18-Январь-2022
Одним из основных методов неразрушающего контроля, применяемых на стадии приемки готовой продукции, является радиографический метод. Радиографический контроль (РК) имеет ряд недостатков, среди которых:
- высокая себестоимость, включающая трудозатраты на проведение контроля, стоимость расходных материалов, мероприятия по обеспечению радиационной безопасности;
- невозможность получения мгновенного результата, так как для получения видимого изображения экспонированный снимок необходимо подвергнуть длительному процессу химико-фотографической обработки (15-30 минут);
- отсутствие рекомендаций российских нормативных документов по выбору пленочной системы (комбинация пленки и усиливающего экрана);
- низкая чувствительность к плоскостным дефектам: при РК не выявляют непровары и трещины, плоскость раскрытия которых не совпадает с направлением просвечивания и (или) величина раскрытия менее 0,1 мм;
- низкая согласованность мнений специалистов при отнесении проекций несплошностей к определенному типу.
Совершенствование технологии РК за счет частичного устранения обозначенных недостатков, является актуальной задачей. Для многих специалистов очевидно, что ряд проблем РК можно решить за счет использования цифровых детекторов, которые позволят исключить операциюхимико-фотографической обработки, значительно уменьшитьвремя экспозиции за счет более высокой квантовой эффективности детектора, получить изображение сразу после выполнения экспозиции. Однако в отличие от пленки цифровые детекторы оказывают существенное влияние на результат преобразования радиационного изображения в видимое. В этой связи, при замене пленочного детектора на цифровой, необходимоиметь убедительные доказательства того, что при проведении контроля конкретного объекта получаемое цифровое изображение столь же информативно(содержательно), как и его аналог на пленке, поэтому важной задачей является установление критериев, руководствуясь которыми можно было бы осуществить данный переход.
При цифровой радиографии основными параметрами, определяющими качество изображения, являются:
- чувствительность контроля;
- нормализованное отношение сигнал/шум (SRNn–signaltonoiseratio) – аналог оптической плотности в пленочной радиографии[9];
- базовое пространственное разрешение (SRb–basicspatialresolution), зачастую также называемое показателем разрешающей способности системы или просто разрешающей способности.
Параметр разрешающей способности численно определяется числом раздельно различимых (разрешенных) линий, приходящихся на 1 мм детектора. Наиболее простым, согласно исследованию, и, как показывает практика, наиболее удобным способом оценки разрешающей способности является использование двухпроволочного (дуплексного) эталона. Данный эталон, представляет собой 13 пар проволок разного диаметра, впаянных в жесткий пластик (рис. 1).В каждой паре проволочки располагаются на расстояния, равные их диаметру. Пары проволочек, в зависимости от диаметра, пронумерованы от 1D (пара проволок наибольшего диаметра) до 13D. Пары 1D – 3D выполнены из вольфрама, остальные – из платины. Показатель SRbопределяется как номер последней разрешимой на изображении пары проволочек и равен половине зарегистрированной нерезкости изображения или эффективному размеру пикселя. В зависимости от радиационной толщины объекта контроля и класса контроля (основной, улучшенный) устанавливает требования к минимальному значению SRb.
Рис.1 Двухпроволочный (дуплексный) эталон IQI
Чтобы понять, почему параметру SRbуделяется значительное внимание, проследим, каким образом изменяется качество получаемого изображения при уменьшении величины разрешающей способности.
На рис.2, в зоне А показан реальный объект, представляющий собой комбинацию специальных полос и щелей различной ширины, через которые проходит ионизирующее излучение. Зоны Bи C– проекции объекта А, получаемые при экспонировании на разных фокусных расстояниях.
Рис.2. Изменение разрешающей способности при экспонировании на различных фокусных расстояниях. Красным прямоугольником отмечена зона наименьшего размера полос/щелей (зона наибольшей величины разрешающей способности)
В зоне В, отчетливо различима область с наибольшимпространственным разрешением (или область наименьшего размера полос – отмечена красным прямоугольником), тогда как в зоне С, изображение которой получено при меньшем фокусном расстоянии, в той же области, отображениеполос и щелей практически не различимо. Более того, для зон В и С, при движении слева направо, то есть в сторону уменьшения размеров полос и щелей происходит увеличение равномерности распределения оптической плотности. При этом, чем меньше ширина линии, тем меньше ее контраст с фоном. В результате достигается ситуация, при которой граница между объектом и фоном перестает быть различимой – изображение достигает порога контрастной чувствительности глаза и объект на снимке невозможно различить. Таким образом, разрешающая способность определяет не только различимость близко расположенных объектов на снимке, но и отображает величину контраста между каждым отдельным объектом и фоном, характеризуетколичество полезной информации, которая может быть извлечена при контроле (информативность). Аналогичное влияние на качество изображения для несплошностей с малыми поперечными размерами (не превышающими размеров фокусного пятна) оказывает и нерезкость.
Связь нерезкости и разрешающей способности установлена в работе:
U∙SR=1,3…1,5, (1)
где
U, мм – нерезкость,
SR, мм-1 – разрешающая способность.
При пленочной радиографии в практическом отношении определяющей является геометрическая нерезкость. Формирование геометрической нерезкости изображения несплошности при просвечивании изделия проникающим излучением аналогично формированию области полутени при освещении источником видимого света непрозрачного объекта. От регламентированных допустимых значений геометрической нерезкости зависит выбор геометрических условий просвечивания: схемы контроля, фокусного расстояния (расстояния источник-изделие), размеров (количества) контролируемых за одну экспозицию участков изделия. Согласно [1] значение геометрической нерезкости не должно превышать половины чувствительности контроля, что определяет требования к минимальному расстоянию от источника излучения до объекта контроля fmin. При проведении РК с расстояний f≥fminпотеря информативности теневого изображения вследствие увеличения нерезкости/ухудшения разрешающей способности является незначительной и допустимой. Таким образом, контроль показателей разрешающей способности при соблюдении требований является нецелесообразным. Основным показателем качества изображения при использовании радиографической пленки является чувствительность контроля, определяемая как наименьший размер элемента эталона чувствительности, выявляемого на снимке.
При осуществлении экспонирования на пленку с расстояний f<fminпроисходит градационное выравнивание изображения, что обуславливает существенную потерю информативности. Аналогичное преобразование изображения наблюдается при экспонировании на цифровые детекторы с различными частотно-контрастными характеристиками (функция передачи модуляции MTF). Именно эта функция характеризует, насколько хорошо локальные всплески интенсивности излучения сохраняются при оцифровке, и определяет максимальное значение разрешающей способности, которое может быть достигнуто при использовании цифрового детектора. Для демонстрации влияния цифровых детекторов на информативноесодержание изображения, авторы провели эксперимент по последовательному экспонированию на пленку объекта, содержащего несплошности, с расстояний f<fmin.
В качестве объекта исследования, было использовано сварное стыковое соединение труб диаметром 48 мм и толщиной стенки 3 мм. Материал труб – сталь 3,источник ионизированного излучения – РАП-220-5 (размер фокусного пятна 2,0 мм), параметры напряжения были выбраны согласно рекомендациям, сила тока на аноде и время экспонирования – согласно номограмме пленки. Класс чувствительности – 2 по ГОСТ 7512-82. Проведение экспонирования и последующая оценка проводилась с учетом особенностей, схема контроля приведена на рис.3.
Рис.3. Схема проведения контроля. 1 – источник излучения, 2 – объект контроля, 3 – радиографическая пленка, 4 – эталон чувствительности
При проведении эксперимента значение информативности принималось численно равным суммарной площади регистрируемых на снимке проекций несплошностей. За базовое значение (100%) было взято значение информативности, определенное при fmin=960 мм (F=1010 мм).
На рис. 4 показана экспериментальная зависимость информативности и показателя SRbот фокусного расстояния. Также на рис. 4 приведены результаты численного моделирования изменения размеров и оптической плотности теневого изображения несплошности, шириной 0,2 мм (требуемая чувствительность контроля). Данная визуализация позволяет наглядно продемонстрировать, насколько значительно видоизменяется проекция изображения при увеличении нерезкости/ухудшении разрешающей способности.
Рис.4. График изменения «информативности» и показателя разрешающей способности SRb (—) при экспонировании на рентгеновскую пленку
Стоит отметить, что изменения показателя SRbхорошо коррелируют с потерей информативности. Данная зависимость не выполняется для чувствительности контроля, существенных изменений которой в ходе эксперимента зафиксировано не было (рис. 5). Более того, чувствительность контроля, определенная по канавочному эталону, осталась без изменений даже при увеличении нерезкости более чем в три раза. Это связано с тем, что при определении чувствительности контроля специалист знает, где должен находиться малоконтрастный объект, что существенно облегчает его поиск.
Рис.5. Изменение чувствительности при уменьшении фокусного расстояния
Можно утверждать, что практической точки зрения частотно-контрастная характеристика детектора определяет информативность получаемого изображения, т.к. изменения контраста вследствие фильтрации радиационного изображения детектором влияет на возможность выявления несплошностей с малым раскрытием, местоположение которых заранее неизвестно. Последующее программное улучшение изображения не может компенсировать данное ограничение технологии цифровой радиографии.
На основании проведенного эксперимента также можно сделать вывод о том, что SRbявляется показателем соответствия радиационного и видимого изображений: чем больше значение SRb, тем меньшее влияние на качество получаемого изображения оказывают такие факторы как несовершенство технологии и средств контроля и тем ближе видимое изображение к его радиационному аналогу. Поэтому при переходе от пленочной к цифровой радиографии необходимо убедиться, что при цифровой радиографии достигается показатель разрешающей способности не менее значения, получаемого при использовании пленки. Значение SRbдля пленки должно определяться при режимах, соответствующих наихудшим допустимым по условиям экспонирования.
Таким образом, установление требований к минимальным значениям показателя разрешающей способности в зависимости от характеристик объекта контроля и применяемой при его контроле нормативно-технической документации является основной задачей, решение которой позволит обеспечить преемственность технологии пленочной и цифровой радиографии.
Выводы:
- Показатель качества, определенный по двухпроволочному (дуплексному) эталону IQI, служит мерой информативности изображения. При использовании цифровых детекторов применение данного эталона является обязательным.
- Для наиболее точной оценки качества получаемого изображения рекомендуется устанавливать по двухпроволочный (дуплексный) эталон таким образом, чтобы получать его проекцию на краю детектора.
- Для оценки потери информативности при использовании радиографической пленки в случае нарушения технологии контроля, регламентированной ГОСТ 7512, а также при использовании флуоресцирующих экранов, целесообразно использовать двухпроволочный (дуплексный) эталон. Аналогичный метод можно использовать для сравнения пленочных систем различного типа.
При выполнении перехода от пленочной радиографии к цифровой, необходимо убедиться, что показатель SRb, достигнутый с использованием цифрового детектора не ниже аналогичного показателя, определенного при экспонировании на рентгеновскую пленку. При этом базовый снимок должен быть получен при параметрах РК (напряжение, размер фокусного пятна, фокусное расстояние, тип пленки/усиливающих экранов, длина участка контроля), соответствующих требованиям ГОСТ 7512-82 и позволяющих получить качество изображения, удовлетворяющее потребностям конкретного производства.