X射线机焦点尺寸测量方法的标准分析

X射线机焦点尺寸测量方法的标准分析

摘要:比较目前3个典型X射线机焦点尺寸测量方法标准(IEC 60336,EN 12543和ASTME1165)的适用范围、适用对象和条件。详细分析了3个标准中规定的焦点尺寸测量方法原理、测试条件和结果处理方法,重点比较了3个标准中对针孔成像方法规定的内容异同。指出各种不同标准中的方法、适用范围和对象等的差异,为广大用户全面了解各种焦点尺寸测量方法及差异,根据测试目的和要求选取适当方法提供了参考和依据。

关键词:X射线机;焦点尺寸;测量方法;分析

工业射线检测一直是产品质量检测的重要方法,X射线机作为主要的射线装置得到广泛应用。作为X射线机的重要性能指标之一,焦点尺寸直接影响射线照相不清晰度。

工业X射线机焦点尺寸在使用过程中会发生变化,引起变化的因素主要有射线管阴极灯丝与聚焦性能发生变化、阳极靶受损等[1]。射线管阴极灯丝形状及聚焦性能是决定焦点尺寸的主要参数之一,阴极灯丝形状及聚焦性能发生变化,电子束流在阳极靶上撞击区域发生变化,导致焦点尺寸发生变化;随着X射线管的使用时间增长,阳极靶受损程度增大,阳极面变得凸凹不平,导致漫射线增加,从而导致实际使用或测量中焦点尺寸发生变化。

为了确定X射线机焦点尺寸,确保X射线机性能指标与检测工艺规定的符合性,满足射线检测质量要求,设备供应商、用户及相关各方一直都十分关注X射线机焦点尺寸测量方法。

1 国内外现状

为了有效评价X射线管性能,X射线管制造商、用户及行业协会组织制定了很多相关的标准。20世纪70年代,国际电工组织IEC就制定了针对医用X射线机的焦点尺寸测量方法,英国标准BS6530规定了医用诊断射线管焦点特性测定方法[2],BS 6932规定了工业射线照相用微焦点和小焦点射线管有效焦点尺寸测量方法(包括棒阳极管)。除此之外,欧洲和美国材料试验协会也分别制定了相应标准。目前,具有典型代表的有三个标准, IEC60336[3],EN 12543[4]和ASTM E1165[5]。三个标准的测试对象、方法和适用范围不同,测试结果处理和分析方法也有差异。IEC 60336于1970年正式发布,是国际上最早制订的关于X射线管焦点特性及尺寸测量的标准,经过1982,1993和2005年三次修改和完善,目前已经是第四版。IEC 60336—2005中主要包括了三种焦点尺寸测量方法:狭缝法、针孔法和星卡法。EN 12543—1999针对不同目的,分类制定了五种方法:扫描法(EN 12543-1)、针孔法(EN12543-2)、狭缝法(EN 12543-3)、边缘法(EN 12543-4)(适用于焦点尺寸>0.5 mm,最大电压500 kV的X射线机,针对没有针孔板或狭缝的情况下,是一种较为简单和粗略判断焦点尺寸变化的测量方法)、EN 12543-5(适用于5~300μm、电压≤225 kV的X射线管焦点的测量,是专门针对微焦点系统的测量方法)。

ASTM E 1165-04是专门针对线状X射线管焦点长度和宽度的测量方法,适用于最大电压≤500 kV的工业X射线机。ASTM E 1165采用针孔成像原理,主要针对焦点尺寸≥0.3 mm以上的X射线管[6]。

国内,JB/T 9402—1999《工业射线探伤机性能测试方法》附录B规定了焦点尺寸测量的过程和一般要求[7]。

2 焦点尺寸测量方法

2.1 分类

目前各标准中规定的方法可以划分为三大类,第一类是扫描法,直接用机械扫描方式,以辐射计数测量焦点的辐射强度分布,确定焦点尺寸;第二类是成像法,采用针孔板或狭缝获得焦点的射线照相图像,从图像直接确定焦点尺寸;第三类是计算方法,采用高吸收材料制作的星卡、边界法等,获得射线照相图像,测量图像强度,进行计算或转换后确定焦点尺寸。

2.2 扫描法

扫描法直接由如图1所示装置完成焦点扫描和测试。机械扫描装置主要由数据采集处理设备、辐射闪烁计数器、双缝准直器、预准直器、X射线管和散射屏蔽装置。其中预准直器、双缝准直器固定在一个可以平移的扫描台上。扫描台根据要求的扫描分辨率进行X和Y轴两个方向的扫描移动。辐射闪烁计数器同步分别完成X和Y两个方向的辐射计数测试。通过图像处理软件,实现两个方向的辐射剂量等高线绘制,形成如图2所示的图像,根据设定的门槛值确定焦点长和宽的尺寸。

EN 12543-1—1999标准采用的是直接机械扫描方法。标准对扫描装置、布置方法及测试结果处理都给出了详细的规定。扫描法用于对射线强度分布量值和焦点尺寸有特别需要的领域,是针对要求较高的焦点辐射校准、工业CT和DR图像处理、X射线能谱分布测量等方面,所测试管电压应<500 kV,焦点尺寸应≥0.1 mm。

为了保证焦点辐射计数结果的准确性和有效性,标准中对预准直器、双缝准直器的材料、尺寸、加工精度、辐射探测器量程范围和精度要求以及扫描台移动精度和范围作了详细规定,针对不同焦点尺寸规定了扫描孔规格的选择。

为了控制测量结果精度,标准对扫描装置、过程和布置进行了规定。标准中规定扫描轴与X射线管轴应平行,偏离角度应≤±3°。扫描台的扫描面应与X

射线管的中心辐射束垂直,偏离角度应≤±3°。焦点与准直器间的距离应尽可能小。

标准中明确给出了焦点尺寸的确定方法。焦点尺寸由焦点计数等高线中最大强度10%处的尺寸给出。焦点应给出长度和宽度尺寸,其中较大的尺寸用作焦点尺寸。优选的焦点值为

0.1,0.15,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.8,1.0,1.4,1.8,2.2,2.6,3.0,3.5,4.0,4.5, 5.0,5.5,6.0,7.0,9.0和10.0 mm。

2.3 针孔法

针孔法采用针孔板,利用小孔成像原理,获得焦点射线照相图像。针孔板为采用高射线吸收材料制作的板,板上制作了尺寸很小的孔,基本设计如图3所示。针孔法的测量布置如图4所示。针孔板放置在焦点与胶片之间,控制距离l1,l2、针孔板孔心位置、针孔板孔中心轴与射线束轴的偏差角度等,按规定的透照电压、管电流等完成透照,获得规定黑度的焦点图像,按规定直接对图像进行测量,给出焦点的尺寸数据。