无损检测(其他射线检测方法和技术)

第8章其他射线检测方法和技术8.1一般介绍随着计算机技术的发展和普及，人类进入了数字化时代。无损检测技术也随之发生着变革。目前无损检测技术进展主要包括三个方面：首先，无损检测技术正从一般的无损检测向自动无损检测发展，引入计算机和数字图像处理技术进行检测和分析数据，以减少人为因素的影响，提高检测可靠性；其次，是发展微观缺陷检测技术、在线检测技术和在役检测技术；第三，是开展无损检测新原理、新方法、新技术的探索研究。射线检测技术从20世纪20年代发展到现在，在工业应用领域已形成了比较完整的射线无损检测技术系统，它由三大部分技术组成：1、射线照相技术，主要包括胶片射线照相技术和CR技术；2、射线实时成像技术，主要技术系统有三种，即由图像增强器、平板探测器、线阵探测器构成的射线实时成像检测技术系统。3、射线层析成像技术，主要技术是CT技术、康普顿散射成像技术。与其他无损检测技术比较，射线检测技术具有的突出特点是：1）检测结果显示直观，为评定检测结果提供了客观依据；2）检测过程的质量（工作质量、技术状况、设备器材质量等）可有效地监督监测，为检测结果的可靠性评定提供客观依据。正是由于这些优点，作为最早应用于工业领域的无损检测技术，至今仍是最重要、应用最广泛的无损检测技术，特别是对于一些关系重大的工业部门和设施、设备。其中某些技术可能是某些特殊结构（例如：复杂多层结构、）目前唯一可以应用的技术。·数字射线检测技术体系从数字射线检测技术概念的角度，可将目前的射线检测技术分成三个部分：直接数字化射线检测技术、间接数字化射线检测技术、后数字化射线检测技术。直接数字化射线检测技术是采用分立辐射探测器实现射线图像记录的技术。它包括CT技术、康普顿散射技术、平板探测器成像技术（DR）、线阵探测器实时成像技术（LDA）等。间接数化射线检测技术是需要经过A/D转换获得射线检测图像的射线检测技术，它包括：图像增强器实时成像技术、CR技术等。后数字化射线检测技术是对胶片射线照相技术，需要时它可以采用扫描装置将胶片记录的图像转换为数字图像。后数字化射线检测技术，在进行图像数字化时，存在损失胶片上记录的某些微小细节信息的可能,在对图像质量要求越来越高的今天，后数字化技术意义不大。从一些文献给出的结果来看，关于EPS灵敏度，直接数字化系统中的非晶硒探测器，可在远低于胶片曝光量的情况下获得可与中颗粒胶片相比的灵敏度（可能已经提高），而IP板等荧光物质只能达到近似粗颗粒胶片的水平（可能已经提高）；对于直接数字化系统中的非晶硒探测器，在空间分辨率不大于4Lp/mm时，可获得可与胶片相比的对比度（可能已经提高）；而CR系统只能在很低的空间频率时才能获得可与胶片相比的对比度（可能已经提高）。尽管数字射线技术在不断发展，但到目前的基本状况是，作为系统性能，无论是对比度或者是空间分辨率，都达不到胶片射线照相技术系统的水平，对于细小裂纹的检测能力，一般说，与胶片照相技术还存在差距（可以已经相当或者有所超越）。x射线胶片照相检测作为一种常规无损检测方法在工业领域的应用已有近百年的历史，常规x射线探伤是用胶片作为信息记录载体，检测速度和成本等方面的问题使其已不能满足现代工业生产的需要。数字射线检测技术主要特点是无需胶片照相，这与数码相机代替胶卷相机一样，检测结果的载体是数字图像。由连续信号构成的图像称为模拟图像，胶片照相法得到的底片图像就是模拟图像；而数字图像是指由大量的像素点构成的可用二进制数字描述的图像。除了以胶片作为信息记录载体，以x射线和γ射线作为检测手段的常规射线照相方法外，还有一些已经在工业领域得到应用和发展的其他种类的射线检测方法是：高能射线照相，中子射线照相，数字化技术的——图像增强射线实时成像、计算机X射线照相（CR）、数字平板直接成像（DR）、计算机射线层析成像（工业CT）以及线阵列扫描成像等。数字射线检测技术其中的一个优点是不需要胶片和暗室处理。而常规射线照相方法（x、γ）、高能射线照相（x）和中子射线照相需要用胶片作为信息记录载体，必然需要暗室处理，相对地属于模拟检测技术。1）数字射线检测技术有哪些优点？相对于常规射线检测技术，数字射线检测技术更高效、快捷、有更高的动态范围，存储、调用、复制和传输都很方便。数字图像可以在电脑、手机、平板、投影仪等设备上显示和观察，可以实现远程评判和会诊。而常规射线检测技术得到的底片只能通过专业的观片灯来观察，一般有且只有一套，需要的存储空间较大，调用和传输都很麻烦。数字技术系统目前的空间分辨力基本状况是：直接数字化采用的探测器：可达6Lp/mm；CR成像板（IP板）：可达10Lp/mm；图像增强器：可达5Lp/mm；胶片扫描器：可达10Lp/mm。（Lp/mm：线对/毫米，空间分辨率单位）2）CR、DR、工业CT有哪些区别？CR和DR都能获得工件的2D图像，能对缺陷定性和定量，在长度、宽度方向定位，不能确定缺陷的深度，CR属于间接数字成像，分辨率稍高于DR，而且CR的成像板可以切割和弯曲，对曲面工件有更好的适用性；DR属于直接成像，效率高于CR，但其探测器（数字平板）不能弯曲，这限制了它的适用性。CT技术能获得工件的3D图像，能够对缺陷定性、定量、精确定位（长度、宽度、深度）。除CT以外的技术，是把工件全厚度方向上的信息重叠投影在一张底片上，无法分清各部分结构或缺陷的位置（水平方向和深度方向）。而工业CT是工件的分层断面图像，可给出工件任一断面（分层平面）的图像，可以发现该断面内任何方向分布的缺陷，它具有影像不重叠、层次分明、对比度高和分辨率高等特点。8.2高能射线照相能量在1MeV以上的x射线被称为高能射线。由加速器产生，加速器分为两种：回旋加速器和直线加速器。1、电子回旋加速器回旋加速器是利用带电粒子在电场中被加速、在匀强磁场中作匀速圆周运动的半径不断变大，而周期不变的特点，使粒子在磁场中每转半周即能在电场中加速一次，从而使粒子获得高速的装置。电子回旋加速器采用变压器的磁感效应使电子加速。变压器的一次绕组与交流电源连接，使铁芯上的二次绕组产生的电压等于二次绕组的匝数与磁通量的时间变化速率的乘积，产生的电子由存在于导线中的自由电子构成。电子回旋加速器本质上是一个变压器。二次绕组是一个瓷制环形真空管，位于产生脉冲磁场的电磁体的两级之间，射入管中的电子由于磁场作用将在环形通道中加速，作用在粒子上的力与磁通量变化速率和磁场大小成正比。被加速的电子在撞击靶之前要环绕轨道旋转几十万圈，以获得足够的能量。电子回旋加速器的焦点很小，照相几何不清晰度小，可获得高灵敏度的照片，但设备复杂，造价高，体积大，射线强度低，影响了它的应用。2、直线加速器直线加速器是采用沿直线轨道分布的高频电场加速电子、质子和重离子的装置。通常用高功率的高频或微波功率源来激励加速腔。直线加速器的加速电场有行波和驻波两类。由于电子即使在低能时也接近光速，大部分电子直线加速器采用行波加速方式。直线加速器的主体是由一系列空腔构成的加速管，空腔两端有孔可以使电子通过，电子从一个空腔进入到下一个空腔，电子被加速一次。直线加速器使用射频（RF）电磁场加速电子，利用磁控管产生自激振荡发射微波，通过波导管把微波输入到加速管内。加速管空腔被设计成谐振腔，由电子枪发射的电子在适当的时候射入空腔，穿过谐振腔的电子正好在适当的时刻到达磁场中某一加速点被加速，从而增加了能量，被加速的电子从前一腔出来后进入下一个空腔被继续加速，直到获得很高的能量。电子到达靶时的速度可达光速的99%（亚光速），高速电子撞击靶产生高能x射线。目前用于射线照相检测的直线加速器有：行波加速器和驻波加速器。与电子回旋加速器相比，直线加速器焦点稍大，但其体积小，电子束流大，产生的x射线强度大，更适合用于工业射线照相。·直线加速器机头·直线加速器机头·直线加速器机头·直线加速器控制箱·直线加速器电控柜·直线加速器电控柜·直线加速器电源箱3、高能射线照相的特点1）高能射线穿透力强，透照厚度大X：钢小于100mm；γ—Co60：钢小于200mm；高能射线：1～24MeV，≤400mm。2）焦点小，焦距大，照相清晰高电子回旋加速器：df=0.3～0.5mm；直线加速器：df=1～3mm；为了保证足够大的辐射场，高能射线照相需要采用大焦距，小焦点和大焦距均有利于提高照相清晰度。3）散射线少，照相灵敏度高在高能范围，射线光量子与物质的作用主要是康普顿散射和电子对效应，散射比随着射线能量的提高不断降低，另外，具有很高能量的次级粒子所引起的进一步散射主要集中在一次射线方向，大角度散射总量少。因此，高能射线照相散射比小，照相灵敏度高。4）射线的能量和强度可以调节被加速的电子，速度和数量可以调节，因此输出的射线能量和强度也可以调节。即通过调节被加速电子的速度和数量来调节输出的射线能量和强度。5）射线强度大，曝光时间短，可以连续运行，工作效率高直线加速器距离靶1m处的剂量可达4～100Gy/min，大大高于γ射线的剂量率。曝光时间短，100mm钢工件曝光约1min左右，并且散热做的较好，因此，可以连续运行，提高工作效率。6）照相厚度宽容度大物质对高能射线的吸收系数随能量变化较缓慢。大致在1～10MeV范围，物质的吸收系数随能量增高缓慢减小，而在10～100MeV范围，物质的吸收系数随能量增高而缓慢增大。这种变化规率使高能射线照相具有很大的厚度宽容度。应用高能射线照相对厚度差异大的工件，如曲轴、涡轮叶片等进行检测，可不考虑采用补偿块或其他特殊的工艺措施，即使工件的厚度相差一倍也能达到一般标准规定的黑度要求，而低能射线照相则达不到这样的厚度宽容度。4、高能射线照相的几个技术数据1）固有不清晰度固有不清晰度因射线能量高而较大，与低能射线照相相反，固有不清晰度成为影响高能射线照相清晰度的主要因素。2）灵敏度在大多数材质和厚度范围内，如果工艺正确，高能射线的灵敏度能够≤1%。3）增感屏高能射线照相中，前屏的厚度对增感和滤波作用均产生显著影响。而后屏的厚度对增感来说相对不重要。因此，高能射线照相时可以用也可以不用后屏。实验证明，某些条件下高能射线照相的灵敏度在不使用后屏时反而有所提高，这一点与常规射线照相有所不同。实际照相时，前屏通常选择厚度0.25mm左右的铅增感屏，如使用后屏，其厚度可与前民间相同。除铅之外，根据需要也可采用铜、钽和钨等材料做增感屏，以满足不同的检测要求。5、高能射线的辐射防护措施加速器产生的高能射线，不但能量高，而且强度也很大。假设一台加速器在距离靶1m处每分钟输出的射线剂量是4Gy，能量是4MeV，若人员被该设备误照是十分危险的，因为人体全射辐射的半致死剂量就是4Gy，因此，必须严格做好安全防护措施。1）加速器的防护主要采用屏蔽防护，加速器的曝光室必须时行专门的安全防护设计，室外的剂量率必须低于国家卫生标准的规定。2）因为高能x射线对空气进行电离后产生的臭氧和氮氧化物对人体有害，因此室内必须安装通风设备进行换气。3）对于直线加速器，除了高能x射线的误伤害防护之外，还应时行微波辐射防护，同时还要预防高电压、氟利昂气体等对人体的危害。8.3射线实时成像检测技术射线实时成像检测技术，是指在曝光透照的同时就可观察到所产生的图像的检测技术。这就要求图像能随着成像物体的变化迅速改变，一般要求图像的采集速度至少达到25帧/s。能达到这一要求的装置有较早使用的x射线荧光检测系统，以及目前正在应用的图像增强器射线实时成像检测系统。1、图像增强器射线实时成像原理射线实时成像可以用两个“转换”来描述：图像增强器的输入转换屏接收穿透金属材料后的x射线，将其转换为光学图像，称为“光电转换”；然后，图像增强器的光电层将光学图像转换为电子后发射，聚焦电极加有25～30kV的高压加速电子，并将其聚焦到输出屏。输出屏再将电子能量转换为可见光图像，图像处理器（数码摄像机）通过A/D转换将接收到的可见光图像转换成数字信号传送到显示器上。其过程为：射线模拟信号→输入屏闪烁体→可见光→输入屏光电层→电子→输出屏→可见光→CCD或其它摄像机→视频信号→A/D转换