民用核安全设备的射线检测(第4、5、7、8章)2011

民用核安全设备的射线检测周大禹2011年6月第四章自动射线检验技术在核电站在役检查中，许多射线检查区域为高通量辐射区，按照核电站辐射防护的要求，必须依赖专用的机械检查设备和控制驱动装置，以实现自动射线检验。4.2反应堆压力容器自动射线检查装置反应堆压力容器检查机（MIS机）的机械臂上安装γ源机、排水气囊等装置，进行远程控制操作送源、收源。反应堆压力容器安全端与主管道连接焊缝透照方法压力容器接管预堆边安全端主管道进水端S1S2S3透照方式a.接管与安全端连接的异种钢金属焊缝透照方法如下：——源置于接管轴线和焊缝中心线交点处（S1处），周向透照安全端侧焊缝。——源置于接管轴线和焊缝中心线交点向安全端侧偏移（S2处），周向透照预堆边焊缝。b.安全端与主管道连接焊缝透照方法如下：源置于接管轴线和焊缝中心线交点处（S3处），周向透照安全端与主管道连接焊缝。现场操作：1)远程控制2)自动排水4.3射线数字成像技术关于胶片照相1、工艺成熟，检测人员应用熟练，便捷、习惯，适合各种复杂工件；2、缺点：效率低，时间长、环境污染、查询统计难；3、研究人员一直以来致力于克服胶片照相的缺点的研究工作；4、计算机技术与数字探测器的发展，使得射线检测技术发生了质的飞跃。一、射线数字检测概述一、射线数字检测概述1.1组成射线源被检对象数字成像器件（探测器）机械传动控制与处理射线源成像器件射线控制器成像及控制中心检测控制系统检测工装被检对象控制器射线数字成像系统组成框图与胶片照相不同之处：增加了硬件（机械支撑与传动）与软件（数据采集、控制、图像处理）；减少了胶片暗室处理环节。1.2特点图像质量可以和X射线照相底片质量相媲美降低了射线剂量、提高了检测效率(时间)具有很大的宽容度一次投入成本高探测器不可以弯曲具有两种成像方式（静态、动态）二、数字探测器2.1发展历史1975年，薄膜掺杂成功；1985年开始有光电二极管与荧光材料耦合的研究报道，并开始应用于线阵探测器的CT成像。发展历史二十世纪八十年代末和九十年代初，真正的二维探测器才有报道；上世纪九十年代末，开始有关于平板探测器在医学领域应用的报道。随着技术的不断成熟，本世纪开始了在工业检测领域应用的研究。4.3.1射线数字成像原理当射线穿过被照体后，入射到探测器荧光层，产生与入射射线相对应的荧光（可见光）。光纤将这些可见光耦合到CMOS芯片上。再由CMOS芯片将光信号转换成电信号，并将这些电信号储存起来，从而捕获到所需要的图像信息。图像信息经放大、读出，送到图像处理系统进行处理。工业电视射线数字成像方式（与采集帧频有关）：（1）静态成像（静止）基于数字成像技术的静态成像是指以一定采集幀频，对试件的同一部位进行曝光、成像。在指定的时间内，输出单幅、静止的图像。类似于胶片照相，但数字成像技术在得到同样像质图像的时间要远远低于胶片照相的时间（2）动态成像（实时）基于数字成像技术的动态成像是指以一定幀频的采集速率实现快速成像。被检试件通过机械扫描装置进行旋转或平移，射线源连续发射线，探测器对不同位置的试件进行连续曝光，实时的采集并显示不同检测位置的图像。数字探测器对检测信号的转换分为两种：（1）直接转换射线光子电信号数字图像射线光子透照物体后，直接由后续电路把射线衰减信息转变为电信号，经计算机处理后以数字图像的形式显示。（2）间接转换射线光子可见光电信号数字图像射线光子透照物体后，首先经过闪烁体屏（荧光屏）把射线光子转换为可见光，然后再由后续电路把可见光信息转变为电信号，经计算机处理后以数字图像的形式显示。2.2数字探测器分类及工作原理目前市场上有三类平板探测器：非晶硒非晶硅CMOS（2）工作原理这类平板探测器有一厚的光电导层（典型的是用200～500μm的非晶硒），光电导层两面的电极板间加有高电压，光电导层吸收X-射线光子，激发出电子/空穴对，并在所加电场下运动至相应电极。到达像元电极的电荷给存储电容充电，产生相应电荷的变化。电容中的累积电荷由TFT（ThinFilmTransistor即薄膜场效应晶体管）进行控制，读出，经放大、A/D转换等处理形成数字化图像输出。（3）特点优点：此类探测器克服了转换屏的弥散，成像分辨率比较高，光电导膜层较厚，使转换效率比较高。缺点：在图像边缘分辨率低；一般要求5～10kV的高电压；对环境温度敏感；抗震性能差。2.2.2CMOS平板探测器（1）结构定义：CMOS—ComplementaryMetalOxideSilicon，互补金属氧化硅半导体。组成：闪烁体屏+CMOS记忆芯片（2）工作原理当射线穿过被照体后，入射到探测器荧光层，产生与入射射线相对应的荧光（可见光）。光纤将这些可见光耦合到CMOS芯片上。再由CMOS芯片将光信号转换成电信号，并将这些电信号储存起来，从而捕获到所需要的图像信息。图像信息经放大、读出，送到图像处理系统进行处理。（3）特点•寿命长•适应温度范围大•像素尺寸可达80um•灵敏度高•成像速度慢（2）工作原理射线透照探测器，射线光子由闪烁体屏（常用的是Gd2O2S或CsI）转换为可见光，再由非晶硅光敏阵列转换为电信号，经放大、A/D转换输出。射线经非晶硅探测器的成像过程（3）特点高对比度灵敏度较高的空间分辨率输出灰度范围：12～14Bit较大的成像面积图像采集帧频：0～7.5fps，10fps、30fps探测器不可以弯曲，在役检测受到限制2.2.3线阵探测器基于CMOS技术和基于非晶硅技术两种各自的组成、工作原理都与上述的平板探测器一致。不同之处在于：线阵探测器作为平板探测器的一个特例，它只有一行像素，一次成像输出一行。线扫描DR工作原理由于线阵列探测器接收到的X射线是一条线，为了获得完整的DR图像，就必须使被检工件与线阵列探测器之间作相对运动，将连续扫描获得的线信息重新组合成图像的面信息，从而完成整个的检测过程。因此，基于线阵列探测器数字成像系统的主要特点是被检工件必须在X射线源与线阵列探测器之间作相对匀速运动才能成像。线扫描特点优点：像元间距可小到0.08mm，对于亚毫米级的闪烁体膜层，具有约6lp/mm的高空间分辨率（理论）；散射小。静态成像对比度可达到胶片照相B级。缺点：线阵探测器的对机械传动要求高，成像速度慢，影响了检测效率；射线剂量要求高。空间分辨率系统所能分辨的两个相邻细节间的昀小距离。单位：用lp/mm（线对/毫米）表示。影响因素：成像器件固有特性、系统几何参数、源焦点尺寸、转换屏厚度密度分辨率系统所能分辨的物体密度变化的能力。单位：%，CT成像的一个重要评价指标4.3.3多功能射线数字成像检测系统该系统是一台集数字成像（动态成像、静态成像）、CT成像为一体的先进工业射线集成检测系统。1）系统硬件系统硬件主要包括检测台和操作台。检测台包括：射线源、平板探测器、线阵探测器、图像增强器、精密铸铁基座、四自由度扫描台、射线源支架、探测器支架、消散窗。三种探测器是系统成像的核心部件，可切换进行工作。用于将进入其有效成像窗口的X-射线转换成电子图像，并完成数字采集。整个扫描系统基于先进的6K控制器进行控制，可实现对被检工件的高精度、快速定位和扫描运动。操作台包括：一套双CPU高档PC机；一套普通PC机；射线机控制单元；平板探测器命令处理器和图像增强器控制终端；系统辅助装置控制单元；检测室监视单元。整个检测过程均通过操作台完成。2）系统软件整个系统在专门开发的大型套装应用软件控制下进行工作。该软件基于WindowsXP平台，以VC++语言编写，基于三个探测器的三个子软件。软件包括硬件控制模块、动态成像、静态成像、CT成像模块以及图像处理模块。以上四大模块均由工作站统一调度管理。3）系统功能系统动态成像用于工件整体质量快速检测；静态成像对动态成像检出的异常部位做高质量透照检测；CT基于锥束射线的圆轨迹扫描和图像重建，对静态成像检出缺陷做三维可视化层析，完成对工件内部结构、材质缺陷定量分析与诊断。本系统实现了工件整体质量快速检测。4）系统特点系统作为开发平台，可针对检测对象定制、开发适合的检测系统；系统作为研究平台，实现各类新型材料的检测试验研究，基于不同探测器技术的成像系统性能测试研究；系统作为试验平台，实现数字成像的昀优化工艺条件的定制，数字成像标准的建立。利用本平台可为用户提供一系列的检测方案和技术支持。（1）应用现状国外掌握着数字探测器的核心技术，不但生产数字探测器，还生产整套数字检测系统。国内科研院所、公司主要在系统集成和软件及图像处理方面进行研究，通过引进国际先进的数字成像探测器，进行整套系统的集成研发，降低设备成本。4.3.44.3.4射线数字成像的应用射线数字成像的应用射线数字成像检测技术在工业各个领域都将有广泛的应用。例如在气瓶、锅炉、压力容器、压力管道、油气长输管道对接焊缝的无损检测；汽车轮毂、汽车/飞机轮胎等领域的无损检测；机械零件、航空航天部件的无损检测等。应用特点--数字检测系统在开始检测时需要一定的预热时间（20～30分钟）--组成探测器的各个像素尺寸决定了成像系统的分辨率，以及射线剂量（选择）--数字探测器都会有坏像素(包括坏点或坏行),和不一致性，严重影响图像质量，对此必须其进行校正。--基准图像：暗场图像、亮场图像基准图像的建立的条件（1）系统首先要预热；（2）确定工作模式和成像输入条件；（3）抑制噪声；（4）随时进行暗场图像的校正；（5）当工作模式、成像系统物理参数、检测试件等改变时，需要重做相应的基准图像。相关标准国外标准实时成像、CR标准体系DDA标准发布DR标准国内标准GB17925-1999《气瓶对接焊缝X射线实时成像检测》修订中GB/T19293-2003《对接焊缝X射线实时成像检测法》X射线数字成像检测标准编号：JB/T4730.114.3.5射线数字成像在核电的应用展望针对反应堆压力容器、蒸汽发器安全端焊缝、稳压器接管异种金属焊缝、稳压器波动管安全端焊缝的射线检测，射线数字成像技术目前还未得到实质性的应用，主要受以下因素的限制：——工装设备的复杂性；——成像质量要求；——高通量辐射区要求；——基于核安全文化的技术论证尚未开展；——其它核电站的特殊要求。但是，随着科技的进步，有理由相信射线数字成像技术于不久的将来在核电站各阶段的检查中将会得到广泛的应用。思考题1.简述反应堆压力容器自动射线检查装置在现场的检测过程。2.水下自动检测时其主要难点是哪几个方面？3.简述射线数字成像技术的原理。4.射线数字成像技术目前在核电未得到应用受哪些因素的制约？第五章民用核安全设备射线检验标准5.1概述民用核设施包括：1）核动力厂（核电厂、核热电厂、核供汽供热厂等）；2）核动力厂以外的其他反应堆（研究堆、实验堆、临界装置等）；3）核燃料生产、加工、贮存及后处理设施；4）放射性废物的处理和处置设施；5）其他需要严格监督管理的核设施。民用核安全设备无损检验是指无损检验技术在核工业领域中的应用。包括：核安全设备在制造、安装、运行、维修、和监督过程中进行的无损检验。运行过程中的无损检验主要是指在核电厂运行寿期内对核安全设备进行的在役检查。民用核安全设备无损检验，目前应用昀常用的7种方法包括超声、射线、涡流、磁粉、渗透、目视、泄漏。5.2我国的核电厂核岛承压设备无损检验规范和在役检查标准5.2.1中华人民共和国核行业标准：《核电厂核岛机械设备无损检验规范》(EJ/T1039-1996)本标准（1996版）主要参考法国RCC-M-93版第III卷“检验方法”编制，同时参考了ASME和国内有关标准对个别篇、章、条及其相关标准部分作了相应的适当修改和替换，这些已在“前言”中作详细叙述。目前该标准已作修订，正在审批，等待颁布。主要内容包括：超声波检验、射线照相检验、液体渗透检验、磁粉检验、管材制品涡流检验、其它检验方法(目视检验、表面状态测定，泄漏检验)和无损检测人员的技术资格。标准的第三部分是射线照相检验，内容涉及到检验人员资格、检验文件、设备和器材、检验条件等一般性要求，以及对记录