Рентгеновские аппараты. Критерии выбора

Одним из важнейших элементов радиационного контроля является рентгеновский аппарат, который иногда сокращенно называют рентгенаппарат или рентген аппарат или даже р/а. Рентгеновский аппарат важен как при пленочной радиографии, так и при цифровом радиационном контроле.  На рынке присутствует несколько типов рентгеновских аппаратов, заметно отличающихся по многим параметрам. Разнообразие типов рентгеновских аппаратов, их параметров и не всегда корректная реклама может поставить в тупик даже специалистов в области радиационных методов контроля. Ниже мы предложим специалистам в области РНК и коллегам свое видение  об основных типах рентгеновских аппаратов, их параметрах и критериям по которым можно выбрать себе необходимый рентгеновский аппарат. 

Радиационный (рентгеновский) контроль ведется посредством просвечивания исследуемой детали рентгеновскими лучами с фиксацией изображения на радиографическую (рентгеновскую) пленку, многоразовые запоминающие пластины или цифровой детектор изображения.

Классификация переносных рентгеновских аппаратов по типу питания рентгеновской  трубки

По этой классификации аппараты можно разделить на  импульсные, полупериодные, постоянного потенциала низко- (500Гц и  менее) и среднечастотные (1-10кГц), и постоянного  потенциала высокочастотные (более 10кГц).

В импульсных  аппаратах питание рентгеновской  трубки осуществляется кратковременными импульсами высокого напряжения малого тока и длительности,  идущими с малой или средней частотой. Для повышения частоты импульсов (потока электронов) необходимо использовать специальный разрядник, который обеспечивает мгновенный рост и снятие напряжения на рентгеновской трубке. На этом принципе работают рентгеновские аппараты Арина, Памир, Шмель, Пион. Так как разрядники производятся только до напряжения 300 кВ, то в импульсных рентгеновских аппаратах на 400 кВ и более фронт практически отсутствует. Такие рентгеновские аппараты иногда называют аппаратами для затемнения рентгеновской пленки.   Эффективная мощность данных аппаратов  самая низкая, что приводит к низкому качеству изображения. Катод  таких аппаратов не имеет накала, и построен по принципу взрывной эмиссии и  достаточно быстро выходит из строя. Большинство импульсных рентгеновских аппаратов обеспечивают мощность на трубке порядка 50 Вт. Приводимые в рекламе большие значения оставим без комментариев.  Низкая эффективность импульсных рентгеновских аппаратов  заставляет использовать высокочувствительную рентгеновскую пленку и флуоресцентные усиливающие  экраны, что приводит к ухудшению качества изображения. В связи с этим, в странах  ЕС импульсные рентгеновские аппараты практически не используются. Производимые в США выходцами из СССР импульсные рентгеновские аппараты, которые в России называются Моноскан, за рубежом также используются очень ограниченно. К достоинствам импульсных рентгеновских аппаратов можно отнести  малый вес, размеры, а также, относительно низкую стоимость. Эти достоинства  обеспечивают довольно широкое распространение импульсных рентгеновских аппаратов в России. Основной разработчик и производитель импульсных рентгеновских аппаратов – Спектрофлэш постоянно совершенствует выпускаемые модели и расширяет модельный ряд.

Полупериодные  рентгеновские аппараты являются  следующим шагом после импульсных. Они содержат повышающий трансформатор, но не  имеют выпрямителя. Его функции частично выполняет 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 не позволяет сделать высокочастотный полупериодный рентгеновский аппарат. Поэтому,  данные  аппараты работают на низких или средних частотах. В среднем,  эффективность полупериодного аппарата уступает эффективности высокочастотного аппарата  постоянного потенциала в 3-4 раза. В последние годы появились полупериодные рентгеновские аппараты с инвертируемой нижней полуволной напряжения, но их эффективность все равно ниже эффективности рентгеновских аппаратов с выпрямленным напряжением в 1,5-2 раза. К полупериодным рентгеновским аппаратам относятся известные  в России аппараты ICM, Balto, RAY CRAFT и другие китайские (в т.ч. Икс-машин) и японские рентгеновские аппараты, работающие по данной схеме. Часто в их названии присутствуют слова «постоянного действия». Фактически они означают, что данный аппарат не импульсный, но не означают, что этот рентгеновский аппарат обеспечивает постоянное напряжение, указанное в названии. Так, эффективное напряжение у полупериодного аппарата 3005 с инвертируемой нижней полуволной составит не более 300/√2=212 кВ.   В рекламе таких аппаратов, как правило, приводится «пробиваемая» толщина металла, полученная при экспонировании с расстояния 500 мм, а не 700 мм, и за 20 мин, а не за 10 мин как предусмотрено по стандарту

Низко и  среднечастотные аппараты постоянного потенциала уже содержат умножитель напряжения и  обеспечивают питание трубки напряжением, приближенным к постоянному. Однако,  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 рентгеновским аппаратам постоянного потенциала. Примером рентгеновских аппаратов этого типа являются переносные аппараты РУП и РАП. В связи с развитием высокочастотных рентгеновских аппаратов этот тип практически не развивается.

Высокочастотные  аппараты постоянного потенциала

В настоящее время они являются вершиной развития рассматриваемого раздела рентгенотехники. Частота преобразования  в таких аппаратах обычно превышает 20кГц. Напряжение на трубке можно считать  почти постоянным. Эффективность выхода рентгеновского излучения самая высокая и  ограничивается только физикой рентгеновской трубки. Номограммы у  высокочастотных аппаратов постоянного потенциала примерно совпадают. Представителями  этого семейства являются аппараты Eresco, YXLON SMART, Lorad Spellman, MCT, РПД, СБК, Март и рентгеновский аппарат созданный Группой компаний «Литас» - «Радон».

Высокочастотные рентгеновские аппараты постоянного потенциала делятся на аппараты кабельного типа с жидкостным охлаждением и переносные моноблочные аппараты с воздушным и жидкостным охлаждением.

Переносные  моноблочные высокочастотные рентгеновские аппараты постоянного потенциала

Основная область применения - «полевые» условия и контроль крупных объектов в цеховых условиях. Отличаются относительной компактностью, средним весом и повышенной стойкостью к жестким  условиям эксплуатации (в том числе к воздействию низких температур и высокой влажности). Представляют  собой моноблок, содержащий высоковольтный трансформатор, каскады умножителей и  специализированную рентгеновскую трубку. Самые современные аппараты включают в состав моноблока  еще и силовой электронный модуль, раскачивающий напряжение на высоковольтном  трансформаторе. Включение силового модуля в состав моноблока позволяет  отказаться от передачи по кабелю высокочастотного переменного напряжения, снизить  уровень высокочастотных помех и позволяет иметь практически неограниченную  длину кабеля к излучателю, а также, использовать один пульт управления к различным излучателям. Рентгеновский аппарат «Радон» с воздушным охлаждением относится к аппаратам этого класса.

Высоковольтный трансформатор, каскады умножителей и трубка  помещены в высоковольтное масло или L-газ. Что лучше масло или газ однозначно  сказать невозможно. Каждый тип изоляции имеет свои преимущества и недостатки.  Газ позволяет создавать более легкие конструкции, а масло более компактные.  Масло имеет большой коэффициент температурного расширения, что заставляет  использовать малонадежные резиновые груши-расширители, а газ в аппарате находится  под большим давлением и обладает способностью быстро утекать через малейшие щели,  которые часто образуются в процессе эксплуатации (особенно если аппарат часто  роняют). Масло является хорошим проводником тепла и позволяет лучше отводить  тепло, выделяющееся на умножителе, что позволяет поднять больший ток рентгеновской  трубки. Масло позволяет использовать рентгеновский аппарат при очень низких температурах, а L-газ – до минус 20 град С. В данный момент большинство аппаратов с металлокерамическими рентгеновскими  трубками выпускается по газовой технологии, а аппараты со стеклянными трубками  по масляной.

Самой основной характеристикой рентгеновского аппарата  является максимальное напряжение на трубке, и максимальная толщина стали,  которую может просветить данный аппарат. В рекламе часто приводятся недобросовестные значения или не указываются условия, при которых они получены. Для исключения такой недобросовестной рекламы  придуманы номограммы. Они представляют графики, по которым можно определить  значения высокого напряжения, тока трубки и времени экспозиции, необходимые для  просвечивания требуемой толщины стали в определенных условиях. В описании номограмм также указывается,  при каких условиях и на какую пленку или запоминающую пластину снимались данные  номограммы. Далее все очень просто. Качественный высокочастотный  аппарат постоянного потенциала с напряжением 200 кВ и током 5 мА должен  просвечивать до оптической плотности 2,0 с расстояния 700 мм около 42мм стали на пленку типа D7 за 10 мин.

Также есть еще одна тонкость в выборе максимального  напряжения аппарата.  Если трубка по паспорту рассчитана  на 250кВ, она проживет намного дольше, если ее включать на 225кВ. То же  касается и мощности трубки. При предельной мощности трубки в 1000 Вт не  целесообразно постоянно ее использовать при мощностях выше 900 Вт. Основными характеристиками переносных аппаратов помимо  максимального высокого напряжения являются мощность снимаемая с рентгеновской трубки (не путать с потребляемой мощностью, время непрерывной работы и  вес. Мощность у большинства переносных аппаратов составляет 900-1000Вт. У  облегченных версий - 300-450Вт. Время непрерывной работы (на предельной мощности)  зависит от исполнения аппарата, размеров и эффективности радиатора, мощности  вентилятора и температуры окружающей среды. Иногда это называют циклом работы  аппарата. Например, 100% цикл при 20 градусах означает, что аппарат при  температуре окружающей среды 20 градусов может работать непрерывно, по крайней  мере, в течение часа. А цикл в 50% говорит о том, что после, например, 5 минут  работы, ему надо 5 минут «отдыхать». У самых лучших аппаратов цикл составляет 100%  при 20 градусах. В зависимости от интенсивности работ можно считать приемлемым  цикл и в 50%. Хотя для просвечивания больших толщин стали, следует выбирать  аппараты с максимальным временем непрерывной работы. Этот параметр является  одним из самых замалчиваемых. Многие производители его либо не указывают  совсем, либо не указывают условия его получения. Облегченные аппараты обычно имеют меньший размер  радиатора и соответственно меньший рабочий цикл или меньшую мощность (а часто и  то и другое). Некоторые облегченные аппараты вообще не имеют вентилятора и  рассчитаны на охлаждение только маслом и внешними факторами, поэтому, реальный рабочий цикл у них может быть  менее 10%. То есть, в реальных условиях ими пользоваться затруднительно. Следует учесть, что у полупериодных аппаратов рабочий  цикл почти всегда 100%. Это объясняется тем, что у полупериодного аппарата  средняя мощность почти в 4 раза меньшая. То есть, он эквивалентен высокочастотному  аппарату постоянного потенциала, работающему на четверти мощности. Таким образом,  эти величины нельзя сравнивать и рабочий цикл в 100% у полупериодных аппаратов типа  ICM нельзя считать честным.

Теперь переходим к одному из самых актуальных параметров – весу аппарата. Вес аппарата сильно зависит от  максимального высокого напряжения и мощности. В соответствии с требованиями  нормативных документов переносной рентгеновский аппарат  должен при закрытом входном окне обеспечивать при максимальном напряжении и  полной мощности дозу излучения не превышающую 1 рентген в минуту на расстоянии  1м. Это достигается за счет надевания на аппарат специальной защитной муфты, толщина  которой зависит от предельно допустимого напряжения на трубке и которая по весу  сравнима с самим аппаратом. Эта муфта защищает от излучения направленного в  обратную сторону и вбок, и использовать аппарат без этой муфты в соответствии с  нормативными документами и здравым смыслом запрещено. Западные производители указывают вес  аппарата уже вместе с муфтой и у многих западных аппаратов эта муфта несъемная.  Отечественные производители обычно указывают вес аппарат без муфты. Особенно это касается рекламы  облегченных и миниатюрных аппаратов. Вес муфты в основном зависит от  предельного напряжения и мало зависит от мощности аппарата. Например, аппарат  на 200кВ мощностью 900Вт и аппарат мощностью 450Вт должны иметь муфту почти не отличающуюся  по весу. Особенно этим страдают аппараты на очень высокие напряжения, которые с  нормальной муфтой оказываются непомерно тяжелыми. Используя аппарат со снятой  муфтой или с облегченной муфтой, Вы нарушаете санитарные нормы и подвергаете  себя риску радиационного облучения.

Одним из основных элементов аппарата является  рентгеновская трубка. В  большинстве отечественных переносных аппаратов представленных на российском  рынке используется стеклянная рентгеновская трубка. Также стеклянная трубка  используется во многих зарубежных аппаратах, включая Balto, ICM и китайских.  Частое применение стеклянной трубки  обуславливается ее низкой себестоимостью. Опасения в ненадежности стеклянных трубок зачастую преувеличены.  Выход из строя стеклянных трубок в аппаратах постоянного потенциала чрезвычайно редок. А невысокий ресурс с лихвой окупается разностью цен по сравнению с металлокерамической трубкой Европейского производства.

(В данном анализе использованы материалы Крамера Бориса Юрьевича, одного из Российских идеологов  аппаратов постоянного потенциала с выпрямленным напряжением).

Подробнее...