Beeldvorming bij radiografie NDO

Radiografie is een niet-destructieve methode van onderzoek die voor talrijke toepassing geschikt is. Vooral in de laswereld wordt er intensief gebruik van gemaakt. In dit artikel zal kort worden ingegaan op de toepasbaarheid en de beperkingen en zal de meeste aandacht worden geschonken aan de beeldvorming die met deze onderzoekstechniek wordt verkregen.

Artikel gepubliceerd in Roestvast staal nummer 3 1993. artikel 7

Radiografie is een niet-destructieve methode voor het inspecteren van onderdelen ert constructies, die is gebaseerd op verschil in absorptie van binnendringende straling door het te inspecteren object. De straling kan elektromagnetisch zijn met zeer korte golflengte of kan bestaan uit deeltjes. Als gevolg van verschil in dichtheid en diktevariaties van het onderdeel, of door verschillen in absorptie die het gevolg zijn van variaties in de samenstelling, absorberen sommige delen van het object meer of minder straling dan andere delen.
Straling die het object is gepasseerd kan worden vastgelegd op film of worden waargenomen op een fluorescerend scherm of worden gevolgd door verscheidene typen elektronische stralingsdetectoren. De term radiografie heeft gewoonlijk betrekking op een radiografisch proces waarmee een blijvend beeld op film of enig ander soort drager wordt verkregen. Bij conventionele radiografie wordt een voorwerp gebombardeerd met een bundel röntgenstralen en het deel van de straling dat niet wordt geabsorbeerd door het voorwerp valt op een film. Dit proces komt overeen met de wijze waarop een fotografisch beeld wordt verkregen met behulp van licht. Ontwikkelen van de 'belichte' film produceert een tweedimensionaal schaduwbeeld van het voorwerp. Variaties in dichtheid, dikte en samenstelling van het te inspecteren object geven variaties in de intensiteit van de niet-geabsorbeerde straling en verschijnt in de vorm van variaties in fotografische dichtheid (verschillende tinten grijs) op de ontwikkelde film. Uitlezing van de radiografie vindt plaats op basis van vergelijking van de verschillen in fotografische dichtheid met bekende kenmerken van het object zelf of met standaarden die zijn ontleend aan overeenkomstige objecten van aanvaarde kwaliteit.

Het gebruik van röntgenstraling of gammastraling kan gevaar opleveren. Dit soort straling kan biologische schade toebrengen aan lichaamweefsels; vooral bloedcellen, ooglenzen en bepaalde inwendige organen zijn zeer gevoelig voor zulke straling. Strikte controle op blootstelling van mensen aan straling is een absolute vereiste.

Gebruik van radiografie

Radiografie wordt gebruikt voor het opsporen van delen van een werkstuk of constructie die verschillen vertonen in dikte of dichtheid met het omringende materiaal. Grote verschillen laten zich makkelijker opsporen dan kleine. Radiografie kan in het algemeen alleen die plekken vinden met een aanzienlijk verschil in dikte in een richting evenwijdig aan de stralenbundel. Dit betekent dat het vermogen van het proces om vlakke onregelmatigheden zoals scheuren te vinden afhangt van de juiste stand van het te onderzoeken voorwerp tijdens de inspectie. Onregelmatigheden zoals holten en insluitsels, die een in alle richtingen meetbare dikte hebben, kunnen worden waargenomen zolang ze niet te klein zijn met betrekking tot de wanddikte waarin ze zich bevinden. Algemeen geldt dat plekken die meer dan 2% verschillen in absorberend vermogen met het omringende materiaal kunnen worden waargenomen. In vergelijking met andere algemeen gebruikte nondestructieve methoden, zoals bijvoorbeeld magnetische deeltjes, vloeistof-penetrant en wervelstroominspectie, heeft radiografie drie grote voordelen:

het vermogen om het inwendige te detecteren,
het vermogen om significante variaties in samenstelling te detecteren,
permanente vastlegging van nog onbewerkte inspectiegegevens.

Toepasbaarheid

Radiografische inspectie wordt uitvoerig gebruikt voor giet- en laswerk, vooral als interne onvolkomenheden niet worden getolereerd. Radiografie wordt dikwijls gespecificeerd voor inspectie van dikwandige gietstukken en laswerk voor stoominstallaties (ketel- en turbineonderdelen en constructies) en andere hoge-druksystemen.
Gevoeligheid van röntgenradiografie en gammastralingsradiografie voor uiteenlopende foutentypen hangt af van vele factoren, waaronder het materiaaltype, fouttype en vorm van het object. Materiaaltype wordt in dit verband uitgedrukt in termen van atoomnummer, zo worden metalen met lage atoomnummers ingedeeld als lichte metalen en die met hoge atoomnummers als zware metalen. Tabel 1 geeft een algemene indruk van de geschiktheid van röntgen- en gammaradiografie voor de detectie van onregelmatigheden in diverse produktvormen. Soms is radiografie niet bruikbaar, ook al suggereert tabel 1 van wel. Dit komt dan omdat het object maar van één kant toegankelijk is. Voor radiografie moeten beide zijden toegankelijk zijn: voor de stralingsbron en de film.

Radiografie kan worden gebruikt voor het inspecteren van de meeste typen vast materiaal, met de mogelijke uitzondering van materiaal met zeer hoge (er komt niets van de straling door) of met zeer lage (alle straling komt erdoor) dichtheid. Zowel ferro- als non-ferrolegeringen kunnen worden geradiografeerd, alsmede non-metallische materialen en composieten.
Er is een breed scala zowel in metaaldikten die kunnen worden geïnspecteerd als in te gebruiken technieken.
Er zijn voor specifieke inspectieproblemen talloze speciale technieken en apparaten ontwikkeld. De meeste van deze speciale toepassingen vallen buiten het kader van dit artikel.

Tabel 1. Overzicht van de toepasbaarheid van röntgen- en gammastraling voor onderzoek aan lichte en zware metalen.
G = Goed R = Redelijk 0 = Onvoldoende S = Slecht
{a) Uitsluitend zichtbare scheuren; kleine oppervlaktescheuren zijn met radiografische onderzoeksmethoden niet waar te nemen.
(b) Stralingsbundel parallel met scheuren, overlappingen, flakes.
(c) Indien geijkt op speciale dikte-ijkstukken.

Beperkingen

Vergeleken met andere non-destructieve inspectiemethoden, is radiografie duur. Er zijn voor het opzetten en in stand houden van een radiografisch laboratorium hoge kapitaalsinvesteringenen ruimtelijk beslag nodig. Wordt daarentegen gebruik gemaakt van draagbare röntgen- of gammastralingsbronnen, dan kunnen de kapitaalskasten betrekkelijk laag blijven en is er alleen ruimte vereist voor het ontwikkelen van films en voor interpretatie.
De gebruikskosten kunnen hoog zijn. Soms wordt 60% van de totale inspectietijd besteed aan het maken van een inspectieopstelling. Inspectie te velde van dikwandig materiaal is een tijdrovend proces. Draagbare röntgenbronnen zenden betrekkelijk laag-energetische straling uit, tot ongeveer 300 keV, en ze zijn ook beperkt met betrekking tot de intensiteit van de uitgezonden straling. Deze beide karakteristieken van draagbare bronnen werken samen in het beperken van röntgenstralingsradiografie te velde van doorsneden die een absorptie-equivalent hebben van 7,5 cm staal. Radioactieve bronnen zijn ook beperkt in de wanddikte die ze aankunnen, hoofdzakelijk omdat hoog actieve bronnen zware afscherming eisen ter bescherming van personeel. Dit beperkt gebruik te velde tot bronnen met lagere radioactiviteit, die kunnen worden vervoerd in betrekkelijk lichtgewicht containers. Omdat draagbare bronnen beschikken over beperkte effectieve stralingsafgifte, zijn de belichtingstijden voor dikwandig materiaal lang. Soms vergt een enkele opname verscheidene uren, hetgeen meebrengt dat het gebied dat is afgezet voor de opname gedurende al die tijd ontoegankelijk is voor hét personeel.

Bepaalde fouttypen zijn moeilijk te detecteren met radiografie. Scheuren kunnen niet worden gevonden, tenzij ze in essentie evenwijdig lopen met de stralingsbundel. Nauwe scheuren in dikwandig materiaal zijn doorgaans in het geheel niet te vinden, zelfs niet als ze een geschikte oriëntatie hebben ten opzichte van de stralingsbron. Kleine onregelmatigheden zoals insluitseis in gesmeed materiaal, schilfers, microporositeiten en microscheurtjes kunnen niet worden gedetecteerd tenzij ze voldoende zijn uitgescheiden om een waarneembaar totaalbeeld op te leveren. Dubbelingen zijn met radiografie nagenoeg niet te detecteren; vanwege hun ongunstige oriëntatie geven ze geen verschillen in absorptie waardoor ze niet zijn te onderscheiden van foutvrij materiaal.

Principes van radiografie

Voor het maken van een radiografie zijn drie basiselementen nodig:

een stralingsbron
het te onderzoeken object
een registrerend medium (gewoonlijk film)

Deze elementen zijn schematisch weergegeven op afbeelding 1. Het daar afgebeelde proefstuk is een plaat met uniforme dikte, met daarin een inwendige fout die een ander absorberend karakter heeft dan het omringende materiaal. Straling afkomstig van de bron wordt geabsorbeerd door het proefstuk. De fout en het omringende materiaal absorberen verschillende hoeveelheden straling. De hoeveelheden doorgaande straling die op een onderliggende film terechtkomen verschillen derhalve ook en er ontstaat aldus een schaduwbeeld van de fout.

Afb. 1 Schets van de basiselementen van een radiografiesysteem, dat laat zien hoe een inwendige fout in een plaat met uniforme dikte wordt gedetecteerd en vastgelegd.

Geometrische factoren bij radiografie

Omdat een radiografie een tweedimensionale voorstelling is van een driedimensionaal voorwerp zijn radiografische beelden van de meeste proefstukken ietwat vervormd in afmetingen en vorm. De mate van vervorming hangt hoofdzakelijk af van de bronafmetingen, afstanden tussen bron en object en tussen bron en film en positie en oriëntatie van het proefstuk met betrekking tot bron en film.Bij conventionele radiografie kan de plaats van een fout in het volume van een proefstuk niet met één radiografie nauwkeurig worden bepaald. Diepte die evenwijdig loopt met de stralingsbundel wordt niet vastgelegd. Met twee of meer opnamen, waarbij de stralingsbundel onder verschillende hoeken op het object wordt gericht kan een kruispeiling worden gemaakt waarmee de plaats van de fout in het volume van het proefstuk met grotere nauwkeurigheid kan worden vastgesteld.

Principes van schaduwvorming

Het beeld dat op een radiografie ontstaat komt overeen met de schaduw die een ondoorzichtig voorwerp dat in een lichtbundel wordt geplaatst op een scherm werpt. Terwijl de straling die voor radiografie wordt gebruikt een ondoorzichtig voorwerp doordringt in tegenstelling tot licht, zijn de geometrische wetten van schaduwvorming in de grond van de zaak dezelfde. Röntgenstralen, gammastralen en licht planten zich alle voort in rechte lijn. Dit maakt de vorming van een vrij scherpe schaduw mogelijk. De geometrische samenhang tussen bron, voorwerp en scherm (film) bepaalt de drie voornaamste kenmerken van de schaduw (zie ook afbeelding 2):

vergroting
vervormmg
onscherpte

Vergroting

De schaduw van het object is altijd verder weg van de stralingsbron dan het object zelf. Voor een puntvormige stralingsbron op afbeelding 2a, zijn de afmetingen van de schaduw altijd groter dan de overeenkomstige afmetingen van het voorwerp. De beeldgrootte of vergroting kan worden berekend aan de hand van de betrekking:

waarin M de vergroting is, Si de beeldgrootte, S0 de objectgrootte, Li de afstand bron-beeld en L0 de afstand
bron-voorwerp. Variaties in de positie van een gegeven object ten opzichte van de bron en de film zijn van invloed op de beeldgrootte. Als bijvoorbeeld de afstand bron-beeld (Li) wordt verkleind zonder de afstand object-beeld te veranderen, neemt de beeldgrootte (Si) toe. Omgekeerd neemt de beeldgrootte af als de afstand bron-object groter wordt bij constante afstand bronfilm.Het vergrotingseffect is gewoonlijk van weinig belang bij radiografie, voornamelijk omdat de film vlak achter het proefstuk wordt geplaatst om geometrische onscherpte zoveel mogelijk te beperken. Zelfs met deze laatste opstelling zullen afbeeldingen van delen van het proefstuk die het verst van de film zijn gelegen groter zijn dan de overeenkomstige delen van het proefstuk zelf. Dit effect is het sterkst voor korte bron-beeldafstanden. Er doen zich omstandigheden voor waarin vergroting voordelig is. Door een proefstuk dichter bij de bron te plaatsen kunnen details die anders onzichtbaar zouden zijn op een radiografie nu voldoende worden vergroot om zichtbaar te worden. Deze techniek wordt gebruikt bij microradiografie waarbij aanzienlijke vergroting kleine details zichtbaar maakt.

Afb. 2 Schematische weergave van de invloed van geometrische betrekkingen op het radiografiebeeld gevormd met puntbronnen en een werkelijke stralingsbron.
a) beeldgrootte
b) beeldvertekening
c) beeldoverlap bij puntvormige stralingsbronnen
d) mate van beeldonscherpte bij een werkelijke stralingsbron

Vervorming

Zolang het vlak van een tweedimensionaal voorwerp en het filmvlak evenwijdig met elkaar zijn, zal het beeld onvervormd zijn ongeacht de hoek waaronder de stralenbundel op het voorwerp valt. Zo is ook de mate van vergroting op verschillende punten van een gegeven beeld constant omdat de verhouding Li/L0 onveranderd blijft. Zoals echter is te zien op afbeelding 2b zal het beeld vervormd zijn als het vlak van het object en het vlak van de film niet evenwijdig verlopen, omdat de mate van vergroting verschilt tussen stralen die twee willekeurige punten op het objectoppervlak passeren. Dit is de voornaamste reden waarom radiografieën bijna altijd een vertekend beeld geven van het proefstuk. De vorm van de meeste proefstukken is vàn dien aard dat een of meer delen ervan niet evenwijdig lopen met het filmvlak. De mate van vervorming hangt rechtstreeks samen met de mate van onevenwijdigheid, waarbij een kleine onevenwijdigheid een geringe vertekening geeft en sterke onevenwijdigheid sterke vertekening.

Hoewel er geen vertekening optreedt in afbeeldingen van objectdelen die evenwijdig zijn met het filmvlak, wordt de ruimtelijke samenhang tussen diverse objectdelen wel vertekend, waarbij de mate van vertekening samenhangt met de cosinus van de hoek die de stralenbundel maakt met het filmvlak. Twee cirkelvormige kenmerken bijvoorbeeld die evenwijdig zijn met het filmvlak maar op verschillende afstanden staan ten opzichte van het filmvlak kunnen twee separate cirkelvormige beelden geven of een niet-cirkelvormig beeld omdat de beelden elkaar overlappen zoals is weergegeven op afbeelding 2c, afhankelijk van de richting van de stralenbundel. Gebieden waar beelden van verschillende verschijnselen overlappen zullen tevoorschijn komen als gebieden met hogere of lagere fotografische dichtheid dan aangrenzende plekken waar de beelden niet overlappen, afhankelijk of een fout of kenmerk minder of meer straling absorbeert dan de omringende delen van het proefstuk. Zo zullen overlappende beelden van holten donkerder schijnen in overlappende gebieden omdat er langs paden die overlappende holten doorsnijden minder straling wordt geabsorbeerd dan langs paden die slechts één holte doorsnijden.

Geometrische onscherpte

In werkelijkheid is elke stralingsbron te groot om te worden voorgesteld als puntbron. Het merendeel van de gangbare röntgenbuizen bezit een focus tussen 2 x 2 en 5 x 5 mm. Zelfs hoge-energiebronnen beschikken over een focus met aanzienlijke afmetingen, hoewel ze zelden groter zijn dan 2 mm in diameter.
Gammastralingsbronnen variëren sterk in afmeting, alnaargelang hun bronsterkte en kenmerkende radioactiviteit, maar zijn zelden groter dan 2,5 mm in diameter. Radiografische bepaling varieert volgens geometrische betrekkingen tussen bronafmeting, afstand bron-object en afstand object-afbeelding. Als straling afkomstig van een bron met eindige afmetingen een schaduw produceert, dan is dat deel van het beeld dat zich in de schaduw bevindt voor straling afkomstig van alle punten van het oppervlak van de stralingsbron een gebied van volledige schaduw, ook wel kernschaduw geheten. Delen van het beeld die zich in de schaduw bevinden voor straling afkomstig van een deel van het oppervlak van de stralingsbron zijn gebieden met partiële schaduw, ook wel halfschaduw genoemd. De mate van geometrische onscherpte is gelijk aan de breedte van de halfschaduw. De geometrische onscherpte kan worden bepaald aan de hand van afbeelding 2d met behulp van de meetkundige stelling over gelijksoortige driehoeken die leiden tot de uitdrukking:

waarin F de grootte is van de focus of gammastralingsbron, t is de afstand object-afbeelding en L0 is de afstand bron-object. In de meeste gevallen is t op te vatten als het verschil tussen de afstand bron-film (Li) en de afstand bron-object (L0), zodat voornoemde uitdrukking kan worden geschreven als:

De grootte van de halfschaduw of geometrische onscherpte kan worden verkleind door de afstand bronobject te verlengen, de focus te verkleinen, of de afstand object-afbeelding in te korten. In de praktijk wordt de bronafmeting bepaald door de kenmerken van een gegeven röntgenbuis of door de fysische afmetingen van een stukje radioactief materiaal en de afstand object-afbeelding wordt geminimaliseerd door de film zo dicht mogelijk bij het proefstuk te plaatsen. De enig overgebleven variabele is dan de afstand bron-object. Laatstgenoemde afstand is van grote invloed op de belichtingstijd. Er moet dus een compromis worden gevonden tussen minimale onscherpte en kosten, welke laatste voornamelijk worden beheerst door de belichtingstijd.De geometrische onscherpte is er een van een aantal onscherptefactoren en is doorgaans de grootste contribuant aan de maximale onscherpte. Als de afstand tussen het filmvlak en het daarnaar toe gekeerde oppervlak van het proefstuk, die gewoonlijk klein is in vergelijking met de dikte van het proefstuk, wordt verwaarloosd dan kan de geometrische onscherpte voor elke bronafmeting worden berekend. De resultaten van die berekening kunnen in de vorm van rechte lijnen in een grafiek worden getekend die het verband geeft tussen de geometrische onscherpte, Ug, proefstukdikte, t, voor verscheidene waarden van de afstand bron-object, L0. Een kenmerkend voorbeeld hiervan geeft afbeelding 3 voor een bron met een diameter van 5 mm. Het kan vaak handig zijn om grafieken te maken zoals die op afbeelding 3 voor elke bronafmeting wordt gebruikt.

Afb. 3 Samenhang tussen geometrische onscherpte en proefstukdikte voor een aantal bron-objectafstanden in geval er gebruik wordt gemaakt van een stralingsbron met een diameter van 5 mm.

Voor toepassingen waarbij de maximum onscherpte beneden een specifieke bekende waarde moet blijven om bijvoorbeeld bepaalde fouttypen en -grootten te kunnen onderscheiden, kan de minimum afstand bron-object worden bepaald voor een gegeven werkstuk met uitdrukking (2). Bij deze waarde van L0 zullen de fouttypen en -grootten waarvoor de opgegeven waarde van Ug geldt, worden waargenomen als de fouten zich in het vlak van het proefstuk bevinden dat het verst is verwijderd van de film. Fouten in dichterbij gelegen vlakken zullen nog duidelijker zichtbaar worden.