X射线的无损探伤仪器

刘爱伦

伟杰科技（苏州）有限公司 江苏 苏州 215126

摘要：X射线的无损探伤仪器，利用X射线穿透物质和在物质中有衰减的特性来发现其中缺陷的一种无损探伤方法。 X射线可以检测金属或非金属材料等内部缺陷。例如金属件中的气孔、夹渣、疏松等体积性缺陷。

关键词：电离辐射、非电离辐射、X射线探测器(FPD)、几何不清晰度Ug

1、电离辐射的发现（X射线）

放射性及辐射在生命出现以前就已经在地球上存在了。事实上，自从宇宙起源以来太空中就有放射性，放射性物质自地球形成以来就是其中的一部分。但是，人类第一次发现这个基本的普遍现象只是在十九世纪最后几年，现在我们仍然在探索辐射利用的新途径。

1895年，德国物理学家威廉. 康拉德.伦琴在做电子管实验时，发现了一种新的射线，与可见光不同，它能够穿透可见光穿不透的黑色厚纸。后来人们用表示未知数的X来表示这种辐射，被命名为X射线，也称伦琴射线。在一次实验中，伦琴请他夫人将手放在黑纸包严的照相底片上，用X射线对准照射了15分钟，显影后，得到了人类第一张人体X射线摄影，这是人类第一张X光片。这张历史性的照片也表明了，人类可以借助X射线隔着皮肉去透视骨骼以及手指所带的戒指。这个发现预示了辐射的医学应用，从此开启了人类应用辐射的序幕，医学应用有了不断的发展。鉴于为人类做出的特别贡献，1901年伦琴获得第一届诺贝尔物理学奖。

伦琴射线管（参考下图示意图1-1）：产生伦琴射线的装置，管内抽成高真空，里面封闭着两个极。K是射线管的阴极（cathode），它由螺旋钨丝制成（由外加灯丝电源Uh加热），钨丝对面一极（A：对阴极，即阳极）装有重金属（铂钨）靶，它就是伦琴射线管的阳极（anode）。

首先，灯丝电源Uh给灯丝供电，灯丝发光并放出电子（叫做热电子，热电子的初速度很小，常常将热电子的初速度当做零）。

其次，高压电源在阴极K和对阴极A之间产生高压，使管内产生强电场，炽热钨丝发出的电子受到电场的作用，获得巨大动能的热电子，就以很高的速度射到阳极金属钨靶上，热电子的巨大动能使对阴极金属原子内层电子受激发跃迁，于是就有伦琴射线从靶面发射出来透到管外，以X射线的形式放出能量。

在K、A间是阴极射线即高速电子流，从对阴极A射出的是频率极高的电磁波，即X射线。（已知电子电量 e=1.6 * 10-19C, 质量 m=9.1 * 10-31Kg, 普朗克常量 h=6.63 * 10-34 J.S）

1. 电子加速过程分析，根据动能定理， ½ mv2=eU（K、A之间的高压电源）；

2. 对阴极发出的伦琴射线的波长λ（假设一个电子激发出一个伦琴光子），根据能量守恒；

hv= ½ mv2=eU=hC λ，X射线粒子的最高可能的频率可由eU=hv计算（λ=v/f）.

图1-1 伦琴射线管

在伦琴发现X射线一年以后的1896年，法国科学家亨利. 贝克勒尔在研究铀矿荧光现象的过程中，将感光底片放进有含铀矿物碎片的抽屉里，当他对底片显影时惊奇地发现，底片受到了辐射的影响，铀矿物能发射出穿透力很强并能使照相底片感光的不可见的射线。这种现象被称为放射性，是由原子自发释放能量产生的。这也是人类首次观察到核变化。人们普遍把这一重大发现看成是核物理学的开端。现在，放射性活度单位用贝克（Bq）表示，是以亨利.贝克勒尔的名字命名的。

之后不久，年轻化学家玛丽.斯克多夫斯卡.居里做了进一步研究，第一个提出了放射性术语。 1898年，她和丈夫皮埃尔. 居里发现当铀发出射线后，可以神奇地转变为其他元素，其中一个元素称为钋（Po），是以她的祖国波兰（Poland）的名字命名的，另一个元素称为镭（Ra），即“发光的”元素。居里夫妇和亨利.贝克勒尔分享了1903年诺贝尔物理学奖。此后，居里夫妇继续研究镭，在化学和医学上的应用，并与1902年分离出高纯度的金属镭。因此，居里夫人又获得了1911年的诺贝尔化学奖，是第一位两次获得诺贝尔奖的女性。

2、电离辐射与非电离辐射

辐射，是以波或粒子的形式向周围空间传播能量的统称。 按照辐射作用于物质时所产生的效应不同，根据电离能力将辐射分为电离辐射与非电离辐射两类。

电离辐射的全称是致电离辐射，是指其携带的能量足以使物质原子或分子中的电子成为自由态，从而使这些原子或分子发生电离现象的辐射。

以波的形式传播能量的被称为电磁辐射，其波普也非常宽，从0Hz到大于10的33次方Hz，波长越短，频率越高，携带的能量也越大。通常来讲，携带的能量大于10eV或者波长小于100nm的电磁辐射，也都属于电离辐射，比如X射线和伽玛γ射线。不同辐射的频率和波长见图1-2 辐射波谱图。

图1-2 辐射波谱图

电离辐射分为直接电离辐射和间接电离辐射。直接电离辐射是指那些具有足够大的动能，通过碰撞就能引起物质的分子、原子电离的带电粒子，如贝塔粒子β粒子、质子和阿尔法粒子α等。间接电离辐射是能够释放出直接电离粒子或引起核反应的非带电粒子，如光子（伽玛γ射线、X射线）、中子等。

非电离辐射，由于辐射能量低，不能从原子、分子或其他束缚状态放出电子。 包括紫外线、热辐射、可见光、无线电波和微波等。 日常生活中的电离辐射与非电离辐射见图1-3.

图1-3 电离辐射与非电离辐射

3、X射线源的组成

（1）X射线源的三个基本要素

- X射线来源，通过不透明材料通过能力.

- 检测物质，是被检测的缺陷和异常.

- 接受X射线的探测器

（2）X射线的分步功能

- 热发射：通过加热白炽体，在阴极真空中产生自由电子.

- 电子加速：通过在阴极和阳极之间产生电位差来实现，电子的最大动能对应于加速电压.

- 电子束的聚束：通过电子光学来实现.

- 电子撞击靶上焦点：在焦点处产生的X射线，向空间任意方向发射.

- 射线可穿透处射窗.

- 高能X射线穿过物质，一些射线被吸收，其余透过物质传播；吸收的辐射量和厚度决定了材料的密度；参考图1-4：X射线源的组成。

图1-4 X射线源的组成

4、数字化X射线的特性

（1）焦斑大小和图像质量；

（2）f （source focal spot）：焦斑直径；

（3）FDD： Source to Detector distance.

（4）FOD： Source to Object distance.

（5）ODD：Object to Detector distance

（6）M（Magnification ）= FDD/FOD

（7）焦斑大小（f）用于定义几何不清晰度现象Ug: Ug=f* (M-1) =f*(FDD/FOD-1) =f*ODD/FOD.

（8）在高倍率时，几何不清晰度现象特别明显；几何不清晰度参考图1-5；

图1-5 几何不清晰度

5、X射线探测器的功能

高能型平板探测器（XRD 1622 Digital X-Ray Flat Panel Detector），参考图1-6.

平板探测器以非晶硅（a-Si）为基底，包括光电二极管、薄膜晶体管开关、扫描线、数据线等，然后在上面再敷上一层闪烁体。闪烁体在受到X射线照射后发出峰值波长550nm的可见光，对应光电二极管吸收的最佳波长。光电二极管将接收到的可见光转化成电荷，电荷在薄膜晶体管开关的控制下由数据线收集到电荷放大器，然后经模数转换器转化为数字信号，最后数字信号被传送到计算机，显示为图像。

图1-6：XRD 1622 Digital X-Ray FPD

6、数字化X线摄影图像的优点：

数字X射线成像系统（DR）被公认为是继胶片、计算机化X射线摄影（CR）的下一代产品，因其革命意义的更高检查效率、更优秀的图像以及更少的X射线剂量的特性，为目前全球日益普及的影像解决方案。

DR指在计算机控制下直接进行数字化X射线摄影的一种新技术，即采用非晶硅平板探测器把穿透工业铸件的X射线信息转化为数字信号，并由计算机图像处理模块（计算机+图像采集卡+计算机处理软件）重建图像及进行一系列的图像后处理。DR系统主要包括X射线发生装置、直接转换平板探测器、系统控制器、影像监示器、影像处理工作站等几部分组成。DR由于采用数字技术，因此可以根据工业需要进行各种图像后处理，像自动处理技术，边缘增强清晰技术、放大、图像拼接、兴趣区域调节以及距离、面积、密度测量等丰富的功能。另外，由于DR技术动态范围广，X射线光量子检出效能高，具有很宽的曝光宽容度，即使曝光条件稍差，也能获得很好的图像。DR的出现打破了传统X射线图像的观念，实现了人们梦寐以求的由模拟X射线图像向数字化X射线图像的转变，与CR（Computer Radiography）系统比较具有更大的优越性。

工业铸件的生产中有时会产生气泡，缩孔等缺陷，由于都在产品的内部，所以我们并不能直观的看到内部缺陷，这时就会借助X射线来进行产品缺陷的检测。

 （1）图像分辩率高：这是它最突出的优点，能够覆盖更大的动态范围，图像层次更加丰富，图像清晰、细腻、对比度高。

（2）X射线辐射降低：DR系统形成的数字化图像比传统胶片成像及CR图像所需的X射线剂量要少，因而它能用较低的X线剂量得到高清晰的图像，同时也减少了受X射线辐射的危害。 

（3）成像速度快：由于DR系统改变了以往传统的摄影、成像方法，曝光时间，分辨率明显提高，曝光后10秒钟即可获得数字影像，极大地提高了工作效率.

作者简介：

刘爱伦（1978年—），男，汉族 ，籍贯：沭阳。职务：售后服务主管，本科，单位 伟杰科技（苏州）有限公司，研究方向 仪器科学与技术。