工艺规范对射线检测中灵敏度和对比度的影响.docx

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工艺规范对射线检测中灵敏度和对比度的影响

论述工艺规范对射线检测灵敏度的影响及规范注意事项

作者：

魏铄岩

单位：

南昌航空大学测试与光电工程学院110812班11081211号

摘要：

简述射线检测（RT）工艺的历史发展，以及近年来的发展走势和工艺流程，简述了射线检测的原理及胶片特性和所用仪器设备和利用到的工具。

通过实验的方法来展开论证，到最后得出结论。

分析实验数据和结果之后给出了射线检测工艺卡的制定规范和所注意事项.

关键词：

射线检测;工艺规范；灵敏度

一、前言

1、射线检测简介

作为五大常规无损检测方法之一的射线检测（Radiology），在工业上有着非常广泛的应用。

X射线与自然光并没有本质的区别，都是电磁波，只是X射线的光量子的能量远大于可见光。

它能够穿透可见光不能穿透的物体，而且在穿透物体的同时将和物质发生复杂的物理和化学作用，可以使原子发生电离，使某些物质发出荧光，还可以使某些物质产生光化学反应。

如果工件局部区域存在缺陷，它将改变物体对射线的衰减，引起透射射线强度的变化，这样，采用一定的检测方法，比如利用胶片感光，来检测透射线强度，就可以判断工件中是否存在缺陷以及缺陷的位置、大小。

2、射线检测的历史

近代物理学就是从106a前X射线的发现开始的。

1895年11月，德国渥次堡大学物理学教授伦琴在用通电的克鲁克斯阴极射线管做实验时，发现了一种新型射线，它会使相隔2m远的铂氰化钡荧光屏发光。

因其性质未知，他将其命名为X射线。

他证明，这种射线对物质有穿透作用,且穿透程度因材料而异，如它很容易穿透厚纸板和木材,也能部分穿透15mm厚的铝，但不能穿透厚度或密度较大的金属。

伦琴因此新发现，于1901年成为世界上第一个获得诺贝尔奖金的佼佼者。

伦琴发现X射线后，就在四个月内尝试对各种对象拍出许多射线照片,但大多是人体方面的，伦琴拍的第一张工业射线照片就是他的猎枪的照片。

1916年美国纽约通用电气公司研究所（康利吉管发明地）尝试用增感胶片+荧光增感屏透照板厚12.7_的氧乙炔气焊焊缝，在底片上发现了未熔合、未焊透和气孔等缺陷。

射线照相作为质量评价手段初露锋芒，为焊接技术的发展起了推波助澜作用。

1917年英国伦敦的武尔威奇（Woolwich）兵工厂研究所建组研究射线检测方法，将射线照相技术用于检查弹壳底座、武器弹药及雷管构件等。

〗922年美国水城兵工厂安装了一台200kVX射线机，1926年开始用于锅炉焊缝检验。

同年^德頃珅尺1Berthold在柏林开展工业射线检测研究。

1941年美国镭和X射线学会成立，其主要目的是交流有关工业射线照相的信息。

后来该社团改名为美国无损检测学会.

20世纪50年代工业射线照相用的第一个_人造7射线源是1szTa。

其半衰期为115d，有1.22MeV以下的复杂射线谱，在原子核反应堆中可快速激活.

fi"Co激活时间要长得多，但拍出的射线底片与1相似。

其半衰期为5.3a，一般就用它来取代lszTa。

早期的源来自英、美和加拿大，Co的能谱与X射线完全不同，只适于透照厚钢试件（>50mm）。

1994年德国一家公司公开了75Se源的利用价值,Se主能谱线为0.18,0.27,0.4MeV,半衰期118d,适于透照4〜30mm厚度的钢。

其它用于工业射线照相的7射线源还有133Xe,152Eu,24Na严1,叫Am，153Sm，MMn,1+

但金属探伤用得最多的目前仍是1S2lr*^Co，这与40多年前的情况一样.y射线可用于x射线无法透照或透照不经济的场合。

尽管其透照质量很难与x射线底片一样好，但有许多应用仍被认可。

3、射线检测与其他常规检测比较

方法

优点

缺点

适用范围

射线CR成像

1.检测结果直观；

2.缺陷定性比较容易，定量、定位也比较方便；

3.检测结果可以保存；

4.使用对象广,金属、非金属、复合材料均可检测

1.检测成本较高；

2.存在安全隐患，应注意射线防护；

3.对体积型缺陷的检测灵敏度较高，对平面型缺陷的检测灵敏度较低；

4.须利用双面法检测；

5.照相法的检测效率较低；

6.射线透照方向的被检件尺寸不能太大

适用与大部分材料、形状和结构

工业CT

1.对缺陷定性、定位、定量，结果直观；

2.检测灵敏度高（密度分辨率１％～０.１％，空间分辨率２０～２５０ｌｐ／ｃｍ，几何灵敏度１００～５μm）；3.检测对象基本不受材料尺寸、形状的限制

检测成本高、检测效率低

适用与大部分材料、形状和结构

中子射线照相

1.灵敏度较高；

2.可用于鉴别同位素；

3.可排除其他射线干扰；

1.中子源价格昂贵，体积较大；

2.使用中需特别注意中子的安全与防护问题；

高密度材料检测：

如铅、铀

高密度材料中的低原子序数物质检测，如

金属外壳中含氢物质的检测

高能X射线照相

1.穿透能力强；

2.焦点小，焦距大，几何不清晰度小；

3.强度大，曝光时间短，连续运行（散热好）；

4.散射线少；

5.能量转换率高50%；

6.厚度宽容度大；

1.能量越高，固有不清晰度增大；

2.价格高，体积大；

适用与大部分材料、形状和结构

康普顿散射成像

1.单侧非接触，不受被检测对象几何尺寸的限制；

2.灵敏度高，尤其是对于低x射线吸收系数材料的检测；

3.快速三维成像；

1.不能检测的大型构件；

适合于检测铝台金、塑料、复合材料等原子序数较低材料的物体，对低密度材料的检测将获得比透视成像更高的对比度。

4.射线技术的近年发展

1990年，R.Halmshaw和N.A.Ridyard在《英国无损检测杂志》上发表题为“数字射线照相方法评述”的文章，在评述了各种数字射线照相方法的发展之后认为，数字射线照相时代已经到来。

近年来射线检测技术发展的基本特点是数字图像处理技术广泛应用于射线检测。

射线层析检测和实时成像检测技术的重要基础之一是数字图像处理技术，即使常规胶片射线照相技术，也在采用数字图像处理技术。

例如，现在已有电视和激光扫描器，可在1min内扫描355~430mm胶片图像,将胶片图像数字化进行储存，像素直径为35~100^m、数据精度为12~16bit,密度大于4.0也可以进行扫描。

正在研究的缺陷自动识别技术，也建立在数字图像处理技术基础上。

数字图象处理技术正在影响整个射线检测领域。

1994年HaroldBerger在美国《材料评价》发表的“射线无损检测的趋势”中提出，在20世纪的最后10年和21世纪的初期，下列技术将得到广泛应用：

①数字X射线实时检测系统在制造、在役检验和过程控制方面；②具有数据交换、使用NDT工作站的计算机化的射线检测系统；③小型、低成本的CT系统；④微焦点放大成像的X射线成像检验系统;⑤小型高灵敏度的X射线摄像机;⑥大面积的光电导X射线摄像机。

数字化X射线图像可存储在硬盘（磁带机等存储器中或刻录在CD或DVD盘片内，为电子存档与通讯系统的应用创造了条件，为远程评定奠定了坚实的基础。

在一块硬盘或一片光盘上可存储大量的图像，每一幅图像的存储成本很低，随着数字存储技术的不断发展，存储成本还可进一步降低。

在需要硬拷贝的地方，还可以使用激光打印机打印输出。

数字化X射线照相的应用提高了无损检测的管理水平和效率，可方便（迅速和可靠归档，如长时间存储，30年图像质量都不会变坏，且可任意调用不会丢失信息，从根本上改变了传统的对胶片的手工管理方式，防止丢片和片损情况发生。

数字化存储不但节约了大量胶片，还节约了大量用于底片的存储空间和管理人员，也可使资料的存储时间得以延长，从而降低底片的存档成本。

X射线图像的质量取决于其信噪比,而这又与X射线的有效利用率直接相关。

量子检测效率是评定X射线图像性能的关键指标’它有机地结合了图像的对比度、噪声、空间分辨率和X射线的剂量等因素。

由于数字化成像板感光介质的感光曲线与普通X光胶片不同!

在对比度和宽容度上有较大的动态范围!

特别是DR检测器的高灵敏度！

使数字化成像的量子检测效率可以从传统胶片的20%~30%提高到60%~70%!

从而使X射线剂量显著降低!

CR摄影条件为传统X线摄影的1/2-2/3；DR与CR相比更为明显!

可以降低2/3以上的剂量。

由于数字X射线照相需要的曝光时间仅为一般胶片的1/2~2/3，可使操作人员接受的照射剂量下降一个数量级，且降低了X射线机的负荷，相对延长了机器的使用寿命，故障率降低，维修费用也相应降低。

同时，因不需要洗片过程，没有了显影、定影液等化学药品的消耗，不仅有利于环保，而且节省了环保投资.

工业x射线图像的数字化进程是大势所趋。

它的应用将射线检测的技术水平提高到一个新的层次，不但能节约大量胶片、药水、洗片机和存储等费用，还能比较好地进行质量控制。

一旦数字化检测被全面引进到无损检测行业中，必将引起一次重大的变革。

二、射线检测原理

1.射线照相原理

X射线是从X射线管中产生的，X射线管是一种两极电子管。

将阴极灯丝通电使之白炽电子就在真空中放出，如果两极之间加几十千伏以至儿百千伏的电压（叫做管电压）时，电子就从阴极向阳极方向加速飞行、获得很大的动能，当这些高速电子撞击阳极时。

与阳极金属原子的核外库仑场作用，放出X射线。

电子的动能部分转变为X射线能，其中大部分都转变为热能。

电子是从阴极移向阳极的，而电流则相反，是从阳极向阴极流动的，这个电流叫做管电流，要调节管电流，只要调节灯丝加热电流即可，管电压的调节是靠调整X射线装置主变压器的初级电压来实现的。

利用射线透过物体时，会发生吸收和散射这一特性，通过测量材料中因缺陷存在影响射线的吸收来探测缺陷的。

X射线和γ射线通过物质时，其强度逐渐减弱。

射线还有个重要性质，就是能使胶片感光，当X射线或γ射线照射胶片时，与普通光线一样，能使胶片乳剂层中的卤化银产生潜象中心，经过显影和定影后就黑化，接收射线越多的部位黑化程度越高，这个作用叫做射线的照相作用。

因为X射线或γ射线的使卤化银感光作用比普通光线小得多，所以必须使用特殊的X射线胶片，这种胶片的两面都涂敷了较厚的乳胶，此外，还使用一种能加强感光作用的增感屏，增感屏通常用铅箔做成把这种曝过光的胶片在暗室中经过显影、定影、水洗和干燥，再将干燥的底片放在观片灯上观察，根据底片上有缺陷部位与无缺陷部位的黑度图象不一样，就可判断出缺陷的种类、数量、大小等，这就是射线照相探伤的原理。

2.射线检测中使用的胶片及其特性

X光胶片采用卤化银为主要的感光材料，感光乳剂中卤化银颗粒大小和颗粒度是最重要的参数之一。

因为被摄体的影像是由卤化银还原成颗粒状银所构成。

在感光过程中，卤化银颗粒是单个地起作用的，每个颗粒形成潜影的一个显影单位。

在正常曝光范围内，可显影的颗粒数目随着曝光量的增加而增加。

感光层中卤化银颗粒最小的直径仅有50nm，大部分颗粒在0．1-4μm之间。

卤化银颗粒大易感光，卤化银颗粒小不易感光。

卤化银颗粒小的胶片感光度小，反之则大；卤化银颗粒越小分辨率和质感越好。

在X光胶片的制备过程中，故意加入杂质并使非常小而均匀的杂质颗粒与卤化银感光乳剂非常均匀地涂布在胶片上，越均匀胶片质量越好，越均匀感光中心分布就越均匀，图像的分辨率和质感越好。

3.胶片成像原理

卤化银的晶体结构为正六方体。

这样的理想结构是稳定的，没有光敏性，也就是不会被感光。

只有具有缺陷的点阵结构排列才能造成晶体结构的薄弱环节，而这些成为感光中心的薄弱环节才使卤化银晶体具有感光性。

胶片感光层曝光时，光量子作用于卤化银晶体上，卤离子首先吸收光量子，释放出一个自由电子后变成卤原子，卤原子组成卤分子后离开晶体晶格结构被明胶吸收，自由电子则迅速移向感光中心并固定下来。

这样感光中心便成了吸附很多电子的负电场带电体。

晶体内的晶格间银离子在电场作用下被引向电场，银离子反过来俘获聚集在感光中心的电子，结果被还原成银原子。

还原后的金属银原子也被固定在该感光中心上，从而使感光中心进一步扩大，扩大了的感光中心又不断地俘获光解出来的电子，周而复始，感光中心不断长大，达到一定程度就曝光合适，这时的感光中心形成的显影中心构成影像的潜影核，潜影则是由无数显影中心构成并经过后期化学显影和定影过程形成我们需要的影像。

4.洗片原理

相片拍摄后，胶片上受光照射的强弱不同，卤化银的分解程度不同，颜色深浅就不一样，光照射强的分解程度大，产生的单质Ag（粉末状为黑色）多，颜色就深；反之就浅。

拍好的胶片首先用定影剂定影，常用的定影剂为Na2S2O3（硫代硫酸钠），发生的反应为：

2S2O32-+AgBr=[Ag（S2O3）2]3-+Br-（以AgBr为例）。

为配合反应，硫代硫酸根离子与银形成了配离子，使得未感光的卤化银被溶解，之后用显影剂显影，漂洗晾干就得到相片。

5.灵敏度

射线照相的灵敏度是指射线照片记录、显示细节或缺陷的能力。

从定量方面说，是指在射线底片上可以观察到的最小缺陷尺寸或最小细节尺寸；从定性方面来说，是指发现和识别细小影像的难易程度。

射线照相灵敏度分为绝对灵敏度和相对灵敏度。

在射线照相底片上能发现的沿射线穿透方向上的最小细节尺寸称为绝对灵敏度。

此最小细节尺寸与射线透照厚度的百分比称为相对灵敏度。

6.黑度

射线穿透被检工件后照射在胶片上，使胶片产生潜影，经过显影、定影化学处理后，胶片上的潜影成为永久性的可见图像，称为射线底片。

底片的黑化程度（即不透明度）定义为黑度（称光学密度）D表示。

黑度D定义为照射光强与穿过底片的投射光强之比的常用对数值，即

D=lg（I0/It）

其中I0为照射光强，It为投射光强。

由黑度定义可知，黑度是衡量底片对照射光强度阻挡程度的。

黑度越大，透过底片的光强越小。

7.几何不清晰度

由于射线照相使用的射线源总是具有一定的尺寸，而不是集合意义上的地阿奴按，当透照一定厚度的工件时，按几何投影成像原理，在底片上会产生本影和半影。

半影区即影响边界的扩展或过渡区。

半影区的宽度就是几何不清晰度。

三、实验设备及器材

X射线机一台

厚度为5mm的50mm*100mm的钢板一块

厚度为1mm的30mm*50mm的钢板一块

铁金属丝不等径像质计（即透度计）一套

胶片和铅增感屏若干

黑度计一台

观片灯一台

铅字标记符号若干

四、实验方法与步骤

1.实验背景

在实际应用中，射线照相影响质量的高低是由灵敏度决定的。

所谓灵敏度，若从定性来说，是指发现和识别细小影像的难易程度。

而对比度则是判断工件是否存在异质区域的基础，所以，对比度越大，影像就越容易被观察和识别。

当工艺规范变化时，上述两者自然也会发生变化，掌握这种变化规律将有利于检测人员更进一步地认识与理解射线照相法的原理和利用过程。

2.实验背景

1.通过实验认识主要的检测规范（管电压、曝光量和焦距）改变时对灵敏度和黑度比的影响。

2.掌握自行设计和操作实验的基本方法，培养和锻炼独立工作能力。

3.培养和提高撰写技术论文的能力。

3.实验原理

黑度比和灵敏度检测原理如图所示。

在5mm厚的钢板上放一块1mm厚的钢板和一块透度计。

X射线穿过最厚的厚度为6mm，薄厚度为5mm，底片上这二处的黑度分别记以D厚和D薄，在底片上同时显出一组金属丝的图象，用以鉴定检测的灵敏度。

黑度比与灵敏度分别按下式计算：

（公式1-1）

（公式1-2）

式中：

D薄是在5ram厚度处测量的黑度值；D厚是在6mm度处测量的黑度值：

d是在底片上发现的最细金属丝直径（turn）：

T是X射线透过的总厚度（mm）。

在其它规范条件不变的情况下，分别改变管电压，曝光量和焦距，观察其黑度比和灵敏度的变化规律。

4.实验方法与步骤

1.实验预习：

4

（1）认真复习有关灵敏度、黑度比、几何不清晰度的基本概念以及影响灵敏度，黑度比几何不清晰度的各种因素；

（2）认真阅读文献资料，并注意技术论文的结构，撰写方法。

2.制订实验方案：

（1）工艺规范；

透照方式选用直接透照法。

曝光量选用两组各5种曝光量：

管电压/KV

管电流/mA

曝光时间/min

80

10

3

100

10

3

120

10

3

140

10

3

160

10

3

120

5

1

120

10

1

120

10

3

120

10

4

120

12

5

表1

（2）实验操作程序。

确认射线机关闭后进入透照间，找出X射线管垂直中心，将装有胶片的暗盒，钢板，铅字和透度计按一定方式摆放于X管正下方。

关好防护门。

在X射线机操作台上设定需要曝光的时间，然后调节管电压和管电流（可先设定曝光时间30秒，在此期间调节）。

调节完毕检查防护门关闭之后方可开始曝光。

按降低按钮，听到咔嚓声后，按开始按钮开始曝光。

曝光完毕后，按提升按钮，防止有人员在曝光室时发生误触。

取出钢板与套着暗盒的胶卷。

注意：

每次使用后应让X射线机休息与使用时间相同的时间后才能继续使用

3.暗室处理

关闭暗室中的白炽灯，只开安全灯，等眼睛适应之后在干区拆开暗盒，取出胶片（不能与增感屏摩擦）。

拿到湿区，先在显影液中浸泡5min，之后在停影液中轻轻漂洗1min（手指不得揉搓划擦胶片表面），再放入定影液中浸泡5min，最后用清水冲洗，晾干即可进行评片。

4.底片判断（黑度测量和金属丝辩认）；

将胶片放到观片灯上，打开观片灯，观察胶片上的透度计摆放的位置（若干颜色比周围浅且平行的细线），找出能识别的最细的浅线（能看到至少连续10mm的线），记录条数，在表1中查询灵敏度数值，并记录。

先进行目测，判断D薄和D厚的区域（D厚为胶片上黑度最小的区域，D薄是透度计所在的附近的黑度较D厚较大的区域）。

将胶片放置于黑度计上，使待测点处于黑度计中心的亮点处，轻按测量壁，使其接触胶片，此时数据显示屏会显示此点的黑度值。

在D薄和D厚处分别找3个点（避开边缘及坏点处）测量黑度，对其分别求平均值。

按公式1-2可计算出黑度比，并记录。

4.1.5实验数据

管电压

/KV

管电流

/mA

曝光时间/min

焦距

/mm

D薄1

D薄2

D薄3

D薄平均

D厚1

D厚2

D厚3

D厚平均

黑度比

最小金属丝直径/mm

灵敏度（%）

管

电

压

影

响

80

10

3

1000

0.90

0.87

0.88

0.88

0.83

0.81

0.79

0.81

1.08

0.160

3.20

100

10

3

1000

1.69

1.66

1.65

1.67

1.19

1.22

1.20

1.20

1.39

0.160

3.20

120

10

3

1000

2.43

2.40

2.40

2.41

1.49

1.47

1.43

1.46

1.65

0.160

3.20

140

10

3

1000

3.02

3.03

3.06

3.04

1.94

1.94

1.95

1.94

1.57

0.500

6.25

160

10

3

1000

4.44

4.49

4.38

4.44

3.55

3.53

3.60

3.56

1.25

0.320

6.40

曝

光

量

影

响

120

5

1

1000

1.49

1.49

1.53

1.50

1.09

1.06

1.11

1.09

1.38

0.160

3.20

120

10

1

1000

2.47

2.49

2.47

2.48

2.02

2.05

2.04

2.04

1.22

0.160

3.20

120

10

3

1000

3.54

3.44

3.40

3.46

2.31

2.33

2.35

2.33

1.49

0.100

2.00

120

10

4

1000

4.04

4.02

3.97

4.01

2.79

2.71

2.80

2.77

1.45

0.160

3.20

120

12

5

1000

4.23

4.26

4.26

4.25

3.40

3.36

3.38

3.38

1.26

0.250

5.00

表二

五、实验结果

实验数据如表二所示，由表二作坐标图

图（5-1）管电压对对比度的影响曲线

图（5-2）曝光量对对比度影响曲线

图（5-3）曝光量对灵敏度影响曲线

图（5-4）管电压对灵敏度影响曲线。

E/kv

图（5-1）管电压对对比度的影响曲线

图（5-2）曝光量对对比度的影响曲线

α

图（5-3）曝光量对灵敏度的影响曲线

E/kv

α

图（5-4）管电压对灵敏度的影响曲

六、结果分析

X光实时成像检测的主要参数是管电压（U）和管电流（I）。

对低碳钢焊接件作系列规范试验，试验对象为高度（!

）为12mm焊缝，焦距（F）为300mm。

图3、图4分别为管电压和管电流对灵敏度（S）的影响情况，从图中可以看出，影响灵敏度的主要参数是管电压，过低和过高电压均影响系统的灵敏度，管电流对灵敏度的影响不显著，通常选用3~5mA的管电流比较合适。

如图1，焦距（F）由三部分组成:

X光管到被检工件距离（X1）、工件厚度（T）和被检工件到图像增强器距离（X2），从图中可以得出F=L1+T+L2。

图一

图3管电压对灵敏度的影响

图4管电流对灵敏度的影响Ug=（T+L2）d/Li

式中T——工件厚度.L1—X光管到工件距离L2—工件到图像增强器距离从几何不清晰度公式（）可知，为减小几何不清晰度，应增长L1或缩短h。

但是，在增长L1和缩短L2的同时，检测图像的放大比例也在降低，从而减小了检测灵敏度，微小缺陷将无法识别。

这种影响关系可以从图5、图6中看出。

图5L,对灵敏度的影响

图6对灵敏度的影响

在X射线实时成像检测中，图像显示的载体是显示器，与胶片的颗粒度相比，显示器的像素较大，因而图像质量受到较大影响，采取图像放大技术，可以弥补转换屏荧光颗粒度和显示器的像素较大的缺陷，有利于提高X射线实时成像的图像质量。

图像放大后，检测影像得到放大，工件中的细小缺陷也随之放大，在提高了系统灵敏度和分辨率的同时，图像的不清晰度也随之下降，改善了图像质量。

根据几何图影原理，得到图像放大倍数公式M=（T+L2+L1）/L1,因此公式

（1）可写为Ug=（M-1）°d,从该公式可以得出，随着放大倍数M的增大，几何不清晰度Ug同时增大。

图像放大对图像的灵敏度和清晰度有利有弊，放大倍数存在一个最佳放大倍数Mopt。

根据公式

（2），结合国内外X光实时成像系统配置特点，为了得到较高灵敏度和较好清晰度，表2列出了不同X光焦点尺寸可供选用的放大倍数。

Mopt=1+（Us/d）2

（2）

式中U——转换屏的不清晰度d焦点尺寸

X光焦点尺寸d（mm）

^1

0.4〜1

01〜0.4

001

放大倍数M

1

表2不同X光焦点尺寸可选用的放大倍数

X光实时成像图像处理系统包括图像增强器、调节镜头、摄像机、监