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。

IEC 60336,ASTM E1165和EN 12543-2均采用针孔法进行焦点尺寸的测量。

由于标准的应用范围和适用对象不同,对针孔板、测量布置、测量参数和方法、基本规定和要求也存在一些差异,第3节将进行详细的比较。

2.4 星卡法
星卡法是采用星卡完成射线照相,星卡样式见图5所示,布置方式与图4要求相同。

通过射线照相,对所形成的星卡射线照相图像(图6)进行测试、计算,最终确定焦点尺寸。

星形法可以用来测试不同射线管电压下焦点特性的改变情况,可以用来测试星形卡方式下焦点两个方向空间分辨力极限,最终可以用来进行焦点尺寸的测量。

适用于管电压≤200 kV的医用射线机系统。

标准IEC 60336详细
规定了星卡规格尺寸、测试布置、测试参数、空间分辨力和焦点尺寸计算公式。

对于星卡测试法的标准放大倍数MS与焦点尺寸的关系给出了具体的规定,对于焦点d< 0. 6 mm,MS取2;对于d≥0.6 mm,MS取1.3。

标准中规定了详细的计算方法和测试步骤。

星卡采用对射线具有高吸收的材料制作,通常为铅或钨。

厚度一般为0.03~0.05 mm,外直径A≥45 mm。

顶角θ≤0.035 rad(约为2°)。

从星卡射线照相图像,可测量影像模糊区的最大尺寸。

平行X射线管轴方向记为ZL,垂直X射线管轴方向记为ZW。

按如下两式分别计算两个方向的空间分辨力:
2.5 边界法
边界法是通过测量几何不清晰度间接测量焦点尺寸的方法。

通过对外覆1 mm 以上铅板、直径为50~100 mm、长度为100 mm的柱体边界进行透照,得到射线照相图像,对图像不清晰度进行测量,得到两个方向的不清晰度Ugl和Ugw。

用以下两个公式进行计算,分别得到焦点的长(l)和宽(w)尺寸,取其中较大者为焦点尺寸:
式中s为边界到胶片的距离;f为源到边界的距离。

边界法适用于焦点尺寸>0.5 mm,射线管电压≤500 kV的射线管,主要用在现场进行焦点变化的验证,不适用于焦点绝对尺寸的测量。

EN 12543-4规定了边界法测量方法。

详细规定了设备器材要求:>240 mm的胶片,无增感屏,采用校准器、观片灯、黑度计、铅字标记、钢圆柱体、洗片机等,尤其规定了黑度计可测黑度≥3.0,最小黑度单位0.01,测试孔径≤2 mm。

标准限定了底片黑度放大倍数(s/f)、密度计孔径和焦点尺寸的关系,即s/f ≥10×di/dn。

特别限定了边界到胶片的距离s过大时,密度计孔径应≤1 mm。

要求源到边界的距离与圆柱体直接之比f/dc>5。

标准中规定对底片上最亮与最黑间的区域进行测量,获得两个方向的不清晰度,以对比度的5%~95%X轴上对应点间距为X方向的不清晰度值,如图7所示,根据管轴方向不同确定Ugl和Ugw。

3 不同标准中针孔成像测量方法对比
由上文论述可见,三类焦点尺寸测量方法在适用范围、所需设备条件和结果处理等方面各有不同。

经验和实践表明,针孔法是较为简单易行的焦点尺寸测量方法之一,在此将主要针对各标准中针孔法的适用范围、主要规定以及差异进行详细分析,为广大工业X射线机焦点尺寸测量用户提供参考。

3.1 不同标准适用范围
EN 12543-2—1999标准适用于工业X射线机,用于设备认证和相关领域,管电压≤500 kV;适用焦点尺寸≥0.2 mm。

ASTM E1165-04标准适用于工业X射线机、线状焦点尺寸测量,焦点尺寸≥0.3 mm。

IEC 60336—2005标准适用于医疗诊断X射线机,管电压≤200 kV。

仅用于显示焦点的方位、对称性和辐射强度分布。

3.2 主要内容对比
3.2.1 焦点尺寸
可能由于医用X射线机并不需要特别精确的焦点尺寸,IEC 60336仅仅定义了归一化的焦点尺寸。

但归一化的尺寸并不代表真实的焦点尺寸,在每个归一化焦点尺寸要求中对应了一组焦点尺寸的最大宽度与最大长度尺寸。

将测试的长度方向与宽度方向尺寸在对应的极限表中查找,确定所测试焦点的归一化尺寸为焦点尺寸。

与此不同的是,针对工业X射线机的ASTME1165焦点测量方法均针对焦点实际尺寸而言;并对长条状焦点长度方向数据乘以0.7系数修正为最终长度方向尺寸,最终给出的焦点尺寸是长×宽。

EN 12543的焦点尺寸规定方法是对焦点长度和宽度方向进行测量后,将两者较大数据作为最终测试结果,即所测焦点尺寸。

3.2.2 测量方法
ASTM E 1165与EN 12543均是通过将焦点投影成像于射线胶片,用5~10倍放大镜直接在透照冲洗后的射线照片上进行焦点测量,最终测量出焦点长度尺寸和宽度尺寸,如图8(a)所示。

IEC 60336采用两种方法共同配合完成焦点尺寸的测量。

狭缝法和针孔法均是将焦点成像于胶片上,针孔法是一次透照完成整个焦点成像,狭缝法在两个相互垂直的方向透照两次形成两张射线照片。

针孔法仅用来确定焦点方向和位置,然后通过狭缝法获取两个方向的射线照片,通过底片扫描,绘制线性扩展函数(LSF)曲线,在曲线上以密度最高值的1 5%处之间距离作为长宽方向的焦点尺寸,如图8(b)所示。

3.2.3 主要内容
除了焦点尺寸确定规定和测量方法差异外,三个标准在测试器具、测试过程和透照参数规定等细节方面各有侧重,标准条款和内容比较如表1所示。

4 其它要说明的问题
4.1 焦点尺寸定义
焦点以实际焦点和有效焦点来描述。

实际焦点是阳极靶上产生X射线的区域,即电子束所撞击的阳极靶的区域,从不同方向观察实际焦点,可以看到不同的形状和大小。

一般来说,在射线照相中通常所说的焦点并不是实际焦点,而是有效焦点,有效焦点是实际焦点在射线束中心方向观察到的焦点形状和尺寸,也就是实际焦点在垂直于管轴方向的投影。

4.2 焦点尺寸标记说明
目前X射线机焦点尺寸有两种标记方式,分别是依据IEC 60336和EN 12543标准测定的结果,两种焦点尺寸表示含义不同。

依据IEC 60336给出的数据是一个归一化的值,尺寸后没有单位(mm或inch),可根据IEC 60336中表格查出相应最大允许的焦点宽度和长度值;依据EN 12543给出的数据代表焦点最大允许的值,后面有单位(mm或inch)。

由于IEC 60336在20世纪70年代就已正式发布实施,影响较早,医用X射线机和工业X射线机制造商在射线管头上都标记IEC 60336归一化的焦点尺寸。

随着EN 12543和ASTM 1165针对工业X射线机焦点尺寸测量方法陆续发布,绝大多数工业X射线机上标注了依据EN 12543的焦点尺寸,也有相当一部分是同时标注了依据IEC 60336和EN12543的焦点尺寸。

5 结论
IEC 60336、EN 12543和ASTM E1165三个标准给出了多种焦点尺寸的测量方法,不同测量方法的适用范围、适用对象和焦点表示方式有所不同;即便是对同一种测量方法,由于测试目的和用途不同,其测试条件和过程也略有差异,因此,用户在进行焦点尺寸测量时一定要针对所用X射线机参数、测试目的和相关规定进行甄别选取。

同时,焦点尺寸测量的参数选取和过程控制是影响测量结果精确度的关键。

参考文献:
[1] 黄大同.X管焦点尺寸的测量与评价标准[C]//医学物理.学术年会论文摘
要汇编.[s.l.]: [s.n.],1991:95.
[2] 刘京京.工业射线照相小焦点和微焦点X射线管有效焦点尺寸的测量方法[J].无损探伤,1995(6):27-28.
[3] CEI IEC 60336—2005 Medical electrical equipment-X-ray tube assemblies for medical diagnosis-Charac-teristics of focal spots[S].
[4] EN12543—1999 Non-destructive testing-Character-istics of focal spots in industrial X-ray systems for usein non-destructive
testing-Part1~Part5[S].
[5] ASTM E 1165-92(Reapproved 2002). Standard testmethod for measurement of focal spots of industrial X-ray tubes by pinhole imaging[S].
[6] 郑世才.射线检测[M].北京.机械工业出版社,2004:32-33.
[7] 郑世才.X射线管焦点尺寸的测量[J].无损检测,2006,28(1):46.。