تحقیق مقاله رادیوگرافی

پیشگفتار

پرتو های الکترومغناطیس با طول موجهای بسیار کوتاه ،‌یعنی پرتوهای X و  ، بدرون محیطهای مادی جامد نفوذ کرده ولی تا حدی بوسیله آنها جذب می شوند. میزان جذب به چگالی و ضخامت ماده ای که موج از آن می گذرد و همچنین ویژگیهای خود پرتوالکترومغناطیس بستگی دارد. تشعشعی را که از ماده عبور می کند می توان روی فیلم و یا کاغذ حساس آشکارسازی و ثبت نموده ، بر روی یک صفحه دارای خاصیت فلورسانس و یا به کمک تجهیزات الکترونیکی مشاهده نمود.

به بیان دقیق ، رادیوگرافی به فرآیندی اطلاق می شود که در آن تصویر بر روی یک فیلم ایجاد شود. هنگامی که تصویری دائمی بر روی یک کاغذ حساس به تابش ثبت گردد،‌فرآیند به رادیوگرافی کاغذی موسوم می باشد. سیستمی که در آن تصویری نامریی بر یک صفحه باردار الکترواستاتیکی ایجاد شده و از این تصویر برای ایجاد تصویر دائمی بر روی کاغذ استفاده می شود، به رادیوگرافی خشک شهرت داشته و فرآیندی که بر یک صفحه دارای خاصیت فلورسانس تصویر گذار تشکیل می دهد، فلورسکپی نامیده می شود. بالاخره هنگامی که شدت تشعشعی که از ماده گذشته بوسیله تجهیزات الکترونیکی نمایان و مشاده گردد، با فرآیند پرتوسنجی سرو کار خواهیم داشت.

به جای پرتو های X و  می توان از پرتوهای نوترون استفاده نمود ، این روش به رادیوگرافی نوترونی موسوم می باشد (به بخش 2-7 فصل 7 رجوع کنید)

هنگامی که یک فیلم رادیوگرافی تابش دیده ظاهر شود ،‌با تصویری روبرو خواهیم بود که کدورت نقاط مختلف آن متناسب با تشعشع دریافت شده بوسیله آنها بوده و مناطقی از فیلم که تابش بیشتری دریافت کرده اند سیاه تر خواهند بود. همانطور که پیش از این اشاره کردیم ،‌میزان جذب در یک ماده تابعی از چگالی و ضخامت آن می باشد. همچنین وجود پاره ای از عیوب از قبیل تخلخل و حفره نیز بر میزان جذب تأثیر می گذارد. بنابراین ، آزمون رادیوگرافی را می توان برای بازرسی و آشکارسازی برخی از عیوب مواد و قطعات مورد استفاده قرار داد. در بکار بردن سیستم رادیوگرافی و دیگر فرآیندهای مشابه یابد نهایت دقت اعمال شود ،‌زیرا پرتوگیری بیش از حد مجاز می تواند نسوج بدن را معیوب نماید.

کاربردهای رادیوگرافی

ویژگیهایی از قطعات و سازه ها را که منشأ تغییر کافی ضخامت یا چگالی باشند، می توان به کمک رادیوگرافی آشکارسازی و تعیین نمود. هر چه این تغییرات بیشتر باشد آشکارسازی آ“ها ساده تر خواهد بود ،‌تخلخل و دیگر حفره ها و همچنین ناخالصیها – به شرط آنکه چگالیشان متفاوت با ماده اصلی باشد . از جمله اصلی ترین عیوب قابل تشخیص با رادیوگرافی به شمار می روند. عموماً بهترین نتایج بازرسی هنگامی حاصل خواهد شد که ضخامت عیب موجود در قطعه ، در امتداد پرتوها ، قابل ملاحظه باشد. عیوب مسطح از قبیل ترکها ،‌به سادگی قابل تشخیص نبوده و امکان آشکارسازی آنها بستگی به امتدادشان نسبت به امتداد تابش پرتوها خواهد داشت. هر چند که حساسیت قابل حصول در رادیوگرافی به عوامل گوناگونی بستگی پیدا می کند ؛ ولی در حالت کلی اگر ویژگی مورد نظر تفاوت میزان جذب 2درصد یا بیشتر ،‌نسبت به محیط مجاور ،‌را به همراه داشته قابل تشخیص خواهد بود.

رادیوگرافی و بازرسی فراصوتی  روشهایی هستند که معمولاً برای آشکارسازی موفقیت آمیز عیوب درونی و کاملاً زیر سطحی مورد استفاده قرار می گیرند. البته باید توجه دشات که کاربرد آنها به همین مورد محدود نمی کگدرد. این دو روش را می توان مکمل همدیگر دانست ، زیرا در حالیکه رادیوگرافی برای عیوب غیر مسطح مؤثرتر می باشد، روش فراصوتی نقایص مسحط را راحت تر تشخیص می دهد.

تکنیکهای رادیوگرافی غالباً برای آزمایش جوش و قطعات ریختگی مورد استفاده قرار می گیرد و در بسیاری از موارد ، از جمله مقاطع جوش و ریختگی های ضخیم سیستم های فشار بالا (مخازن تحت فشار ) ،‌بازرسی با رادیوگرافی توصیه می شود. همچنین می توان وضعیت استقرار و جاگذاری صحیح قطعات مونتاژ شده سازه ها را به کمک رادیوگرافی مشخص نمود. یکی از کاربردهای بسیار مناسب به جای این روش ، بازرسی مجموعه های الکتریکی و الکترونیکی برای پیدا کردن ترک ، سیمهای پاره شده ، قطعات اشتباه جاگذاری شده یا گم شده و اتصالات لحیم نشده است. ارتفاع مایعات در سیستم های آب بندی شده حاوی مایع را نیز می توان با روش رادیوگرافی تعیین نمود.

هر چند روش رادیورگرافی را می توان برای بازرسی اغلب مواد جامد بکار برد، ولی آزمایش مواد کم چگالی و یا بسیار چگال می تواند با مشکلاتی همراه باشد. مواد غیر فلزی و همچنین فلزات آهنی و غیر آهنی ،‌در محدوده وسیعی از ضخامت ، را می توان با این تکنیک بازرسی کرد. حساسیت روشهای رادیوگرافی به پارامترهای چندی از جمله نوع و شکل قطعه و نوع عیوب آن بستگی دارد. این عوامل در بخشهای زیرین مورد توجه قرار خواهد گرفت.

برخی از محدودیت رادیوگرافی

هر چند بازرسی غیر مخرب به روش رادیوگرافی تکنیکی بسیار مفید برای آزمون مواد به حساب می آید ،‌ولی دارای محدودیتها و معایبی نیز هست.هزینه های مرتبط با رادیوگرافی در مقایسه با دیگر روشهای غیر مخرب بالا می باشد ؛ میزان سرمایه گذای ثابت برای خرید تجهیزات اشعه X زیاد بوده و بعلاوه ، فضای قابل ملاحظه ای برای آزمایشگاه که تاریکخانه نیز بخشی از آنست مورد نیاز است . هزینه سرمایه گذاری برای منابع اشعه X قابل جابجایی که برای بازرسی های «درجا» مورد استفاده قرار می گیرند بسیار کمتر ؛ ولی به تاریکخانه و فضای تفسیر فیلم نیاز خواهد بود.

هزینه های عملیاتی رادیورگافی نیز بالا می باشد ،‌زمان سوار کردن و تنظیم دستگاهها معمولاً طولانی بوده و ممکن است بیش از نصف کل زمان بازرسی را در برگیرد. رادیوگرافی پای کار قطعات و سازه ها ممکن است فرآیندی طولانی باشد، زیرا تجهیزات قابل جابجایی اشعه X دارای پرتوهای کم انرژی بوده و چشمه های قابل جابجایی اشعه  نیز ،‌به همین ترتیب ، شدت نسبتاً کمی دارند زیرا منابع پر انرژی احتیاج به حفاظ های سنگینی داشته و بنابراین عملاً قابل انتقال نخواهند بود.

با توجه به این عوامل ،‌رادیوگرافی پای کار به ضخامت های تا 75 میلیمتر فولاد یا معادل آن محدود می گردد؛ در اینحال نیز آزمایش مقاطع ضخیم ممکن است تا چند ساعت طول کشد . در اینگونه موارد ممکن است پرسنل واحد مورد بازرسی برای مدتی طولانی مجبور به ترک محل گردند ،‌که این عامل را نیز باید در زمره معایب این تکنیک بازرسی به حساب آورد.

هزینه های عملیاتی فلورسکپی اشعه X ، در مقایسه با رادیوگرافی ،‌بسیار کمتر می باشد. زمان تنظیم و سوارد کردن تجهیزات بسیار کوتاهتر و زمان تابش دهی نیز معمولاً کوتاه بوده و نیازی به آزمایشگاه ظهور فیلم نیست.

یکی دیگر از جنبه های هزینه زای رادیوگرافی لزوم حفاظت پرسنل از اثرات سوء پرتوها می باشد. در این خصوص باید تمهیدات ایمنی مورد لزوم به طور کامل برای پرسنل مستقیماً مرتبط با بازرسی و همچنین آنهایی که در اطراف محل رادیوگرافی کار می کنند مورد توجه قرار گیرد.

همان طور که یادآوری شد ،‌جملگی عیوب را نمی توان به روش رادیوگرافی ردیابی کرد؛ مثلاً ترک ها تنها در حالی قابل تشخیص خواهند بود. که در امتداد تابش پرتوها قرار گیرند؛ حتی در این حالت هم ترکهای ریز امکان مخفی شدن را خواهند داشت . عیوب تورقی فلزات نیز غالباً با رادیوگرافی قابل تشخیص نمی باشند.

اصول رادیوگرافی

در آزمون رادیوگرافی ، جسم مورد آزمایش در مسیر پرتوهای صادره از چشمه اشعه    X یا  قرار گرفته و محیط ثبت کننده (معمولاً فیلم ) نزدیک به جسم ولی در سمت مقابل چشمه تابش کننده قرار می گیرد.

پرتوهای X و  را نمی توان مانند شعاعهای نوری کانونی کرد و از این رو ، در بسیاری از موارد ، تابش های صادر شده از چشمه در مسیری مخروطی حرکت می کنند. برخی از شعاعهای تابیده شده به جسم ، در آن جذب شده و گروهی دیگر پس از عبور از آن ، بر روی فیلم تصویری غیر قابل رؤیت که احتیاج به ظهور دارد تشکیل خواهند داد. در حالیکه جسم دارای عیبی با ضریب جذب متفاوت با آن باشد ،‌میزان تشعشع رسیده به فیلم در مسیر عیب با نقاط اطراف آن که پرتوهای گذشته از مناطق سالم را دریافت کرده اند متفاوت بوده و بنابراین فیلم ظاهر شده ، در منطقه مربوط به عیب دارای تفاوت رنگ خواهد بود. منطقه مذکور ممکن است دارای چگالی رنگ کمتر یا بیشتر از محیط مجاور خود (بسته به نوع عیب و قابلیت جذب نسبی آن ) باشد.

فیلم ظاهر شده تصویری دو بعدی از یک جسم سه بعدی می باشد که ممکن است از نظر اندازه و شکل ،‌در مقایسه با جسم ، دچار اعوجاج شده باشد. موقعیت مکانی عیب درون قطعه را با یک بار رادیوگرافی نمی توان مشخص کرد، بلکه لازم است جسم از چند زاویه مختلف رادیوگرافی شده و به این طریق موقعیت عیب آن در مقایسه با ضخامت قطعه تعیین گردد.

منابع تشعشع

بخشی از بیناب امواج الکترومغناطیس پرتوهای با بسامد بسیار بالا (طول موج کوتاه ) که متناظر با تابش های  X و  می باشد ، تنها بخشی از بیناب است که می تواند از اجسام جامد جامد و مات عبور نماید. امواج الکترومغناطیس را می توان به صورت یکسری کوانتایا فوتون تصور نمود که انرژی آنها بسته به بسامد موج تغییر می کند ، رابطه بین بسامد و انرژی فوتون طبق معادله کوانتمی پلانک به صورت زیر می باشد:

E  =h

که E انرژی فوتون ،‌ بسامد و h ثابت پلانک ) J.s 34- 10*625/6= h ) است. انرژی فوتونها در منطقه پرتوهای X و  ، در بیناب ،‌از 50 تا 6 10  یا 7 10 الکترون ولت تغییر می کند. الکترون ولت (eV) واحد انرژی است و عبارت است از انرژی مورد نیاز برای حرکت دادن یک الکترون بین دو نقطه با اختلاف پتانسیل یک ولت   J) 19- 10 *602/1=eV1) ،‌انرژی فوتونهای با بسامدهای مختلف نیز مشخص شده است.

پرتوهای X و  از یکدیگر قابل تمیز نبوده و تنها تفاوت آنها روش تولیدشان است : در حالیکه پرتوهای X از بمباران هدفی  با الکترونهای دارای سرعت بالا در لامپ های اشعه X حاصل می شوند، پرتوهای گاما از فرآیند واپاشی مواد رادیواکتیو تولید         می شوند.

تولید اشعه X

همان طور که در پاراگراف قبل یادآور شدیم ، اشعه X از طریق بمباران سطح فلزات با پرتوهای الکترونی با انرژی زیاد تولید می شود. اجزاء اصلی یک لامپ اشعه X  عبارتند از کاتد صادر کننده الکترون و آند که هر دوی آنها درون لامپ که از هوا تخلیه شده است قرار می گیرند. کاتد از یک رشته حلقوی تنگستن تشکیل شده و یک جریان الکتریکی با ولتاژ کم که از درون آن می گذرد ، باعث گزارش و صدور ترمویونیک الکترون از آن می گردد. بین کاتد و آند اختلاف پتانسیل الکتریکی زیادی برقرار است که باعث شتاب گرفتن الکترونها در فاصله بین این دو می شود . اندازه این ولتاژ معمولاً بین 50 کیلوولت و یک مگاولت می باشد.

در مجاورت کاتد یک کلاهک یا سیم پیچ کانونی کننده قرار گرفته و به عنوان یک عدسی الکترومغناطیس ، الکترونهای تابش شده از کاتد را به صورت پرتوی نازک بر مرکز آند میتاباند . آند از تکه کوچکی از ماده مورد نظر (معمولاً تنگستن ) که در یک پایه (نگهدارنده ) مسی جاسازی شده تشکیل شده است. تنگستن به این دلیل مورد استفاده قرار می گیرد که قابلیت آن برای صدور اشعه X و همچنین نقطه ذوبش بالا (3380 درجه سانتیگراد ) می باشد و می تواند دمای زیاد حاصل از برخورد الکترونها را تحمل نماید . قطعه مسی نگهدارنده آند بوسیله آب و یا روغن ،‌که در داخلش جریان دارد ، سرد شده و به این طریق گرمای حاصل از برخورد الکترونها در اثر رسانایی مس منتقل شده و از صدمه دیدن آند جلوگیری می شود.

حباب دربرگیرنده کاتد و آند از شیشه ،‌مواد سرامیکی همچون آلومینا، فلزات و یا ترکیبی از مواد ساخته می شود. اغلب لامپهای اشعه X امروزی سرامیکی – فلزی می باشند ،‌که در هر محدوده ای از ولتاژ از لامپهای شیشه ای – فلزی کوچکترند.

حباب تخلیه شده از هوا باید در دماهای بالا از استحکام ساختمانی خوبی برخوردار بوده و بتواند تأثیرات گرمایی مربوط به تشعشع از سطح آند و همچنین نیروهای وارد از اتمسفر مجاور را تحمل نماید. شکل حباب به ولتاژ لامپ و طرح کاتد و آند بستگی داشته و در هر حال باید در مقابل آند پنجره ای وجود داشته باشد تا پرتوهای  X از لامپ خارج شوند. این پنجره از یک ماده دارای عدد اتمی پایین ساخته می شود تا میزان جذب اشعه X در آن به حداقل برسد. برای این منظور معمولاً از ورقه ای از فلز برلیم که ضخامتش 3 تا 4 میلیمتر است استفاده می شود. اتصالات الکتریکی کاتد و آند به دیواره حباب ، از نوع ذوب جوش می باشد.

 لامپ اشعه X ، به منظور اطمینان از ایجاد ایمنی در مقابل شوک الکتریکی ولتاژ بالا در داخل یک محفظه فلزی که کاملاً عایق شده قرار گرفته و معمولاً دارای پریز و دو شاخه ای می باشد که قطع سریع کابلهای رابط بین لامپ و مولد ولتاژ بالا را امکان پذیر می سازد. تجهیزات رادیوگرافی قابل حمل که برای بازرسی پای کار مورد استفاده قرار می گیرند،‌معمولاً دارای پوسته واحدی هستند که مولد ولتاژ بالا و لامپ اشعه X    را در خود جا داده و بنابراین کابل اتصال ولتاژ قوی در فضای بیرونی مجموعه وجود ندارد.

یک جریان با ولتاژ کم ،‌رشته تنگستن کاتد را گداخته و به طریق صدور ترمویونیک ،‌در اطراف آن ابرالکترونی ایجاد می نماید. هنگامی که اختلاف پتانسیل زیادی بین کاتد و آند برقرار شود، الکترونها در خلاء بین این دو شتاب گرفته و سطح آند را بمباران می کنند. پرتوالکترونی بنحوی کانونی میشود که ناحیه کوچکی از سطح آند را که به خال کانونی موسوم است مورا اصابت قرار دهد.

بخش اعظم انرژی پرتوالکترونی در برخورد با آند به حرارت تبدیل شده و بقیه آن به تابش X تبدیل می گردد، هر چه خال کانونی روی هدف (آند ) کوچکتر باشد ، تصویر رادیوگرافی حاصل از پرتو X دقیق تر خواهد بود. البته گرمایش بیش از حد آند امکان کوچک کردن خال کانونی را محدود می سازد. عملاً طراحی آند به نحوی انجام می شود که بین دو خواسته در تقابل با هم ،‌یعنی عمر طولانی آند و حداکثر دقت رادیوگرافی ،‌توافق حاصل شود. در بسیاری از موارد سطح آند نسبت به امتداد پرتوهای الکترونی شیب دار بوده و الکترونها به نحوی کانونی می شوند که تصویر خال کانونی در امتداد عمود بر پرتوها مربعی شکل و کوچک بوده در حالیکه خال کانونی روی سطح آند دراز و باریک می باشد.

در لامپهای اشعه X سه متغیر مهم وجود دارد که عبارتند از جریان رشته کاتد ، ولتاژ (اختلاف پتانسیل بین کاتد و آند ) و جریان لامپ ، تغییر جریان کاتد ،‌دما و بنابراین آهنگ صدور ترمویونیک الکترونها از سطح آن را تغییر می دهد. افزایش ولتاژ لامپ نیز باعث افزایش انرژی پرتوالکترونی و افزون شدن انرژی و قدرت نفوذ اشعه X حاصل از برخورد آن به آند خواهد شد. سومین متغیر ،‌یعنی جریان لامپ ،‌میزان جریان الکترونها در فاصله بین کاتد و آند است و با دمای کاتد متناسب می باشد . به جریان لامپ ،‌معمولاً میلی آمپر آن اطلاق می شود و شدت پرتوهای X   ایجاد شده تقریباً با این کمیت متناسب می باشد.

این سیستم برای استفاده در آزمایشگاه اشعه X مناسب بوده و لامپ سرامیکی – فلزی آن ، که در درون حفاظش قرار گرفته ،‌بر پایه ای قابل تنظیم که تعیین موقعیت مناسب لامپ نسبت به قطعه مورد آزمایش را ممکن می سازد مستقر شده است.

بیناب اشعه x

پرتوهای حاصل از یک مولد اشعه X دارای یک طول موج مشخص نبوده و محدوده ای از طول موجها را شامل می شوند، دو فرآیند در تولید پرتوهای ایکس دخالت دارد. کندش نهایی الکترونها هنگامی که با اتمهای آند برخورد می کنند پرتوهای X با طول موجهای متفاوت تولید می کند. این تشعشع سفید و یا بیناب پیوسته بسامدها به تابش ترمزی موسوم می باشد. گذشته از این بیناب پیوسته برخورد الکترونها با اتمهای آند ممکن است باعث جابجایی الکترونها از یک لایه اتمی به لایه با انرژی بیشتر گردد که هنگام برگشت این الکترونها به لایه اصلی آنها ، انرژی ازاد شده به صورت تشعشع X با بسامد معین صادر خواهد شد. این پدیده را تحریک می نامیم و پرتوهای با بسامدهای مشخصه حاصل از آن ، شدت بسیار بیشتری در مقایسه با بیناب زمینه (پیوسته ) دارند. مواد مورد استفاده برای آند معمولاً دارای بیش از یک طول موج مشخصه (تحریکی ) می باشند ؛ ولی طول موج با بیشترین شدت تشعشع ،‌Ka  نامیده می شود.