1、8.1 高能射线照像 8.2 射线实时成像检测技术 8.3 数字化射线成像技术 8.4 X射线层析照像X-CT 8.5中子射线照像 第8章 其他射线检测方法和技术 8.1 高能射线照像 能量在 1 MeV 以上的 X 射线被称为高能射线。工业射线照相通常使用两种电子加速器，即回旋加速器和直线加速器。1、回旋加速器 电子回旋加速器的焦点很小，照相几何不清晰度小，可以获得高灵敏度的照片，但设备复杂，造价高，体积大，射线强度低，影响了它的应用。8.1 高能射线照像?2、直线加速器?直线加速器焦点比电子回旋加速器稍大，但?其体积小，电子束流大，所产生的 X 线强度大，?更适合用于工业射线照相。3、高能
2、射线照像的 特点?射线穿透能力强，透照厚度大。?焦点小，焦距大，照相清晰度高。?散射线少，照相灵敏度高。?射线强度大，曝光时间短，可以连续运行，工作效率高。?照相厚度宽容度大。8.1 高能射线照像 4、高能射线照相的几个技术数据?几何不清晰度小，固有不清晰度大。?灵敏度1%。?高能射线照相中，前屏的厚度对增感和滤波作用均产生显著影响，而后屏的厚度对增感来说相对不重要。因此，高能射线照相时，可以不使用后屏。8.1 高能射线照像 5、高能射线的辐射防护 加速器产生的高能射线，不但能量高，而且强度也很大，必须做好安全防护工作。大，必须做好安全防护工作。?加速器的防护主要采用屏蔽保护，加速器屏蔽室必须
3、进行专门的安全防护设计，室外的剂量率必须低于国家卫生标准。?因为高能 X 射线对空气进行电离后产生的臭氧和氮氧化物对人体有害，故室内必须安装通风机进行换气。?对于直线加速器来说，除了高能对于直线加速器来说，除了高能 X 射线的误伤害防护之外，还应进行微波辐射防护，同时还要预防高电压、氟利昂气体等对人体的危害。8.1 高能射线照像 8.2 射线实时成像检测技术 射线实时成像检测技术，是指在曝光的同时就可观察到所产生射线实时成像检测技术，是指在曝光的同时就可观察到所产生的图像的检测技术。的图像的检测技术。1、射线实时成像检测技术发展：射线实时成像检测技术发展：?采用图像增强器代替简单的荧光屏，实现
4、图像亮度和对比度增强。采用图像增强器代替简单的荧光屏，实现图像亮度和对比度增强。?采用微焦点或小焦点射线源，以投影放大方式进行射线照相。采用微焦点或小焦点射线源，以投影放大方式进行射线照相。?引入数字图像处理技术，改进图像质量。图像增强器中实现下述的转换过程：射线?可见光可见光?电子?可见光 2、射线实时成像系统的图像特性?射线实时成像系统的图像构成要素包括像素和灰度。?射线实时成像检测系统图像质量主要指标有三项，即图像分辨率、图像不清晰度和对比灵敏度。这三项指标大致可对应于胶片照相的颗粒度、不清晰度和对比度，但由于实时成像与胶片照相的成像原理、方法和器材均有所不同，因此，两者的定义和实质内容
5、是有区别的。8.2 射线实时成像检测技术（1）图像分辨率。图像分辨率（又称空间分辨率）定义为显示器屏幕图像可识别线条分离的最小间距，单位是 Lp/mm（线对毫米）。射线实时成像检测系统的图像分辨率可采用线对测试卡测定，铂铂-钨双丝像质计也可用钨双丝像质计也可用来测定图像分辨率。来测定图像分辨率。（2）图像不清晰度。图像不清晰度定义为一个边界明锐的器件成像后，其影像边界模糊区域的宽度。影响图像影响图像不清晰度的因素主要是几何不清晰度和荧光屏的固有不不清晰度的因素主要是几何不清晰度和荧光屏的固有不 8.2 射线实时成像检测技术 清晰度。在射线实时成像检测技术中，几何不清晰度除清晰度。在射线实时成像
6、检测技术中，几何不清晰度除了相关于焦点尺寸，还相关于所选用的放大倍数。了相关于焦点尺寸，还相关于所选用的放大倍数。图像不清晰度可采用线对测试卡测定，也可用双丝像质计测量。射线实时成像检测系统的图像，容易实现较高的对射线实时成像检测系统的图像，容易实现较高的对比度，但却往往不能得到满意的清晰度。（3）对比灵敏度。对比灵敏度定义为从显示器图像中可识别的透照厚度百分比，即 T T。在射线实时成像检测系统显示器上所观察到的图像对比度 C 与主因对比度和荧光屏的亮度有关。度和荧光屏的亮度有关。对比灵敏度可用阶梯试块测定。8.2 射线实时成像检测技术 3、射线实时成像检测技术的工艺要点?最佳放大倍数 图像
7、放大后有利于细小缺陷的识别。但随着放大倍数的增大，几何不清晰度也增大，不利于缺陷识别。?扫描速度和定位精度 射线实时成像检测过程包含动态检验和静态检验。对动态检验，要控制好工件和射线源的移动速度，它直接相关于图像的噪声。采用的扫描速度与射线源的强度相关。对静态检验，机械驱动装置必须具有一定的定位精度（10 mm）。8.2 射线实时成像检测技术?图像处理。在射线实时成像检测技术采用的数字图像处理技术包括对比度增强（灰度增强）、图像平滑（多帧平均法降噪）、图像锐化（边界锐化）和伪彩色显示等。?系统性能校验。为保证检验结果可靠，必须对系统的性能进行定期校验。校验方法有静态校验和动态校验两种。静态校验
8、项目包括图像分辨率和对比灵敏度等，校验的周期和间隔应符合有关要求。用带缺陷的试样进行动态校验时，所用透照参数和试件移动速度应与实际检测相同，像质计的选择、数目、放置等应符合标准和工艺的规定。8.2 射线实时成像检测技术 4、图像增强器射线实时成像系统的优点和局限性 与常规射线照相相比，图像增强器射线实时成像系统有以下优点和局限性：?工件一送到检侧位置就可以立即获得透视图像，检测速度快，工作效率比射线照相高数十倍。?不使用胶片，不需处理胶片的化学药品，运行成本低，且不造成环境污染。?检测结果可转化为数字化图像用光盘等存储器存放，存储、调用、传送比底片方便。?图像质量，尤其是空间分辨率和清晰度低于
9、胶片射线照相。?图像增强器体积较大，检测系统应用的灵活性和适用性不如普通射线照相装置。?设备一次投资较大。?显示器视域有局限，图像的边沿容易出现扭曲失真。8.2 射线实时成像检测技术 8.3 数字化射线成像技术 1、计算机射线照相技术（计算机射线照相技术（CR）计算机射线照相（计算机射线照相（computed radiography），是指将），是指将 X 射线射线透过工件后的信息记录在成像板透过工件后的信息记录在成像板（image plate,IP）上，经扫）上，经扫描装置读取，再由计算机生出数描装置读取，再由计算机生出数字化图像的技术。整个系统由字化图像的技术。整个系统由 成成像板、激光扫
10、描读出器像板、激光扫描读出器、数字图、数字图像处理和储存系统组成。像处理和储存系统组成。CR 技术的优点和局限性：技术的优点和局限性：?原有的 X 射线设备不需要更换或改造，可以直接使用。?宽容度大，曝光条件易选择。对曝光不足或过度的胶片可通过影像处理进行补救。?可减小照相曝光量。CR 技术可对成像板获取的信息进行放大增益，从而可大幅度地减少 X 射线曝光量。?CR 技术产生的数字图像存储、传输、提取、观察方便。8.3 数字化射线成像技术?成像板与胶片一样，有不同的规格，能够分割和弯曲，成像板可重复使用几千次，其寿命决定于机械磨损程度。虽然单板的价格吊贵，但实际比胶片更便宜。?CR 成像的空间
11、分辨率可达到 5 线对毫米，稍低于胶片水平。?虽然比胶片照相速度快一些，但是不能直接获得图像，必须将 CR 屏放入读取器中才能得到图像。?CR 成像板与胶片一样，对使用条件有一定要求，不能在潮湿的环境中和极端的温度条件下使用。8.3 数字化射线成像技术 2、线阵列扫描成像技术（LDA）线阵列扫描数字成像系统工作原理如图。由 X 射线机发出的经准直为扇形的一束 X 射线，穿过被检测工件，被线扫描成像器（LDA探侧器）接收，将 X 射线直接转换成数字信号，然后传送到图像采集控制器和计算机中。每次扫描 LDA 探测器所生成的图像仅仅是很窄的一条线，8.3 数字化射线成像技术 线扫描成像器 准直器 图
12、像采集控制器 线扫描成像器的技术特性：（1）空间分辨率。空间分辨率主要由像素的尺寸和排列决定。像素间距越小，其空间分辨率就越高。（2）动态范围。动态范围是指成像器可以识别的由 X 射线转换成数字图像的灰度等级。在实际使用过程中，由于转换器件（光电二极管）的非线形特性，使得动态范围要低于理论值。（3）动态校准。校准在很大程度上影响着光电二极管阵列的工作性能，校准可以在模拟的部分进行，也可以在数字部分进行，或者是同时进行。基本校准包括补偿和放大。8.3 数字化射线成像技术（4）扫描速度。影响扫描速度的主要因素是系统信号的）扫描速度。影响扫描速度的主要因素是系统信号的处理速度和处理速度和 X 射线光
13、通量的大小，现在计算机及电子线射线光通量的大小，现在计算机及电子线路的处理速度都很高，即使扫描线较长的路的处理速度都很高，即使扫描线较长的 LDA，也能在，也能在很短的时间内处理完毕，因此系统的扫描速度取决于因此系统的扫描速度取决于 X 射线光通量的大小。只有当 X 射线在射线在 LDA 上的累积剂上的累积剂量达到一定数量时才能有较好质量的图像，否则信号会量达到一定数量时才能有较好质量的图像，否则信号会被系统固有噪声淹没，使得成像质量大大降低。被系统固有噪声淹没，使得成像质量大大降低。（5）与射线源相关的设计。针对不同射线源，在）与射线源相关的设计。针对不同射线源，在 LDA 的设计上会有显著
14、的差异。首先要解决的是优化闪烁体，的设计上会有显著的差异。首先要解决的是优化闪烁体，实现闪烁体与 X 射线的能量匹配。其次是 X 射线的屏蔽射线的屏蔽和准直，X 射线会增加电子线路的噪声，所以屏蔽和准射线会增加电子线路的噪声，所以屏蔽和准直很重要。直很重要。8.3 数字化射线成像技术 3、数字平板直接成像技术（DR）数字平板直接成像（Directer Digital Panel Radiography）技术有非晶硅（a-Si）和非晶硒（a-Se）和 CMOS（互补金属氧化物半导体）三种。8.3 数字化射线成像技术 4、关于数字化射线成像技术的进一步知识?其他获取数字图像的方法 除了上述 CR、
15、DR、LDA 等数字化射线成像技术外，还有其他方法可以获得射线检测数字化图像。比如对底片进行扫描，可将底片上的图像转换为数子图像；工业射线实时成像系统中通过数字式摄像机也能获得数字图像。但上述两种方法均不划入数字化射线成像技术范畴，因为这两种方法的数字图像是在模拟图像基础上加工而获得的：前者是对已完成的射线照相产品 底片进行一次再加工；后者仅是在最后阶段通过数字式摄像机才变成数字信号图像，而其成像过程的大部分信号传递变换从射线作用于输入转换屏以及图像增强器信号的输入输出均是模拟信号。以上两种方法获取数字图像均 8.3 数字化射线成像技术 存在缺点：底片数字扫描的缺点是扫描转换需要花费较存在缺点
16、：底片数字扫描的缺点是扫描转换需要花费较长时间和添加额外设备，图形质量也可能因扫描出现某长时间和添加额外设备，图形质量也可能因扫描出现某种程度的退化；而在射线实时成像系统中，由于成像阶种程度的退化；而在射线实时成像系统中，由于成像阶段经过模拟信号的多次转换，造成信噪比降低和图像质段经过模拟信号的多次转换，造成信噪比降低和图像质量劣化，最终获得的数字图像质量是不高的。量劣化，最终获得的数字图像质量是不高的。?数字成像探测器的分类数字成像探测器的分类 数字成像探测器是数字化成像系统的关键元器件。各数字成像探测器是数字化成像系统的关键元器件。各种数字成像探测器都是由集成的数字元件排列而成的阵种数字成
17、像探测器都是由集成的数字元件排列而成的阵列。列。根据光电转换装置的原理和器件不同，数字成像探测器可以分为气体探测器和固体探测器两大类。8.3 数字化射线成像技术 5数字成像系统的技术特性 （1）数字成像系统的信噪比。信噪比是指有用信号电压与噪声电压之比，记为 S/N，通常用分贝值表示。信噪比越大，图像质量越好。（2）数字成像系统的分辨率。探测器的空间分辨率主要是由图像传感器的像素尺寸决定。（3）对比灵敏度与宽容度。图像的对比度和宽容度实际上是由射线剂量、光电转换装置的动态范围和系统增益决定的。其中，对比度与宽容度成为一对矛盾。8.3 数字化射线成像技术 6 数字化射线成像技术特点总结数字化射线
18、成像技术特点总结 各种数字化射线成像技术的共同特点是：检测过程容各种数字化射线成像技术的共同特点是：检测过程容易实现自动化，工作效率高，成像质量好，数字图像的处理、存储、传输、提取、观察应用十分方便。从成像速度来说，各种数字化射线成像技术均比不上图像增强器实时成像，但比胶片照相或 CR 技术快得多。胶片照相或 CR 技术在两次照射期间需更换胶片和存储荧光板，曝光后需冲洗或放入专门装置读取，需要花费许多时间。而数字化射线成像技术仅仅需要几秒钟到几十秒的数据采集时间，就可以观察到图像。数字化射线成像技术成像的速度与成像精度有关，其中最快的非晶硅平板可以每秒 30 幅的速度显示图像，甚至可以替代图像
19、增强器，然而，成像速度越快，所获得的图像的质量就 8.3 数字化射线成像技术 越低。除了不能进行分割和弯曲外，数字平板能够与胶越低。除了不能进行分割和弯曲外，数字平板能够与胶片和 CR 有同样的应用范围，可以被放置在机械或传送有同样的应用范围，可以被放置在机械或传送带位置，检测通过的零件，也可以采用多角度配置进行多视域的检测。数字化射线成像技术的图像质量比图像多视域的检测。数字化射线成像技术的图像质量比图像增强器射线实时成像系统高得多。增强器射线实时成像系统高得多。各种成像技术比较：使用几何放大的图像增强器线性的空间分辨率约为 300 m，二极管阵列（LDA）的空间分辨率约为 250 m，非晶
20、硅硒接收板的空间分辨，非晶硅硒接收板的空间分辨率约为 130 m,CR 平板的空间分辨率约为 100 m。小型 CMOS 探测器的像素尺寸约为 50rn，扫描式 CMOS 阵列探测器的像素为 80 m，使用几何放大的扫描式 CMOS 阵列探测器的空间分辨率可达几微米。阵列探测器的空间分辨率可达几微米。8.3 数字化射线成像技术 数字平板的共同缺点是其价格昂贵，而胶片和数字平板的共同缺点是其价格昂贵，而胶片和 CR 的成的成本相对较低，数字平板需要连接电源和电缆；非晶硅本相对较低，数字平板需要连接电源和电缆；非晶硅硒接收板数字板易碎；其灵敏度会随温度变化。硒接收板数字板易碎；其灵敏度会随温度变化
21、。8.3 数字化射线成像技术 8.4 X射线层析照像（X-CT）1、X 射线计算机层析（computed tomography）工业 CT 用经过高度准直的窄束 X 射线对工件分层进行扫描。X 射线管与探测器作为同步转动的整体，分别位于工件两侧的相对位置。检查中 X 射线束从各个方向对被探查的断面进行扫描，位于对测的探测器接收透过断面的 X 射线，然后将这些 X 射线信息转变为电信号，再由模拟数字转换器转换为数字信号输入计算机进行处理，最后由图像显示器用不同的灰度等级显示出来，就成为一幅 X-CT 图像。工业 CT 检测的特点是准确率高。以往的传统射线检测是把工件全厚度重叠投影在一张以往的传统
22、射线检测是把工件全厚度重叠投影在一张底片上，无法分清楚各部分结构。工业底片上，无法分清楚各部分结构。工业 CT 是工件的分是工件的分层断面图像，可给出工件任一平面层的图像，可以发现层断面图像，可给出工件任一平面层的图像，可以发现平面内任何方向分布的缺陷，它具有不重叠、层次分明、平面内任何方向分布的缺陷，它具有不重叠、层次分明、对比度高和分辨率高等特点，容易准确地确定缺陷的位对比度高和分辨率高等特点，容易准确地确定缺陷的位置和性质。工业置和性质。工业 CT 产生的数字化图像信号贮存、转录产生的数字化图像信号贮存、转录均十分方便。但 CT 技术完整地检测一个工件比常规射线照相需要长得多的时间，费用
23、也要高很多。工业 CT 技术目前主要应用在下列方面：（1）缺陷检测。主要用于检验小型、复杂、精密的铸）缺陷检测。主要用于检验小型、复杂、精密的铸件和锻件以及大型固体火箭发动机。件和锻件以及大型固体火箭发动机。8.4 X射线层析照像（X-CT）检验大型固体火箭发动机的检验大型固体火箭发动机的 CT 系统，使用电子直线加系统，使用电子直线加速器速器 X 射线源，能量高达射线源，能量高达 25 MeV，可检验直径达，可检验直径达 3m 的大型团体火箭发动机。（2）尺寸测量。如精密铸造的飞机发动机叶片的尺寸侧量，尺寸误差应不大于 0.1mm。（3）结构和密度分布检查。在航空工业中 CT 技术用于检验与
24、评价复合材料和复合结构，以及某些复合件的制造过程。这种检测与评价过程与取样破坏分析过程相比，造过程。这种检测与评价过程与取样破坏分析过程相比，不仅简化了生产过程、降低了成本，而且可靠性也大大提高，提高，CT 技术还可用于检查工程陶瓷和粉末冶金产品制造过程中材料或成分变化，特别是对高强度、形状复杂的产品更有意义。8.4 X射线层析照像（X-CT）8.5 中子射线照像 1 中子射线照相的原理?中子射线的物理基本知识。中子是一种不带电荷的基本粒子，中子射线与 X 射线和射线唯一的相同点是都属于不带电粒子束流，具有很强的穿透物质能力。在其他方面，中子射线与 X 射线和射线的性质迥然不同。中子与物质相互
25、作用时有如下特点：中子穿过物质时主要是与物质的原子核发生作用，与核外电子几乎没有作用。因此，中子的吸收概率主要决定于核的性质。X 射线和射线与物质作用时其衰减随物质原子序数的增大而增大，而对中子来说，却完全不具有这样的规律性，原子序数相邻的两种元素对中子的吸收可能相差悬殊，序数小的元素吸收热中子可能比序数大的元素吸收热中子更强。中子与物质相互作用的强度减弱服从指数衰减规律，即：I=I0e-ut 衰减系数大小是由该元素的 中子截面决定的，中子在某些较轻的元素中具有很大的截面，而在某些较重的元素中截面却很小。描述中子射线的参数有强度和能量，习惯上把 0.1 MeV 以上的中子叫快中子，把 1KeV
26、 以下的中子叫慢中子，介于其间的叫中能中子。10-2eV左右的中子叫热中子。比热中子能量更低的，就叫冷中子。目前无损检测广泛应用的是热中子射线照相检验技术 8.5 中子射线照像?中子射线照相原理中子射线照相原理 中子源发出的中子束射向被检中子源发出的中子束射向被检测的物体，由于物体的吸收和散测的物体，由于物体的吸收和散射，中子的能量被衰减，衰减的射，中子的能量被衰减，衰减的程度则取决于物体的成分。穿过程度则取决于物体的成分。穿过物体的中子束被影像记录仪所接物体的中子束被影像记录仪所接收而形成物体的射线照片。收而形成物体的射线照片。热中子的应用最普遍，但它不能直接从有关反应中制得，必须由快中子减
27、速得到。对热中子来说，还对热中子来说，还需要进行准直，准直的目的是限需要进行准直，准直的目的是限制到达物体的中子束发散。制到达物体的中子束发散。8.5 中子射线照像 中子本身几乎不具有直接使胶片感光的能力，但它能产生某些容易被胶片记录下来的二次辐射，因此，要在感光胶片上记录中子的信息，必须使用某些类型的转换屏。光胶片上记录中子的信息，必须使用某些类型的转换屏。转换屏在中子照射下发生核反应产生 粒子、粒子和光子使胶片感光。中子照相按照转换方式的不同可以分为两种：一直接曝光法和间接曝光法。8.5 中子射线照像 2、中子射线照相设备 如上所述，大多数中子源发射出来的中子需经 减速器慢化后变成热中子，
28、然后通过 准直器限制中子束的发射角，使它成为束照射，再透过被检工件，记录图像。所以中子探伤设备应包括中子源、减速器（或慢化剂）、准直器和记录设备，下面进行简单介绍。?中子源。产生中子的方法很多，但目前能用于探伤的中子源有四种：同位素中子源、加速器中子源、反应堆中子源、中子管式中子源。8.5 中子射线照像?慢化剂。当快中子进入物质后，与物质原子核发生弹慢化剂。当快中子进入物质后，与物质原子核发生弹性散射和非弹性散射，造成能量损失而被减速。性散射和非弹性散射，造成能量损失而被减速。选择减选择减速剂材料时，不仅要考虑它的慢化能力，而且更要考虑它的减速比。慢化能力大但减速比小的材料，由于宏观慢化能力大
29、但减速比小的材料，由于宏观吸收截面大，不适宜作慢化剂材料。吸收截面大，不适宜作慢化剂材料。?记录设备。中子射线检测使用的中子记录设备。中子射线检测使用的中子 转换屏的作用是吸收入射的中子，然后直接发射能够被检测的某种射线，收入射的中子，然后直接发射能够被检测的某种射线，如带电粒子或光子。中子检测中常用的转换屏是中子检测中常用的转换屏是 闪烁转闪烁转换屏，它在中子照射下产生荧光使胶片感光。，它在中子照射下产生荧光使胶片感光。8.5 中子射线照像?转换屏。中子本身几乎不能使胶片感光，因此，在热中子射线照相中必须采用转换屏。3、中子射线照相应用简介?中子射线照相检验技术是常规 X 射线、射线照相检验
30、技术的补充，中子射线照相检验技术的主要缺点是中子源价格昂贵，使用时需特别注意中子的安全与防护问题，中子射线照相可应用于核工业装置、爆炸装置、汽轮机叶片、电子器件及航空结构件（包括金属蜂窝结构和组件）等。?核工业装置。中子射线照相在核工业中用来检验高辐射性材料的核燃料，测定其尺寸，显示燃料的情况，观察冷却液泄漏或氧化物和同位素的分布情况。8.5 中子射线照像?爆炸装置和火箭燃料装置。爆炸装置和火箭燃料装置的检测是中子射线照相的重要应用方面。这种装置通常是在铅或不锈钢等金属制成的外壳中装有含氢的炸药或燃料。中子照相不仅能透过金属外壳，显示出里面装载的炸药或燃料，还能观察到其密度是否均匀、有无空隙等。?汽轮机叶片。对蜡模铸造制成的汽轮机叶片，要确定其清理后没有残余陶芯留在冷却空腔的内部，可用中子照相进行检验。?电子器件。某些电子器件含有异物（如纸、布等）将不能工作，中子射线可将此显示出来。8.5 中子射线照像?航空结构件。用于航空和其他设备上的蜂窝结构可用中子进行检测，中子照相能显示制造或维修过程结构的粘结质量或粘结树脂的分布，对金属组件 （如铝金属易于氧化而腐蚀）可检测腐蚀；对在役结构可检测其中存在的水分。8.5 中子射线照像
