射线检测技术综述

北京航空航天大学无损检测技术SY1207205马丰年1《现代无损检测技术》作业：射线检测技术综述姓名：马丰年学号：SY1207205班级：SY120722013-1-3北京航空航天大学无损检测技术SY1207205马丰年2射线检测技术综述什么是射线检测技术它是利用射线(X射线、射线、中子射线等)穿过材料或工件时的强度衰减，检测其内部结构不连续性的技术。穿过材料或工件的射线由于强度不同，在x射线胶片上的感光程度也不同，由此生成内部不连续的图像。X射线的产生X-射线是在电场中被加速的高速电子，撞击到高原子序数材料的靶上，由于电子急速减速而辐射（靭致辐射）的电磁波。在真空管两阴极和阳极之间加高压，阳极选用不同的重金属材料制成，电子打在阳极上便可得到X射线，其能量与加在两端的电压和通过的电流的乘积成正比，电流决定了射线的密度。图1射线管产生X射线X射线的性质与构成X射线的特征是波长非常短，比紫外线波长更短，4110nm，因此具有很高的能。X射线在电场磁场中不偏转。这说明X射线是不带电的粒子流。X射线有很大的贯穿本领并能使照相底片感光，基于这个原理，由x射线穿过物体，北京航空航天大学无损检测技术SY1207205马丰年3便得到了物体内部的信息，通过在荧光屏上成像，就能反引出内部可能存在的缺陷。X射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性质。图2X射线的谱范围X射线由两部分构成，一部分波长连续变化，称为连续谱；另一部分波长是分立的，与靶材料有关，成为某种材料的标识，所以称为标识谱，又叫特征谱--它迭加在连续谱上。连续谱是电子在靶上减速而产生的。可以想象到，被高压加速后的电子进入靶内，可以到达不同的深度，其速率从v骤减为0，有很大的加速度，而伴随着带电粒子的加速运动，必然有电磁辐射产生，这便是产生X射线连续谱的原因。当外界提供足够大的能量时，使原子内层电子电离，从而使原子内层出现空位，外层电子向内层补充，放出的能量便形成了X射线的标识谱射线成像的系统构成与分类X射线无损检测系统的构成：射线源，控制物体运动的机械装置，X射线接收器。射线检测的分类射线检测是一种重要的的无损检测方法，它主要由腔片射线照相技术、射线实时成像技术、计算机断层扫描成像技术、康普顿背散射成像技术等射线检测技术组成。1、胶片射线照相技术胶片射线照相无损检测技术是射线源发出的射线透过被检物体，利用被检物体与其内部缺陷介质对射线强度衰减的程度不同来携带被检物体内部信息，并用射线胶片记录下来，经显影、定影等处理，在胶片上形成透视投影影像，通过对影像的识别来评定被检物体内部是否存在不连续性的一种射线无损检测方法，是其它射线检测技术的基础，也是应用最广泛的射线检测技术。但是胶片成像技术存在着效率低下，不能数字化，难于存储的缺点，尽管可以利用光胶片数字化扫描仪进行数字化，但是其地下的效率仍无法解决。北京航空航天大学无损检测技术SY1207205马丰年4图3胶片自动成像系统2、射线实时成像检测技术射线实时成像检验技术几乎与胶片射线照相技术同时发展。早期主要是荧光屏实时成像检验系统，目前应用的射线实时成像检验系统有多种，主要是图像增强器、成像板和线阵列射线实时成像检验系统等。成像板和线阵列射线实时成像检验系统是近年发展起来的数字实时成像检验系统，它们使用基于非晶硅的闪烁检测器和荧光光电倍增器制成的成像板或线阵列拾取信号。这种实时成像检验系统的主要特点是，同时具有很高的分辨力和很大的动态范围，可检验厚度差或密度差很大的物体。北京航空航天大学无损检测技术SY1207205马丰年5图4Ｘ射线数字化实时成象无损检测原理图X射线透过工件后在图像成像器上图像是模拟图像，模拟图像只有转换为数字图像后才能为计算机所识别，因此，模拟图像转换为数字图像的关键是成像技术。目前成像器有三种方式，成像技术的方式与图像成像器的形式有关。○1图像增强器图5图像增强器工作原理射线穿透工件后图像增强器的前端荧光板，经光电转换，光电子在真空度很高的封闭的空腔内经高压电场聚焦，工件的摸拟图像被摄像机所摄取，输入计算机进行摸拟量/数字化转换。○2线阵列探测器线阵列探测器扫查方式是线型扫描，扫描图形是一条直线，一条条直线排列组成一幅图像。检测时工件移动，经过相对固定的线阵列器的扫查，得到一幅连续的图像。其工作原理是：荧光屏接受穿透了被测物体的X-射线的能量，发出可见光，感光二极管受到可见光的照射，产生电压信号，该信号经过集成电路的处理变成14位（或16位）的数字信号发给计算机。调整照射角度，重复以上过程，全部扫描结束后，计算机对每次得到的数据进行计算，重建出所需图象，并进行分析。○3平面阵列探测器平面阵列探测器扫查方式：（1）逐行线型扫描，在平面阵列探测器上形成平面图像输出；（2）面扫描，在平面阵列探测器上形成平面图像输出；检测时工件北京航空航天大学无损检测技术SY1207205马丰年6移动，经过相对固定的平面阵列器，得到一幅幅检测图像3、计算机辅助层析成像技术（CT）工业CT（简称ICT），即工业计算机断层扫描成像，具有直观、准确、无损伤等特点，主要用于工业构件的无损检测。其原理主要是：通过扫描工件得到断层投影值然后通过图像重建算法重建出断层图像。从本质上讲，工业CT是一种射线检测技术，与射线照相、实时成像有一些共同之处，如检测时需要足够高的射线能量以穿透工件，同时，它不受被检测工件的材料种类、外形、表面状况的限制，检测现场有防护设施等。与常规射线检测技术相比，主要优点有：（1）工业CT能给出检测工件的二维或三维图像，感兴趣的目标不受周围细节特征的遮挡，图像容易识别，从图像上可以直接获得目标特征的空间位置、形状及尺寸信息、常规射线检测技术是将三维物体投影到二维平面上，造成图像信息叠加，评定图像需要有一定的经验，难以对目标进行准确定位和定量测量；（2）工业CT具有突出的密度分辨能力，高质量的CT图像密度分辨率甚至可达到0.3%比常规无损检测技术高一个数量级；（3）采用高性能探测器的工业CT探测器的动态响应范围可达106以上，远高于胶片和图像增强器；（4）工业CT图像是数字化的结果，图像便于存储、传输、分析和处理。工业CT独特的优点使得它在无损检测中的应用日益广泛。由于工业CT图像直观，图像灰度与工件的材料、几何结构、组分及密度特性相对应，不仅能得到缺陷的形状，位置及尺寸等信息，结合密度分析技术，还可以确定缺陷的性质，使长期以来困扰无损检测人员的缺陷空间定位、深度定量及综合定性问题有了更直接的解决途径。工业CT图像充分再现了工件材料的组分特性，所以适合于复合材料内多种类型的缺陷检测。此外，三维工业CT图像对复杂结构件检测及关键部件装配质量分析有实际意义，可验证产品尺寸和装配情况是否符合设计要求[2]。与其他无损检测技术类似，工业CT技术也有其局限性。首先，工业CT装置本身造价远高于其他无损检测设备，检测成本高，检测效率较低，使用范围受到限制。其次，工业CT装置专用性较强，按照检测对象和技术要求的不同，系统结构和配置可能相差很大。此外，工业CT装置对细节特征的分辨能力与工件本身几何北京航空航天大学无损检测技术SY1207205马丰年7特性有关，对不同工件其分辨能力有差别。工业CT的基本原理当一束薄的扇形X射线束穿过被检物体时，信号将要被衰减，衰减的射线强度与物体的材料成分、密度、尺寸及入射前的能量有关。探测器从不同角度采集信号，输入计算机，用一定的重建方法(如直接傅里叶法、代数法、卷积反投影法)，计算出射线切割物体截面的吸收系数的分布，并使之转化成一幅二维截面图像。工业CT图像是计算出的数值阵列，图像上每一点为像素。像素的数值(CT值)与相应物体小体元的材料衰减系数的平均值成比例。试件上的某一缺陷能否被检测到，取决于这个缺陷是否引起所在位置像素值的变化。缺陷在像素对应的物体体元内所占比例越大，在图像上引起的反差也越大。反之则小，此缺陷也难检出。缺陷在图像上引起的反差大小除与缺陷本身大小有关外，还与射线源的焦点尺寸、探测器尺寸、机械系统精度、重建算法、扫描工艺等综合因素有关。像素尺寸是CT测量的最小量度，它与物体尺寸和重建矩阵有关。工业CT对典型缺陷的检测灵敏度工业CT对裂纹、气孔及夹杂物的检测灵敏度在400mm的视场范围内，对带有人工缺陷的试样进行CT检验，能发现陶瓷材料中的最小裂纹为50um，可检出的最小气孔及金属夹杂物分别为0.5和0.12mm。参考HB963--1990标准，检测灵敏度可满足铝合金铸件检测的要求。工业CT对疏松和针孔的检测灵敏度及分级方法由于工业CT对铸件内部缺陷的评判还没有统一的标准，因此需进行工业CT检测结果与x射线照相检测结果的对比试验。工业CT对裂纹、气孔及高密度夹杂物的检测都很敏感，可直接确定其位置及尺寸．但铸件内部疏松的判断则比较复杂。参考HB5396--1988标准，按厚度将铝合金海绵状疏松标样分为两组，第一组为6mm，适用于壁厚13mm的铸件；第二组为20mm，适用于壁厚为13～50mm的铸件，北京航空航天大学无损检测技术SY1207205马丰年8每组厚度分为五级，即l～5级，对以上标样进行工业CT扫描，可得出X射线照相各级海绵状疏松所对应的工业CT图像。在X射线照相检验中，疏松的面积可直接通过底片进行观察，疏松在厚度方向的信息通过底片的黑度反映出来。而在工业CT检验中，每幅图像只能反映所切截面处疏松的面积，而疏松在厚度方向的信息需通过对铸件的连续扫描来确定。对工件进行工业CT检验时，切片方向通常与X射线照相投影平面相垂直，因此对标样分别沿两个不同方向进行切片扫描，一是平行于x射线照相投影平面，另一是垂直于x射线照相投影平面，分别得出疏松的面积及厚度。因此，对于海绵状疏松，以其面积来进行分级。工业CT尺寸测量精度选用0.5--100mm的标准量块检验每种扫描视场范围(400，200，100和50mm)的尺寸测量准确度，随着试件几何尺寸的增大，测量精度会降低。应根据试件几何结构优先选用测量精度高的模式，如试件最大外径50mm时，可对需要精确测量的部位采取局部扫描方式以提高测量精度。在50mm的视场范围中，厚度0.5mm的尺寸测量精度可达到50um。以上研究表明工业CT对于铸件中气孔、疏松、针孔和夹杂物等缺陷有相当高的检测灵敏度，且定位准确。通过对铸件进行连续扫描，可确定缺陷在铸件内的三维分布，并可有效虚用在复杂铸件的内部质量检测中，实现100％检测。工业CT除用于内部缺陷检测及特定部位的尺寸测量外，还可帮助设计人员对复杂部位进行内部结构分析。如通过连续扫描，可观测到细孔油路的走向、尺寸及相对于外截面的位置等信息，不用破坏试件，反馈时间短，从而缩短产品的开发周期。但受现有的铸件检测标准及检测效率的限制，工业CT还不能广泛用于现有的航空铸件检验中。4、康普顿背散射成像技术康普顿背散射成像(CST)检测技术是在80年代末发展起来的一种射线检测新手段、新技术。康普顿检测的基本原理是，依据射线与物质的相互作用中的康普顿散射效应，由背侧管道的单侧测量不同位置某特定散射角所对应的康普顿散射光子数，求出被测管道的光子密度，经过一定的数据处理或“重建”，得出被测北京航空航天大学无损检测技术SY1207205马丰年9管道的三位密度分布图像。它具有以下技术特点：(1)单侧非接触，不受被检测对象几何尺寸的限制。利用CST设备，只需在构件的单侧放置射线源和探测器，即可对构件进行检测，因此可检测透射系统不能检测的大型构件；(2)灵敏度高，尤其是对于低x射线吸收系数材料的检测；(3)快速三维成像，一次扫描可获得深度方向的三维成像数据。由此可见该技术适合于检测铝台金、塑料、复合材料等原子序数较低材料的物体，对低密度材料的检测将获得比透视成像更高的对比度。特别是当被检物为表层形状复杂的工件时比一般的射线照相技术有更好的检测效果，而且此种技术对大型物体的检测还具有独特的作用。射线检测技术展望1994年HaroldBerger在美国《材料评价》发表的“射线无损检测的趋势”中提出，在2