射线照相检验设备和器材

第2章射线照相检验设备与器材

2.1 X射线机

2.1.1 X射线机的基本结构与类型

工业射线照相探伤中使用的低能X射线机，简单地说是由四部分组成：射线发生器（X射线管）、高压发生器、冷却系统、控制系统。当各部分独立时，高压发生器与射线发生器之间应采用高压电缆连接。

X射线机可以从不同方面进行分类。按照X射线机的结构，X射线机通常分为三类，便携式X射线机、移动式X射线机、固定式X射线机。

便携式X射线机采用组合式射线发生器，其X射线管、高压发生器、冷却系统共同安装在一个机壳中，也简单地称为射线发生器，在射线发生器中充满绝缘介质。整机由两个单元构成，即控制器和射线发生器，它们之间由低压电缆连接。在射线发生器中所充的绝缘介质，较早时为高抗电强度的变压器油，其抗电强度应不小于30～50kV/2.5mm。现在多数充填的绝缘介质是六氟化硫（SF6），以减轻射线发生器的重量。充填的SF6气体的气压应不低于0.34MPa（3.5kg/cm2），但也不能过高，以防机壳爆裂，通常不应超过0.49MPa（5.0kg/cm2）。采用充气绝缘的便携式X射线机，体积小、重量轻，便于携带，利于现场进行射线照相检验。便携式X射线机的管电压一般不超过320kV，管电流经常固定为5mA，连续工作时间一般为5min。

移动式X射线机具有分立的各个组成部分，但它们共同安装在一个小车上，可以方便地移动到现场、车间，进行射线检验。冷却系统为良好的水循环冷却系统。X射线管采用金属瓷X射线管，管电压不高于160kV（或150kV），尺寸小，射线发生器通常就是X射线管，它与高压发生器之间采用一长达15m左右的高压电缆连接，以便于现场的防护和操作。

固定式X射线机采用结构完善、功能强的分立射线发生器、高压发生器、冷却系统和控制系统，射线发生器与高压发生器之间采用高压电缆连接，高压电缆的长度一般为2m。其体积大、重量也大，不便移动，因此固定安装在X射线机房。这类X射线机已形成150kV、250kV（225kV）、320kV、450kV（420kV）等系列，其管电流可用到30mA甚至更大的值，系统完善，工作效率高，它是检验实验室应优先选用的X射线机。

X射线机也可以按其他方面分类，例如按照X射线机的工作电压可分为恒压X射线机和脉冲X射线机，按照加在X射线管上的电压脉冲频率可分为恒频X射线机和变频X射线机，按照所使用的X射线管可分为玻璃管X射线机和瓷管X射线机，按照X

射线管的辐射角可分为定向X 射线机和周向X 射线机，按照X 射线管焦点尺寸可分为微焦点、小焦点和常规焦点X 射线机等，但目前较多采用的是按照结构进行分类。

2.1.2 X 射线管

X 射线机的核心器件是X 射线管，普通X 射线管的基本结构如图2-1所示。它主要由阳极、阴极和管壳构成。

图2-1 X 射线管结构示意图

阳极是产生X 射线的部位。主要由阳极体、阳极靶和阳极罩组成。阳极的基本结构如图2-2所示。

阳极体为具有高热传导性的金属电

极，典型的阳极体由无氧铜制做。其作用

是支承阳极靶，并将阳极靶上产生的热量

传送出去，避免靶面烧毁。

阳极靶的作用是承受高速电子的撞

击，产生X 射线。阳极靶紧密镶嵌在阳极

体上，与阳极体具有良好的接触。由于工

作时阳极靶直接承受高速电子的撞击，电

子大部分动能在它上面转换为热，因此阳

极靶必须耐高温。此外，阳极靶应具有高原子序数，才能具有较高的X 射线转换效率。所以，对工业射线照相检验用的X 射线管，其阳极靶采用钨制做。阳极靶的表面应磨成镜面，并与X 射线管轴成一定角度，靶面与管轴垂线所成的角度常称为靶面角。阳极靶可以采用不同的结构，以产生不同的辐射。例如，常用锥形靶和平面形靶产生周向辐射X 射线，也有的X 射线机采用特殊的旋转阳极靶，它不仅可以改善散热状况，而且可以获得更高的管电流。

高速电子撞击阳极靶时会产生二次电子，二次电子可集聚在管壳上，形成一定电位，影响飞向阳极靶的电子束，阳极罩就是用来吸收高速电子撞击阳极靶时产生的二次电子。阳极罩常用铜制做，在朝向阴极方向有一小孔，阴极发射的电子从这个小孔进入，撞击阳极靶；阳极罩的侧面也有一个小孔，常用原子序数很低的薄铍板覆盖，称为窗口，阳极靶产生的X 射线从此窗口辐射出来。

图2-2 阳极的基本结构示意图 1—阳极罩 2—阳极体 3—放射窗口 4—阳极靶

X射线管的阳极特性是指，在一定的阴极灯丝

电流下，管电流与管电压的关系。图2-3是X射

线管的阳极特性曲线。从图中可以看到，管电流在

最初随着管电压升高而增加，但当管电压达到一定

值以后，管电流趋于饱和。产生这种饱和特点的原

因是，灯丝发射的电子已接近全部到达阳极靶。当

X射线管施加的管电压较低时，为了得到较大的管

电流，只能采用更大的灯丝电流。但实际上灯丝电

流也只能在一定围调整，这也就限定了低管电压下

可使用的最大管电流。

阴极是X射线管中发射电子的部位，它由灯丝

图2-3 X射线管的阳极特性曲线

和一定形状的金属电极－聚焦杯（阴极头）构成。

灯丝由钨丝绕成一定形状，聚焦杯包围着灯丝。灯丝在灯丝电流加热下可发射热电子，这些电子在X射线管的管电压作用下，高速飞向阳极靶，最终通过轫致辐射在阳极靶产生X射线。

灯丝发射电子的能力随灯丝温度，也就是灯丝的加热电流而改变。当灯丝温度增高时，发射电子的能力也增大。由于钨的熔点高（3370℃），且蒸发率低，所以工业探伤用X射线管的灯丝采用钨制做。灯丝的主要形状有圆形、线形、矩形等，灯丝的形状、尺寸及聚焦杯的形状、尺寸、与灯丝的相对位置等，都直接影响X射线管的焦点。灯丝温度通过调节灯丝变压器的电压改变灯丝电流进行调节，过高的灯丝电流将会烧毁灯丝。

X射线管的阴极特性是指，在一定管电压下，管电流与灯丝电流之间的关系。图2-4是X射线管的阴极特性曲线。

X射线管的管壳封出一个高真空腔体，并在腔封装阳极和阴极。管的真空度应达到1.33×（103～105）Pa。管壳必须具有足够高的机械强度和电绝缘强度。工业射线检测常用的X射线管的管壳主要采用玻璃与金属或瓷与金属制做。采用玻璃与金属制做管壳的X射线管称为玻璃X射线管。采用瓷与金属制做管壳的X射线管分为两类，一类是金属瓷X射线管，另一类是波纹瓷X射线管。图2-5是波纹瓷X射线管的结构示意图。金属瓷X射线管以不锈钢管代替玻璃管壳，用瓷材料绝缘，与玻璃管壳的X射线管比较，它的主要特点是结构牢固、寿命长，现在已经是X射线管的重要类型。波纹瓷X射线管是广泛应用在的另一类X射线管，它与金属瓷X射线管具有类似的特点。普通玻璃X射线管的寿命一般为400～500h，瓷X射线管的寿命一般在1000h以上。这里所说的寿命是指X射线管的辐射量降低到规定值的80%以下，并不是指X射线管本身损坏。

目前，在工业射线检测中还使用的另一种X射线管是微焦点X射线管。这是一类特殊结构的X射线管，管的焦点尺寸现在可小到几微米，它采用了一套电子聚焦系统，以便形成很细的电子束。这种X射线管的工作电压较低，一般不超过160kV，管电流也远小于普通X射线管，一般不超过数百微安。