201208_PSpaw.pdf 35Przegląd sPawalnictwa 8/2012 Jacek Słania Kamila Sołtys Wpływ promieniowania rozproszonego na jakość obrazu na radiogramie scattered radiation influence on the image quality of the radiograph Dr hab. inż. Jacek Słania, prof IS – Politechnika Częstochowska, mgr Kamila Sołtys – Laboratorium Spawalnicze GAmmA – mOnTEX, Częstochowa. Streszczenie Przedstawiono wpływ promieniowania rozproszone- go na jakość obrazu na radiogramie. Omówiono zjawiska fizyczne towarzyszące promieniowaniu rozproszonemu oraz jego praktyczne skutki. Zaprezentowano przykła- dy badania wpływu promieniowania rozproszonego na jakość obrazu na radiogramie dla różnych obiektów, uwzględniając wpływ promieniowania rozproszonego od obiektów znajdujących się poza błoną oraz niezgodności w obliczeniach czasów ekspozycji. abstract The influence of scattered radiation on the image qu- ality of the radiograph wos presented in the paper. Phy- sical phenomena accompanying scattered radiation and its practical results were shown. The authors discussed practical examples of research on the influence of scatte- red radiation on the image quality of radiograph for diffe- rent objects, including the influence of scattered radiation from objects situated behind the X-ray film and incompa- tibility in exposition time calculating. Wstęp W wyniku zjawiska rozpraszania promieniowa- nia pierwotnego tworzy się promieniowanie wtórne o mniejszej energii fotonów. Promieniowanie to rozcho- dzi się po znacznie dłuższych drogach w elemencie badanym, w wyniku zmiany kierunku promieniowania. Zdolność przenikania promieniowania pierwotnego jest więc większa niż promieniowania rozproszonego. Pro- mieniowanie rozproszone jednak, oddziałując na błonę radiograficzną, powoduje dodatkowe jej zaczernienie, w wyniku czego kontrast radiologiczny obiektu pogar- sza się. małym kontrastem radiologicznym obiektu charakteryzują się materiały o dużym współczynniku rozproszenia promieniowania. Promieniowanie rozproszone Promieniowanie rozproszone powstaje w badanym obiekcie, obok niego, za nim, w kasetach, okładkach ołowianych, ekranie i innych przedmiotach znajdu- jących się obok badanego elementu. Oddziałując na błonę, powoduje pogorszenie ostrości i kontrastu obrazu radiograficznego. Występowanie promieniowa- nia rozproszonego powinno być sprawdzane przez za- stosowanie ołowianej litery B umieszczonej na kasecie radiograficznej po stronie przeciwnej do strony źródła promieniowania [1]. Jeżeli na wywołanym radiogramie widoczny jest ja- sny obraz litery B, to zastosowana technika radiogra- ficzna nie eliminuje promieniowania rozproszonego od obiektów znajdujących się poza błoną, takich jak ściana czy podłoga. należy więc zastosować np. płytę ołowia- ną umieszczoną za błoną. W celu zabezpieczenia przed promieniowaniem rozproszonym można zastosować osłony i kolimatory, które mają ograniczać szerokość wiązki promieniowania do badanego obszaru [2]. Roz- wiązania te dotyczą ochrony przed promieniowaniem rozproszonym powstającym na zewnątrz badanego obiektu. Jeżeli jednak promieniowanie rozproszone po- wstaje w samym obiekcie badanym, trudno jest je wy- eliminować. Wpływ promieniowania rozproszonego na powstanie obrazu radiograficznego jest bardzo istotny. Podstawową wadą tego promieniowania jest zmniejszenie kontrastu i ostrości uzyskiwanego obrazu i związane z tym pogorszenie wykrywalności niezgod- ności [3]. Osoby wykonujące badania radiograficzne muszą uwzględniać wpływ promieniowania rozproszonego, a co za tym idzie – planowanie odpowiednich technik badań radiograficznych, dobór energii źródła promie- niowania, okładek wzmacniających, a także istnieje ko- nieczność korygowania czasów ekspozycji. 36 Przegląd sPawalnictwa 8/2012 Promieniowanie rozproszone jest związane ze zjawiskami fizycznymi, które zostaną przedstawione w tym artykule. Miejsca powstawania promieniowania rozproszonego Rozproszenie wewnętrzne – rozproszenie wy- stępujące w badanym elemencie (rys. 1). Promienio- wanie to nie wytwarza obrazu użytecznego na błonie, lecz stanowi szkodliwe tło promieniowania, które po- woduje dodatkowe, w miarę równomierne zaczernie- nie błony [4]. Promieniowanie to zaciemnia obraz krawędzi, otwo- rów i innych szczegółów badanego elementu. Wpływ promieniowania rozproszonego na jakość uzyskanego obrazu radiograficznego zależy m.in. od energii promieniowania pierwotnego. Im większa jest energia promieniowania pierwotnego, tym większa część promieniowania rozpraszana jest w kierunku wiązki pierwotnej. Promienie rozproszone we wszyst- kich kierunkach powodują równomierne dodatkowe zaczernienie błony. Przy użyciu promieniowania twar- dego kierunek promieni rozproszonych jest zbliżony do kierunku padania promieni pierwotnych, a nie powo- duje więc znacznego pogorszenia kontrastu i ostrości obrazu radiograficznego. na rysunku 2 przedstawiono wpływ grubości bada- nego elementu oraz energii promieniowania pierwotne- go (Ir 192, Cs137, Co 60) na wielkość promieniowa- nia rozproszonego. Widać, że rozproszenie maleje ze wzrostem energii promieniowania pierwotnego, jednak wielkość tego rozproszenia jest zawsze duża. Wielkość promieniowania rozproszenia rośnie wraz z grubością badanego elementu oraz zależy od gęstości materiału. Rozproszenie promieniowania jest tym mniejsze im gę- stość materiału jest większa [4]. Rozproszenie boczne – jest to rozproszenie pro- mieniowania od ścian lub obiektów znajdujących się w sąsiedztwie badanego elementu lub od jego części. Promienie wnikają z boku do badanego elementu. Pro- mieniowanie boczne pogarsza ostrość oraz kontrast obrazu radiograficznego (rys. 3). Rozproszenie wsteczne – jest to rozproszenie pro- mieniowania od powierzchni lub obiektów znajdujących się bezpośrednio za badanym elementem (rys. 4). Rozproszenie wsteczne powoduje pogorszenie ostrości i kontrastu obrazu radiograficznego, a także powstawanie na radiogramie dodatkowych obrazów wad pozornych. Oddziaływania fizyczne Osłabienie promieniowania przy przejściu przez materię jest wynikiem przede wszystkim wzajemnie niezależnych procesów, tj. efektu fotoelektrycznego, efektu Comptona i zjawiska tworzenia par. Rys. 1. Rozproszenie wewnętrzne promieniowania [4] Fig. 1. Internal radiation scattering [4] Rys. 4. Rozproszenie wsteczne promieniowania [4] Fig. 4. Backscattering of the radiation [4] Grubość stali w sp ół cz yn ni k w zr os tu pr om ie ni ow an ia β Wiązka pierwotna Podłoga lub ściana Błotna Badany element Rys. 2. Współczynnik wzrostu promieniowania w zależności od energii promieniowania i grubości stali [4] Fig. 2. The coefficient of radiation increase, depending on radiation energy and steel thickness [4] Rys. 3. Rozproszenie boczne promieniowania [4] Fig. 3. Side scattering of the radiation [4] 37Przegląd sPawalnictwa 8/2012 Efekt fotoelektryczny – rodzajem oddziaływania w zakresie niższych energii promieniowania rentge- nowskiego (rys. 5). Elektron jest wybijany przez pada- jący foton z powłoki atomu. Jego energia zostaje prze- kazana elektronowi – częściowo na pokonanie energii wiązania oraz częściowo w postaci energii kinetycz- nej. Foton znika wtedy. Energia kinetyczna elektronu zostaje natomiast zużyta na jonizację i wzbudzanie spotykanych atomów. Efekt fotoelektryczny bezpośrednio nie generuje promieniowania rozproszonego, jednak może wywo- ływać wtórne promieniowanie fotoluminescencyjne [3]. Puste miejsca, jakie zostają po wybitych elektronach, są zapełniane przez elektrony z wyższych pasm ener- getycznych, w wyniku czego powstają fotony promie- niowania o energii równej różnicy poziomów, między którymi następuje przejście elektronu. Promieniowanie to nie ma istotnego znaczenie dla promieniowania rozproszonego, które jest rejestrowane poza obiektem na błonie, ponieważ ma małą energię i jest szybko wchłaniane przez najbliższe otoczenie. Efekt fotoelektryczny nie przyczynia się więc do ge- nerowania promieniowania rozproszonego i w tym sen- sie jest nieszkodliwy dla badań radiograficznych [3]. Efekt Comptona – w średnim i wyższym zakre- sie energii promieniowania dominującym rodzajem oddziaływania jest efekt Comptona. Polega on na wybiciu elektronu z zewnętrz- nej powłoki atomu kosztem części energii fotonu. Foton nie znika całkowicie, zmienia swój kierunek i energię. Energie wiązania elektronów w zewnętrznych powłokach atomu są bardzo małe w porównaniu z energią fotonu zanikającego. można więc przyjąć, że rozpraszanie następuje na swobodnych elektronach i energia fotonu rozproszonego jest mniejsza od energii fotonu zanikającego o wartość równą energii kinetycz- nej wybitego elektronu [3]. W miarę przechodzenia promieniowania rozproszo- nego przez materię przedłuża się jego wzajemne od- działywanie z elektronami materii, pojawiają się foto- ny wtórnego i wielokrotnego rozpraszania. Oddziały- wanie fotonów promieniowania rozproszonego z mate- rią zwykle kończy się fotoefektem [4]. Zjawisko Comptona powoduje, że część promie- niowania pierwotnego przemienia się w promieniowa- nie bardziej miękkie, o różnych długościach fal, skie- rowane w różnych kierunkach, czyli w promieniowanie rozproszone [4]. na rysunku 6 przedstawiono rozkład kierunkowy promieni rozproszonych we współrzędnych bieguno- wych w zależności od ich energii pierwotnej. Odległość poszczególnych punktów na krzywych od punktu 0 jest proporcjonalna do natężenia promieni rozproszonych w danym kierunku. miękkie promienie są silnie rozpra- szane we wszystkich kierunkach. natężenie promieni rozproszonych w kierunku wiązki pierwotnej i w prze- ciwnym jest prawie dwa razy większe niż w kierunkach prostopadłych. Większa część promieniowania jest rozpraszana w kierunku wiązki pierwotnej wtedy, kiedy twardsze jest promieniowanie pierwotne. Promieniowanie rozproszone w różnych kierunkach jest niepożądane, gdyż powoduje pogorszenie ostrości i kontrastu obrazu radiograficznego. Rozpraszanie Comptona prowadzi do dużych zmian zarówno energii, jak i kierunku fotonów padają- cych. Efekt Comptona jest głównym źródłem promie- niowania rozproszonego w przemysłowych badaniach radiograficznych. Zjawisko tworzenia par – polega na całkowitej zamianie energii fotonu padającego na wytworzenie pary cząstek elektron-pozyton oraz na energię kine- tyczną obu tych cząstek (rys. 7). Zjawisko takie może zajść w silnym polu elektrycznym w pobliżu jądra atomowego pod warunkiem, że energii fotonu wy- starczy na wytworzenie pary cząstek elektron-po- zyton [3]. W wyniku opisanego procesu foton zani- ka, natomiast dwie pozostałe cząstki rozbiegają się w różnych kierunkach, unosząc ze sobą energię kine- tyczną. Prawdopodobieństwo powstania par wzrasta ze wzrostem energii fotonów, jednak efekt ten staje się dominujący dopiero przy energiach rzędu kilku meV. Wynika więc z tego, że efekt ten nie występuje wcale lub ma bardzo małe znaczenie w badaniach radiograficznych wykonywanych za pomocą lamp rentgenowskich lub źródeł promieniowania gamma. ma natomiast znaczenie w badaniach wykonywa- nych za pomocą źródeł wysokoaktywnych, takich jak: betatrony czy akceleratory liniowe. Rys. 5. Efekt fotoelektryczny [3] Fig. 5. Photoelectric effect [3] Rys. 6. Rozkład kierunkowy promieni rozproszonych w zjawisku Comp- tona dla różnych energii fotonu: a) 4,5 meV, b) 0,6 meV, c) 5 keV [4] Fig. 6. Directional distribution of scattered rays for Campton effect for different photon energy: a) 4,5 meV, b) 0,6 meV, c) 5 keV [4] a) b) c) 38 Przegląd sPawalnictwa 8/2012 Rys. 8. Względny udział poszczególnych procesów oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materią: I – przewaga zjawiska fotoelektrycznego, II – przewaga zjawiska – Comptona, III – przewaga zjawiska tworzenia par [4] Fig. 8. Relative participation of particular electromagnetic interaction processes with matter: I – photoelectric effect domination, II Comp- ton effect domination, III – pair-production effect domination [4] Względny udział poszczególnych procesów od- działywania promieniowania elektromagnetycznego z materią w sposób istotny zależy od liczby atomo- wej materiału (rys. 8). W warunkach przemysłowych przy prześwietlaniu wyrobów ze stali, metali lekkich lub materiałów wysokopolimerowych główny udział w osłabianiu promieniowania ma zjawisko rozprosze- nia Comptona [4]. We wszystkich przypadkach oddziaływania promie- niowania elektromagnetycznego z materią, końcowym efektem jest uwalnianie elektronów, a więc jonizacja materii. Uwolniony z dostatecznie dużą energią kine- tyczną elektron wywołuje dalsze jonizacje. Pojedyn- cza jonizacja wywołana przez foton właściwie nie ma znaczenia w porównaniu z jonizacją wywołaną wtórnie przez uwolnione elektrony. Promieniowanie elektroma- gnetyczne nie jonizuje bezpośrednio, lecz pośrednio za pomocą wtórnych elektronów. Praktyczne skutki promieniowania rozproszonego najpoważniejszą wadą występowania promie- niowania rozproszonego jest obniżenie kontrastu radiograficznego uzyskiwanego na błonie radiogra- ficznej. Błona radiograficzna powinna być osłaniana przed działaniem promieniowania rozproszonego, które znacznie pogarsza jakość obrazu radiograficznego. Osłanianie polega na umieszczeniu za układem bło- na – okładka ekranu: ołowianego o grubości g ≥ 1 mm lub cynowego o grubości g ≥ 1,5 mm [5]. Występowanie promieniowania rozproszonego po- winno być sprawdzane w przypadku każdego nowego układu badawczego z zastosowaniem ołowianej litery B, umieszczonej bezpośrednio za każdą kasetą, o wy- sokości co najmniej 10 mm i grubości min. 1,5 mm. Jeżeli obraz tej litery na radiogramie jest jasny, to ra- diogram charakteryzuje się niską jakością (dużym za- dymieniem) i powinien być odrzucony. Jeżeli obraz li- tery jest ciemny lub niewidoczny, to radiogram dobrze zabezpieczono przed działaniem promieniowania roz- proszonego i powinien być zaakceptowany. Badania laboratoryjne W laboratorium badań nieniszczących przeprowa- dzono badania wpływu promieniowania rozproszonego na jakość obrazu radiograficznego. Wpływ promieniowania rozproszonego od obiektów znajdujących się poza błoną na jakość obrazu na radiogramie Wykonano badania radiograficzne dla następujące- go elementu: płyta stalowa (oznaczona jako próbka nr 1 o gru- bości 15 mm, odległość źródło – błona (ogniskowa) f = 700 mm, błona D5 Kodak T200, czas ekspozycji 3,40 min, parametry ekspozycji: 200 kV, 4 mA – aparat rentgenowski ICm Site XS. Badanie wykonano na podłożu z betonu na próbce nr 1, umieszczając za błoną płytę ołowianą (rys. 9). Po obróbce fotochemicznej uzyskano obraz na radiogra- mie o gęstości optycznej D = 2,6. Widoczny jest ciemny obraz litery B (zastosowana technika eliminuje promie- niowanie rozproszone). Rys. 9. Schemat badania próbki nr 1 Fig. 9. Specimen no 1 testing scheme Rys. 7. Schemat tworzenia pary elektron-pozyton w polu elektrycz- nym jądra atomowego [3] Fig. 7. Creation scheme of the pair of electrons-the positron in the electric field of the atom [3] 39Przegląd sPawalnictwa 8/2012 Próbkę nr 2 umieszczono bezpośrednio na podłożu z betonu – zgodnie z rysunkiem 10. Po obróbce foto- chemicznej uzyskano obraz na radiogramie o gęstości optycznej D = 4,1. Widoczny jest jasny obraz litery B (zastosowana technika nie eliminuje promieniowania rozproszonego). Niezgodności w obliczeniach czasów ekspozycji Badano wpływ promieniowania rozproszonego na jakość obrazu na radiogramie przy zastosowaniu róż- nych układów badań zgodnie z normą Pn En 1435. Próbkę płyty umieszczono na wysokości 1 m od podłoża. Zastosowano układ badań wg Pn En 1435 (rys. 11). Po obróbce fotochemicznej uzyskano obraz na ra- diogramie o gęstości optycznej D = 2,2. Wykonano badania radiograficzne dla następują- cego elementu: rura stalowa ø168x7,5 (oznaczona jako próbka nr 4), o grubości 7,5 mm, odległość źródło – błona (ogniskowa) f = 700 mm, błona D5 Kodak T200, czas ekspozycji 3,40 min, parametry ekspozycji: 200 kV, 4 mA – aparat rentgenowski ICm Site XS. Zastosowano układ badań przedstawiony na ry- sunku 12 (technika ekspozycji przez 2 ścianki) – Pn En 1435. Po obróbce fotochemicznej uzyskano obraz na radiogramie o gęstości optycznej D = 1,5. Wnioski Przy prześwietleniu płyty stalowej o tej samej gru- bości 15 mm oraz wykonywaniu prześwietlenia przy zastosowaniu tych samych parametrów, dla próbki nr 1 uzyskano gęstość optyczną D = 2,6, natomiast dla próbki nr 2 uzyskano gęstość optyczną D = 4,1. W przypadku pierwszym występuje ciemny obraz litery B, natomiast w drugim – jasny obraz litery B. W przypadku drugim zastosowana technika nie eli- minuje promieniowania rozproszonego od obiektów znajdujących się poza błoną, np. podłogi betonowej. Aby uzyskać odpowiednią jakość obrazu na radiogra- mie, należy zastosować płytę ołowianą umieszczoną za błoną. Przy prześwietlaniu próbki nr 3 – płyty stalowej o grubości 15 mm zastosowano układ badań na rysun- ku 11 (Pn En 1435) i próbki nr 4 – rury ø168x7,5 (grubość prześwietlana wynosi 15 mm) zastosowa- no układ badań wg rysunku 12 (Pn En 1435). Dla płyty uzyskano gęstość optyczną D = 2,2, a dla rury D = 1,5. W przypadku badania rury ze stożka wiązki wychodzi prawie całe promieniowanie rozproszone w pierwszej ściance, która znajduje się w pobliżu źró- dła promieniowania. Promieniowanie to nie dociera do filmu i nie wpływa nazaczernienie radiogramu. Różnica w gęstości optycznej wynosi ok. 35% przy tej samej grubości prześwietlanej, ale przy innych układach badań. Aby uzyskać prawidłowy obraz na radiogramie, należałoby zwiększyć czas ekspozycji o ok. 35% w układzie badań nr 13 (metoda obwodo- wa – prześwietlanie przez dwie ścianki) Pn-En 1435. Z wyników badań widać, że wpływ promieniowania rozproszonego na wyniki obliczeń czasów ekspozycji jest dość duży, a brak jego uwzględnienia może do- prowadzić do znaczących błędów w ekspozycji radio- gramów Rys. 10. Schemat badania próbki nr 2 Fig. 10. Specimen no 2 testing scheme Rys. 11. Schemat badania próbki nr 3 Fig. 11. Specimen no 3 testing scheme Rys. 12. Schemat badania próbki nr 4 Fig. 12. Specimen no 4 testing scheme 40 Przegląd sPawalnictwa 8/2012 Podsumowanie W wyniku badań przeprowadzonych w laborato- rium zwrócono szczególną uwagę na dwa ważne w praktyce skutki występowania promieniowania rozproszonego: – wyeliminowanie promieniowania rozproszonego od obiektów znajdujących się poza błoną, jak podłoga czy ściana, np. przez zastosowanie pły- ty ołowianej umieszczonej za błoną, – korekcję czasów ekspozycji dla różnych technik radiograficznych. Literatura [1] Pn-En 444 Badania nieniszczące. Ogólne zasady radiogra- ficznych badań materiałów metalowych za pomocą promie- niowania X i gamma. [2] nondestructive Testing Handbook, vol. 4, Radiographic Te- sting, American Society for nondestructive Testing 2002. [3] mackiewicz S.: Promieniowanie rozproszone i jego rola w badaniach radiograficznych. Krajowa Konferencja Badań Radiograficznych Popów 2010. [4] Jezierski G.: Radiografia przemysłowa. Wydawnictwa na- ukowo-Techniczne, Warszawa 1993. [5] Pn-En 1435 Badania nieniszczące złączy spawanych. Ba- dania radiograficzne złączy spawanych. [6] Czuchryj J., Dębski E.: Badania złączy spawanych według norm europejskich. Biuro Gamma, Warszawa 2000.