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X射线无损检测原理---睿奥检测X光技术

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发表时间:2020-01-14 09:46作者:睿奥检测

X射线无损检测原理


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在伦琴发现X-Ray后不久,他就认识到X-Ray可以用于材料检测。但直到上世纪70年代,小(微)焦点X射线X-Ray才开始被用于工业领域。由于当时电子产品的微小化以及对元部件可靠性要求的提高,人们极其关注在微米范围内的材料缺陷分析。如今微米焦点X-Ray检测已广泛应用于材料无损检测,并且通过不断的技术革新将在更广泛的工业领域中被使用。

1.1基本原理

X-Ray检测的过程中, X-Ray穿过待检样品,然后在图像探测器(现在大多使用X-Ray图像增强器)上形成一个放大的X光图。该图像的质量主要由分辨率及对比度决定。
成像系统的分辨率(清晰度) 决定于X射线源焦斑的大小、X光路的几何放大率和探测器像素大小。微焦点X光管的焦斑可小到几个微米。X光路的几何放大率可达到10~2500倍,探测器像素可小到几十微米。
成像系统的对比度决定于图像探测器的探测效率、电子学系统的信噪比和合适的X射线能量。目前一般的X射线成像技术可以获得好于1%的对比度。

1.2 X射线管

在简单的X射线管中,电子从热阴极中出来,通过一个电场,向阳极加速。在撞到阳极时停止,同时释放出X射线。碰撞区域的大小就是X射线源的大小,它以毫米为单位,在这种情况下我们只能得到很不清晰的画面。通过微焦点X射线管的使用,就能改变这种状况。电子通过阳极上的一个小孔进入磁电子透镜,该透镜中的磁场力使电子束聚焦在阴极靶上一个直径只有几微米~几十微米的焦点上。通过这种方式X射线源变得很小,在高放大率的情况下能得到分辨率在微米范围内的清晰图像。

1.3 X射线探测器

胶片

许多年来,科学家们努力创造一个可重复使用的图像版本以代替胶片。对于大多数临界医学和工业应用,这些努力直到出现了数字图像技术,提供了可行的选择之前,对于基于胶片的检测,很少获得成功。

50年来,胶片射线检验作为主要的质量保证工具,提供了制造的零配件内部的质量信息。不幸的是,胶片是一个昂贵的工具,因为图像的载体-胶 片是一种银基技术,仅仅使用一次。另外,胶片需要冲洗,即费时,还使用必须放弃的危险化学物品。与胶片相比,数字照相将明显的减少暴光和处理时间,消耗成本也低(无胶片和化学药液),没有化学废物,这些所有特点都使成本大大降低。另外,不像胶片图像一样,数字图像可以放大以改进缺陷的检出率,在有些情况 下,对检验结果可使用自动评判。通过无线传输将数字检验结果从现场传输到办公室贮存,并且存储保管的成本很低。


荧光屏
数字技术不是首次应用无胶片照相检验的,第一个无胶片图像装置--Fluoroscope是在伦琴发现X射线几个月后,即1895年开发的无胶片装置。该装置有一个磷光屏组成,该磷光屏在X射线的照射下能够发光。该屏被放置在一个观察盒中,以补偿磷光屏的亮度不足。操作者在屏的另外一侧进行观察。


影像增强器
20世纪50年发明了影像增强器之前,Fluoroscope被 广泛的应用于检验领域。影像增强器使用一个光电子照相阴极,通过初始磷屏将发射的粒子转化成电子,然后这些被加速进入另外一个磷屏中,在该过程中将放大原始图像。通过摄影像机获取图像后,并知识显示在荧光屏上。尽管在灵敏度和精度方面受到限制,但是在一些非临界的工业应用方面,一直得到广泛的应用。影像增 强器和Fluoroscope没有按照数字图像分级,因为无论直接在磷屏上观察,还是通过显示器实时的观察,它们输出的信号都是模拟信号。数字射线具有与Fluoroscope和影像增强器相同的功能--将射线转化成信号,但是输出的信号是全数字的数据。
射线数字成像技术综合了多种技术,在其他的技术最近发明以前,其中有些射线数字成像技术已经存在了20多年了。虽然这些技术与胶片相比存在共同的优点和缺点,但是它们都有各自的特点。


线性二极管阵列
最广泛使用的数字射线成像探测器是线性二极管阵列板,在20世纪70年代,被研制应用于计算机断层扫描系统(CT),该技术已经被广泛的应用于工业如:食品加工、工业NDT和安全检查。事实上,最近几年已经有人使用线性二极管阵列射线成像技术检验航空包裹。
线性二极管阵列探测器典型的构成是荧光层(一般由磷组成如:钆氧硫化物),这层荧光被涂在光电二极管的单一阵列上(见图3)。被检测的对象以恒定的速度,对准X射线束移动,X射线穿透被检测对象到达荧光屏,产生的大量光子撞击屏幕发射出明亮的可见光线,通过光电二极管将这些光线转化电子信号,图像处理器将电信号进行数字化。累积的数据线被组合成传统的二维物体的图像,显示在计算机显示器上。
线性二极管阵列有一个明显的优点,即可以几乎被制作成任何尺寸。阵列从几英寸到几英尺长。缺点是单个线性二级管尺寸不能做的很小,因此在高速扫描时,精度会降低以及检测小试件受到限制。


计算机射线成像(CR)
20世纪70年代,科学家们发明CR技术,该技术使用光感屏(存储光电子板)代替传统的射线胶片,CR图像板存储了隐藏的X射线或γ射线能量的图像。当图像板被激光以特殊的频率扫描时,磷以与暴光量相等的比例释放光线,在扫描的同时,该光线被光电二极管阵列采集,并且将其转化成数字值,经过优化处理以二维图,显示在计算机的屏幕上。存储在板上的图像被删除,因此该存储板能够被重复使用几千次。
CR技术的主要优点是,该板可弯曲、便携和直接代替胶片。缺点是,需要一个中间步骤,即把隐藏在板中的信息读取出来,以便显示和解释。但是和胶片不同,读出时间少于1分钟,也没有化学药品和化学废物。


平板探测器
20世纪90年代,出现了非晶硒和非晶硅平板探测器,首先应用于医学领域,然后才转移到无损检测领域。该装置是由非常好的基于薄胶片半导体探测器,组成二维阵列,以像素表示(绘制一个棋盘,每个平方的宽度和长度以人的头发的尺寸为单位),当X射线暴光时,每个像素采集和存储的电荷。两种成像板的差别是采集的电荷数值不同。对于非晶硅板,被X射线激发的荧光屏不直接处理每个像素的电荷,而是通过发光二极管转换。对于非晶硒板,无需荧光物,因为硒层能够直接将光电子转换成电子。这两个装置的都能够存储电荷,每个像素被数字化,因此以2维图像显示在显示器上。

平板探测器有共同的和独特的优点,因为它们的尺寸很大(500mm×500mm),能够快速照射很大的范围。另外它们获取图像都不需要中间过程,因此很容易集成机器人操作系统。这两种平板的动态范围宽、空间分辨率高。非晶硅探测器独特的优 点是,比非晶硒产生图像的速度快。事实上,非晶硅可以以很快的速度产生和读取图像,其速度足以被用做生活录像(动态和实时)。理论上讲,对于同等像素尺寸,非晶硒比非晶硅探测器精度高,因为在X射线光电子转化为信号时,不产生散射现象(拖影)。这些系统的缺点是,它们都是复杂的电子装置,在使用和搬运过程中必须十分小心,而且使用环境要求苛刻。


CMOS线性阵列
如大多数数字技术一样,数字射线是一种快速发展的领域,每年都有新的探测器进入市场。一个例子是:互补金属氧化硅(CMOS)线性阵列,类似线性二极管阵列,该装置采用多元件的单一纵向阵列,但是每个元件有它自己的独立的读出放大器。为了避免X射线直接照射对内置的电子影响,元件被屏蔽起来,通过光纤束连接到对X射线灵敏的荧光部位。互补金属氧化硅元件将发射的光信号转换成数字电子信号,然后显示在监视器上。
线性二极管阵列一样,该技术也是柔性很大,阵列的范围从几英寸到几十几英尺长,然而与传统的线性二极管阵列相比较,互补金属氧化硅线性阵列提供更高的精度和空间分辨率。因为互补金属氧化硅要求探测器与被测对象之间相对运动,成像时间一般不象非晶硅探测器那么快,但是比非晶硒速度快。


1.4 数字X射线成像技术的发展


1895年,德国物理学家威廉伦琴发现了X射线,被认为是19世纪的重大发现。经过了她几个月的的技术突破,这种“新光线”被应用于检查骨折和确定枪伤中子弹的位置。尽管X射线最初被医学目的使用,但该新技术的理论也被应用到无损检测领域。例如,早期锌板的X射线,暗示了焊接质量控制的可能性,20世纪初期,X射线被应用于锅炉检测。


在下半个世纪,X射线技术,尽管长期不变,没有发生巨大的变化,由射线源发射的X射线穿过物体,然后通过胶片或荧光屏接受。胶片的对比度和空间分辨率,随胶片的速度和X射线源的控制,使用带胶片的荧光增感屏,在低能量下,得到了较好的图像效果。


20世纪50年代,随着图象增强器的出现,发生了巨大的变化,第一次得到了实时的清晰的图像。通过图像放大器,从荧光屏上采集X射线,聚焦在另外一个屏上,可以直接观察或通过高质量的TV 或CCD摄像机观察。对于实时成像,虽然图象增强器具有强大的性能,直到最近之前仍然选择胶片保存大的图像、高质量的空间分辨率及对比度。


然而,这里的每一项技术都有其自己的缺点。化学处理X射线胶片,从图像的采集到技术人员的检测,通常需要20分钟的滞后时间。如果胶片暴光量不够或透照角度错误,必须重新进行所有的程序,那么仍然需要20分钟时间。如果照射许多的胶片,将需要几个小时。


此外,公司必须配备存放地点和经过培训的员工,以保证安全操作、存储和处理胶片冲洗药液。虽然胶片的空间分辨率较好,但是,胶片线性不好和对比度范围狭窄,再加上人的眼睛的局限性,辨别能力不能超过100的灰度级别,已经不可能从一个范围宽广的胶片密度来检测和获得更精确的数据。


于图象增强器,其应用范围又受其防护体积庞大和视域的限制,而且图像的边沿出现扭曲,只有中心位置的图像对于某些应用才有用。


另外,图像增强器的对比度和空间分辨率也不能和其他的技术相提并论。无论胶片还是图像增强器,存档和分发多少也有些不便,对于图像增强器的图像存档,需要将转化为视频格式;对于X胶片则通过扫描。


自从20世纪80年代引入了计算机化的X射线技术(CR),X射线成像发生了巨大的变化。直到此时,才实现了真正的自动化检验、缺陷识别、存储以及依靠人为对图像或胶片的解释。CR提供了有益的计算机辅助和图像辨别、存储和数字化传输,剔除了胶片的处理过程和节省了由此产生的费用。


CR 作用类似胶片,但是取代了胶片,通过照射存储荧光屏,将图像存储在其内部。在许多情况下,该技术很容易的被翻新成胶片基的系统,但不需要胶片、化学药品、暗室、相关设备及胶片存储。


与胶片一样,也能够分割CR屏和弯曲,虽然存储板比胶片的成本高(14×17in),板的价格大约为700美元,但是可以被使用几千次,其寿命决定于机械磨损程度,但实际比胶片更便宜。另外也和胶片一样,使用条件要求非常苛刻,不能使用在潮湿的环境中和极端的温度条件下。


CR比其他数字技术的优点是:在大多数情况下,在整个实验室中只需要一个屏幕读取器,该读取器与图像采集部分是独立的,用户可以分别购买,这一点就区别于其它的采集和读取一体的数字技术。


CR的缺点是:类似胶片,不能实时。尽管比胶片速度快,但是必须将屏幕从X射线站移走,然后将其放入读取器中。CR使得无胶片X射线技术前进了大步,但是却不能提供X射线数字技术的所有的优势。


20世纪90年代后期,数字平板产生了。该技术与胶片或CR的处理过程不同,采用X射线图像数字读出技术,真正实现X射线NDT检测自动化。除了不能进行分割外和弯曲。数字平板能够与胶片和CR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,也可以采用多配置进行多视域的检测。


在两次照射期间,不必更换胶片和存储荧光板,仅仅需要几秒钟的数据采集,就可以观察到图像,与胶片和CR的生产能力相比,有巨大的提高。


目前,两种数字平板技术正在市场上进行面对面的竞争:即非晶硅(a-Si)和非晶硒(a-Se)。表面上,这两种的平板都是以同样的运行方式:通过面板将提取X射线转化成为数字图像。面板无需象胶片一样进行处理,可以以几秒钟一幅图像的速度到进行数据采集,也可以以每秒30幅图像的速度进行实况采集。另外,由于它们的精度高和视域宽,平板以每秒30幅的速度显示图像,替代图像增强器,是比较理想的。然而,以每秒30的幅频将使图像的精度降低。


对于非晶硒的平板技术,X射线将撞击硒层,硒层直接将X射线转化成电荷,然后将电荷转化为每个像素的数字值,这种叫做直接图像的方法。支持者们称非晶硒比非晶硅提供了更好的空间分辨率。


一般称呼为非晶硅板(称呼不准确,即使用了非晶硅),X射线首先撞击其板上的闪烁层,该闪烁层以所撞击的射线能量成正比的关系发出光电子,这些光电子被下面的硅光电二级管阵列采集到,并且将它们转化成电荷,再将这些电荷转换为每个像素的数字值。由于转换X射线为光线的中间媒体是闪烁层,因此被称作间接图像方法。闪烁层一般由铯碘化物或轧氧硫化物组成,铯碘化物是较理想的材料。其支持者们称:非晶硅板比非晶硒板的幅频更快,可达到每秒30幅图像。


两种技术的空间分辨率都接近胶片,但是对比度范围却远远超过胶片的性能。两者之间的争议主要在理论上,更多谈到模转换功能、检测量子效率和大量的爱因斯坦理论,看起来都差不多,即在保证最好的对比度和最小噪音的情况下,谁的空间分辨率更高。Bedford, Massachusetts-based Hologic 公司主要研制硒成像平板,认为间接系统的闪烁层产生的光线,在到达光电探测器前,出现轻微的散射,因此效果不好。对于硒板成像系统,电子是由X射线直接撞击平板,产生的很小的散射,因此图像精度较高。当精度要求小于200μm时,非晶硒板的性能好;对于精度大于200μm,非晶硅性能好。


尽管进行了许多试验室和生产环境的试验,但是人们还不能确定数字平板技术能否经受住和胶片及CR技术同样恶劣的现场环境。“数字板易碎,其灵敏度随温度变化”,他还解释:它们也需要电源和电缆,即使CR和胶片不需要的场合。


数字板的一个缺点或许是其价格昂贵。胶片和CR的成本很低,几个技术员能够依次X射线拍摄,处理一个胶片或CR处理器。对于每个X射线工作站的计算机系统成本大约为15万美元,增加数量的X射线平板将增加同样的成本,但这些会通过提高生产效率抵消(即减少站点和劳动力)。


随着硒板和硅板之间的对抗和炒做,另外的一些平板技术似乎被忽略了,是不应该的。如COMS X射线,该有趣的新产品来自美国Aalaska的Envision Product Design公司,这种产品就是扫描平板,它是由线性X射线探测器阵列和内置在平板内的驱动系统,该板厚为3英寸,最大可测量尺寸为24×36英寸,这种平板同样被使用在前面描述的方式。


该技术原理是,扫描器横扫过平板(类似文挡扫描仪),在X射线触发闪烁材料之前,对准一个要通过的窄曹,该材料囤积在光纤的末端(见右边的图示)。为避免CMOS探测器被X射线破坏,光纤的末端与X射线扫描头成直角连接COMS探测器,探测器被放置在钨铅屏蔽罩中。该系统能够承受高达10 MeV的高能量。


CMOS的平板和线性阵列空间分辨率为80μm、对比度为12位或4096灰度。


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