第8章其他射线检测方法和技术文课件.ppt

8.1,高能射线照像,8.2,射线实时成像检测技术,8.3,数字化射线成像技术,8.4 X,射线层析照像,X-CT,8.5,中子射线照像,第,8,章,其他射线检测方法和技术,8.1,高能射线照像,能量在,1 MeV,以上的,X,射线被称,为高能射线。,工业射线照相通常使用两种电子,加速器，即,回旋加速器,和,直线加速,器,。,1,、回旋加速器,电子回旋加速器的焦点很小，照,相几何不清晰度小，可以获得高灵,敏度的照片，但设备复杂，造价高，,体积大，射线强度低，影响了它的,应用。,8.1,高能射线照像,?,2,、直线加速器,?,直线加速器焦点比电子回旋加速器稍大，,但,?,其体积小，电子束流大，所产生的,X,线强度,大，,?,更适合用于工业射线照相。,3,、高能射线照像的,特点,?,射线穿透能力强，透照厚度大。,?,焦点小，焦距大，照相清晰度高。,?,散射线少，照相灵敏度高。,?,射线强度大，曝光时间短，可以连续运行，工作效率,高。,?,照相厚度宽容度大。,8.1,高能射线照像,4,、高能射线照相的几个技术数据,?,几何不清晰度小，固有不清晰度大。,?,灵敏度,1%,。,?,高能射线照相中，前屏的厚度对增感和滤波作用均产,生显著影响，而后屏的厚度对增感来说相对不重要。因,此，高能射线照相时，可以不使用后屏。,8.1,高能射线照像,5,、,高能射线的辐射防护,加速器产生的高能射线，不但能量高，而且强度也很,大，必须做好安全防护工作。,?,加速器的防护,主要采用屏蔽保护，加速器屏蔽室必须,进行专门的安全防护设计，室外的剂量率必须低于国家,卫生标准。,?,因为高能,X,射线对,空气进行电离后产生的臭氧和氮氧,化物,对人体有害，故室内必须安装通风机进行换气。,?,对于直线加速器来说，除了高能,X,射线的误伤害防护,之外，还应进行,微波辐射防护,，同时还要预防高电压、,氟利昂气体等对人体的危害。,8.1,高能射线照像,8.2,射线实时成像检测技术,射线实时成像检测技术，是指在曝光的同时就可观察到所产生,的图像的检测技术。,1,、,射线实时成像检测技术发展：,?,采用图像增强器代替简单的荧光屏，实现图像亮度和对比度增强。,?,采用微焦点或小焦点射线源，以投影放大方式进行射线照相。,?,引入数字图像处理技术，改进图像质量。,图像增强器中实现下述的转换过程：,射线,?,可见光,?,电子,?,可见光,2,、,射线实时成像系统的图像特性,?,射线实时成像系统的图像构成要素包括像素和灰度。,?,射线实时成像检测系统图像质量主要指标有三项，即,图像分辨率、图像不清晰度和对比灵敏度。,这三项指标,大致可对应于胶片照相的颗粒度、不清晰度和对比度，,但由于实时成像与胶片照相的成像原理、方法和器材均,有所不同，因此，两者的定义和实质内容是有区别的。,8.2,射线实时成像检测技术,（,1,）,图像分辨率。图像分辨率（又称空间分辨率）定义,为显示器屏幕图像可识别线条分离的最小间距，单位是,L,p,/mm,（线对毫米）。射线实时成像检测系统的图像,分辨率可采用线对测试卡测定，,铂,-,钨双丝像质计也可用,来测定图像分辨率。,（,2,）,图像不清晰度。图像不清晰度定义为一个边界明锐,的器件成像后，其影像边界模糊区域的宽度。,影响图像,不清晰度的因素主要是几何不清晰度和荧光屏的固有不,8.2,射线实时成像检测技术,清晰度。在射线实时成像检测技术中，几何不清晰度除,了相关于焦点尺寸，还相关于所选用的放大倍数。,图像,不清晰度可采用线对测试卡测定，也可用双丝像质计测,量。,射线实时成像检测系统的图像，容易实现较高的对,比度，但却往往不能得到满意的清晰度。,（,3,）,对比灵敏度。对比灵敏度定义为从显示器图像中可,识别的透照厚度百分比，即,T,T,。,在射线实时成像,检测系统显示器上所观察到的图像对比度,C,与主因对比,度和荧光屏的亮度有关。,对比灵敏度可用阶梯试块测定。,8.2,射线实时成像检测技术,3,、射线实时成像检测技术的工艺要,点,?,最佳放大倍数,图像放大后有利于细小缺陷的识别。,但随着放大倍数的增大，几何不清晰,度也增大，不利于缺陷识别。,?,扫描速度和定位精度,射线实时成像检测过程包含,动态检,验和静态检验,。对动态检验，要控制,好工件和射线源的移动速度，它直接,相关于图像的,噪声,。,采用的扫描速度,与射线源的强度相关。,对静态检验，,机械驱动装置必须具有一定的定位精,度（,10 mm,）。,8.2,射线实时成像检测技术,?,图像处理。在射线实时成像检测技术采用的数字图像,处理技术包括对比度增强（灰度增强）、图像平滑（多,帧平均法降噪）、图像锐化（边界锐化）和伪彩色显示,等。,?,系统性能校验。为保证检验结果可靠，必须对系统的,性能进行定期校验。校验方法有静态校验和动态校验两,种。静态校验项目包括图像分辨率和对比灵敏度等，校,验的周期和间隔应符合有关要求。用带缺陷的试样进行,动态校验时，所用透照参数和试件移动速度应与实际检,测相同，像质计的选择、数目、放置等应符合标准和工,艺的规定。,8.2,射线实时成像检测技术,4,、图像增强器射线实时成像系统的优点和局限性,与常规射线照相相比，,图像增强器射线实时成像系统有以下优,点和局限性：,?,工件一送到检侧位置就可以立即获得透视图像，,检测速度快,，,工作效率比射线照相高数十倍。,?,不使用胶片，不需处理胶片的化学药品，,运行成本低，且不造,成环境污染。,?,检测结果可转化为数字化图像用光盘等,存储器存放，存储、调,用、传送比底片方便。,?,图像质量，尤其是,空间分辨率和清晰度低于胶片射线照相,。,?,图像增强器体积较大，检测系统应用的,灵活性和适用性不如普,通射线照相装置。,?,设备一次投资较大。,?,显示器视域有局限，,图像的边沿容易出现扭曲失真,。,8.2,射线实时成像检测技术,8.3,数字化,射线成像技术,1,、,计算机射线照相技术（,CR,）,计算机射线照相（,computed,radiography,），是指将,X,射线,透过工件后的信息记录在成像板,（,image plate,IP,）上，经扫,描装置读取，再由计算机生出数,字化图像的技术。整个系统由,成,像板、激光扫描读出器,、数字图,像处理和储存系统组成。,CR,技术的优点和局限性：,?,原有的,X,射线设备不需要更换或改造，可以直接使用。,?,宽容度大，曝光条件易选择。对曝光不足或过度的胶,片可通过影像处理进行补救。,?,可减小照相曝光量。,CR,技术可对成像板获取的信息,进行放大增益，从而可大幅度地减少,X,射线曝光量。,?,CR,技术产生的数字图像存储、传输、提取、观察方,便。,8.3,数字化,射线成像技术,?,成像板与胶片一样，有不同的规格，能够分割和弯曲，,成像板可重复使用几千次，其寿命决定于机械磨损程,度。虽然单板的价格吊贵，但实际比胶片更便宜。,?,CR,成像的空间分辨率可达到,5,线对毫米，稍低于,胶片水平。,?,虽然比胶片照相速度快一些，但是不能直接获得图像，,必须将,CR,屏放入读取器中才能得到图像。,?,CR,成像板与胶片一样，对使用条件有一定要求，不,能在潮湿的环境中和极端的温度条件下使用。,8.3,数字化,射线成像技术,2,、线阵列扫描成像技术,（,LDA,）,线阵列扫描数字成像系统,工作原理如图。由,X,射线机,发出的经准直为扇形的一束,X,射线，穿过被检测工件，,被,线扫描成像器,（,LDA,探侧,器）接收，将,X,射线直接转,换成数字信号，然后传送到,图像采集控制器和计算机中,。,每次扫描,LDA,探测器所生,成的图像仅仅是很窄的一条,线，,8.3,数字化,射线成像技术,线扫描成像器,准直器,图像采集控制器,线扫描成像器的技术特性：,（,1,）空间分辨率。空间分辨率主要由像素的尺寸和排列,决定。像素间距越小，其空间分辨率就越高。,（,2,）动态范围。动态范围是指成像器可以识别的由,X,射,线转换成数字图像的灰度等级。在实际使用过程中，由于,转换器件（光电二极管）的非线形特性，使得动态范围要,低于理论值。,（,3,）动态校准。校准在很大程度上影响着光电二极管阵,列的工作性能，校准可以在模拟的部分进行，也可以在数,字部分进行，或者是同时进行。基本校准包括补偿和放大。,8.3,数字化,射线成像技术,（,4,）扫描速度。影响扫描速度的主要因素是系统信号的,处理速度和,X,射线光通量的大小，现在计算机及电子线,路的处理速度都很高，即使扫描线较长的,LDA,，也能在,很短的时间内处理完毕，,因此系统的扫描速度取决于,X,射线光通量的大小。,只有当,X,射线在,LDA,上的累积剂,量达到一定数量时才能有较好质量的图像，否则信号会,被系统固有噪声淹没，使得成像质量大大降低。,（,5,）与射线源相关的设计。针对不同射线源，在,LDA,的设计上会有显著的差异。首先要解决的是优化闪烁体，,实现闪烁体与,X,射线的能量匹配。其次是,X,射线的屏蔽,和准直，,X,射线会增加电子线路的噪声，所以屏蔽和准,直很重要。,8.3,数字化,射线成像技术,3,、,数字平板直接,成像技术（,DR,）,数字平板直接成,像（,Directer,Digital Panel,Radiography,）,技,术有非晶硅（,a-Si,）,和非晶硒（,a-Se,）,和,CMOS,（互补金,属氧化物半导体）,三种。,8.3,数字化,射线成像技术,4,、关于数字化射线成像技术的进一步知识,?,其他获取数字图像的方法,除了上述,CR,、,DR,、,LDA,等数字化射线成像技术外，,还有其他方法可以获得射线检测数字化图像。,比如对底,片进行扫描，可将底片上的图像转换为数子图像；工业,射线实时成像系统中通过数字式摄像机也能获得数字图,像。,但上述两种方法均不划入数字化射线成像技术范畴，,因为这两种方法的数字图像是在模拟图像基础上加工而,获得的：前者是对已完成的射线照相产品,底片进行一,次再加工；后者仅是在最后阶段通过数字式摄像机才变,成数字信号图像，而其成像过程的大部分信号传递变换,从射线作用于输入转换屏以及图像增强器信号的输入,输出均是模拟信号。以上两种方法获取数字图像均,8.3,数字化,射线成像技术,存在缺点：底片数字扫描的缺点是扫描转换需要花费较,长时间和添加额外设备，图形质量也可能因扫描出现某,种程度的退化；而在射线实时成像系统中，由于成像阶,段经过模拟信号的多次转换，造成信噪比降低和图像质,量劣化，最终获得的数字图像质量是不高的。,?,数字成像探测器的分类,数字成像探测器是数字化成像系统的关键元器件。各,种数字成像探测器都是由集成的数字元件排列而成的阵,列。,根据光电转换装置的原理和器件不同，数字成像探,测器可以分为气体探测器和固体探测器两大类。,8.3,数字化,射线成像技术,5,数字成像系统的技术特性,（,1,）数字成像系统的信噪比。信噪比是指有用信号电压,与噪声电压之比，记为,S/N,，通常用分贝值表示。信噪,比越大，图像质量越好。,（,2,）数字成像系统的分辨率。探测器的空间分辨率主要,是由图像传感器的像素尺寸决定。,（,3,）对比灵敏度与宽容度。图像的对比度和宽容度实际,上是由射线剂量、光电转换装置的动态范围和系统增益,决定的。其中，对比度与宽容度成为一对矛盾。,8.3,数字化,射线成像技术,6,数字化射线成像技术特点总结,各种数字化射线成像技术的共同特点是：检测过程容,易实现自动化，工作效率高，成像质量好，数字图像的,处理、存储、传输、提取、观察应用十分方便。从成像,速度来说，各种数字化射线成像技术均比不上图像增强,器实时成像，但比胶片照相或,CR,技术快得多。胶片照,相或,CR,技术在两次照射期间需更换胶片和存储荧光板，,曝光后需冲洗或放入专门装置读取，需要花费许多时间。,而数字化射线成像技术仅仅需要几秒钟到几十秒的数据,采集时间，就可以观察到图像。数字化射线成像技术成,像的速度与成像精度有关，其中最快的非晶硅平板可以,每秒,30,幅的速度显示图像，甚至可以替代图像增强器，,然而，成像速度越快，所获得的图像的质量就,8.3,数字化,射线成像技术,越低。除了不能进行分割和弯曲外，数字平板能够与胶,片和,CR,有同样的应用范围，可以被放置在机械或传送,带位置，检测通过的零件，也可以采用多角度配置进行,多视域的检测。数字化射线成像技术的图像质量比图像,增强器射线实时成像系统高得多。,各种成像技术比较：使用几何放大的图像增强器线性,的空间分辨率约为,300 m,，二极管阵列（,LDA,）的空,间分辨率约为,250 m,，非晶硅硒接收板的空间分辨,率约为,130 m,CR,平板的空间分辨率约为,100,m,。,小型,CMOS,探测器的像素尺寸约为,50rn,，扫描式,CMOS,阵列探测器的像素为,80 m,，使用几何放大的,扫描式,CMOS,阵列探测器的空间分辨率可达几微米。,8.3,数字化,射线成像技术,数字平板的共同缺点是其价格昂贵，而胶片和,CR,的成,本相对较低，数字平板需要连接电源和电缆；非晶硅,硒接收板数字板易碎；其灵敏度会随温度变化。,8.3,数字化,射线成像技术,8.4 X,射线层析照像（,X-CT,）,1,、,X,射线计算机层析（,computed tomography,）,工业,CT,用经过高度准直的窄束,X,射线对工件分层进,行扫描。,X,射线管与探测器作为同步转动的整体，分别,位于工件两侧的相对位置。检查中,X,射线束从各个方向,对被探查的断面进行扫描，位于对测的探测器接收透过,断面的,X,射线，然后将这些,X,射线信息转变为电信号，,再由模拟数字转换器转换为数字信号输入计算机进行,处理，最后由图像显示器用不同的灰度等级显示出来，,就成为一幅,X-CT,图像。,工业,CT,检测的特点是准确率,高。,以往的传统射线检测是把工件全厚度重叠投影在一张,底片上，无法分清楚各部分结构。工业,CT,是工件的分,层断面图像，可给出工件任一平面层的图像，可以发现,平面内任何方向分布的缺陷，它具有不重叠、层次分明、,对比度高和分辨率高等特点，容易准确地确定缺陷的位,置和性质。工业,CT,产生的数字化图像信号贮存、转录,均十分方便。,但,CT,技术完整地检测一个工件比常规射,线照相需要长得多的时间，费用也要高很多。,工业,CT,技术目前主要应用在下列方面：,（,1,）缺陷检测。主要用于检验小型、复杂、精密的铸,件和锻件以及大型固体火箭发动机。,8.4 X,射线层析照像（,X-CT,）,检验大型固体火箭发动机的,CT,系统，使用电子直线加,速器,X,射线源，能量高达,25 MeV,，可检验直径达,3m,的大型团体火箭发动机。,（,2,）,尺寸测量。如精密铸造的飞机发动机叶片的尺寸侧,量，尺寸误差应不大于,0.1mm,。,（,3,）结构和密度分布检查。,在航空工业中,CT,技术用于,检验与评价复合材料和复合结构，以及某些复合件的制,造过程。这种检测与评价过程与取样破坏分析过程相比，,不仅简化了生产过程、降低了成本，而且可靠性也大大,提高，,CT,技术还可用于检查工程陶瓷和粉末冶金产品,制造过程中材料或成分变化，特别是对高强度、形状复,杂的产品更有意义。,8.4 X,射线层析照像（,X-CT,）,8.5,中子射线照像,1,中子射线照相的原理,?,中子射线的物理基本知识。,中子是一种不带电荷的基,本粒子，中子射线与,X,射线和,射线唯一的相同点是都,属于不带电粒子束流，具有很强的穿透物质能力。,在其,他方面，中子射线与,X,射线和,射线的性质迥然不同。,中子与物质相互作用时有如下特点,：,中子穿过物质时主,要是与物质的原子核发生作用，与核外电子几乎没有作,用。,因此，中子的吸收概率主要决定于核的性质。,X,射,线和,射线与物质作用时其衰减随物质原子序数的增大而,增大，而对中子来说，却完全不具有这样的规律性，原,子序数相邻的两种元素对中子的吸收可能相差悬殊，序,数小的元素吸收热中子可能比序数大的元素吸收热中子,更强。,中子与物质相互作用的强度减弱服从指数衰减规律，即：,I=I,0,e,-ut,衰减系数大小是由该元素的,中子截面,决定的，中子在某,些较轻的元素中具有很大的截面，而在某些较重的元素,中截面却很小。,描述中子射线的参数有强度和能量,，习惯上把,0.1,MeV,以上的中子叫快中子，把,1KeV,以下的中子叫慢中,子，介于其间的叫中能中子。,10,-2,eV,左右的中子叫热中,子,。比热中子能量更低的，就叫冷中子。,目前无损检测,广泛应用的是热中子射线照相检验技术,8.5,中子射线照像,?,中子射线照相原理,中子源发出的中子束射向被检,测的物体，由于物体的吸收和散,射，中子的能量被衰减，衰减的,程度则取决于物体的成分。穿过,物体的中子束被影像记录仪所接,收而形成物体的射线照片。,热中,子的应用最普遍，但它不能直接,从有关反应中制得，必须由快中,子减速得到。,对热中子来说，还,需要进行准直，准直的目的是限,制到达物体的中子束发散。,8.5,中子射线照像,中子本身几乎不具有直接使胶片感光的能力，但它能产,生某些容易被胶片记录下来的二次辐射，因此，要在感,光胶片上记录中子的信息，必须使用某些类型的转换屏。,转换屏在中子照射下发生核反应产生,粒子、,粒子和,光子使胶片感光。,中子照相按照转换方式的不同可以分,为两种：一直接曝光法和间接曝光法。,8.5,中子射线照像,2,、中子射线照相设备,如上所述，大多数中子源发射出来的中子需经,减速器,慢化后变成热中子，然后通过,准直器,限制中子束的发射,角，使它成为束照射，再透过被检工件，记录图像。所,以,中子探伤设备应包括中子源、减速器（或慢化剂）、,准直器和记录设备，,下面进行简单介绍。,?,中子源。产生中子的方法很多，但目前能用于探伤的,中子源有四种：同位素中子源、加速器中子源、反应堆,中子源、中子管式中子源。,8.5,中子射线照像,?,慢化剂。当快中子进入物质后，与物质原子核发生弹,性散射和非弹性散射，造成能量损失而被减速。,选择减,速剂材料时，不仅要考虑它的慢化能力，而且更要考虑,它的减速比。,慢化能力大但减速比小的材料，由于宏观,吸收截面大，不适宜作慢化剂材料。,?,记录设备。中子射线检测使用的中子,转换屏的作用是吸,收入射的中子，然后直接发射能够被检测的某种射线，,如带电粒子或光子。,中子检测中常用的转换屏是,闪烁转,换屏,，它在中子照射下产生荧光使胶片感光。,8.5,中子射线照像,?,转换屏。中子本身几乎不能使胶片感光，因此，在热,中子射线照相中必须采用转换屏。,3,、中子射线照相应用简介,?,中子射线照相检验技术是常规,X,射线、,射线照相检,验技术的补充，,中子射线照相检验技术的主要缺点是中,子源价格昂贵，使用时需特别注意中子的安全与防护问,题，中子射线照相可应用于核工业装置、爆炸装置、汽,轮机叶片、电子器件及航空结构件（包括金属蜂窝结构,和组件）等。,?,核工业装置。中子射线照相在核工业中用来检验高辐,射性材料的核燃料，测定其尺寸，显示燃料的情况，观,察冷却液泄漏或氧化物和同位素的分布情况。,8.5,中子射线照像,?,爆炸装置和火箭燃料装置。爆炸装置和火箭燃料装置,的检测是中子射线照相的重要应用方面。这种装置通常,是在铅或不锈钢等金属制成的外壳中装有含氢的炸药或,燃料。中子照相不仅能透过金属外壳，显示出里面装载,的炸药或燃料，还能观察到其密度是否均匀、有无空隙,等。,?,汽轮机叶片。对蜡模铸造制成的汽轮机叶片，要确定,其清理后没有残余陶芯留在冷却空腔的内部，可用中子,照相进行检验。,?,电子器件。某些电子器件含有异物（如纸、布等）将,不能工作，中子射线可将此显示出来。,8.5,中子射线照像,?,航空结构件。用于航空和其他设备上的蜂窝结构可用,中子进行检测，中子照相能显示制造或维修过程结构的,粘结质量或粘结树脂的分布，对金属组件,（如铝金属易,于氧化而腐蚀）可检测腐蚀；对在役结构可检测其中存,在的水分。,8.5,中子射线照像,