовать стеклянные трубки в облегченных режимах разница в сроках службы  практически исчезает. А с учетом того, что стеклянная трубка более чем в 10 раз  дешевле металлокерамической, она становится идеальным выбором для тех, кто  хочет реально экономить деньги. Для рентгенотелевидения можно порекомендовать  неплохую отечественную трубку на 160кВ с фокусным пятном 0.8х0.8мм и на 120кВ с  фокусным пятном 0.5х0.5мм. Мощность у них небольшая – 320Вт, но для недорогих  рентгенотелевизоров вполне достаточная. К сожалению, выбор стеклянных трубок с  малыми размерами фокусного пятна на этом заканчивается. Поэтому если Вам  необходимо более 160кВ в рентгенотелевизионной установке и нет возможности  купить металлокерамическую трубку, то придется использовать стеклянную трубку с  большим фокусом и предельно приблизить исследуемую деталь к входному окну  рентгенотелевизора. При просвечивании на рентгеновскую пленку выбор стеклянных  трубок  увеличивается. Можно  порекомендовать трубки на 200кВ с мощностью до 1500Вт, 225кВ с мощностью до  1500Вт, и 300кВ с мощностью до 2500Вт. Проблемы начинаются, если требуется  напряжения большие, чем 300кВ. Таких стеклянных трубок просто нет.
Из всего вышесказанного про рентгеновские трубки можно  сделать заключение, что для просвечивания материалов на пленку при напряжении  более 300кВ или на рентгенотелевизор при напряжении более 160кВ необходимо  использовать металлокерамические трубки. Для просвечивания на рентгеновскую  пленку с напряжениями до 300кВ возможно использовать стеклянные трубки вследствие  их низкой стоимости. И для просвечивания на рентгенотелевизор до 160кВ лучше  использовать металлокерамическую трубку в дорогих высококачественных системах и  стеклянную  трубку во всех остальных.
Таким образом, исключительно важно, чтобы стационарный  кабельный аппарат был совместим как с металлокерамическими, так и со  стеклянными трубками. Это позволит покупателю иметь большую свободу маневра в будущем.

17 июня 2004 года.
Крамер Б. Ю.