冷阴极X射线数字成像技术研究及应用

传统X射线管采用的都是热阴极技术，但热阴极因工作原理等诸多因素存在体积较大、重量大、耗能高、寿命短、电子发射调制时间长等不足，在核电射线检测中受到很大限制。所谓冷阴极，是指电子管中不用加热的方式发射电子的阴极，一般利用碳纳米这种具有高导电率的场发射优良材料做为冷阴极来制作冷阴极X射线管，由于其具有体积小、重量轻、辐射剂量小等优点，在核电射线检测中具有广阔的应用前景。01

冷阴极数字射线成像技术

01冷阴极技术原理“冷阴极”是指电子管中不用加热的方式而发射电子的阴极，利用高导电率的场发射优良材料（碳纳米）作为冷阴极来制作冷阴极X射线管。冷阴极X射线机是利用尖端放电原理研制的针叶树型碳纳米结构冷阴极管。图1冷阴极管及碳纳米材料02冷阴极与传统热阴极对比与传统热阴极相比，碳纳米冷阴极X射线管具有非常突出的优势，在相对小的真空度下，基于碳纳米管发射的X射线管能快速地进行数字化处理且功耗低，同时具备体积小、重量轻、无须预热、不需要冷却、功耗小、寿命长等优势。图2冷阴极与热阴极对比03冷阴极数字射线成像系统冷阴极数字射线成像系统由冷阴极X射线仪（发射模块）、数字射线探测器（采集模块）、成像软件（操作模块）、电池模块等组成。其中数字射线平板探测器采用Leading

Sight/S755，相元尺寸为120μm，适用于X/γ射线；成像软件采用LeadingSightAnalysis1.0，操作简单，集图像采集与处理于一体；采用配套设计的锂电池模块，续航时间久。（a）冷阴极X射线仪（b）成像软件（c）静态平板探测器（d）电池模块图3冷阴极数字射线成像系统02

冷阴极数字成像技术现场测试冷阴极X射线数字成像技术灵敏度高，操作方便，适用于现场小管焊缝的射线检查，现场测试所采用的工艺及测试结果见表1和图4。表1冷阴极X射线数字成像技术测试结果（a）RTD-01成像图像

（b）RTD-02成像图像（c）RTD-03成像图像（d）RTD-04成像图像（e）RTD-05成像图像图4冷阴极X射线数字成像技术测试图像从图4可见，冷阴极数字射线检测图像灵敏度能满足核电标准要求，实际像质计灵敏度一般都要高于标准要求像质计灵敏度的1~2个等级，焊缝内缺陷清晰可见，同时利用软件自带的窗宽-窗位调整，对图像进行视觉上的放大，更容易观察到缺陷的细节。03

冷阴极数字成像技术优势01数字成像与图像处理冷阴极数字射线成像技术具有快速成像、结果实时的优点，对冷阴极数字射线成像图像品质进行信噪比测量和双丝像质计（空间分辨率）测量，如图5所示；同时可对图像进行图像处理与缺陷识别，如图6所示。（a）信噪比测量（b）双丝像质计测量图5冷阴极成像图像品质测量（a）原始图像（b）缺陷提取（c）缺陷放大图6冷阴极成像图像处理与缺陷识别02隔离边界范围小冷阴极数字射线成像技术安全性高，环境剂量率小，测试中在155kV电压情况下，冷阴极射线发射端正对面6m处测得的剂量率为1.34μSv/h，环境剂量率变化如图7所示，满足核电站对射线探伤中剂量边界小于2.5μSv/h的要求，即冷阴极数字射线成像技术使用中边界范围可大幅度缩小，甚至可实现白天探伤。图7冷阴极检测中环境剂量示意04

冷阴极数字成像技术现场运用优势冷阴极X射线数字成像技术在核电现场的应用具有以下几方面的优势：（1）冷阴极X射线数字成像技术具有足够的标准支撑。标准方面可以执行ENISO17636-2《X射线和伽马射线的数字检测技术》，也可以参照NB/T47013.11-2015《X射线数字成像检测》。（2）可以满足标准要求的γ放射源透照厚度范围的下限。核电站由于现场环境复杂、管道交错，常用Ir192等γ放射源，而根据核电相关标准，Ir192放射源透照厚度的下限通常为10mm，对于透照厚度小于10mm的管道焊缝，使用Ir192放射源在标准方面缺少依据，冷阴极X射线数字成像技术是对Ir192放射源透照厚度下限的有效补充。（3）冷阴极X射线数字成像技术可实现实时检测，冷阴极X射线有效焦点尺寸小，一般可达1mm，