第3章射线照相的影像质量

第3章射线照相的影像质量3．1影像形成的简单分析图3—1画出了射线照相影像形成的过程。从图3—1可以看到，在射线透照下，物体内部的情况将投影在胶片平面，形成射线照相影像的图像。这幅图像的形成，以从射线直线传播的性质讨论。作为初步分析，可以假设射线源是——个几何点，射线从这点发出，沿直线在空间传播，并沿直线穿透被透照物体。上述影像形成的过程使影像具有下面一些特点。1．影像重叠影像的每个点都是物体的一系列点对射线衰减产生的总结果，或者说是物体一系列点的影像的重叠。例如，图中的影像A是射线穿过1A、2A、3A……等无数个点到达胶片后形成的，所以A点影像反映了1A、2A、3A……等无数个点对射线衰减的情况。这样，当从不同方向进行射线检测时，对同一物体得到的影像可以不同。影像的重叠性使得物体中不同位置的缺陷，在射线检测的影像上可能表现成一个缺陷，这给射线检测影像的判断带来困难。2．影像放大影像放大是指在胶片上形成的影像的尺寸大于形成影像的物体的尺寸。图3—2清楚地显示出，物体中一宽度为W的区域，在胶片上形成的影像的宽度为W，明显地这是一个放大的影像，从投影关系不难理解这一点。影像放大的程度与射线源至被透照物体的距离有关、与影像所表示的物体和检测器的距离有关。在一般的情况下，影像都存在一定程度的放大。应注意的是，在实际射线照相检验时，如果X射线机的焦点大于缺陷的尺寸，则影像可能不产生放大。3．影像畸变如果得到的影像的形状与物体在投影方向截面的形状不相似，则称影像发生了畸变。产生这种情况的原因是，物体截面上不同的部分在胶片上形成影像时产生的放大不同，这样就导致影像的形状与物体的形状不相似。只要物体的投影截面与记录影像的截面不平行，就将发生影像畸变。在实际射线照相中，缺陷影像畸变是经常发生的，这是由于缺陷总是具有一定的体积，具有一定的空间分布，形状常常是不规则的，这些情况使得透照时将存在多个投影截面，不同的投影截面形成的影像的放大总是存在一些不同，就造成了影像畸变。理解射线照相影像的这些特点，对正确地评定底片上的缺陷具有重要意义。3．2影像质量3.2.1影像质量的基本因素射线照相检验影像质量的基本因素，可以从金属边界射线照相的影像导出。如图3-3所示，当透照一锐利的垂直的金属物体边界时，理想的情况应得到图3—3b所示的黑度分布曲线，即当从一个厚度过渡到另一个厚度时，对应的黑度应从一个黑度以阶跃的形式过渡到另一个黑度。但测量指出，实际的黑度分布并不是这种阶跃形式，而是如图3-3c所示，—在两个黑度之间存在一个缓慢变化的区域，使黑度逐渐地从一个黑度过渡到另一个黑度，缓慢变化区的黑度分布不是直线，而是一存在坡脚和肩部的曲线。这个缓慢变化区的宽度即是射线照相的不清晰度，一般记为U，它造成了射线照片上影像边界的扩展。进一步的研究发现，过渡区的的细致情况如图3-3d所示，即实际的黑度存在不规则的大大小小的不断变化，并不是单调均匀的变化。黑度不规则变化的统计平均值(统计标准差)称为影像的颗粒度，记为D。对应金属边界的黑度差称为该影像的对比度，记为D。D、U和D即是影像质量的基本因素，即射线照片上影像的质量由对比度、不清晰度、颗粒度决定。对比度是影像与背景的黑度差，不清晰度是影像边界扩展的宽度，颗粒度是影像黑度的不均匀性程度。影像的对比度决定了在射线透照方向上可识别的细节尺寸，影像的不清晰度决定了在垂直于射线透照方向上可识别的细节尺寸，影像的颗粒度决定了影像可显示的细节最小尺寸。3．2．2影像的射线照相对比度在射线照相中影像的对比度定义为射线照片上两个区域的黑度差，常记为D。即如果两个区域的黑度分别为'D、D，则它们的对比度为DDD'(3-1)射线照片上影像的对比度常指影像的黑度与背景的黑度之差。从物体厚度的一个小的增加量AT产生的黑度变化，即可得到射线照相对比度的公式。如图3-4所示，设在厚度之上局部叠加了一小的厚度T，而D为对应厚度T部分的黑度；'D为对应厚度TT部分的黑度。显然，D是由厚度小增量T引起的两区域的黑度差。在第2章曾经给出，对胶片特性曲线的直线部分存在关系：kHGDlgkHGD'''lg式中，'H、H为曝光量，它等于射线强度与曝光时间之积tIHItH''由于T与TT之差很小，因此D与'D之差也很小，所以可认为对应于D与'D，的梯度近似相等，因此对T引起的黑度差有)lg(lg'HHGD这样有)lg()(lg'IttIGD)lg('IIGD(3-2)首先考虑简单的情况，即窄束、单色射线情况，从射线衰减规律有TeII0)(0'TTeII两式相除，得到TeII'所以TeTII434.0lglg'将此式代入式（3-2），得到TGD434.0（3-3）这就是一个小的厚度增量（也就是小的厚度差）T，在窄束、单色射线情况下产生的对比度的公式。应指出的是，小厚度差T在垂直于射线透照方向应具有较大尺寸时才满足这个关系。实际探伤时一般都是宽束射线情况，这是必须考虑散射线，即这时应采用宽束连续谱射线的衰减规律讨论式（3-2）。SDIII'''SDIII记III'，由于T很小，近似认为'SsII。因为存在I《I，利用近似公式xex1（x＜1则有IIIIeII'1这样，从式（3-2）可以得到)/(434.0lg()/IIeGDII由于nTII1最后得到nTGD1434.0（3-4）对实际工件中的缺陷，严格地说，不能简单地应用式(3-4)计算，这时应考虑缺陷对射线的衰减特性。如果记缺陷的线衰减系数为'，则式(3-4)应改写成nTGD1)(434.0'(3-5)当存在'《或'=0时，也就是缺陷引起的射线衰减远小于同样大小的工件本身引起的射线衰减时，式(3-5)将转化为式(3-4)。对于宽束连续谱射线情况，应注意的是，这时应认为式中的线衰减系数是对应于等效波长(能量)的线衰减系数。显然，式(3-4)包含了式(3-3)。式(3-4)是射线照相检验技术理论的基本公式，它指导射线照相检验技术的基本考虑。从式(3-5)可以看到，某个细节(缺陷)影像的射线照相对比度相关于一系列因素，这些因素决定于下列3个方面：1)细节本身的性质和尺寸——T、'；2)射线照相技术参数——、n、G；3)被透照物体本身的性质和尺寸——、n。为了得到较高的射线照相对比度主要应遵循以下几点：1)选用可能的较低能量的射线透照——提高线衰减系数；2)采取各种措施，减少到达胶片的散射线强度——降低散射比；3)选用质量优良的胶片，采用良好的暗室处理技术——获得较高的梯度。3．2．3影像的射线照相不清晰度影像的射线照相不清晰度是影像质量3个因素的另一个重要因素，本应该用清晰度描述影像质量的这个方面，但由于定量地表述清晰度比较困难，所以在射线照相中目前广泛采用不清晰度概念描述影像的清晰度。不清晰度描述的是影像边界扩展的程度。对工业射线照相，产生不清晰度的原因是多方面的，其中最主要的是几何不清晰度和胶片固有不清晰度，此外还有屏不清晰度和运动不清晰度。几何不清晰度一般记为gU，胶片固有不清晰度一般记为iU。几何不清晰度产生于射线源总是具有一定的尺寸，而不是个点。这样，当透照一定厚度的物体时，按照几何投影(射线直线传播)成像原理，所成的像总要有一定的半影区，即边界扩展区，这就是几何不清晰度。图3-5画出了几何不清晰度的形成。从图中可以看到，几何不清晰度与射线源焦点尺寸大小、射线源至胶片的距离、工件本身的厚度(缺陷与胶片的距离)有关，从相似三角形容易得到几何不清晰度的计算公式TFdTUg（3-6）式中d——射线源焦点尺寸；F——焦距，即射线源至胶片的距离；T——工件射线源侧表面与胶片的距离、通常取为工件本身的厚度。从图3—5或式(3—6)，都可以看出，焦点尺寸越小、焦距越大、工件厚度越小则几何不清晰度也越小。在射线照相中几何不清晰度应控制在规定的范围，一般总是希望减少几何不清晰度，除了选择射线源外，．主要是通过改变焦距控制几何不清晰度。此外，正确地选定透照布置也能够减小几何不清晰度。对于X射线机来说，由于X射线管的有效焦点尺寸在不同方向具有不同大小，因而，如果严格地讨论射线照相中的几何不清晰度，它将是一个复杂的问题。工件中的缺陷，由于其位置的不同——位于不同的深度，也将具有不同的几何不清晰度。胶片固有不清晰度是由于入射到胶片的射线，在乳剂层中激发出的次级电子的散射产生的。在射线与乳剂的相互作用中产生的次级电子，能够从产生它们的卤化银颗粒到达其他的卤化银颗粒，并使这些卤化银颗粒成为可显影的，这使得每个射线光子产生的可显影的卤化银颗粒成为具有一定分布的区域。因此，在显影时，不仅受到射线照射的曝光区，而且曝光区的周围，都将显现一定的黑度。这就使锐利的边界的影像扩展成为具有一定分布的黑度区，分布区的宽度称为胶片固有不清晰度。分布区的宽度决定于次级电子，在乳剂层中能量损失的过程，因此胶片：固有不清晰度决定于射线的能量。图3—6是胶片固有不清晰度与X射线能量关系的曲线，表3—1列出了部分X射线透照电压的胶片固有不清晰度之值。在射线照相中，由于胶片吸收的射线能量只占入射射线能量的很少部分，因此经常采用增感屏(关于增感屏将在第4章讨论)，利用增感屏吸收射线能量后产生的次级效应，如发射电子、发射荧光等，增加射线对胶片的曝光量。当使用增感屏时，由于增感物质对射线的散射或次级效应带来的散射，将产生一个新的不清晰度，即屏不清晰度，记为Ue。荧光增感屏即使对于较低能量的射线也能产生较大的不清晰度(见表3—2)，金属箔增感屏在厚度较大时也将产生不清晰度，但不清晰度都很小，所以，对金属增感屏一般不考虑它引起的不清晰度。如果在射线照相过程中，射线源与工件存在相对移动，则将产生另一个不清晰度，即运动不清晰度，常记为Um。实际上这种相对运动相当于加大了射线源的焦点尺寸，因此必然导致新的不清晰度。对于常规射线照相技术，一般都认为不存在运动不清晰度。对于扫描(移动)射线照相技术，运动不清晰度是一必须进行分析的重要问题。由以上各种原因产生的不清晰度，共同构成射线照相总的不清晰度，总的不清晰度记为U。对于通常的射线照相，因为不使用荧光增感屏，射线源与工件之间也不认为存在相对运动，所以只考虑几何不清晰度和胶片固有不清晰度，它们共同构成了总的射线照相不清晰度。许多人研究过总的不清晰度与几何不清晰度和胶片固有不清晰度的关系，提出过不同的从几何不清晰度和胶片固有不清晰度计算总的不清晰度的关系式，目前比较广泛采用的关系式是222igUUU（3-7）有时也采用下面的关系式333igUUU3．2．4影像的颗粒度即使在均匀的曝光下，影像黑度的分布也存在不均匀性，颗粒度就是描述黑度的不均匀性的概念。将射线照片放大到一定程度，眼睛就可以看到影像的黑度存在起伏的状况，这就是所说的颗粒度。不同类别的胶片在射线照相中形成的影像具有不同的颗粒度，感光度高的胶片颗粒度大，感光度低的胶片颗粒度小。颗粒度是卤化银颗粒尺寸和在乳剂中分布的随机性、射线光子被吸收的随机性的反映。颗粒度除了与胶片本身的性质有关外，主要与射线能量和曝光量有关，也与显影条件和显影过程有关。对于某种类型的胶片，在较低能量的射线和较大的曝光量下透照，可以得到较小的颗粒度，反之，将增大颗粒度。显影条件与胶片特性不符合，显影过程不足或过度，也将引起颗粒度增大。颗粒度限制了影像能够记录和显示的细节的最小尺寸。一个尺寸很小的细节，在颗粒度较大的影像中，或者不能形成自己的影像，或者其影像将被黑度的起伏所掩盖，无法识别出来。3．2．5不清晰度对对比度的影响当存在不清晰度时，研究指出，如果细节影像的宽度尺寸小于射线照相总的不清晰度，那么不清晰度将引起它的影像的对比度降低。这将严重影响宽度尺寸较小的细节的影像的可识别性，也就是将影响细小缺陷(如裂纹、细小孔洞等)的可检验性。UWDD0（UW）式中U——射