X射线无损检测原理

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

在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
在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）
在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
在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。
和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

在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。

在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。

对于图象增强器，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。

在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。