电子感应加速器在工业中材料无损检验中的应用

电子感应加速器在工业中材料无损检验中的应用

院系：核科学技术学院

专业：辐射防护与环境工程

指导老师：曹锦佳

学生：黎国全

学号：20114180130

摘要

无损检验在工业生产中是一个非常重要的环节。而利用加速器产生x 射线、中子（以下我们简称辐射探伤）等又是工业中常常使用的且行之有效的方法之一。由于传统的x 光机、 Co-60探伤机的能量低，远远满足不了工业无损检验的需要。教材中主要介绍了电子直线、电子回旋和电子感应加速器。根据我本学期所学《加速器物理基础》课程和结合多方面了解到关于加速器的知识。本文只介绍电子感应加速器在无损检验中的应用。主要调查研究加速器探伤与传统探伤法的优势。资料显示，运用电子感应加速器探伤技术方法主要有三种，辐射照相、辐射测量、图相显现。最后我将简要介绍辐射照相技术的原理和操作步骤。

关键词

加速器、辐射探伤、

一、电子感应加速器工作原理

感应型加速器的基本原理是用随时间变化的磁通量产生涡旋电场来加速带电粒子。由电磁感应定律可知：如果磁感应强度随时间变化，就会感生出涡旋电场。涡旋电场的分布和大小分别由磁感应强度的空间分布及其随时间变化的速率决定。

▽t

B E ∂∂-=⨯ 【6】 符合一定条件的电子，被涡旋电场连续地加速，经过多次的累积得到较高的能量。如果在整个加速过程中，电子能绕涡旋电场运动达

到百万圈，那么即使每圈获得数十eV ，但最终叠加后能达到数十MeV 。

设计的加速器为保证电子能加速到预定能量，必须对加速器磁通提出相应的要求。由 <<加速器物理基础>>教材中推论出加速磁通变化量与电子能量的增加量的关系式：

p r W c

r ∆∙≡∆∙≈∆ππφ22【5】

二、传统探伤方法的一些主要缺点

我这里主要论述的几种工业上常用的探伤方法，以此对比说明电磁感应加速器探伤的优势。 目前工业上使用的探伤方法有：磁力、超声波、X 光机、Co-60 γ源。其中磁力探伤【3】方法不能区别缺损性质，只局限于检查表层外伤，厚度超过20mm 时无效。而超声波探伤检查厚度虽然大，但是毫米以下的工件无法检查。而且检查时对工件表面的光洁度要求较高（华中工学院俞加文调查各家工厂资料显示光洁度要求达到w4）。不能检查复杂工件的缺损形状。且与波平行的裂纹无法探测到。X 光机的主要问题在于需要消耗大量的软片和化学药品，操作流程也很复杂。Co-60源的探伤技术没有太大的缺点，但是其防护要求高。我从国外很多资料调查到，不少国外工人因为对Co-60源的防护不当，例如Co-60源意外丢失，误伤到工人及其家人。其状况掺不忍睹。

三、电子感应加速器探伤的主要优势

采用电子感应加速器探伤有很多有点。首先，由于它产生的的γ很硬，穿透能力很强，比如能量在31MeV的电子感应加速器所产生的γ射线穿透力为2000V的X射线装置的10倍。这样对检查工件厚度大的缺损十分有效。其次，由于照射场较宽，所以探伤所需时间较短。第三，对检查的工件外形及其表面光洁度都没有特别的要求。并且能区别瑕疵的性质。具有很高的灵敏度。下面是我截取的几幅不同探伤技术得到的工件图片【1】：

X射线 Ir-189的γ射线

Co-60的γ射线电子感应加速器的γ射线

由上图我们不难看出，用电子感应加速器照相比其它几种探伤技术都要清晰得多。

四、国外工业探伤用电子感应加速器发展情况

为了得到更为电子感应加速器在工业中应用的发展，我还调查研究了国外探伤用电子感应加速器。得到一些粗略的结果，如上所说，由于电子感应加速器在工业应用中有很多的优势，在国外也得到了迅速的发展。但在不同的条件和不同的需要下设计制造了各种不同能量和不同结构形式的探伤用电子感应加速器，并在实际应用过程中总结出了能量与强度的要求，以及应该采用的形式。

在此我简单叙述一下，实践证明，利用电子感应加速器的γ射线进行探伤，其伽马射线能量不是越高越好。例如在钢管厂探伤用电子感应加速器能量在20-25MeV【2】时，钢对伽马射线的吸收最小，而γ射线所穿透的半厚度最大。对单能的γ射线来说，能量为9MeV的射线具有最大穿透能力，但由于感应加速器实际所产生的射线是多能谱的，因此组合的穿透能力为最强时的能量为20 -25 MeV，当能量大于25MeV时，伽马射线在工件中会产生二次散射，其穿透能力比一次还要强。这样的探伤结果会使照片质量变坏。这就是目前世界各国大都采用20-25MeV范围的主要原因。

五、具体应用实例-----对石油钻井钻头进行无损探伤

用25MeV电子感应加速器产生的韧致辐射,对40个表面镶有金

刚石的石油钻头进行了无损探伤,搞清了钻头的结构,并发现6个钻头有裂纹性缺陷。加速器探伤具有探伤厚度大(最大可达500mm)【3】、对工件表面光洁度无特殊要求、有较高的灵敏度(一般可达1％)、直观性好(能直接反映出工件内缺陷的形状及其位置)等优点,适用于复合材料及不同密度材料组成的工件的探伤。

实际上低能电子感应加速器无损探伤在工业上的应用非常普遍，特别是大型钢制压力容器的探伤。由于射线能量高，可以对大型部件和厚的金属材料进行探伤。它产生的韧致辐射强度大，射线照相所需时间更短，分辨率更高，与同位素放射源相比更为经济。

六、附（与电子感应加速器探伤相关的技术理论简介）【4】

轫致辐射穿过产品时一部分能量被吸收，故其能谱发生变化。为定性的估计这种变化。可以利用轫致辐射的平均能量加以说明。从

图三可以看出，最大能量在10MeV 以下的轫致辐射，其平均能量同钢铁厚度的关系可以比较明显地分成两部分。钢铁厚度从0~100~200mm ，平均能量一直在增加，这说明能谱中低能部分起主要作用；钢铁厚度大于100~200mm ，将发生相反的现象，平均能量开始缓慢下降，这说明能谱中的高能成分起主要作用。

资料显示，穿过产品的辐射由两部分组成，一部分是直接穿过产品与产品没有发生轫致辐射，另一部分是由各种次级辐射组成的散射。故产品后面的辐射强度可以描述为：

I(D) = )()(0D I D I P + (1) 根据指数衰减定律：

D

e I D I μ-=00)( (2)

式中o I 为轫致辐射强度，μ是线性衰减系数，D 是产品厚度。

将（2）代入（1）中：

I(D) = D e D B I μ-)(0

式中 )

()(1)(0D I D I D B p += ,表明产品后面的散射辐射成分，称为累积因子。

累积因子不具有有益技术资料，它能把缺陷讯号弄模糊，使显示缺陷的条件变坏。累积因子与照射场、产品厚度、辐射能量关系表示在图7上。它表明：①一定范围内，照射场越大，累积因子越高。超过这个范围，进一步增大照射场，累积因子不再增加。②辐射能量在5—30MeV 的范围内，累积因子随钢铁厚度增大直线上升，直到