射线照相检验设备与器材

第2章射线照相检验设备与器材2.1X射线机2.1.1X射线机的基本结构与类型工业射线照相探伤中使用的低能X射线机，简单地说是由四部分组成：射线发生器（X射线管）、高压发生器、冷却系统、控制系统。当各部分独立时，高压发生器与射线发生器之间应采用高压电缆连接。X射线机可以从不同方面进行分类。按照X射线机的结构，X射线机通常分为三类，便携式X射线机、移动式X射线机、固定式X射线机。便携式X射线机采用组合式射线发生器，其X射线管、高压发生器、冷却系统共同安装在一个机壳中，也简单地称为射线发生器，在射线发生器中充满绝缘介质。整机由两个单元构成，即控制器和射线发生器，它们之间由低压电缆连接。在射线发生器中所充的绝缘介质，较早时为高抗电强度的变压器油，其抗电强度应不小于30～50kV/2.5mm。现在多数充填的绝缘介质是六氟化硫（SF6），以减轻射线发生器的重量。充填的SF6气体的气压应不低于0.34MPa（3.5kg/cm2），但也不能过高，以防机壳爆裂，通常不应超过0.49MPa（5.0kg/cm2）。采用充气绝缘的便携式X射线机，体积小、重量轻，便于携带，利于现场进行射线照相检验。便携式X射线机的管电压一般不超过320kV，管电流经常固定为5mA，连续工作时间一般为5min。移动式X射线机具有分立的各个组成部分，但它们共同安装在一个小车上，可以方便地移动到现场、车间，进行射线检验。冷却系统为良好的水循环冷却系统。X射线管采用金属陶瓷X射线管，管电压不高于160kV（或150kV），尺寸小，射线发生器通常就是X射线管，它与高压发生器之间采用一长达15m左右的高压电缆连接，以便于现场的防护和操作。固定式X射线机采用结构完善、功能强的分立射线发生器、高压发生器、冷却系统和控制系统，射线发生器与高压发生器之间采用高压电缆连接，高压电缆的长度一般为2m。其体积大、重量也大，不便移动，因此固定安装在X射线机房内。这类X射线机已形成150kV、250kV（225kV）、320kV、450kV（420kV）等系列，其管电流可用到30mA甚至更大的值，系统完善，工作效率高，它是检验实验室应优先选用的X射线机。X射线机也可以按其他方面分类，例如按照X射线机的工作电压可分为恒压X射线机和脉冲X射线机，按照加在X射线管上的电压脉冲频率可分为恒频X射线机和变频X射线机，按照所使用的X射线管可分为玻璃管X射线机和陶瓷管X射线机，按24照X射线管的辐射角可分为定向X射线机和周向X射线机，按照X射线管焦点尺寸可分为微焦点、小焦点和常规焦点X射线机等，但目前较多采用的是按照结构进行分类。2.1.2X射线管X射线机的核心器件是X射线管，普通X射线管的基本结构如图2-1所示。它主要由阳极、阴极和管壳构成。图2-1X射线管结构示意图阳极是产生X射线的部位。主要由阳极体、阳极靶和阳极罩组成。阳极的基本结构如图2-2所示。阳极体为具有高热传导性的金属电极，典型的阳极体由无氧铜制做。其作用是支承阳极靶，并将阳极靶上产生的热量传送出去，避免靶面烧毁。阳极靶的作用是承受高速电子的撞击，产生X射线。阳极靶紧密镶嵌在阳极体上，与阳极体具有良好的接触。由于工作时阳极靶直接承受高速电子的撞击，电子大部分动能在它上面转换为热，因此阳极靶必须耐高温。此外，阳极靶应具有高原子序数，才能具有较高的X射线转换效率。所以，对工业射线照相检验用的X射线管，其阳极靶采用钨制做。阳极靶的表面应磨成镜面，并与X射线管轴成一定角度，靶面与管轴垂线所成的角度常称为靶面角。阳极靶可以采用不同的结构，以产生不同的辐射。例如，常用锥形靶和平面形靶产生周向辐射X射线，也有的X射线机采用特殊的旋转阳极靶，它不仅可以改善散热状况，而且可以获得更高的管电流。高速电子撞击阳极靶时会产生二次电子，二次电子可集聚在管壳上，形成一定电位，影响飞向阳极靶的电子束，阳极罩就是用来吸收高速电子撞击阳极靶时产生的二次电子。阳极罩常用铜制做，在朝向阴极方向有一小孔，阴极发射的电子从这个小孔进入，撞击阳极靶；阳极罩的侧面也有一个小孔，常用原子序数很低的薄铍板覆盖，称为窗口，阳极靶产生的X射线从此窗口辐射出来。图2-2阳极的基本结构示意图1—阳极罩2—阳极体3—放射窗口4—阳极靶25X射线管的阳极特性是指，在一定的阴极灯丝电流下，管电流与管电压的关系。图2-3是X射线管的阳极特性曲线。从图中可以看到，管电流在最初随着管电压升高而增加，但当管电压达到一定值以后，管电流趋于饱和。产生这种饱和特点的原因是，灯丝发射的电子已接近全部到达阳极靶。当X射线管施加的管电压较低时，为了得到较大的管电流，只能采用更大的灯丝电流。但实际上灯丝电流也只能在一定范围内调整，这也就限定了低管电压下可使用的最大管电流。阴极是X射线管中发射电子的部位，它由灯丝和一定形状的金属电极－聚焦杯（阴极头）构成。灯丝由钨丝绕成一定形状，聚焦杯包围着灯丝。灯丝在灯丝电流加热下可发射热电子，这些电子在X射线管的管电压作用下，高速飞向阳极靶，最终通过轫致辐射在阳极靶产生X射线。灯丝发射电子的能力随灯丝温度，也就是灯丝的加热电流而改变。当灯丝温度增高时，发射电子的能力也增大。由于钨的熔点高（3370℃），且蒸发率低，所以工业探伤用X射线管的灯丝采用钨制做。灯丝的主要形状有圆形、线形、矩形等，灯丝的形状、尺寸及聚焦杯的形状、尺寸、与灯丝的相对位置等，都直接影响X射线管的焦点。灯丝温度通过调节灯丝变压器的电压改变灯丝电流进行调节，过高的灯丝电流将会烧毁灯丝。X射线管的阴极特性是指，在一定管电压下，管电流与灯丝电流之间的关系。图2-4是X射线管的阴极特性曲线。X射线管的管壳封出一个高真空腔体，并在腔内封装阳极和阴极。管内的真空度应达到1.33×（103～105）Pa。管壳必须具有足够高的机械强度和电绝缘强度。工业射线检测常用的X射线管的管壳主要采用玻璃与金属或陶瓷与金属制做。采用玻璃与金属制做管壳的X射线管称为玻璃X射线管。采用陶瓷与金属制做管壳的X射线管分为两类，一类是金属陶瓷X射线管，另一类是波纹陶瓷X射线管。图2-5是波纹陶瓷X射线管的结构示意图。金属陶瓷X射线管以不锈钢管代替玻璃管壳，用陶瓷材料绝缘，与玻璃管壳的X射线管比较，它的主要特点是结构牢固、寿命长，现在已经是X射线管的重要类型。波纹陶瓷X射线管是广泛应用在的另一类X射线管，它与金属陶瓷X射线管具有类似的特点。普通玻璃X射线管的寿命一般为400～500h，陶瓷X射线管的寿命一般在1000h以上。这里所说的寿命是指X射线管的辐射量降低到规定值的80%以下，并不是指X射线管本身损坏。目前，在工业射线检测中还使用的另一种X射线管是微焦点X射线管。这是一类特殊结构的X射线管，管的焦点尺寸现在可小到几微米，它采用了一套电子聚焦系统，以便形成很细的电子束。这种X射线管的工作电压较低，一般不超过160kV，管电流也远小于普通X射线管，一般不超过数百微安。图2-3X射线管的阳极特性曲线26图2-4X射线管的阴极特性曲线图2-5波纹陶瓷X射线管结构示意图在X射线管中产生X射线的基本过程如下。X射线管的阴极灯丝通过电流，被加热到2000℃以上后发射电子，这些电子聚集在灯丝附近。当X射线管的阳极和阴极间施加上高压后，电子在这个高压作用下被加速，高速飞向阳极靶，穿过阳极和阴极之间的空间后撞击到阳极靶上。通过轫致辐射，电子的一部分动能转化为X射线，从X射线管窗口辐射出来。电子的大部分动能传给了阳极靶，使它迅速升温。从这个过程可以看出，为了保证X射线管能够正常地工作，产生一定能量和强度的X射线，X射线管必须具有足够的真空度、足够的绝缘强度和足够的散热能力。X射线管的结构、所达到的绝缘强度和真空度，限定了在阳极和阴极间所能施加的最高高压。由于气体分子在电子的撞击下可以发生电离，产生附加的电流，真空度同时还将影响X射线管管电流的稳定性，这也直接关系到X射线管的正常工作和寿命。显然，如果不能很好地散热，X射线管的阳极将迅速升到很高的温度，不仅会使阳极靶烧毁，而且也会导致X射线管整体损坏。使用时，X射线管置于一定的外壳中，X射线管与此外壳和外壳中充填的绝缘介质等构成一个整体，通常称为射线发生器（机头）。对便携式X射线机，射线发生器还会包括高压部分。外壳由具有一定强度的金属制做，外壳上有一系列的插座，包括可能有的高压电缆插座和冷却循环用的接管等。在外壳内应有一定厚度的铅屏蔽层，使漏泄辐射量降低到规定的要求。内部充填的绝缘介质主要是高抗电强度的变压器油或六氟化硫气体。图2-6是一射线发生器内部结构示意图。图2-6油浸200kVX射线机射线发生器结构示意图272.1.3高压发生器高压发生器由高压变压器、高压整流管、灯丝变压器和高压整流电路组成，它们共同装在一个机壳中，里面充满了耐高压的绝缘介质。高压发生器提供X射线管的加速电压－阳极与阴极之间的电位差和X射线管的灯丝电压。高压发生器中注满高压绝缘介质，目前主要是高抗电强度的变压器油，其抗电强度应不小于30～50kV/2.5mm。高压变压器的结构与一般变压器相同，其特点是二次电压很高、但功率不大。为保证高压变压器具有足够的绝缘强度，在制造过程中应进行严格绝缘处理，以防止以后发生击穿。灯丝变压器的一次电压一般为100～200V，二次电压常为5～20V，必须解决的问题是一次绕组与二次绕组之间的绝缘问题。由于X射线管的阴极处于高压之中，而灯丝变压器的一次绕组处在低压线路之中，所以必须防止它们之间的高压击穿。正是由于这个原因，灯丝变压器必须置于高压绝缘介质之中。高压整流电路有多种形式，一些典型电路是半波自整流电路、全波整流电路、恒压整流电路。半波自整流电路是最简单的高压整流电路，其基本电路如图2-7所示，得到的电压波形如图2-8所示。在这种电路中X射线管本身起着整流二极管的作用。当X射线管施加交流电压时，利用自整流作用，在阳极电位为正半周时电流通过，X射线管工作，发射X射线。在阳极电位为负半周时电流不能通过，X射线管不工作，不发射X射线。即半波自整流电路只在半周的时间内发射X射线。图2-7半波自整流电路图2-8半波自整流电路的电压波形半波自整流电路的优点是结构简单、部件少、体积小，多用于携带式X射线机。但半波自整流电路也存在明显的缺点，主要是仅在半周发射X射线，电源利用率低；此外，在高压的负半周，X射线管要承受很高的反向电压，如果阳极温度很高，可能会因发射电子而出现反向电流。为避免这一问题，电路中长采用逆电压降低电路，这样一来，在负半周仅有较低的电压加在X射线管上。全波整流电路其基本电路如图2-9所示。当交流电处在不同半周时，可分别通过不28同的整流二极管将电压施加在X射线管上，使X射线管工作，发射X射线。此电路电源利用率高，X射线管不存在需要承受反向高压问题。电路存在的主要缺点是，输出的电压波形不稳定，也即输出的X射线不稳定。全波恒压整流电路其基本电路如图2-10所示，得到的电压波形如图2-11所示。为了提高X射线管的辐射强度，必须采用波动很小的直流电对X射线管供电，全波恒压整流电路就是这样的一种整流电路。按图2-10的标示，在正半周时，交流电对电容C1充电，电容C2放电；在负半周时，交流电对电容C2充电，电容C1放电。正半周时电流的路径是高压变压器→整流二极管D1→X射线管→电容器C2→高压变压器。负半周时电流的路径是高压变压器→电容器C1→X射线管→整流二极管D2→高压变压器。X射线管上的高压是高压变压器上的电压与电容器上的电压的和，即实际施加到X射线管上的电压近似比高压变压器二次电压高一倍。由于电容的充电时间远小于放电时间，因此，X射线管上的电压变化较小。图2-10全波恒压整流电路图2-11全波恒压整流电路波形全波恒压整流电路，不仅减少了X射线管输出X射线强度的波动，而且具有倍压作用，因此，这种电路受到了广泛的重视。2.1.4冷却系统对常用的低压X射线机，X射线管只能将1%左右的电子能量转换为X射线，绝大部分的能量在阳极靶上转换为热量，加热阳极靶和阳极体。因此，为了使X射线管能正常工作，X射线机必须有良好的冷却