Рентгеновский контроль

Рентгенография является единственным методом контроля качества в определенных областях промышленности. Современные цифровые рентгеновские аппараты устроены следующим образом: исследуемый объект помещается между рентгеновской трубкой и детектором рентгеновского излучения. По мере прохождения рентгеновского излучения через образец, оно ослабляется в зависимости от толщины и плотности материала. Затем прошедшее излучение регистрируется детектором, и полученное изображение отображается на экране компьютера. Излучение с различной интенсивностью по-разному воспринимается детектором, чем интенсивнее излучение тем более светлое изображение получается в этой области. Таким образом, на изображении отображается информация о толщине и плотности различных областей изделия.

Более подробная информация об основных компонентах рентгеновских установок представлена ниже:

Источники рентгеновского излучения

В качестве источников рентгеновского излучения в современных рентгеновских аппаратах используются рентгеновские трубки. Устройство рентгеновской трубки похоже на устройство кинескопа телевизора.

Рис. 1 Устройство рентгеновской трубки

Нагретый катод испускает электроны. Затем электронный пучок ускоряется, фокусируется и попадает на мишень. В результате взаимодействия электронного пучка с материалом мишени, часть энергии пучка преобразуется в рентгеновское излучение. Оставшаяся часть энергии расходуется в тепловое излучение. Таким образом, трубки современных рентгеновских аппаратов не имеют радиоактивных элементов или других постоянных источников ионизирующего излучения. После выключения ускоряющего напряжения, трубка перестаёт испускать рентгеновское излучение.

Конструкция современных рентгеновских трубок характеризуется одновременно несколькими показателями:

  1. Способ получения вакуума в трубке. Открытая или закрытая конструкция.
  2. Тип мишени: прострельная или массивная.
  3. Разрешение трубки: микрофокусная или нанофокусная. В промышленности применяются и т.н. макрофокусные трубки. Но они имеют очень большую мощность и применяются для контроля литых заготовок и др. изделий металлообработке. Как правило, при производстве электроники такие трубки не применяются, поэтому в этом обзоре мы не будем их рассматривать.

Рентгеновские трубки открытого и закрытого типов

Как и в кинескопе, внутри рентгеновской трубки содержится вакуум, чтобы молекулы воздуха не нарушали фокусировку электронного пучка. По способу получения вакуума, трубки бывают открытого и закрытого типов.

В трубках открытого типа перед началом работы необходимо создать вакуум (генерация излучения возможна при давлении в трубке не более 9∙10-8 атм.), трубки закрытого типа вакуумируются при производстве. Существенным преимуществом трубок открытого типа является ремонтопригодность, например, возможность замены вышедшего из строя катода или мишени. Трубки закрытого типа неремонтопригодны.

Трубки открытого типа, в зависимости от мощности, могут иметь как прострельную, так и массивную мишень. Трубки закрытого типа, как правило, оснащаются массивной мишенью. Это вызвано соображениями ремонтопригодности. Прострельная мишень обеспечивает большее увеличение, но требует более частой замены, чем массивная мишень. Трубки закрытого типа неремонтопригодны, что скорее является их недостатком.

Необслуживаемая конструкция закрытой трубки позволяет работать по принципу «подключил и забыл». Однако, при выходе из строя, трубка закрытой конструкции меняется полностью. Такая замена обходится Заказчику в несколько десятков тысяч евро. Кроме того, замена трубки должна проводится подготовленным специалистом, поэтому приходится вызывать инженера из компании-поставщика. Если Ваше предприятие находится не в Москве или Санкт-Петербурге, то расходы на приезд инженера могут быть весьма ощутимы.

Ещё одним неприятным моментом может стать время доставки трубки Заказчику. Как правило, такие дорогостоящие и нечасто используемые запчасти не хранятся на складе в Москве или Санкт-Петербурге. Поэтому приходится ждать минимум 2-4 недели до прихода трубки в Россию.

Некоторое время назад на рынке появились открыто-закрытые трубки. По неизвестной причине в статьях, посвящённых этому продукту не указывается технических особенностей этого устройства, поэтому сказать о достоинствах и недостатках пока не представляется возможным. Судить о надёжности подобных устройство пока рано ввиду небольшого количества внедрений в России.

Рис. 2 Рентгеновская трубка открытой конструкции с прострельной мишенью Рис. 3 Рентгеновская трубка закрытой конструкции с массивной мишенью

Рентгеновские трубки с прострельной и массивной мишенью

По конструктивному исполнению мишени рентгеновские трубки разделяют на трубки с прострельной и с массивной мишенью (см. Рис. 2 и 3). Ещё раз повторимся, что трубки закрытого типа как правило комплектуются массивной мишенью. Трубки открытого типа могут комплектоваться как массивной, так и прострельной мишенью.

Прострельная мишень обеспечивает большее увеличение, так как исследуемый объект может быть расположен вплотную к точке выхода излучения; массивная мишень обеспечивает большую мощность, так как удобнее реализовать эффективное охлаждение мишени.

Рис. 4 Фрагменты рентгеновских трубок с прострельной (а) и массивной (б) мишенями

Рис. 5 Внешний вид рентгеновских трубок с прострельной (а) и массивной (б) мишенями

Отличие микрофокусных и нанофокусных рентгеновских трубок

Рис. 6 Устройство микрофокусной (а) и нанофокусной (б) рентгеновских трубок

Наличие второй магнитной линзы в нанофокусной трубке позволяет лучше сфокусировать электронный пучок и уменьшить диаметр фокального пятна (диаметр электронного пучка в момент касания мишени). Меньший диаметр фокального пятна в свою очередь позволяет получить более высокое разрешение по сравнению с микрофокусными трубками.

Разные вариации в управлении магнитными линзами позволяют использовать нанофокусные трубки в нескольких режимах.

Существует обратная зависимость между разрешением трубки и мощностью. Чем меньше диаметр фокального пятна, тем лучше получаемое разрешение – тем меньшую мощность разрешается подавать на трубку. По этой причине, для инспекции массивных образцов, большинство современных нанофокусных трубок позволяют использовать их в микрофокусном режиме.

Управление режимами нанофокусной трубки в установках производства компании General Electric Sensing & Inspection Technologies phoenix|x-ray осуществляется с помощью программного обеспечения. Переключение производится нажатием виртуальных кнопок на экране (см. рис. 3.7). При этом управление работой магнитных линз и центровка электронного луча производятся в автоматическом режиме.

Рис. 7 Меню выбора режима разрешения в ПО x|act

Подробнее о характеристиках рентгеновских трубок, влияющих на разрешение, можно прочесть (2).

Детекторы рентгеновского излучения

Детекторы – электронные устройства, позволяющие переводить картину, полученную с помощью рентгеновского излучения в форму, видимую человеческим глазом.

Изначально в качестве детекторов использовалась рентгеновская плёнка. Плёнка и сейчас используется в применениях, требующих очень большого разрешения. Кроме того, на многих предприятиях продолжают использоваться рентгеновские аппараты старых типов, где плёнка используется до настоящего времени.

Переход от рентгеновской плёнки на электронные устройства случился по двум основным причинам:

  1. Быстрота получения изображения на электронном устройстве. В процессе проведения инспекции образец можно смотреть под различными углами, с различным увеличением и т.д. При этом изображение получается практически мгновенно и при этом может быть распечатано или передано по локальной сети.
  2. Устранение из рабочего процесса «мокрых» процессов при обработке плёнки. Качество изображения, получаемого на электронных детекторах, больше не зависит от качества химикатов, их чистоты, температуры и т.д.
  3. Стоимость снимка, полученного с электронного детектора, гораздо дешевле рентгеновского снимка на плёнке.

Типы электронных детекторов

Фото-электрический усилитель изображения (image intensifier).

Фото-электрические усилители (ФЭУ) появились достаточно давно. Всё преобразование сигнала происходит с помощью аналоговых устройств. Для оцифровки сигнала в окончании ФЭУ установлена цифровая ПЗС-камера.

Рентгеновское излучение, прошедшее через исследуемый объект, попадает на сцинтиллятор – вещество, в котором под действием ионизирующих излучений возникают световые вспышки – сцинтилляции. Другими словами, происходит преобразование рентгеновского излучения в видимый свет.

Рис. 8 Усилитель изображения (image intensifier)

Затем на фотокатоде видимый свет преобразуется в пучок электронов, который с помощью электродов ускоряется и фокусируется на флуоресцентном экране, на котором появляется видимое изображение исследуемого объекта. Это изображение считывается цифровой ПЗС-камерой. Негласным современным стандартом для таких камер является разрешение 2МПикс, но на ряде аппаратов опционально устанавливаются 4МПикс варианты. С камеры оцифрованный сигнал поступает в управляющий компьютер.

Цифровой панельный детектор (flat panel).

Основными преимуществами цифровых панельных детекторов (ЦПД) перед ФЭУ являются высокая контрастность изображения и практически мгновенная фокусировка.

Рентгеновское излучение поступает на сцинтиллятор, преобразуется в видимый свет, который попадает непосредственно на диодную матрицу, регистрирующую изображение.

Рис. 9 Цифровой детектор

Цифровые панельные детекторы распространены сегодня гораздо меньше чем фото-электрические усилители. Причиной является сравнительно недавнее изобретение цифровых детекторов. Кроме того, их высокая цена в предыдущие годы также являлась сдерживающим фактором. Технологически очень сложно создать ПЗС матрицу большого размера, что и диктует высокую стоимость таких устройств. В настоящее время ценовая разница между ЦПД и ФЭУ уже не так велика как прежде, надёжность ЦПД в последние годы также перестала вызывать нарекания. Регулярный рост количества заказанных рентгеновских установок с цифровыми детекторами сигнализирует о готовности заказчиков платить дополнительные деньги в случае, когда прирост качества изображения виден невооружённым глазом.

Компания GE использует в рентгеновских установках цифровые промышленные детекторы собственной разработки. Детекторы DXR250RT позволяют работать со скоростью до 30 кадров/сек в режиме максимального разрешения. Кроме того, детектор устанавливается в рентгеновских установках с максимальным ускоряющим напряжением до 450 кВ.

Для достижения столь высоких характеристик детектор оснащается жидкостной системой охлаждения с закрытым контуром.

Рис. 10 Цифровой панельный детектор DXR250RT

Примеры изображений, полученных на цифровом панельном детекторе и на фото-электрическом усилителе

Паяное соединение микросхем QFP

Flat Panel DXR250RT Image Intensifier

Заполнение припоем отверстий при пайке штырьковых компонентов

Flat Panel DXR250RT Image Intensifier

Контроль качества пайки микросхем BGA

Flat Panel DXR250RT Image Intensifier

Контроль качества пайки микросхем BGA

Flat Panel DXR250RT Image Intensifier

Манипулятор рентгеновского аппарата

Манипулятор рентгеновского аппарата предназначен для управления образцом. Большинство современных манипуляторов имеют 5 степеней свободы для управления образцом:

  • Перемещение образца по оси X
  • Перемещение образца по оси Y
  • Перемещение образца по оси Z (регулировка увеличения)
  • Поворот образца вокруг вертикальной оси
  • Наклон образца

Первыми тремя степенями свободы обладают практически все аппараты, представленные сегодня на рынке.

Поворот образца в большинстве случаев также присутствует, но здесь могут появиться нюансы. Дело в том, что поворотный стол занимает некоторое место на манипуляторе. За счёт этого снижается максимальный размер образца, который можно исследовать в рентгеновском аппарате. Кроме того, максимальный допустимый вес образца также снижается.

Например, максимальный вес инспектируемого образца в аппаратах microme|x и nanome|x составляет 5 кг при использовании поворотного стола. Опционально поворотный стол можно убрать, и максимальный вес образца увеличивается до 10 кг.

Поэтому при выборе аппарата, когда оценивается максимальный размер образца, нужно учитывать наличие или отсутствие поворотного стола. Иногда в описаниях техники встречаются накладки. Например, максимальный вес и размеры образца пишутся для комплектации без вращения стола, и в то же время пишется, что манипулятор имеет 5 степеней свободы. Такие нюансы нужно учитывать при выборе оборудования.

Возможность исследования образца под наклоном представляется ещё более сложным свойством рентгеновского аппарата. При проведении рентгеновского контроля, исследуемый образец помещается между источником излучения (рентгеновской трубкой) и детектором. Возможность проведения инспекции под углом обеспечивается наклоном стола или наклоном детектора. Второй вариант предпочтителен, так как позволяет сохранить большое увеличение при проведении инспекции под углом (см. рис. ).

Рис. 11 Варианты реализации возможности просмотра объекта под углом

Использование наклонного стола приводит к увеличению расстояния трубка-образец. Это в свою очередь приводит к изменению (уменьшению) увеличения (см. график на рис.12)

Рис. 12 График зависимости увеличения образца от расстояния образец-трубка

Логичным продолжением рентгеноскопии стала технология рентгеновской компьютерной томографии, существенно расширившая возможности и сферы применения рентгеновского метода НК. Подробнее о технологии читайте в следующем разделе.