第三章射线检测技术

1、第三章 射线检测技术射线的种类射线的特点射线检测原理及方法射线检测照相工艺射线检测应用射线的种类1.1 X射线1.1.1 X射线的产生 x射线是由x射线管产生，它的基本结构是一个具有高真空度的二极管，由阴极、阳极和保持高真空度的玻璃外壳构成： 阴极阴极 阴极的作用是发射电子和聚焦电子。 阴极是由钨丝和阴极头构成的。当钨丝通过电流加热时，就放出热电子，热电子在高压电场作用下，高速飞向阳极轰击靶而产生x射线。 根据要求的焦点形状，钨丝绕成螺绕环形(圆焦点)或螺 线管形(线焦点)。阴极头具有一定凹面形状，它对灯丝发射的电子具有聚焦作用。 阳极阳极 阳极是产生x射线的主体，它一般由阳极靶、阳极体和阳极

2、罩三部分组成。 阳极的作用： x射线机通常使用的是钨靶，可产生较硬的 x射线，或者用钼靶，可产生较软的x射线。 阳极靶通常是由熔点较高原子序数较大的金属制成，这种金属产生x射线的效率较高。 阳极体选用热容量大，导热率高的金属制作，一般用铜。 金属靶一般铸焊在铜阳极体上，使靶上的热 量及时通过阳极体散发出去。 阳极罩也是铜做的，它的作用是吸收在阳极附近产生的二次电子，铜阳极罩与靶面相对的一边开有窗口，装有原子序数小的铍板 (Z4)，使射线从窗口射出，并滤除了一部分软x射线。 焦点焦点 实际焦点实际焦点 阴极发射的电子束与阳极靶的倾斜面相交所形成的一块面积是阳极靶受电子束轰击产生x射线的部分，称之

3、为x射线管的实际焦点。 有效焦点有效焦点 实际焦点在垂直于管轴线方向(即射线束中心方向)的投影称为有效焦点。 探伤机说明书上提供的焦点尺寸即是有效焦点。 焦点的要求焦点的要求 x射线管有效焦点的大小是x射线机主要性能之，为影响透照清晰度和灵敏度的主要因素。 从探伤灵敏度、清晰度要求来说 希望焦点越小越好。 但焦点小了射线管承受的功率就小，辐射强度低，在同样工件厚度下就要延长曝光时间。否则靶容易被击穿。1.1.2 X射线强度的影响因素 射线强度正比于阴极电子（管电流）； 射线强度正比于管电压的平方（电压高波长短）； 射线强度正比于阳极材料的原子序数Z。1.2 射线1.2.1 产生 放射性同位素的

4、原子核自然衰变时产生的电磁波，波长比X射线短，穿透能力更强。 半衰期半衰期 T 放射性物质的原子数目因衰变而减少到原来一半时所需要的时间。T=0.693/ 为衰变常数，衰变的速度为恒定值。 放射性物质的活性放射性物质的活性N 单位时间内的衰变数，单位为居里，1居里为3.71010原子衰变 /每秒。 对不同种类的射线源，即使放射性活度相同，所辐射射线的强度是不同的。 射线源的活度是随时间而改变，且随时间的增加呈指数规律衰减的 对同一种射线源，放射性活度大的源，在单位时间内将辐射更多的射线。 射线剂量射线剂量D 某点在一定时间内造成的剂量：D=KNt/R2h 1.2.2 常用射线源及主要特性 常用

5、的同位素有Co-60（钴）、Cs-137（铯）、Ir-192（铱）、Tm-170（铥）和Se-75（硒）等。 驱动机构驱动机构：内一套控制部件、控制导管、驱动部件构成。 1.2.3 射线机的特点。优点： 能量高、穿透力强、探测厚度大。 设备较简单、体积小、重量轻、不用水电，适宜于野外现场探伤和特殊场合的检测。 射线向空间全方位辐射，对球罐和环焊缝可进行全景曝光和周向曝光。 不易损坏、设备故障率低。 可以连续使用，性能稳定且不受外界条件的影响。 缺点： 射线能量单一或集中在几个波长，不能根据试件厚度进行调节。适用于定厚度范围的材料。 固有不清晰度般比x射线机大，在同样的 检测条件下，灵敏度稍低于

6、X射线机。 所选用的射线源都有一定的半定期，有些半衰期短 的射源如192Ir，换源频繁。 射线源的放射性辐射不受人为因素的控制，因此对安全防 护的要求和管理更加严格。 1.3 高能射线 高能射线（大于一百万电子伏特）是由带电粒子加速器产生。基本原理是利用电磁场加速带电粒子，从而获得高能量射线的装置，用于透照较厚的材料。 目前用于工业射线检测的高能x射线的加速器主要有：电子感应加速器、电子直线加速器、电子回旋加速 器。 电子感应加速器 电子在磁场中旋转次数达106次，能获得救百万电子伏特的能量。当电子流达到额定能量后，在辅助线圈产生磁场的作用下，使电子偏离旋转轨道而冲向阳极靶，从而产生高能x射线

7、。 电子直线加速器 主要结构结构是高功率的微波装置和波导管。工作原理原理：利用高功率微波发生装置，在波导管内向电子输送能量。利用微波的电场，加速电子。波导管越长，电子获得的能量就越高。加速到一定能量的高速电子轰击到靶面，产生高能x射线。 电子回旋加速器 利用恒定磁场和高频交变电场加速电子的装置。 2. 射线的特点 射线、射线是波长极短的电磁波，因此它们具有其它几种电磁波所没有的特性。 （1）不可见，依直线传播。 （2）不受电场和磁场的影响，它本身是不带电的。 （3）具有很强的穿透力。射线和射线能穿透可见光不能穿透的物质（如肌肉、黑纸、金属等），而且波长愈短，穿透能力愈强。 （4）能使某些物质起

8、光化学作用。射线胶片，经射线照射和暗室处理以后，可形成影象。 （5）某些物质被射线照射以后，能发出可见荧光。利用荧光增感屏进行射线探伤，可以大大减少曝光量。 （6）能杀伤生物细胞，当人体受到过量的射线照射后，会引起各种病症。 （7）能使空气电离。可以使用专门仪器，测定空气经射线照射以后被电离的程度，保证工作人员不致受到过量的射线照射。 3.射线检测原理及方法3.1 射线的率减定律 射线和射线通过物质时其强度逐渐减弱，射线的衰减由以下公式表示：II0e-x 式中 I-通过物体后的射线强度； I0-未通过物体前的射线强度； -物质的衰减系数， x-物体厚度。 衰减系数 ，随射线的种类和线质的变化而

9、变化，也随穿透物质的种类和密度而变化。 对射线和射线来说，假如穿透物质相同，则波长越长就越大（低电压，反差大，灵敏度高）。 假如波长相等，则穿透物质的原子序数越大越大，物质密度越大也越大。 假如对于波长相同的射线或者射线来说，是按水、铝、铁、铜、铅这样的顺序增大的。3.2 射线检测原理 射线照检测是利用射线透过物体时，产生吸收和散射这一特性，通过测量材料中因缺陷存在，产生的射线吸收差异来探测缺陷。 3.3 射线检测方法 3.3.1 照相记录法 3.3.2 电离检测法 3.3.3 荧光屏显示法 3.3.4 X射线工业电视实时检测 3.3.5 射线CT技术 3.3.6 计算机辅助射线成像（CR）

10、3.3.1 射线照相记录法 射线照相记录法是利用射线对胶片的感光作用，在胶片上用形成影象的方法，记录射线通过被检工件后的强弱差异，从而完成对工件评价。 胶片影象直观，胶片可保存。Radiographic Images 周向透照技术 周向透照布置时，显然，透照厚度在一周焊缝上都是相同的，透照厚度比在各点都是 。 双壁单影透照技术 双壁单影透照技术，即为了检验一层壁的缺陷，射线束必须穿过工件的双层壁，这时底片上形成的影象，仅对靠近胶片侧的一层壁是有效的。 双壁双影透照技术 双壁双影透照技术，即射线束穿过工件的双层壁、并在底片上同时形成双壁的影象，并且双壁的影象均是有效的。 3.3.2 电离检测法

11、射线穿透气体可引起电离。实验结果表明，被电离的气体所产生的离子总数与其吸收的射线能量成正比。 电离检测法借助于电离探测器，使被电 离的气体形成电离电流，通过测量电离电流的大小，显示穿透材料后射线强度的变化，从而发现工件中的缺陷。 电离探测器有电离室和计数器。 可用来测厚，精度可达1-2丝。 3.3.3 荧光屏显示法 将贯穿工件后强度不等的辐射图像投射到涂布有荧光物质的荧光屏上激发出亮度不同的荧光。从而在荧光屏上显示出荧光检测图像。 它与射线照相法不同之处是缺陷图象不是底片上的黑色图像而是荧光屏上亮度大的图象。 荧光屏观察装置由x射线机、荧光屏、观察设备或记录设备、防护及传送工件的装置等组成。

12、3.3.4 X射线工业电视实时检测 x射线工业电视检测是荧光屏显示方法的发展。 荧光屏观察法的缺点是人眼直接观察不安全，成像亮度差，灵敏度低。 随着光电子学技术的发展，微光图象增强器、X射线敏感摄像器和数字图象处理技术的应用，荧光屏观察方法已经发展成为x射线工业电视实时成像系统。 3.3.5射线CT技术 CT是计算机控制的射线层析扫描成像技术的简称。 CT技术利用射线在物体不同横断面的投影数据，经过计算机运算得到不同横断面上衰减系数在各点的分布，之后由计算机根据计算数据进行图象重建，获得一个能够显示物体内部结构尺寸、方向和位置的三维立体图象系统描述系统描述3) 扫描模式扫描模式: 一代扫描一代

13、扫描 扫描检测效率低TranslateRotateTranslateTranslateTranslateRadiationresourceDetector 适于原理教学 无散射、串扰问题缺点缺点优点优点试验结果试验结果2) 应用应用 检测叶片 检测高速钢裂纹 叶片三维重构图像铝铸件断层扫描、三维重组研究与内部测量检测陶瓷内部密度分析、缺陷分析与与内部测量检测3.3.6 计算机辅助射线成像计算机辅助射线成像 Computed Radiography (CR) 与与DR (Digital Radiography)技术一样，技术一样，CR也是一种也是一种不用胶片直接将射线透照影像数字化的技术。不用胶

14、片直接将射线透照影像数字化的技术。 该技术有二个重要的技术步骤：该技术有二个重要的技术步骤： 第一步是将影像数字化其作用相当于将一张射第一步是将影像数字化其作用相当于将一张射线底片通过扫描或数码相机拍摄获得数字影像；线底片通过扫描或数码相机拍摄获得数字影像； 第二步通过强大的软件支持，对数字影像进行第二步通过强大的软件支持，对数字影像进行各种处理获得更多的被检测件内部质量信息。各种处理获得更多的被检测件内部质量信息。 C：铝合金弯管初始影像可见裂纹； D：图像处理后的图C裂纹显示；CD4.射线检测照相工艺探伤位置编号选择胶片，增感屏并装片焦距选择（影响几何不清晰度）有效胶片范围确定底片标记及放

15、置确定曝光量确定透照方法并透照暗室处理评片 确定透照布置的基本考虑 射线源、工件、胶片的相对位置 常规射线照相检验时，射线源和胶片应分别置于工件的两侧。 一般情况下都应选择能够使缺陷更靠近胶片的方式进行布置。减少缺陷与胶片的距离，减小几何不清晰度，从而提高缺陷影象的可识别性。 在进行透照布置时应尽量使胶片贴近工件表面。 射线中心束的方向 中心射线束在一般情况下应指向有效透照区的中心，这主要是为了使整个有效透照区的透照厚度变化较小，使射线的照射角较小，以提高整个透照范围内缺陷的可检验性。 对一些特殊的情况应按照具体情况考虑，例如，主要希望检验焊缝坡口未熔合则应使中心射线束指向坡口角度方向。 射线

16、照相检验的基本透照布置如下图 图中，d 是射线源的焦点；T是工件厚度；F是射线源焦点至胶片的距离，一般称为焦距；f是射线源焦点至工件源侧表面的距离；L是一次透照区 (有效透照区)；是射线中心束与透照区边区射线束构成的角度，常称为照射角。 象质计象质计（图像质量指示器）用于测定射线照相灵敏度，象质计放置的位置应使得到的灵敏度能够代表整个有效透照区的灵敏度，其位置应选在有效透照区内灵敏度预计最差的部位。只要这个部位的灵敏度达到了规定的要求，则其他部分也应达到了要求。一般放置在有效透照区的边区的源侧表面。 铅增感屏和荧光增感屏 增感屏的作用增感屏的作用 射线通过胶片时，通常只有1以下的能量被胶片吸收

17、。99以上的可用能量都白白浪费了。但底片上的影象主要是靠吸收射线，并产生光化学作用造成的。为提高排片效率，同时提高影象质量，常用增感屏来增强射线对胶片的感光作用。 增感屏的种类和性能增感屏的种类和性能 常用的增感屏有金属增感屏、荧光增感屏和金属荧光增感屏三种。 金属增感屏所得底片象质最佳，荧光增感屏最差，但增感系数以荧光增感屏最高，金属屏最低。 金属增感屏一般是将薄薄的金属箔粘合在优质纸基或胶片片基上制成的。多用铅合金（加5左右的锑和锡作金属箔）。 焦距 焦距：射线源与胶片之间的距离。焦距直接影响射线照相的几何不清晰度值，进而可影响总的不清晰度值和小细节的射线照相对比度。 选取焦距时必须考虑二

18、点：必须满足射线照相对几何不清晰度的规定，必须给出一定大小的均匀透照区。前者限定了可采用的焦距最小值，后者是有效透照区所要求的焦距。 有效透照区 有效透照区主要是控制一次透照中透照厚度变化的范围。 有效透照范围内，在射线照片上形成的影象满足下面要求： a.黑度处于规定的黑度范围； b.射线照相灵敏度符合规定的要求。 有效透照区控制： (1) 规定透照厚度比 透照厚度比定义为有效透照区边区的透照厚度与中心射线束的透照厚度之比。透照厚度比 k可以表示为： kT/ T T-中心射线束的透照厚度；T-有效透照区边区射线束的透照厚度。 (2) 规定f/L比 直接规定射线源与工件源侧表面距离和有效透照区大小的比，控制有效透照区。美国军标和以前的日本工业标准常采用这种方式。 识别标记和定位标记 识别标记通常包括：工件编号、部位编号、透照部门、透照时间、透照人员等。 定位标记通常包