第三章射線檢測(cè)技術(shù)

1、第三章 射線檢測(cè)技術(shù)射線的種類射線的特點(diǎn)射線檢測(cè)原理及方法射線檢測(cè)照相工藝射線檢測(cè)應(yīng)用射線的種類1.1 X射線1.1.1 X射線的產(chǎn)生 x射線是由x射線管產(chǎn)生，它的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有高真空度的二極管，由陰極、陽極和保持高真空度的玻璃外殼構(gòu)成： 陰極陰極 陰極的作用是發(fā)射電子和聚焦電子。 陰極是由鎢絲和陰極頭構(gòu)成的。當(dāng)鎢絲通過電流加熱時(shí)，就放出熱電子，熱電子在高壓電場(chǎng)作用下，高速飛向陽極轟擊靶而產(chǎn)生x射線。 根據(jù)要求的焦點(diǎn)形狀，鎢絲繞成螺繞環(huán)形(圓焦點(diǎn))或螺 線管形(線焦點(diǎn))。陰極頭具有一定凹面形狀，它對(duì)燈絲發(fā)射的電子具有聚焦作用。 陽極陽極 陽極是產(chǎn)生x射線的主體，它一般由陽極靶、陽極體和陽極

2、罩三部分組成。 陽極的作用： x射線機(jī)通常使用的是鎢靶，可產(chǎn)生較硬的 x射線，或者用鉬靶，可產(chǎn)生較軟的x射線。 陽極靶通常是由熔點(diǎn)較高原子序數(shù)較大的金屬制成，這種金屬產(chǎn)生x射線的效率較高。 陽極體選用熱容量大，導(dǎo)熱率高的金屬制作，一般用銅。 金屬靶一般鑄焊在銅陽極體上，使靶上的熱 量及時(shí)通過陽極體散發(fā)出去。 陽極罩也是銅做的，它的作用是吸收在陽極附近產(chǎn)生的二次電子，銅陽極罩與靶面相對(duì)的一邊開有窗口，裝有原子序數(shù)小的鈹板 (Z4)，使射線從窗口射出，并濾除了一部分軟x射線。 焦點(diǎn)焦點(diǎn) 實(shí)際焦點(diǎn)實(shí)際焦點(diǎn) 陰極發(fā)射的電子束與陽極靶的傾斜面相交所形成的一塊面積是陽極靶受電子束轟擊產(chǎn)生x射線的部分，稱之

3、為x射線管的實(shí)際焦點(diǎn)。 有效焦點(diǎn)有效焦點(diǎn) 實(shí)際焦點(diǎn)在垂直于管軸線方向(即射線束中心方向)的投影稱為有效焦點(diǎn)。 探傷機(jī)說明書上提供的焦點(diǎn)尺寸即是有效焦點(diǎn)。 焦點(diǎn)的要求焦點(diǎn)的要求 x射線管有效焦點(diǎn)的大小是x射線機(jī)主要性能之，為影響透照清晰度和靈敏度的主要因素。 從探傷靈敏度、清晰度要求來說 希望焦點(diǎn)越小越好。 但焦點(diǎn)小了射線管承受的功率就小，輻射強(qiáng)度低，在同樣工件厚度下就要延長(zhǎng)曝光時(shí)間。否則靶容易被擊穿。1.1.2 X射線強(qiáng)度的影響因素 射線強(qiáng)度正比于陰極電子（管電流）； 射線強(qiáng)度正比于管電壓的平方（電壓高波長(zhǎng)短）； 射線強(qiáng)度正比于陽極材料的原子序數(shù)Z。1.2 射線1.2.1 產(chǎn)生 放射性同位素的

4、原子核自然衰變時(shí)產(chǎn)生的電磁波，波長(zhǎng)比X射線短，穿透能力更強(qiáng)。 半衰期半衰期 T 放射性物質(zhì)的原子數(shù)目因衰變而減少到原來一半時(shí)所需要的時(shí)間。T=0.693/ 為衰變常數(shù)，衰變的速度為恒定值。 放射性物質(zhì)的活性放射性物質(zhì)的活性N 單位時(shí)間內(nèi)的衰變數(shù)，單位為居里，1居里為3.71010原子衰變 /每秒。 對(duì)不同種類的射線源，即使放射性活度相同，所輻射射線的強(qiáng)度是不同的。 射線源的活度是隨時(shí)間而改變，且隨時(shí)間的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減的 對(duì)同一種射線源，放射性活度大的源，在單位時(shí)間內(nèi)將輻射更多的射線。 射線劑量射線劑量D 某點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)造成的劑量：D=KNt/R2h 1.2.2 常用射線源及主要特性 常用

5、的同位素有Co-60（鈷）、Cs-137（銫）、Ir-192（銥）、Tm-170（銩）和Se-75（硒）等。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：內(nèi)一套控制部件、控制導(dǎo)管、驅(qū)動(dòng)部件構(gòu)成。 1.2.3 射線機(jī)的特點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)： 能量高、穿透力強(qiáng)、探測(cè)厚度大。 設(shè)備較簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、不用水電，適宜于野外現(xiàn)場(chǎng)探傷和特殊場(chǎng)合的檢測(cè)。 射線向空間全方位輻射，對(duì)球罐和環(huán)焊縫可進(jìn)行全景曝光和周向曝光。 不易損壞、設(shè)備故障率低。 可以連續(xù)使用，性能穩(wěn)定且不受外界條件的影響。 缺點(diǎn)： 射線能量單一或集中在幾個(gè)波長(zhǎng)，不能根據(jù)試件厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)。適用于定厚度范圍的材料。 固有不清晰度般比x射線機(jī)大，在同樣的 檢測(cè)條件下，靈敏度稍低于

6、X射線機(jī)。 所選用的射線源都有一定的半定期，有些半衰期短 的射源如192Ir，換源頻繁。 射線源的放射性輻射不受人為因素的控制，因此對(duì)安全防 護(hù)的要求和管理更加嚴(yán)格。 1.3 高能射線 高能射線（大于一百萬電子伏特）是由帶電粒子加速器產(chǎn)生?；驹硎抢秒姶艌?chǎng)加速帶電粒子，從而獲得高能量射線的裝置，用于透照較厚的材料。 目前用于工業(yè)射線檢測(cè)的高能x射線的加速器主要有：電子感應(yīng)加速器、電子直線加速器、電子回旋加速 器。 電子感應(yīng)加速器 電子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)次數(shù)達(dá)106次，能獲得救百萬電子伏特的能量。當(dāng)電子流達(dá)到額定能量后，在輔助線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的作用下，使電子偏離旋轉(zhuǎn)軌道而沖向陽極靶，從而產(chǎn)生高能x射線

7、。 電子直線加速器 主要結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)是高功率的微波裝置和波導(dǎo)管。工作原理原理：利用高功率微波發(fā)生裝置，在波導(dǎo)管內(nèi)向電子輸送能量。利用微波的電場(chǎng)，加速電子。波導(dǎo)管越長(zhǎng)，電子獲得的能量就越高。加速到一定能量的高速電子轟擊到靶面，產(chǎn)生高能x射線。 電子回旋加速器 利用恒定磁場(chǎng)和高頻交變電場(chǎng)加速電子的裝置。 2. 射線的特點(diǎn) 射線、射線是波長(zhǎng)極短的電磁波，因此它們具有其它幾種電磁波所沒有的特性。 （1）不可見，依直線傳播。 （2）不受電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響，它本身是不帶電的。 （3）具有很強(qiáng)的穿透力。射線和射線能穿透可見光不能穿透的物質(zhì)（如肌肉、黑紙、金屬等），而且波長(zhǎng)愈短，穿透能力愈強(qiáng)。 （4）能使某些物質(zhì)起

8、光化學(xué)作用。射線膠片，經(jīng)射線照射和暗室處理以后，可形成影象。 （5）某些物質(zhì)被射線照射以后，能發(fā)出可見熒光。利用熒光增感屏進(jìn)行射線探傷，可以大大減少曝光量。 （6）能殺傷生物細(xì)胞，當(dāng)人體受到過量的射線照射后，會(huì)引起各種病癥。 （7）能使空氣電離?？梢允褂脤ｉT儀器，測(cè)定空氣經(jīng)射線照射以后被電離的程度，保證工作人員不致受到過量的射線照射。 3.射線檢測(cè)原理及方法3.1 射線的率減定律 射線和射線通過物質(zhì)時(shí)其強(qiáng)度逐漸減弱，射線的衰減由以下公式表示：II0e-x 式中 I-通過物體后的射線強(qiáng)度； I0-未通過物體前的射線強(qiáng)度； -物質(zhì)的衰減系數(shù)， x-物體厚度。 衰減系數(shù) ，隨射線的種類和線質(zhì)的變化而

9、變化，也隨穿透物質(zhì)的種類和密度而變化。 對(duì)射線和射線來說，假如穿透物質(zhì)相同，則波長(zhǎng)越長(zhǎng)就越大（低電壓，反差大，靈敏度高）。 假如波長(zhǎng)相等，則穿透物質(zhì)的原子序數(shù)越大越大，物質(zhì)密度越大也越大。 假如對(duì)于波長(zhǎng)相同的射線或者射線來說，是按水、鋁、鐵、銅、鉛這樣的順序增大的。3.2 射線檢測(cè)原理 射線照檢測(cè)是利用射線透過物體時(shí)，產(chǎn)生吸收和散射這一特性，通過測(cè)量材料中因缺陷存在，產(chǎn)生的射線吸收差異來探測(cè)缺陷。 3.3 射線檢測(cè)方法 3.3.1 照相記錄法 3.3.2 電離檢測(cè)法 3.3.3 熒光屏顯示法 3.3.4 X射線工業(yè)電視實(shí)時(shí)檢測(cè) 3.3.5 射線CT技術(shù) 3.3.6 計(jì)算機(jī)輔助射線成像（CR）

10、3.3.1 射線照相記錄法 射線照相記錄法是利用射線對(duì)膠片的感光作用，在膠片上用形成影象的方法，記錄射線通過被檢工件后的強(qiáng)弱差異，從而完成對(duì)工件評(píng)價(jià)。 膠片影象直觀，膠片可保存。Radiographic Images 周向透照技術(shù) 周向透照布置時(shí)，顯然，透照厚度在一周焊縫上都是相同的，透照厚度比在各點(diǎn)都是 。 雙壁單影透照技術(shù) 雙壁單影透照技術(shù)，即為了檢驗(yàn)一層壁的缺陷，射線束必須穿過工件的雙層壁，這時(shí)底片上形成的影象，僅對(duì)靠近膠片側(cè)的一層壁是有效的。 雙壁雙影透照技術(shù) 雙壁雙影透照技術(shù)，即射線束穿過工件的雙層壁、并在底片上同時(shí)形成雙壁的影象，并且雙壁的影象均是有效的。 3.3.2 電離檢測(cè)法

11、射線穿透氣體可引起電離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，被電離的氣體所產(chǎn)生的離子總數(shù)與其吸收的射線能量成正比。 電離檢測(cè)法借助于電離探測(cè)器，使被電 離的氣體形成電離電流，通過測(cè)量電離電流的大小，顯示穿透材料后射線強(qiáng)度的變化，從而發(fā)現(xiàn)工件中的缺陷。 電離探測(cè)器有電離室和計(jì)數(shù)器。 可用來測(cè)厚，精度可達(dá)1-2絲。 3.3.3 熒光屏顯示法 將貫穿工件后強(qiáng)度不等的輻射圖像投射到涂布有熒光物質(zhì)的熒光屏上激發(fā)出亮度不同的熒光。從而在熒光屏上顯示出熒光檢測(cè)圖像。 它與射線照相法不同之處是缺陷圖象不是底片上的黑色圖像而是熒光屏上亮度大的圖象。 熒光屏觀察裝置由x射線機(jī)、熒光屏、觀察設(shè)備或記錄設(shè)備、防護(hù)及傳送工件的裝置等組成。

12、3.3.4 X射線工業(yè)電視實(shí)時(shí)檢測(cè) x射線工業(yè)電視檢測(cè)是熒光屏顯示方法的發(fā)展。 熒光屏觀察法的缺點(diǎn)是人眼直接觀察不安全，成像亮度差，靈敏度低。 隨著光電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微光圖象增強(qiáng)器、X射線敏感攝像器和數(shù)字圖象處理技術(shù)的應(yīng)用，熒光屏觀察方法已經(jīng)發(fā)展成為x射線工業(yè)電視實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)。 3.3.5射線CT技術(shù) CT是計(jì)算機(jī)控制的射線層析掃描成像技術(shù)的簡(jiǎn)稱。 CT技術(shù)利用射線在物體不同橫斷面的投影數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)運(yùn)算得到不同橫斷面上衰減系數(shù)在各點(diǎn)的分布，之后由計(jì)算機(jī)根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行圖象重建，獲得一個(gè)能夠顯示物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸、方向和位置的三維立體圖象系統(tǒng)描述系統(tǒng)描述3) 掃描模式掃描模式: 一代掃描一代

13、掃描 掃描檢測(cè)效率低TranslateRotateTranslateTranslateTranslateRadiationresourceDetector 適于原理教學(xué) 無散射、串?dāng)_問題缺點(diǎn)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果2) 應(yīng)用應(yīng)用 檢測(cè)葉片 檢測(cè)高速鋼裂紋 葉片三維重構(gòu)圖像鋁鑄件斷層掃描、三維重組研究與內(nèi)部測(cè)量檢測(cè)陶瓷內(nèi)部密度分析、缺陷分析與與內(nèi)部測(cè)量檢測(cè)3.3.6 計(jì)算機(jī)輔助射線成像計(jì)算機(jī)輔助射線成像 Computed Radiography (CR) 與與DR (Digital Radiography)技術(shù)一樣，技術(shù)一樣，CR也是一種也是一種不用膠片直接將射線透照影像數(shù)字化的技術(shù)。不用膠

14、片直接將射線透照影像數(shù)字化的技術(shù)。 該技術(shù)有二個(gè)重要的技術(shù)步驟：該技術(shù)有二個(gè)重要的技術(shù)步驟： 第一步是將影像數(shù)字化其作用相當(dāng)于將一張射第一步是將影像數(shù)字化其作用相當(dāng)于將一張射線底片通過掃描或數(shù)碼相機(jī)拍攝獲得數(shù)字影像；線底片通過掃描或數(shù)碼相機(jī)拍攝獲得數(shù)字影像； 第二步通過強(qiáng)大的軟件支持，對(duì)數(shù)字影像進(jìn)行第二步通過強(qiáng)大的軟件支持，對(duì)數(shù)字影像進(jìn)行各種處理獲得更多的被檢測(cè)件內(nèi)部質(zhì)量信息。各種處理獲得更多的被檢測(cè)件內(nèi)部質(zhì)量信息。 C：鋁合金彎管初始影像可見裂紋； D：圖像處理后的圖C裂紋顯示；CD4.射線檢測(cè)照相工藝探傷位置編號(hào)選擇膠片，增感屏并裝片焦距選擇（影響幾何不清晰度）有效膠片范圍確定底片標(biāo)記及放

15、置確定曝光量確定透照方法并透照暗室處理評(píng)片 確定透照布置的基本考慮 射線源、工件、膠片的相對(duì)位置 常規(guī)射線照相檢驗(yàn)時(shí)，射線源和膠片應(yīng)分別置于工件的兩側(cè)。 一般情況下都應(yīng)選擇能夠使缺陷更靠近膠片的方式進(jìn)行布置。減少缺陷與膠片的距離，減小幾何不清晰度，從而提高缺陷影象的可識(shí)別性。 在進(jìn)行透照布置時(shí)應(yīng)盡量使膠片貼近工件表面。 射線中心束的方向 中心射線束在一般情況下應(yīng)指向有效透照區(qū)的中心，這主要是為了使整個(gè)有效透照區(qū)的透照厚度變化較小，使射線的照射角較小，以提高整個(gè)透照范圍內(nèi)缺陷的可檢驗(yàn)性。 對(duì)一些特殊的情況應(yīng)按照具體情況考慮，例如，主要希望檢驗(yàn)焊縫坡口未熔合則應(yīng)使中心射線束指向坡口角度方向。 射線

16、照相檢驗(yàn)的基本透照布置如下圖 圖中，d 是射線源的焦點(diǎn)；T是工件厚度；F是射線源焦點(diǎn)至膠片的距離，一般稱為焦距；f是射線源焦點(diǎn)至工件源側(cè)表面的距離；L是一次透照區(qū) (有效透照區(qū))；是射線中心束與透照區(qū)邊區(qū)射線束構(gòu)成的角度，常稱為照射角。 象質(zhì)計(jì)象質(zhì)計(jì)（圖像質(zhì)量指示器）用于測(cè)定射線照相靈敏度，象質(zhì)計(jì)放置的位置應(yīng)使得到的靈敏度能夠代表整個(gè)有效透照區(qū)的靈敏度，其位置應(yīng)選在有效透照區(qū)內(nèi)靈敏度預(yù)計(jì)最差的部位。只要這個(gè)部位的靈敏度達(dá)到了規(guī)定的要求，則其他部分也應(yīng)達(dá)到了要求。一般放置在有效透照區(qū)的邊區(qū)的源側(cè)表面。 鉛增感屏和熒光增感屏 增感屏的作用增感屏的作用 射線通過膠片時(shí)，通常只有1以下的能量被膠片吸收

17、。99以上的可用能量都白白浪費(fèi)了。但底片上的影象主要是靠吸收射線，并產(chǎn)生光化學(xué)作用造成的。為提高排片效率，同時(shí)提高影象質(zhì)量，常用增感屏來增強(qiáng)射線對(duì)膠片的感光作用。 增感屏的種類和性能增感屏的種類和性能 常用的增感屏有金屬增感屏、熒光增感屏和金屬熒光增感屏三種。 金屬增感屏所得底片象質(zhì)最佳，熒光增感屏最差，但增感系數(shù)以熒光增感屏最高，金屬屏最低。 金屬增感屏一般是將薄薄的金屬箔粘合在優(yōu)質(zhì)紙基或膠片片基上制成的。多用鉛合金（加5左右的銻和錫作金屬箔）。 焦距 焦距：射線源與膠片之間的距離。焦距直接影響射線照相的幾何不清晰度值，進(jìn)而可影響總的不清晰度值和小細(xì)節(jié)的射線照相對(duì)比度。 選取焦距時(shí)必須考慮二

18、點(diǎn)：必須滿足射線照相對(duì)幾何不清晰度的規(guī)定，必須給出一定大小的均勻透照區(qū)。前者限定了可采用的焦距最小值，后者是有效透照區(qū)所要求的焦距。 有效透照區(qū) 有效透照區(qū)主要是控制一次透照中透照厚度變化的范圍。 有效透照范圍內(nèi)，在射線照片上形成的影象滿足下面要求： a.黑度處于規(guī)定的黑度范圍； b.射線照相靈敏度符合規(guī)定的要求。 有效透照區(qū)控制： (1) 規(guī)定透照厚度比 透照厚度比定義為有效透照區(qū)邊區(qū)的透照厚度與中心射線束的透照厚度之比。透照厚度比 k可以表示為： kT/ T T-中心射線束的透照厚度；T-有效透照區(qū)邊區(qū)射線束的透照厚度。 (2) 規(guī)定f/L比 直接規(guī)定射線源與工件源側(cè)表面距離和有效透照區(qū)大小的比，控制有效透照區(qū)。美國(guó)軍標(biāo)和以前的日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)常采用這種方式。 識(shí)別標(biāo)記和定位標(biāo)記 識(shí)別標(biāo)記通常包括：工件編號(hào)、部位編號(hào)、透照部門、透照時(shí)間、透照人員等。 定位標(biāo)記通常包