第三章 射线检测技术

1.3 高能射线 高能射线（大于一百万电子伏特） 是由带电粒子加速器产生。基本原理是利 用电磁场加速带电粒子，从而获得高能量 射线的装置，用于透照较厚的材料。 目前用于工业射线检测的高能x射线 的加速器主要有：电子感应加速器、电子 直线加速器、电子回旋加速 器。
• 电子感应加速器 电子在磁场中旋转次数达106次，能获得 救百万电子伏特的能量。当电子流达到 额定能量后，在辅助线圈产生磁场的作 用下，使电子偏离旋转轨道而冲向阳极 靶，从而产生高能x射线。
第三章 射线检测技术
射线的种类 射线的特点 射线检测原理及方法 射线检测照相工艺 射线检测应用
1. 射线的种类 1.1 X射线 1.1.1 X射线的产生
x射线是由x射线管产生，它的基本结构是 一个具有高真空度的二极管，由阴极、阳极和 保持高真空度的玻璃外壳构成：
阴极 阴极的作用是发射电子和聚焦电子。 阴极是由钨丝和阴极头构成的。当钨丝 通过电流加热时，就放出热电子，热电 子在高压电场作用下，高速飞向阳极轰 击靶而产生x射线。 根据要求的焦点形状，钨丝绕成螺 绕环形(圆焦点)或螺 线管形(线焦点)。阴 极头具有一定凹面形状，它对灯丝发射 的电子具有聚焦作用。
• 双壁单影透照技术 • 双壁单影透照技术，即为了检验一层壁 的缺陷，射线束必须穿过工件的双层壁， 这时底片上形成的影象，仅对靠近胶片 侧的一层壁是有效的。
• 双壁双影透照技术 • 双壁双影透照技术，即射线束穿过工件 的双层壁、并在底片上同时形成双壁的 影象，并且双壁的影象均是有效的。
• 3.3.2 电离检测法 • 射线穿透气体可引起电离。实验结果表 明，被电离的气体所产生的离子总数与 其吸收的射线能量成正比。 • 电离检测法借助于电离探测器，使被电 离的气体形成电离电流，通过测量电离 电流的大小，显示穿透材料后射线强度 的变化，从而发现工件中的缺陷。 • 电离探测器有电离室和计数器。 • 可用来测厚，精度可达1-2丝。
图中，d 是射线源的焦点；T是工件厚度； F 是射线源焦点至胶片的距离，一般称为焦距； f是射线源焦点至工件源侧表面的距离；L是一 次透照区 ( 有效透照区 ) ； θ 是射线中心束与透 照区边区射线束构成的角度，常称为照射角。。 • 象质计（图像质量指示器）用于测定射线 照相灵敏度，象质计放置的位置应使得到的灵 敏度能够代表整个有效透照区的灵敏度，其位 置应选在有效透照区内灵敏度预计最差的部位。 只要这个部位的灵敏度达到了规定的要求，则 其他部分也应达到了要求。一般放置在有效透 照区的边区的源侧表面。
射线剂量D 某点在一定时间内造成的剂量： D=KNt/R2h
• 1.2.2 常用γ射线源及主要特性
常用的同位素有Co-60（钴）、Cs-137（铯）、 Ir-192（铱）、Tm-170（铥）和Se-75（硒）等。
驱动机构：内一套控制部件、控制 导管、驱动部件构成。
1.2.3 γ射线机的特点。 优点： • 能量高、穿透力强、探测厚度大。 • 设备较简单、体积小、重量轻、不用水电，适 宜于野外现场探伤和特殊场合的检测。 • 射线向空间全方位辐射，对球罐和环焊缝可进 行全景曝光和周向曝光。 • 不易损坏、设备故障率低。 • 可以连续使用，性能稳定且不受外界条件的影 响。
（4）能使某些物质起光化学作用。χ射线 胶片，经射线照射和暗室处理以后，可形成 影象。 （5）某些物质被射线照射以后，能发出 可见荧光。利用荧光增感屏进行射线探伤， 可以大大减少曝光量。 （6）能杀伤生物细胞，当人体受到过量 的射线照射后，会引起各种病症。 （7）能使空气电离。可以使用专门仪器， 测定空气经射线照射以后被电离的程度，保 证工作人员不致受到过量的射线照射。
阳极 阳极是产生x射线的主体，它一般由 阳极靶、阳极体和阳极罩三部分组成。
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阳极的作用： x射线机通常使用的是钨靶，可产生较硬的 x射 线，或者用钼靶，可产生较软的x射线。 阳极靶通常是由熔点较高原子序数较大的金属 制成，这种金属产生x射线的效率较高。 阳极体选用热容量大，导热率高的金属制作， 一般用铜。 金属靶一般铸焊在铜阳极体上，使靶上的热 量 及时通过阳极体散发出去。 阳极罩也是铜做的，它的作用是吸收在阳极附 近产生的二次电子，铜阳极罩与靶面相对的一 边开有窗口，装有原子序数小的铍板 (Z＝4)， 使射线从窗口射出，并滤除了一部分软x射线。
焦点 实际焦点 阴极发射的电子束与阳极靶的倾斜 面相交所形成的一块面积是阳极靶受电 子束轰击产生x射线的部分，称之为x射 线管的实际焦点。 有效焦点 实际焦点在垂直于管轴线方向(即射 线束中心方向)的投影称为有效焦点。 探伤机说明书上提供的焦点尺寸即是有 效焦点。
焦点的要求 • x射线管有效焦点的大小是x射线机 主要性能之—，为影响透照清晰度和灵 敏度的主要因素。 • 从探伤灵敏度、清晰度要求来说 希 望焦点越小越好。 • 但焦点小了射线管承受的功率就小， 辐射强度低，在同样工件厚度下就要延 长曝光时间。否则靶容易被击穿。
放射性物质的活性N 单位时间内的衰变数，单位为居里， 1居里为3.7×1010原子衰变 /每秒。 对不同种类的γ射线源，即使放射性活 度相同，所辐射γ射线的强度是不同的。 γ射线源的活度是随时间而改变，且随 时间的增加呈指数规律衰减的 对同一种γ射线源，放射性活度大的 源，在单位时间内将辐射更多的γ射线。
系统描述
3) 扫描模式: 一代扫描
缺点 扫描检测效率低 优点 适于ຫໍສະໝຸດ Baidu理教学
无散射、串扰问题
Translate Rotate
Translate Radiation resource
Translate
Detector
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试验结果
2) 应用
检测叶片 检测高速钢裂纹 叶片三维重构图像
• 3.3.1 射线照相记录法 射线照相记录法是利用射线对胶片 的感光作用，在胶片上用形成影象的方 法，记录射线通过被检工件后的强弱差 异，从而完成对工件评价。 胶片影象直观，胶片可保存。
Radiographic Images
• 周向透照技术 • 周向透照布置时，显然，透照厚度在一 周焊缝上都是相同的，透照厚度比在各 点都是１ 。
• 3.3.4 X射线工业电视实时检测 • x射线工业电视检测是荧光屏显示方法的 发展。 • 荧光屏观察法的缺点是人眼直接观察不 安全，成像亮度差，灵敏度低。 • 随着光电子学技术的发展，微光图象增 强器、X射线敏感摄像器和数字图象处理 技术的应用，荧光屏观察方法已经发展 成为x射线工业电视实时成像系统。
• 电子直线加速器 主要结构是高功率的微波装置和波导管。 工作原理：利用高功率微波发生装置， 在波导管内向电子输送能量。利用微波 的电场，加速电子。波导管越长，电子 获得的能量就越高。加速到一定能量的 高速电子轰击到靶面，产生高能x射线。
• 电子回旋加速器 利用恒定磁场和高频交变电场加速电子 的装置。
• 射线中心束的方向 中心射线束在一般情况下应指向有 效透照区的中心，这主要是为了使整个 有效透照区的透照厚度变化较小，使射 线的照射角较小，以提高整个透照范围 内缺陷的可检验性。 对一些特殊的情况应按照具体情况 考虑，例如，主要希望检验焊缝坡口未 熔合则应使中心射线束指向坡口角度方 向。
射线照相检验的基本透照布置如下图
• 3.3.3 荧光屏显示法 • 将贯穿工件后强度不等的辐射图像投射 到涂布有荧光物质的荧光屏上激发出亮 度不同的荧光。从而在荧光屏上显示出 荧光检测图像。 • 它与射线照相法不同之处是缺陷图象不 是底片上的黑色图像而是荧光屏上亮度 大的图象。 • 荧光屏观察装置由x射线机、荧光屏、观 察设备或记录设备、防护及传送工件的 装置等组成。
• 3.3.5射线CT技术 • CT是计算机控制的射线层析扫描成像技 术的简称。 • CT技术利用射线在物体不同横断面的投 影数据，经过计算机运算得到不同横断 面上衰减系数在各点的分布，之后由计 算机根据计算数据进行图象重建，获得 一个能够显示物体内部结构尺寸、方向 和位置的三维立体图象
3.射线检测原理及方法 3.1 射线的率减定律 χ射线和γ射线通过物质时其强度逐渐减 弱，射线的衰减由以下公式表示： I＝I0e-μx 式中 I----通过物体后的射线强度； I0----未通过物体前的射线强度； μ----物质的衰减系数， x----物体厚度。
衰减系数μ ，随射线的种类和线质的变 化而变化，也随穿透物质的种类和密度而变 化。 对χ射线和γ射线来说，假如穿透物质相 同，则波长越长μ就越大（低电压，反差大， 灵敏度高）。 假如波长相等，则穿透物质的原子序数 越大μ越大，物质密度越大μ也越大。 假如对于波长相同的χ射线或者γ射线来 说，μ是按水、铝、铁、铜、铅这样的顺序 增大的。
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缺点： 射线能量单一或集中在几个波长，不能 根据试件厚度进行调节。适用于—定厚 度范围的材料。 固有不清晰度—般比x射线机大，在同样 的 检测条件下，灵敏度稍低于X射线机。 所选用的γ射线源都有一定的半定期，有 些半衰期短 的射源如192Ir，换源频繁。 射线源的放射性辐射不受人为因素的控 制，因此对安全防 护的要求和管理更加 严格。
3.2 射线检测原理 射线照检测是利用射线透过物体时，产 生吸收和散射这一特性，通过测量材料中因 缺陷存在，产生的射线吸收差异来探测缺陷。
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3.3 射线检测方法 3.3.1 照相记录法 3.3.2 电离检测法 3.3.3 荧光屏显示法 3.3.4 X射线工业电视实时检测 3.3.5 射线CT技术 3.3.6 计算机辅助射线成像（CR）
2. 射线的特点 χ 射线、 γ 射线是波长极短的电磁波，因 此它们具有其它几种电磁波所没有的特性。 （1）不可见，依直线传播。 （ 2 ）不受电场和磁场的影响，它本身是 不带电的。 （3）具有很强的穿透力。χ射线和γ射线 能穿透可见光不能穿透的物质（如肌肉、黑 纸、金属等），而且波长愈短，穿透能力愈 强。
1.1.2 X射线强度的影响因素
射线强度正比于阴极电子（管电流）； 射线强度正比于管电压的平方（电压 高波长短）； 射线强度正比于阳极材料的原子序 数Z。
1.2 γ射线 1.2.1 产生 放射性同位素的原子核自然衰变时产 生的电磁波，波长比X射线短，穿透能力 更强。 半衰期 T 放射性物质的原子数目因衰变而减少 到原来一半时所需要的时间。 T=0.693/λ λ 为衰变常数，衰变的速度为恒定值。
• 铅增感屏和荧光增感屏 • 增感屏的作用 射线通过胶片时，通常只有1％以下的能 量被胶片吸收。99％以上的可用能量都白 白浪费了。但底片上的影象主要是靠吸收 射线，并产生光化学作用造成的。为提高 排片效率，同时提高影象质量，常用增感 屏来增强射线对胶片的感光作用。
C：铝合金弯管初始影像可见裂纹； D：图像处理后的图C裂纹显示；
C D
4.射线检测照相工艺 •探伤位置编号 •选择胶片，增感屏并装片 •焦距选择（影响几何不清晰度） •有效胶片范围确定 •底片标记及放置 •确定曝光量 •确定透照方法并透照 •暗室处理 •评片
• 确定透照布置的基本考虑 • 射线源、工件、胶片的相对位置 常规射线照相检验时，射线源和胶 片应分别置于工件的两侧。 一般情况下都应选择能够使缺陷更 靠近胶片的方式进行布置。减少缺陷与 胶片的距离，减小几何不清晰度，从而 提高缺陷影象的可识别性。 在进行透照布置时应尽量使胶片贴 近工件表面。
铝铸件断层扫描、三维重组研究 与内部测量检测
陶瓷内部密度分析、缺陷分析与 与内部测量检测
3.3.6 计算机辅助射线成像
Computed Radiography (CR)
• 与DR (Digital Radiography)技术一样，CR也是一种 不用胶片直接将射线透照影像数字化的技术。 • 该技术有二个重要的技术步骤： • 第一步是将影像数字化其作用相当于将一张射 线底片通过扫描或数码相机拍摄获得数字影像； • 第二步通过强大的软件支持，对数字影像进行 各种处理获得更多的被检测件内部质量信息。