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文檔簡介

.,第8章其他射線檢測方法和技術(shù)8.1一般介紹隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及,人類進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代。無損檢測技術(shù)也隨之發(fā)生著變革。目前無損檢測技術(shù)進(jìn)展主要包括三個(gè)方面:首先,無損檢測技術(shù)正從一般的無損檢測向自動無損檢測發(fā)展,引入計(jì)算機(jī)和數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行檢測和分析數(shù)據(jù),以減少人為因素的影響,提高檢測可靠性;其次,是發(fā)展微觀缺陷檢測技術(shù)、在線檢測技術(shù)和在役檢測技術(shù);第三,是開展無損檢測新原理、新方法、新技術(shù)的探索研究。射線檢測技術(shù)從20世紀(jì)20年代發(fā)展到現(xiàn)在,在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域已形成了比較完整的射線無損檢測技術(shù)系統(tǒng),它由三大部分技術(shù)組成:1、射線照相技術(shù),主要包括膠片射線照相技術(shù)和CR技術(shù);2、射線實(shí)時(shí)成像技術(shù),主要技術(shù)系統(tǒng)有三種,即由圖像增強(qiáng)器、平板探測器、線陣探測器構(gòu)成的射線實(shí)時(shí)成像檢測技術(shù)系統(tǒng)。3、射線層析成像技術(shù),主要技術(shù)是CT技術(shù)、康普頓散射成像技術(shù)。,.,與其他無損檢測技術(shù)比較,射線檢測技術(shù)具有的突出特點(diǎn)是:1)檢測結(jié)果顯示直觀,為評定檢測結(jié)果提供了客觀依據(jù);2)檢測過程的質(zhì)量(工作質(zhì)量、技術(shù)狀況、設(shè)備器材質(zhì)量等)可有效地監(jiān)督監(jiān)測,為檢測結(jié)果的可靠性評定提供客觀依據(jù)。正是由于這些優(yōu)點(diǎn),作為最早應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的無損檢測技術(shù),至今仍是最重要、應(yīng)用最廣泛的無損檢測技術(shù),特別是對于一些關(guān)系重大的工業(yè)部門和設(shè)施、設(shè)備。其中某些技術(shù)可能是某些特殊結(jié)構(gòu)(例如:復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)、)目前唯一可以應(yīng)用的技術(shù)。數(shù)字射線檢測技術(shù)體系從數(shù)字射線檢測技術(shù)概念的角度,可將目前的射線檢測技術(shù)分成三個(gè)部分:直接數(shù)字化射線檢測技術(shù)、間接數(shù)字化射線檢測技術(shù)、后數(shù)字化射線檢測技術(shù)。直接數(shù)字化射線檢測技術(shù)是采用分立輻射探測器實(shí)現(xiàn)射線圖像記錄的技術(shù)。它包括CT技術(shù)、康普頓散射技術(shù)、平板探測器成像技術(shù)(DR)、線陣探測器實(shí)時(shí)成像技術(shù)(LDA)等。,.,間接數(shù)化射線檢測技術(shù)是需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換獲得射線檢測圖像的射線檢測技術(shù),它包括:圖像增強(qiáng)器實(shí)時(shí)成像技術(shù)、CR技術(shù)等。后數(shù)字化射線檢測技術(shù)是對膠片射線照相技術(shù),需要時(shí)它可以采用掃描裝置將膠片記錄的圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。后數(shù)字化射線檢測技術(shù),在進(jìn)行圖像數(shù)字化時(shí),存在損失膠片上記錄的某些微小細(xì)節(jié)信息的可能,在對圖像質(zhì)量要求越來越高的今天,后數(shù)字化技術(shù)意義不大。從一些文獻(xiàn)給出的結(jié)果來看,關(guān)于EPS靈敏度,直接數(shù)字化系統(tǒng)中的非晶硒探測器,可在遠(yuǎn)低于膠片曝光量的情況下獲得可與中顆粒膠片相比的靈敏度(可能已經(jīng)提高),而IP板等熒光物質(zhì)只能達(dá)到近似粗顆粒膠片的水平(可能已經(jīng)提高);對于直接數(shù)字化系統(tǒng)中的非晶硒探測器,在空間分辨率不大于4Lp/mm時(shí),可獲得可與膠片相比的對比度(可能已經(jīng)提高);而CR系統(tǒng)只能在很低的空間頻率時(shí)才能獲得可與膠片相比的對比度(可能已經(jīng)提高)。盡管數(shù)字射線技術(shù)在不斷發(fā)展,但到目前的基本狀況是,作為系統(tǒng)性能,無論是對比度或者是空間分辨率,都達(dá)不到膠片射線照相技術(shù)系統(tǒng)的水平,對于細(xì)小裂紋的檢測能力,一般說,與膠片照相技術(shù)還存在差距(可以已經(jīng)相當(dāng)或者有所超越)。,.,x射線膠片照相檢測作為一種常規(guī)無損檢測方法在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已有近百年的歷史,常規(guī)x射線探傷是用膠片作為信息記錄載體,檢測速度和成本等方面的問題使其已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需要。數(shù)字射線檢測技術(shù)主要特點(diǎn)是無需膠片照相,這與數(shù)碼相機(jī)代替膠卷相機(jī)一樣,檢測結(jié)果的載體是數(shù)字圖像。由連續(xù)信號構(gòu)成的圖像稱為模擬圖像,膠片照相法得到的底片圖像就是模擬圖像;而數(shù)字圖像是指由大量的像素點(diǎn)構(gòu)成的可用二進(jìn)制數(shù)字描述的圖像。除了以膠片作為信息記錄載體,以x射線和射線作為檢測手段的常規(guī)射線照相方法外,還有一些已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展的其他種類的射線檢測方法是:高能射線照相,中子射線照相,數(shù)字化技術(shù)的圖像增強(qiáng)射線實(shí)時(shí)成像、計(jì)算機(jī)X射線照相(CR)、數(shù)字平板直接成像(DR)、計(jì)算機(jī)射線層析成像(工業(yè)CT)以及線陣列掃描成像等。數(shù)字射線檢測技術(shù)其中的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要膠片和暗室處理。而常規(guī)射線照相方法(x、)、高能射線照相(x)和中子射線照相需要用膠片作為信息記錄載體,必然需要暗室處理,相對地屬于模擬檢測技術(shù)。,.,1)數(shù)字射線檢測技術(shù)有哪些優(yōu)點(diǎn)?相對于常規(guī)射線檢測技術(shù),數(shù)字射線檢測技術(shù)更高效、快捷、有更高的動態(tài)范圍,存儲、調(diào)用、復(fù)制和傳輸都很方便。數(shù)字圖像可以在電腦、手機(jī)、平板、投影儀等設(shè)備上顯示和觀察,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程評判和會診。而常規(guī)射線檢測技術(shù)得到的底片只能通過專業(yè)的觀片燈來觀察,一般有且只有一套,需要的存儲空間較大,調(diào)用和傳輸都很麻煩。數(shù)字技術(shù)系統(tǒng)目前的空間分辨力基本狀況是:直接數(shù)字化采用的探測器:可達(dá)6Lp/mm;CR成像板(IP板):可達(dá)10Lp/mm;圖像增強(qiáng)器:可達(dá)5Lp/mm;膠片掃描器:可達(dá)10Lp/mm。(Lp/mm:線對/毫米,空間分辨率單位)2)CR、DR、工業(yè)CT有哪些區(qū)別?CR和DR都能獲得工件的2D圖像,能對缺陷定性和定量,在長度、寬度方向定位,不能確定缺陷的深度,CR屬于間接數(shù)字成像,分辨率稍高于DR,而且CR的成像板可以切割和彎曲,對曲面工件有更好的適用性;DR屬于直接成像,效率高于CR,但其探測器(數(shù)字平板)不能彎曲,這限制了它的適用性。CT技術(shù)能獲得工件的3D圖像,能夠?qū)θ毕荻ㄐ浴⒍俊⒕_定位(長度、寬度、深度)。除CT以外的技術(shù),是把工件全厚度方向上的信息重疊投影在一張底片上,無法分清各部分結(jié)構(gòu)或缺陷的位置(水平方向和深度方向)。而工業(yè)CT是工件的分層斷面圖像,可給出工件任一斷面(分層平面)的圖像,可以發(fā)現(xiàn)該斷面內(nèi)任何方向分布的缺陷,它具有影像不重疊、層次分明、對比度高和分辨率高等特點(diǎn)。,.,8.2高能射線照相能量在1MeV以上的x射線被稱為高能射線。由加速器產(chǎn)生,加速器分為兩種:回旋加速器和直線加速器。1、電子回旋加速器回旋加速器是利用帶電粒子在電場中被加速、在勻強(qiáng)磁場中作勻速圓周運(yùn)動的半徑不斷變大,而周期不變的特點(diǎn),使粒子在磁場中每轉(zhuǎn)半周即能在電場中加速一次,從而使粒子獲得高速的裝置。電子回旋加速器采用變壓器的磁感效應(yīng)使電子加速。變壓器的一次繞組與交流電源連接,使鐵芯上的二次繞組產(chǎn)生的電壓等于二次繞組的匝數(shù)與磁通量的時(shí)間變化速率的乘積,產(chǎn)生的電子由存在于導(dǎo)線中的自由電子構(gòu)成。電子回旋加速器本質(zhì)上是一個(gè)變壓器。二次繞組是一個(gè)瓷制環(huán)形真空管,位于產(chǎn)生脈沖磁場的電磁體的兩級之間,射入管中的電子由于磁場作用將在環(huán)形通道中加速,作用在粒子上的力與磁通量變化速率和磁場大小成正比。被加速的電子在撞擊靶之前要環(huán)繞軌道旋轉(zhuǎn)幾十萬圈,以獲得足夠的能量。電子回旋加速器的焦點(diǎn)很小,照相幾何不清晰度小,可獲得高靈敏度的照片,但設(shè)備復(fù)雜,造價(jià)高,體積大,射線強(qiáng)度低,影響了它的應(yīng)用。,.,2、直線加速器直線加速器是采用沿直線軌道分布的高頻電場加速電子、質(zhì)子和重離子的裝置。通常用高功率的高頻或微波功率源來激勵(lì)加速腔。直線加速器的加速電場有行波和駐波兩類。由于電子即使在低能時(shí)也接近光速,大部分電子直線加速器采用行波加速方式。直線加速器的主體是由一系列空腔構(gòu)成的加速管,空腔兩端有孔可以使電子通過,電子從一個(gè)空腔進(jìn)入到下一個(gè)空腔,電子被加速一次。直線加速器使用射頻(RF)電磁場加速電子,利用磁控管產(chǎn)生自激振蕩發(fā)射微波,通過波導(dǎo)管把微波輸入到加速管內(nèi)。加速管空腔被設(shè)計(jì)成諧振腔,由電子槍發(fā)射的電子在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候射入空腔,穿過諧振腔的電子正好在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻到達(dá)磁場中某一加速點(diǎn)被加速,從而增加了能量,被加速的電子從前一腔出來后進(jìn)入下一個(gè)空腔被繼續(xù)加速,直到獲得很高的能量。電子到達(dá)靶時(shí)的速度可達(dá)光速的99%(亞光速),高速電子撞擊靶產(chǎn)生高能x射線。目前用于射線照相檢測的直線加速器有:行波加速器和駐波加速器。與電子回旋加速器相比,直線加速器焦點(diǎn)稍大,但其體積小,電子束流大,產(chǎn)生的x射線強(qiáng)度大,更適合用于工業(yè)射線照相。,.,直線加速器機(jī)頭,.,直線加速器機(jī)頭,.,直線加速器機(jī)頭,.,直線加速器控制箱,.,直線加速器電控柜,.,直線加速器電控柜,.,直線加速器電源箱,.,3、高能射線照相的特點(diǎn)1)高能射線穿透力強(qiáng),透照厚度大X:鋼小于100mm;Co60:鋼小于200mm;高能射線:124MeV,400mm。2)焦點(diǎn)小,焦距大,照相清晰高電子回旋加速器:df=0.30.5mm;直線加速器:df=13mm;為了保證足夠大的輻射場,高能射線照相需要采用大焦距,小焦點(diǎn)和大焦距均有利于提高照相清晰度。3)散射線少,照相靈敏度高在高能范圍,射線光量子與物質(zhì)的作用主要是康普頓散射和電子對效應(yīng),散射比隨著射線能量的提高不斷降低,另外,具有很高能量的次級粒子所引起的進(jìn)一步散射主要集中在一次射線方向,大角度散射總量少。因此,高能射線照相散射比小,照相靈敏度高。4)射線的能量和強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)被加速的電子,速度和數(shù)量可以調(diào)節(jié),因此輸出的射線能量和強(qiáng)度也可以調(diào)節(jié)。即通過調(diào)節(jié)被加速電子的速度和數(shù)量來調(diào)節(jié)輸出的射線能量和強(qiáng)度。,.,5)射線強(qiáng)度大,曝光時(shí)間短,可以連續(xù)運(yùn)行,工作效率高直線加速器距離靶1m處的劑量可達(dá)4100Gy/min,大大高于射線的劑量率。曝光時(shí)間短,100mm鋼工件曝光約1min左右,并且散熱做的較好,因此,可以連續(xù)運(yùn)行,提高工作效率。6)照相厚度寬容度大物質(zhì)對高能射線的吸收系數(shù)隨能量變化較緩慢。大致在110MeV范圍,物質(zhì)的吸收系數(shù)隨能量增高緩慢減小,而在10100MeV范圍,物質(zhì)的吸收系數(shù)隨能量增高而緩慢增大。這種變化規(guī)率使高能射線照相具有很大的厚度寬容度。應(yīng)用高能射線照相對厚度差異大的工件,如曲軸、渦輪葉片等進(jìn)行檢測,可不考慮采用補(bǔ)償塊或其他特殊的工藝措施,即使工件的厚度相差一倍也能達(dá)到一般標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的黑度要求,而低能射線照相則達(dá)不到這樣的厚度寬容度。,.,4、高能射線照相的幾個(gè)技術(shù)數(shù)據(jù)1)固有不清晰度固有不清晰度因射線能量高而較大,與低能射線照相相反,固有不清晰度成為影響高能射線照相清晰度的主要因素。2)靈敏度在大多數(shù)材質(zhì)和厚度范圍內(nèi),如果工藝正確,高能射線的靈敏度能夠1%。3)增感屏高能射線照相中,前屏的厚度對增感和濾波作用均產(chǎn)生顯著影響。而后屏的厚度對增感來說相對不重要。因此,高能射線照相時(shí)可以用也可以不用后屏。實(shí)驗(yàn)證明,某些條件下高能射線照相的靈敏度在不使用后屏?xí)r反而有所提高,這一點(diǎn)與常規(guī)射線照相有所不同。實(shí)際照相時(shí),前屏通常選擇厚度0.25mm左右的鉛增感屏,如使用后屏,其厚度可與前民間相同。除鉛之外,根據(jù)需要也可采用銅、鉭和鎢等材料做增感屏,以滿足不同的檢測要求。,.,5、高能射線的輻射防護(hù)措施加速器產(chǎn)生的高能射線,不但能量高,而且強(qiáng)度也很大。假設(shè)一臺加速器在距離靶1m處每分鐘輸出的射線劑量是4Gy,能量是4MeV,若人員被該設(shè)備誤照是十分危險(xiǎn)的,因?yàn)槿梭w全射輻射的半致死劑量就是4Gy,因此,必須嚴(yán)格做好安全防護(hù)措施。1)加速器的防護(hù)主要采用屏蔽防護(hù),加速器的曝光室必須時(shí)行專門的安全防護(hù)設(shè)計(jì),室外的劑量率必須低于國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。2)因?yàn)楦吣躼射線對空氣進(jìn)行電離后產(chǎn)生的臭氧和氮氧化物對人體有害,因此室內(nèi)必須安裝通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行換氣。3)對于直線加速器,除了高能x射線的誤傷害防護(hù)之外,還應(yīng)時(shí)行微波輻射防護(hù),同時(shí)還要預(yù)防高電壓、氟利昂氣體等對人體的危害。,.,8.3射線實(shí)時(shí)成像檢測技術(shù)射線實(shí)時(shí)成像檢測技術(shù),是指在曝光透照的同時(shí)就可觀察到所產(chǎn)生的圖像的檢測技術(shù)。這就要求圖像能隨著成像物體的變化迅速改變,一般要求圖像的采集速度至少達(dá)到25幀/s。能達(dá)到這一要求的裝置有較早使用的x射線熒光檢測系統(tǒng),以及目前正在應(yīng)用的圖像增強(qiáng)器射線實(shí)時(shí)成像檢測系統(tǒng)。1、圖像增強(qiáng)器射線實(shí)時(shí)成像原理射線實(shí)時(shí)成像可以用兩個(gè)“轉(zhuǎn)換”來描述:圖像增強(qiáng)器的輸入轉(zhuǎn)換屏接收穿透金屬材料后的x射線,將其轉(zhuǎn)換為光學(xué)圖像,稱為“光電轉(zhuǎn)換”;然后,圖像增強(qiáng)器的光電層將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電子后發(fā)射,聚焦電極加有2530kV的高壓加速電子,并將其聚焦到輸出屏。輸出屏再將電子能量轉(zhuǎn)換為可見光圖像,圖像處理器(數(shù)碼攝像機(jī))通過A/D轉(zhuǎn)換將接收到的可見光圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送到顯示器上。其過程為:射線模擬信號輸入屏閃爍體可見光輸入屏光電層電子輸出屏可見光CCD或其它攝像機(jī)視頻信號A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字圖像顯示與評判。在圖像增強(qiáng)器中實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換過程為:射線可見光電子可見光。圖像增強(qiáng)器射線實(shí)時(shí)成像是間接化數(shù)字成像技術(shù)。圖像增強(qiáng)器是系統(tǒng)最重要的部件。,.,射線圖像數(shù)字化過程-圖像增強(qiáng)器間接數(shù)字化示意圖1-射線源2-機(jī)械裝置3-圖像增強(qiáng)器4-圖像顯示與處理部分5-視頻攝像系統(tǒng)6-工件可采取靜態(tài)圖像或動態(tài)視頻圖像采集。圖像增強(qiáng)器間接數(shù)字化圖像空間分辨力影響因素:輸入屏不清晰度、視頻攝像系統(tǒng)數(shù)字化采樣過程像素尺寸(采樣間隔)等的影響。,.,射線圖像數(shù)字化過程-圖像增強(qiáng)器間接數(shù)字化,.,2、射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)圖像的構(gòu)成要素1)像素:像素是構(gòu)成數(shù)字圖像的基本單元。像素越多,單個(gè)像素的尺寸越小,圖像的分辨率就越高,圖像越清晰。CRT顯示器圖像的像素取決于掃描密度,例如:由1024行水平掃描和768行垂直掃描構(gòu)成的圖像,包含有1024768個(gè)像素。在攝像系統(tǒng)以及液晶顯示器中,圖像的像素取決于CCD/CMOS光電傳感器上的光敏元件數(shù)目,一個(gè)光敏元件對應(yīng)一個(gè)像素。2)灰度:像素的亮度等級稱為灰度。其變化取決于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù),用二進(jìn)制表示。如果是8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,則灰度可分為2的8次方=256個(gè)級別。3、射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)圖像的質(zhì)量指標(biāo)射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)圖像質(zhì)量的主要指標(biāo)有:圖像分辨率、圖像不清晰度和對比靈敏度。這三個(gè)指標(biāo)可大致對應(yīng)于膠片照相的顆粒度、不清晰度和對比度。,.,3、射線實(shí)時(shí)成像檢測技術(shù)的工藝要點(diǎn)1)最佳放大倍數(shù);2)掃描速度和定位精度;3)圖像處理;4)系統(tǒng)性能校驗(yàn)。4、圖像增強(qiáng)器射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和局限性與常規(guī)射線膠片照相比較:1)工件的透照檢測和獲得透視圖像同步,檢測速快,工作效率高。2)不使用膠片,不需要暗室處理的化學(xué)藥品,運(yùn)行成本低,無環(huán)境污染。3)檢測結(jié)果可轉(zhuǎn)化為數(shù)字化圖像用U盤等電子存儲器存儲、調(diào)用、復(fù)制、傳送比底片方便。4)圖像質(zhì)量,尤其是空間分辨率和清晰度低于膠片射線照相。5)圖像增強(qiáng)器體積較大,檢測系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性不如常規(guī)便攜式射線裝置。6)設(shè)備一次性投資較大。維護(hù)成本也較高。7)顯示視域有局限,圖像的邊緣容易扭曲失真。8)僅在最后階段通過數(shù)字?jǐn)z像機(jī)才變成數(shù)字信號圖像,而其成像過程,從射線作用再經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換,造成信噪比降低和圖像質(zhì)量劣化,影響最終獲得的數(shù)字圖像質(zhì)量。,.,8.4數(shù)字化射線成像技術(shù)數(shù)字化射線成像技術(shù)包括計(jì)算機(jī)x射線照相技術(shù)(CR)、數(shù)字平板技術(shù)(DR)、線陣列掃描成像技術(shù)(LDA)。DR包括非晶硅(a-Si)數(shù)字平板、非晶硒(a-Se)數(shù)字平板和CMOS數(shù)字平板。1、計(jì)算機(jī)射線照相技術(shù)(CR)計(jì)算機(jī)射線照相,是指將x射線透過工件后的信息(由工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化引起的透過射線的強(qiáng)度變化)記錄在成像板上(LP板),經(jīng)掃描裝置讀取,再由計(jì)算機(jī)生成數(shù)字化圖像的技術(shù)。整個(gè)系統(tǒng)由成像板、激光掃描讀出器、數(shù)字圖像處理和儲存系統(tǒng)(計(jì)算機(jī)軟件)、硬件(打印機(jī)和其他存儲介質(zhì))組成。1.1計(jì)算機(jī)射線照相的工作過程:1)曝光:用普通x射線機(jī)對裝在暗盒內(nèi)的成像板曝光,射線穿過工件到至達(dá)成像板,成像板上的熒光物質(zhì)具有保留潛在圖像信息的能力,即形成潛影。2)掃描:成像板上的潛影是由熒光物質(zhì)在較高能帶俘獲的電子形成光激發(fā)射熒光中心構(gòu)成,在激光照料射下,光激發(fā)射熒光中心的電子將返回它們的初始能級,并以發(fā)射可見光的形式輸出能量,所發(fā)射的可見光強(qiáng)度與原來接收的射線劑量成比例。因此可用激光掃描儀逐點(diǎn)逐行進(jìn)行掃描,將存儲在成像板上的熒光潛影轉(zhuǎn)換為可光見信號。,.,3)成像:通過具有光電倍增和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的讀出器將轉(zhuǎn)換的可見光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給計(jì)算機(jī),數(shù)字信號被計(jì)算機(jī)重建為可視影像顯示在顯示器上,根據(jù)需要對圖像進(jìn)行數(shù)字處理。激光掃描讀出圖像的速度:對100mm420mm的成像板中,完成掃描讀出過程不超過1min,讀出器有多槽自動排列讀出器和單槽讀出器兩種,前者可在同一時(shí)間內(nèi)處理更多的成像板。4)擦除:完成影像信息的讀取后,可對成像板上的殘留信號進(jìn)行消影處理,為下次使用做好準(zhǔn)備。成像板的壽命可達(dá)數(shù)千次。計(jì)算機(jī)射線照相的整個(gè)工作流程可以描述為:射線模擬信號IP板激光熒光光電倍增管電信號A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像合成、顯示與評定。計(jì)算機(jī)射線照相檢測是間接數(shù)字化技術(shù)。1.2計(jì)算機(jī)射線照相系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)1)激光掃描儀的性能參數(shù)。2)成像板(IP板)的性能參數(shù)。3)空間分辨率和信噪比。4)圖像不清晰度。,.,1.3計(jì)算機(jī)射線照相技術(shù)(CR)的優(yōu)點(diǎn)和局限性1)原有的x射線設(shè)備不需要更換或改造,可以直接使用。2)寬容度大,曝光條件易選擇,對曝光不足或過度的膠片可通過影像處理進(jìn)行補(bǔ)救。3)可減小照相曝光量。CR技術(shù)可對成像板獲取的信息進(jìn)行放大增益,從而大幅度地減少x射線曝光量。與膠片射線照相比較,根據(jù)成像板的特點(diǎn),曝光量可減少10%60%。這也有利于輻射防護(hù)。4)CR技術(shù)產(chǎn)生的數(shù)字圖像存儲、傳輸、提取、觀察方便。5)成像板與膠片一樣,有不同規(guī)格,能夠分割和彎曲,對曲面工件的適應(yīng)性好。成像板可重復(fù)使用幾千次,其壽命決定于機(jī)械磨損程度。雖然單板的價(jià)格昂貴,但實(shí)際比膠片更便宜。6)CR成像的空間分辨率可達(dá)5Lp/mm(即100mm),稍低于膠片水平。7、雖然比膠片照相速度快一些,但是不能直接獲取圖像,必須將CR屏放入讀取器中才能得到圖像。8、CR成像板與膠片一樣,對使用條件有一定要求,不能在潮濕的環(huán)中和極端的溫度條件下使用。,.,射線圖像數(shù)字化過程-IP板(CR技術(shù))間接數(shù)字化,.,射線圖像數(shù)字化過程-IP板(CR技術(shù))間接數(shù)字化檢測過程可分為獨(dú)立的三步:透照、讀出、評定。,射線模擬信號IP板激光熒光光電倍增管電信號A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像合成、顯示與評定。,圖像空間分辨影響因素:IP板本身的空間分辨力(不清晰度);圖像讀出時(shí)采用的掃描點(diǎn)尺寸;掃描步進(jìn)精度。,.,2、線陣列掃描成像技術(shù)(LDA)1)線陣列掃描數(shù)字成像系統(tǒng)工作原理(如圖所示)由x射線機(jī)發(fā)出的經(jīng)準(zhǔn)直為扇形的一束x射線,穿過被檢工件,被線掃描成像器(LDA探測器)接收,將x射線直接轉(zhuǎn)成數(shù)字信號,然后傳送到圖像采集控制器和計(jì)算機(jī)中。每次掃描LDA探濁器所生成的圖像僅僅是很窄的一條線。為了獲得完整的圖像,就必須使被檢工件作勻速運(yùn)動,同時(shí)反復(fù)進(jìn)行掃描,計(jì)算機(jī)將多次掃描獲得的線形圖像進(jìn)行組合,最后在顯示器上顯示出完整的圖像,完成整個(gè)成像過程。線陣列掃描技術(shù)是直接數(shù)字化成像,同時(shí)也是實(shí)時(shí)成像技術(shù)。目前LDA成像器具有承受管電壓450kV的x射線直接照射的能力。,.,2)線陣列掃描數(shù)字成像系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和局限性由于線陣列掃描探測器本身具有數(shù)字化采集功能,因此光學(xué)鏡頭、攝像機(jī)和圖像采集卡可以省略;線陣列掃描探測器的造價(jià)比圖像增強(qiáng)器高,比數(shù)字平板(DR)低很多,但是由于線陣列探測器是采取線掃描逐行成像,對X射線源不過分強(qiáng)調(diào)采用小焦點(diǎn),同時(shí)省略了光學(xué)鏡頭、攝像機(jī)和圖像采集卡,因此,總體造價(jià)比圖像增強(qiáng)器成像系統(tǒng)高不了太多。圖像質(zhì)量比圖像增強(qiáng)技術(shù)高,但低于數(shù)子平板技術(shù)(DR),更低于計(jì)算機(jī)射線照相技術(shù)(CR)。但是,線陣列探測器X射線實(shí)時(shí)成像檢測技術(shù)的成像速度比計(jì)算機(jī)射線照相技術(shù)(CR)快的多,但比圖像增強(qiáng)器實(shí)時(shí)成像慢,影響了檢測效率的發(fā)揮,這是它的美中不足之處。運(yùn)行費(fèi)用低,大致與圖像增強(qiáng)器實(shí)時(shí)成像相近。線陣列探測器X射線實(shí)時(shí)成像檢測技術(shù)當(dāng)前在氣瓶、鍋爐、壓力容器、壓力管道、油氣長輸管道對接焊縫及機(jī)械零件、航空航天部件的無損檢測領(lǐng)域中都有非常好的應(yīng)用。,.,3)線掃描成像器的技術(shù)特性空間分辨率LDA的像素尺寸在80250m。動態(tài)范圍比理論值低。動態(tài)校準(zhǔn)閃爍體材質(zhì)的不均勻性、光電二極管的轉(zhuǎn)換不一致性、溫度的變化都要求對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)。掃描速度系統(tǒng)的掃描速度取決于x射線光通量的大小,而x射線光通量同時(shí)還影響著數(shù)字圖像的質(zhì)量。與射線相關(guān)的設(shè)計(jì)閃爍體須與x射線的能量相匹配,因此,不同的射線源,對LDA的設(shè)計(jì)也會明顯的差別,必須考慮閃爍體的承受能力。目前LDA成像器具有承受管電壓450kV的x射線直接照射的能力。x射線的屏蔽和準(zhǔn)直影響著圖像的信噪比。,.,.,3、數(shù)字平板直接成像技術(shù)(DR)數(shù)字平板直接成像技術(shù)是近幾年才發(fā)展起來的全新的數(shù)字化成像技術(shù)。數(shù)字平板直接成像技術(shù)與膠片和CR的處理過程不同,在兩次照射期間,不必更換膠片和存儲熒光板,僅需要幾秒鐘的數(shù)據(jù)采集,就可以觀察到圖像,檢測速度和效率大大高于膠片和CR技術(shù)。除了不能分割和彎曲外,數(shù)字平板與膠片和CR具有幾乎相販適應(yīng)性和應(yīng)用范圍。數(shù)字平板的成像質(zhì)量比圖像增強(qiáng)器射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)好很多,不僅成像區(qū)均勻,滑邊緣幾何變形,而空間分辨率和靈敏度要高得多,其圖像質(zhì)量已接近或達(dá)到膠片照相水平。與線陣列掃描成像(LDA)相比,數(shù)字平板可做成大面積平板一次曝光形成圖像,而不需要通過移動或旋轉(zhuǎn)工件,經(jīng)過多次線掃描才獲得圖像。數(shù)字平板技術(shù)有非晶硅(a-Si)和非晶硒(a-Se)和CMOS三種。,.,1)非晶硅與非晶硒非晶硅平板成像稱為間接成像:需要中間媒介閃爍層將x射線轉(zhuǎn)換為可見光,再轉(zhuǎn)換為電信號。非晶硒平板成像稱為直接成像:x射線撞擊硒層,硒層直接將x射線轉(zhuǎn)換成電荷。目前,非晶硅和非晶硒的空間分辨率都不如膠片。非晶硒與非晶硅相比,非晶硒的空間分辨率更好一些。當(dāng)要求分辨率小于200m時(shí)應(yīng)使用非晶硒板。當(dāng)允許的分辨率大于200m時(shí)可考慮使用非晶硅。非晶硅的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是獲得圖像的速度比非硒板更快。,.,2)CMOS數(shù)字平板CMOS數(shù)字平板由集成的CMOS記憶芯片構(gòu)成,所謂的“CMOS”是互補(bǔ)金屬氧化物硅半導(dǎo)體。和CCD一樣,是可記錄光線變化的半導(dǎo)體。CMOS探測器上可以使用任何x射線:脈沖的、整流的、恒壓的,電流從幾微安培到30安培,改進(jìn)的CMOS探測器可以接收450keV20keV的能量。掃描式探測器要求恒壓X射線機(jī),能量從20keV300keV的電壓及任何大小的電流。,.,CM0S的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)芯片沒有什么差加,主要是和硅和鍺(zh)這兩種元素所做成的半導(dǎo)體,使其在CMOS上共存著帶N(帶正電)和P(帶正電)級的半導(dǎo)體,這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)有所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像?!盎钚韵裨筋^技術(shù)”是指把所有的電子制制和放大電路放置于每一個(gè)圖你探頭上,取代一般探頭器在邊沿布線的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使CMOS探測器的抗震性更強(qiáng),壽命更長。CMOS受溫度的影響非常小,工作溫度范圍很寬,從0.5543.3的溫度變化范圍都不需要標(biāo)定(標(biāo)定的意思就是校準(zhǔn))。CMOS探測器的填充系數(shù)高達(dá)90%以上,高出非晶硅探測器約60%。探測器的填充系數(shù)是活性區(qū)域表面的百分比,是表征元器件探測光電子的能力的指標(biāo),填充系數(shù)越高,其靈敏度也應(yīng)越高。采用軸外檢測方法,可消除散射(不希望的信號)(實(shí)際為減少),減少輻射對探測器的直接沖擊(輻射噪聲),延長探測器使用命。由于主要的輻射光束被屏蔽了,可以有很高的信噪比。使用小型CMOS系統(tǒng),曝光時(shí)間為0.53秒,把數(shù)據(jù)修正并把圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)工作站上,并顯示出約需10秒,可以認(rèn)為是實(shí)時(shí)成像?。如果精度為80m,圖像接收板的掃描速度最高可達(dá)2.5m/min。,.,4、數(shù)字化射線成像技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)各種數(shù)字化射線成像技術(shù)的共同特點(diǎn)是:檢測過程容易實(shí)現(xiàn)自動化,工作效率高,成像質(zhì)量好,數(shù)字圖像的處理、存儲、傳輸、提取、觀察應(yīng)用十分方便。從成像速度來說,各種數(shù)字化射線成像技術(shù)均比不上圖像增強(qiáng)器實(shí)時(shí)成像,但比膠片照相或CR技術(shù)快得多。膠片照相或CR技術(shù)在兩次照射期間需要更換膠片和存儲熒光板,曝光后需沖洗和放入專門裝置讀取,需要花費(fèi)許多時(shí)間。而數(shù)字化射線成像技術(shù)僅僅需要幾秒鐘到幾十秒的數(shù)據(jù)采集時(shí)間,就可以觀察到圖像。數(shù)字化射線成像技術(shù)成像的速度與成像精度有關(guān),其中最快的非晶硅平板可以每秒30幅的速度顯示圖像,甚至可以替代圖像增強(qiáng)器,然而,成像速度越快,所獲得的圖像的質(zhì)量就越低。成像速度由高到低圖像增強(qiáng)器CCD實(shí)時(shí)成像非晶硅非晶硒CMOSLDACR膠片照相底片掃描。,.,除了不能進(jìn)行分割和彎曲以外,數(shù)字平板能夠與膠片和CR有同樣的應(yīng)范圍,可以被放置在機(jī)械或傳送帶位置,檢測通過的零件(在線檢測),也可以采用多角度配置進(jìn)行多視域的檢測。適用性適用性由好到差CR膠片照相底片掃描非晶硅非晶硒CMOSLDA圖像增強(qiáng)器CCD實(shí)時(shí)成像。,.,數(shù)字化射線成像技術(shù)的圖像質(zhì)量比圖像增強(qiáng)器射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)高得多。各種成像技術(shù)比較:使用幾何放大的圖像增強(qiáng)器線性的空間分辨率約為300m,二級管陣列(LDA)的空間分辨率約為250m,非晶硅/非晶硒接收板的空間分辨率約為130m,CR平板的空間分辨率約為100m。小型CMOS探測器的像素尺寸約為50m,掃描式CMOS陣列探測器的像素為80m,使用幾何放大的掃描式CMOS陣列探測器的空間分辨率可達(dá)到幾m。一般情況下,50m以下的分辨率適合于集成電路檢測;50125m的分辨率適合焊接接頭檢測,100200m的分辨率適合鑄造和鍛造零件的檢測,200240m的分辨率只適合醫(yī)療診斷和工業(yè)CT??臻g分辨率空間分辨率由高到低膠片照相CR底片掃描CMOS非晶硒非晶硅線陣列掃描成像LDA圖像增強(qiáng)器CCD實(shí)時(shí)成像。,.,增加射線劑量(mAmin)、降低圖像傳感器動態(tài)范圍和增加信號增益可以大幅度提高圖像對比度和靈敏度,但寬容度會大幅下降,反之亦然。從應(yīng)用的角度考慮,焊接接頭檢測選擇高對比度探測器,而復(fù)雜零件檢測選擇寬容度大的探測器。數(shù)字化平板的共同缺點(diǎn)是其價(jià)格昂貴,而膠片和CR的成本相對較低,數(shù)字平板需要連接電纜和電源;非晶硅/非晶硒接收板數(shù)板易碎,其靈敏度會隨溫度變化。一次投入費(fèi)用/運(yùn)營成本一次投入費(fèi)用由高到低CMOS非晶硒非晶LDACR圖像增強(qiáng)器CCD實(shí)時(shí)成像底片掃描膠片照相。運(yùn)營成本由高到低底片掃描膠片照相CR非晶硒非晶硅CMOSLDA圖像增強(qiáng)器CCD實(shí)時(shí)成像。(這里說的運(yùn)營成本是指長期運(yùn)行材料消耗的成本,是否也包括維修保養(yǎng)的費(fèi)用?),.,8.5x射線層析照相(x-CT)x射線計(jì)算機(jī)層析是近30年來迅速發(fā)展起來看計(jì)算機(jī)與x射線相結(jié)合的檢測技術(shù)。該技術(shù)最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué),工業(yè)CT檢測技術(shù)在上世80年代末逐步進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。1)工作原理簡介工業(yè)CT是用經(jīng)過高度準(zhǔn)直的窄束x射線對工件分層進(jìn)行掃描。X射線管與探測器作為同步轉(zhuǎn)動的整體,分別位于工件兩測的相對位置。檢查中x射線束從各個(gè)方向?qū)Ρ惶讲榈臄喟龠M(jìn)行掃描,位于對側(cè)的探測器接收透過斷面的x射線,然后將這些x射線信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?,再由?數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理,最后由圖像顯示器用不同的灰度等級顯示出來,就成為一幅x-CT圖像。,.,2)工業(yè)CT技術(shù)的應(yīng)用(1)缺陷檢測:在一定的檢測方式下,對氣孔、夾雜、針孔、縮孔、分層、裂紋等各種常見缺陷具有很高的探測靈敏度。(2)尺寸測量:利用工業(yè)CT的二維或三維圖像,可實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)尺寸、裝配間隙、壁厚和位置關(guān)系的高精度測量。用于精密零部件的尺寸測量,誤差不大于0.1mm。(3)結(jié)構(gòu)分析:通過CT檢測封閉物體,可獲得物體內(nèi)部二維或三維結(jié)構(gòu)分布,實(shí)現(xiàn)偏心、變形、間隙等信息分析,對判斷裝配質(zhì)量具有優(yōu)勢。(4)密度分析:由于其較高對比度靈敏度,是對缺陷檢測尤其密度分布測量具有優(yōu)勢。,.,3)工業(yè)CT技術(shù)的特點(diǎn)(1)準(zhǔn)確率高。CT技術(shù)能獲得工件的3D圖像,能夠?qū)θ毕荻ㄐ?、定量、精確定位(長度、寬度、深度)。除CT以外的技術(shù),是把工件全厚度方向上的信息重疊投影在一張底片上,無法分清各部分結(jié)構(gòu)或缺陷的位置(水平方向和深度方向)。而工業(yè)CT是工件的分層斷面圖像,可給出工件任一平面層(斷面的各分層平面)的圖像,可以發(fā)現(xiàn)平面內(nèi)任何方向分布的缺陷,它具有影像不重疊、層次分明、對比度高和分辨率高等特點(diǎn)。(2)產(chǎn)生的數(shù)字化圖像信號貯存、轉(zhuǎn)錄十分方便。(3)完整地檢測一個(gè)工件比常規(guī)射線照相需要的時(shí)間長的多,費(fèi)用也要高的多。(4)工業(yè)CT系統(tǒng)一次性投入價(jià)格很高。,.,x-CT層析成像工作原理圖示,.,x-CT層析成像工作原理圖示,.,x-CT層析成像檢測系統(tǒng),.,x-CT層析成像工作原理圖示,.,工業(yè)CT層析成像檢測技術(shù)發(fā)展用一個(gè)X射線源,一個(gè)探測器;探測器和射線源同步作平移運(yùn)動,并旋轉(zhuǎn)掃描以獲取投影數(shù)據(jù);第一代主要缺點(diǎn)是采集數(shù)據(jù)的時(shí)間比較長,每次約需要幾分鐘。,.,工業(yè)CT層析成像檢測技術(shù)發(fā)展用一個(gè)小角度扇形射線束和多個(gè)檢測器來代替原來的單一檢測器。使在每一個(gè)發(fā)射位置上可以同時(shí)檢測到多個(gè)投影數(shù)據(jù)。由于是扇形射線束對應(yīng)多個(gè)探測器,整個(gè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間縮短。,.,工業(yè)CT層析成像檢測技術(shù)發(fā)展第三代:它與一,二代掃描儀不同。它只包含扇形束的旋轉(zhuǎn)掃描,而不包括X射線源與檢測器的平移運(yùn)動。因?yàn)榈谌鷴呙鑳x的扇形束,已擴(kuò)展至能容納下整個(gè)工件的截面。檢測器陣列通常有幾百個(gè)或上千個(gè)檢測器單元,依次排列而成。工件圍繞著一個(gè)公共軸心旋轉(zhuǎn),X射線源與檢測器同時(shí)作上下平移運(yùn)動(Z軸同步)。這一代掃描儀的明顯優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化了,可以保證機(jī)械掃描精度,并使掃描速度有了明顯的提高(通常為幾秒鐘)。第四代掃描儀采用在360度圓周上固定安裝好的檢測器,數(shù)據(jù)的采集只是靠旋轉(zhuǎn)X射線源,整個(gè)探測器陣列是不動的。它的缺點(diǎn)是對某一特定的檢測單元來說,在不同的掃描位置上,X射線以不同的角度轟擊探測器,這將對重建圖像的質(zhì)量發(fā)生影響。同時(shí)制造成本也高。,.,.,工業(yè)CT層析成像檢測技術(shù)發(fā)展,.,工業(yè)CT層析成像檢測技術(shù)發(fā)展,.,8.6中子射線照相1、中子射線物理知識簡介中子是一種不帶電的基本粒子,中子射線與x射線和射線唯一的相同點(diǎn)是都屬于不帶電粒子束流,具有很強(qiáng)的穿透物質(zhì)的能力。X射線

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