X射线检测的“前世今生”
01-X射线的发现
1895年11月8日的夜晚，德国物理学家威廉·康拉德·伦琴在实验室中发现了一个诡异的现象，阴极射线管用黑纸包覆只留一条窄缝，在接上高压电流进行实验时，他发现2米以外的一个涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出微弱的浅绿色闪光，一旦切断电源闪光就立即消失。日后的一个多月，执着的物理学家为了捕捉这种神秘现象的来源，最终说服妻子充当实验对象，将手放在荧光屏前，惊奇的一幕被载入史册，荧光屏上清晰显现出手中骨骼及那枚无名指上的戒指，这就是历史上第一张X光片。1901年，伦琴也凭借X射线的发现称为第一位诺贝尔物理学奖获得者。
图1—威廉·康拉德·伦琴和第一张X光片
02-X射线产生原理
X射线是在X射线管（具有阴阳两极的真空管，阴极是钨丝，阳极是金属制成的靶）中产生的。在阴阳两极之间加有很高的直流电压（管电压），当阴极加热到白炽状态时释放出大量电子，这些电子在高压电场中被加速，从阴极飞向阳极（管电流），最终以很大速度撞击在金属靶上，失去所具有的动能，这些动能绝大部分转换成热能，仅有极少一部分转换为X射线向四周辐射。
图2——X射线产生原理图示
由X射线管发射出的X射线可分为两种类型：一种是具有连续波长的X射线，构成连续X射线谱，它和可见白光相似，也称多色X射线、白色X射线，常用于探伤；另一种是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，构成标识（特征）X射线谱，它和可见光种的单色光相似，所以也称单色X射线，常用于晶体衍射。
图3——钨靶X射线谱：连续谱（白色X射线）与标识谱（单色X射线）
03-胶片射线检测
X射线的发现迅速被应用于医学领域，开创了医疗影像技术的先河。X射线具有很强的穿透能力，通过物质时被吸收核散射使其强度衰减，而衰减程度取决于物质的衰减系数和射线穿透的厚度。通常密度越高的材质对射线的衰减程度越大，因此射线穿过人体后，密度较大的骨骼相比有机软组织产生的衰减更大，从而在底片上呈现内部骨骼结构。
在工业生产领域，X射线照相技术被广泛应用于金属、非金属材料零件缺陷探伤，尤其是铸件、焊缝等内部质量检测。下图中，X射线通过阶梯型试块后，厚度大的部分衰减大，胶片曝光量低，因而底片上黑度较低。试块中存在的孔洞缺陷存在，致使该处局部厚度降低，衰减变大，黑度较高，底片中呈现缺陷投影（但无法提供所在厚度位置信息）。除气孔外，裂纹、不同于基体密度的夹杂物、未焊透、未熔合等缺陷均可通过射线检测识别。
图4——X射线照相检查示意图
X射线的好兄弟，γ射线，也是一种肉眼看不见的电磁波，它是由放射性同位素经过衰变后，在激发态向稳定态过渡的过程中从原子核内发出的。γ射线比X射线的频率更高、波长更短、穿透能力更强，适用于厚度更大的零件检测。420kV的X射线能穿透的钢厚度约为80mm，60Co-γ射线穿透的钢厚度约为150mm，更大厚度的试件则需要使用特殊设备——加速器，产生高能X射线，最大穿透厚度可达400mm以上。
04-数字射线检测
伴随着日常生活中传统胶片照相技术逐渐过渡转型至数码照相技术，应用于医学和工业领域的射线照相检查技术也于20世纪90年代开始发展数字成像技术。数字射线检测技术（Digital radiography， DR）就是可获得数字化检测图像的射线检测技术，包含两种常用的方法：数字平板直接成像技术（Director digital panel radiography）和计算机射线照相技术（Computed radiography，CR）。前者也常称为DR技术，属于直接数字化射线检测技术，主要采用硬质的平板探测器，数据采集仅需要几秒钟，可实现近乎实时的成像，目前已广泛应用于医疗行业（如胸透检查）和工业化量产检测（如下图）；后者CR技术主要采用可裁剪和弯曲的成像板（Image plate，IP）代替传统胶片记录成像信息，再将IP板上信息经扫描装置读取、由计算机生出数字化图像，因此也称为间接数字化射线成像技术，相比于传统胶片，IP板可有限寿命重复利用。
图5——X射线检测设备与效果图
05-CT检测
如果说以上技术只能实现三维物体信息二维化呈现，那么CT检测对于射线照相而言便属于“降维打击”。如下图所示，计算机断层扫描技术（Computed tomography，CT）可以简单理解为采集样品360°的DR照片，通过三维重建算法可获得样品内部的一系列虚拟切片图，完成三维结构重建，该三维图像数据不仅可提供断层扫描图像，还可从其他任意方向切取截面图像，因此可准确定位缺陷所在所有位置信息，另外在航空发动机精密零件（如涡轮叶片）内部尺寸测量方面也有广泛应用。
图6——CT检测示意图（左图为线扫描，右图为面扫描）
图7——涡轮叶片CT检测
06-残余应力检测
上述用来进行检测缺陷、尺寸测量的方法，采用的是白色X射线。单色X射线由于具有特定波长，通过材料微观组织晶格产生衍射现象，因此使用X射线衍射法（X-Ray diffraction，XRD）研究晶体结构的各种问题，包括材料表面残余应力的测试。试样中存在宏观残余应力将引起晶面间距发生变化，发生布拉格衍射时，衍射峰也将随之移动，且移动距离的大小与应力大小相关。该方法作为无损的测量方法，已用于航空发动机领域关键限寿件的残余应力评价。
随着焊接等特种工艺在航空发动机领域的推广应用，相关无损检测技术也将在关键零部件的制造环节发挥更加重要的作用。
