第三章射线照相质量的影响因素

第三章射线照相质量的影响因素

3.1 射线照相灵敏度影响因素

3.1.1 概述

评价射线照相最重要的指标是射线照相灵敏度。所谓射线照相灵敏度从定量方面来说，是指在射线底片上可以观察到的最小缺陷尺寸或最小细节尺寸，从定性方面来说，是指发现和识别细小影象的难易程度。

灵敏度有绝对与相对之分，在射线照相底片上所能发现的沿射线穿透方向上的最小缺陷尺寸称为绝对灵敏度，此最小缺陷尺寸与射线透照厚度的百分比称为相对灵敏度。

由于工件中是否有缺陷，在探伤前是不可知的，经过探伤发现的缺陷，其沿射线穿透方向上的尺寸也是很难测定的。因此，用自然缺陷尺寸来评价射线照相灵敏度是不现实的。为便于定量评价射线照相灵敏度，常用与被检工件或焊缝的厚度有一定百分比关系的人工结构，如金属丝、孔、槽等组成所谓透度计，又称为象质计，作为底片影象质量的监测工具，由此得到灵敏度称为象质计灵敏度。需要注意的是，底片上显示的象质计最小金属丝直径，或孔径、或槽深，并不等于工件中所能发现的最小缺陷尺寸。即象质计灵敏度并不等于自然缺陷灵敏度。但象质计灵敏度越高，则表示底片影象的质量水平越高，因而也能间接地定性反映出射线照相对最小自然缺陷检出能力。

对裂纹之类方向性很强的面积型缺陷，即使底片上显示的象质计灵敏度很高，黑度、不清晰度均符合标准要求，有时也有难于检出甚至完全不能检出的情况。面积型缺陷检出灵敏度与象质计灵敏度存在着较大差异。造成这种差异的影响因素很多，例如焦点尺寸等几何因素的影响，射线透照方向与缺陷平面有一定的夹角而造成透照厚度差减小的影响等。要提高此类缺陷的检出率，就必须很好考虑透照方向及其他有助于提高缺陷检出灵敏度的措施。

射线照相灵敏度是射线照相对比度(小缺陷或细节与其周围背景的黑度差)，不清晰度(影象轮廓边缘黑度过渡区的宽度)，颗粒度(影象黑度的不均匀程度)三大要素的综合结果，而三大要素又分别受到不同因素的影响。

黑度是射线照相影象质量的基础，黑度与三大要素的关系可用图3.1表示

三大要素的定义和区别可用图3.2表示。

射线照相灵敏度的影响因素可归纳为表3.1。

3.1.2 射线照相对比度

如果工件中存在厚度差，那么射线穿透工件后，不同厚度部位的透过射线的强度就不同，用此射线曝光，经暗室处理得到的底片上不同部位就会产生不同的黑度，射线照相底片上的影象就是由不同黑度的阴影构成的，阴影和背景的黑度差使得影象能够被观察和识别。我们把底片上某一小区域和相邻区域的黑度差称为底片对比度，又叫作底片反差。显然，底片对比度越大，影象越容易被观察到和识别清楚。因此，为检出较小的缺陷，获得较高的灵敏度，就必须设法提高底片对比度。但在提高对比度的同时，也会产生一些不利后果，例如试件能被检出的厚度范围(厚度宽容度)减小，底片上的有效评定区域缩小，曝光时间延长，检测速度下降，检测成本增大等等。

1.射线照相对比度公式的推导

在1.4节中，我们推导过主因对比度公式：

式中△I——因试件中存在厚度为△T的缺陷而引起的一次透射射线强度之差(△I=I′p—I p)；I——无缺陷处的射线总强度，包括一次透射射线和散射线(I=I p+I s)；μ——试件材料的线衰减系数；△T——缺陷在射线透照方向上的尺寸；n——散射比，散射线强度与一次透射射线强度之比(n=I/I p)。

需要说明的是，公式的导出是从以下三个假设为基本前提：

(1)试件中缺陷厚度相对于试件厚度来说很小(△T<

(2)缺陷的存在不影响到达胶片的散射线量(I＝s)

(3)缺陷的存在不影响散射比(n＝n′)

在大多数情况下，以上假设引起的误差极小，因此公式是可以成立的。

在2.3节中，我们给出了胶片对比度公式

该式可改写为：

由近似公式1n(1+x)≈x，得

将主因对比度公式代人得

△D＝

0.434·r·μ·△T/(1+n)(3.1) 此即射线照相对比度公式

2.射线照相对比度的影响因素

由3.1式可知，射线底片的对比度△D是主因对比度

和胶片对比度γ共同作用的结果，主因对比度是构成底片对比度的根本原因，而胶片对比度可以看作是主因对比度的放大系数，(通常这个系数为3—6)。

影响主因对比度的因素有：厚度差△T，衰减系数μ，散射比n。

△T与缺陷尺寸有关，某些情况下还与透照方向有关。对于试件中具体存在的缺陷，它的几何尺寸是一定的，但在不同方向上形成的厚度差可能不同，对于具有方向性的面积型缺陷，如裂纹、未熔合等，透照方向与△T的关系特别明显，为提高照相对比度，就必须考虑选择适当的透照方向或控制一定的透照角度，以求得到较大的△T。例如，为检出坡口未熔合，往往选择沿坡口的透照方向，为保证裂纹的检出率，就必须控制射线束与工件表面法线的角度不得过大。

衰减系数μ与试件材质和射线能量有关。在试件材质给定的情况下，透照的射线能量越低，线质越软，μ值越大，在保证射线穿透力的前提下，选择能量较低的射线进行照相，是增大对比度的常用方法。

减小散射比n可以提高对比度，因此透照时就必须采取有效措施控制和屏蔽散射线。

影响胶片对比度的因素有：胶片种类、底片黑度，显影条件

不同类型的胶片具有不同的梯度，通常，非增感胶片的梯度比增感型胶片的梯度大。非增感型胶片中，不同种类的胶片有时梯度也不一样，要想提高对比度，可以选择梯度较大的胶片。

胶片梯度随黑度的增加而增大，为保证对比度，常对底片的最小黑度提出限制，为增大对比度，射线照相底片往往取较大的黑度值。

显影条件的变化可以显著改变胶片特性曲线的形状、显影配方、显影时间、温度以及显影液活度都会影响胶片的梯度。

此外，对小缺陷来说，射线照相的几何条件也会影响其影象对比度。所谓小缺陷，是指横向尺寸(垂直于射线束方向的尺寸)远小于射线源的焦点尺寸的缺陷，包括小的点状缺陷和细的线状缺陷。影响对比度的照相几何条件主要是指射线源尺寸d f，源到缺陷的距离L1，缺陷到胶片的距离L2。

结合图3.3可以对几何条件影响小缺陷影象只于比度问题作出一个简明的解释：正常情况下，底片上缺陷影象由本影和半影组成(图3.3a)，但随着d f的增大或L2的增大，或L1的减小，缺陷影象的本影区域将缩小，半影区域将扩大，图3.3b表示一种临界状态，即本影缩小为一个点；如果进一步增大d f，L2或缩小L1，则情况如图3.3c所示，缺陷的本影将消失，其影象只由半影构成，对比度将显著下降。

几何条件对小缺陷影象对比度的影响可以用系数d来修正，这样，考虑几何条件影响的小缺陷影象对比度公式就变为

△D＝

0.434·r·μ·σ·△T/(1+n)(3.2)

σ的推导和几何条件d f，L1、L2等对小缺陷△D影响的详细分析可参见本章3.2.1的第3小节。

3.1.3 射线照相清晰度

如图3.4所示，用一束垂直于试件表面的射线透照一个金属台阶试块，理论上理想的射线底片将由两部分黑度区域组成，一部分是试件AO部分形成的高黑度均匀区，另一部分是试件OB部分形成的低黑度均匀区，两部分交界处的黑度是突变的，不连续的，如图中(a)所示，但实际上底片上的黑度变化并不是突变的，试件的“阶边”影象是模糊的，影象的黑度变化如图中(b)或(c)所示，存在着一个黑度过渡区，把黑度在该区域的变化绘成曲线，称之为“黑度分布曲线”或“不清晰度曲线”，很明显，黑度变化区域的宽度越大，影象的轮廓就越模糊，所以该黑度变化区域的宽度就定义为射线照相的不清晰度U。

在实际工业射线照相中，造成底片影象不清晰有多种原因，如果排除试件或射源移动，屏一胶片接触不良等偶然因素，不考虑使用盐类增感屏荧光散射引起的屏不清晰度，那么构成射线照相不清晰度主要是两方面因素，即：由于射源有一定尺寸而引起的几何不清晰度U g以及由于电子在胶片乳剂中散射而引起的固有不清晰度Uι。

底片上总的不清晰度U是U g和Uι的综合结果，U和U g、Uι三者之间的关系有多种表达式，目前比较广泛采用的关系表达式为

(3.3)

1.几何不清晰度U g

由于X射线管焦点或γ射线源都有一定尺寸，所以透照工件时，工件表面轮廓或工件中的缺陷在底片上的影象的边缘会产生一定宽度的半影，这个半影的宽度就是几何不清晰度U g，如图3.5所示。

U g的数值可用下式计算

(3.4)

式中：d f——焦点尺寸；F——焦点至胶片距离；b——缺陷至胶片距离。

通常技术标准中所规定的射线照相必须满足的几何不清晰度。是指工件中可能产生的最大几何不清晰度

U gmαx，相当于射源侧表面缺陷或射源侧放置的象质计金属丝所产生的几何不清晰度(图3.6)，其计算公式为

U gmαx＝d f L2/(F－L2)＝

d f L2/L1(3.5)

式中：L1——焦点至工件表面的距离；L2——工件表面至胶片的距离。

由上式可知，几何不清晰度与焦点尺寸和工件厚度成正比，而与焦点至工件表面的距离成反比。在焦点尺寸和工件厚度给定的情况下，为获得较小的U g值，透照时就需要取较大的焦距F，但由于射线强度与距离平方成反比，如果要保证底片黑度不变，在增大焦距的同时就必须延长曝光时间或提高管电压，所以对此要综合权衡考虑。

使用X射线照相时，由于透照场中不同位置上的焦点尺寸不同，阴极一侧的焦点尺寸较大，因此相应位置上的几何不清晰度也较大。实际上，由于照射场内光学焦点从阴极到阳极一侧都是变化的，因此，即使是纵焊缝(平板)照相，底片上各点的U g值也是不同的。而环焊缝(曲面)照相，由于距离、厚度的变化，故底片的上各点的U g值的变化更大、更复杂。

几何不清晰度的计算可见下面例题：

例：采用双壁双影法透照φ76×3mm的管子对接焊缝，已知X射线机焦点尺寸为3mm，透照焦距为600mm，求胶片侧焊缝和射源侧焊缝的照相几何不清晰度U g。

解：已知管子外径D＝76mm，焦点d f＝3mm，壁厚t＝3mm，焦距F＝600mm

又：焊缝余高△t取2mm，根部余高取0mm。

则胶片侧焊缝的几何不清晰度U g1

射源侧焊缝的几何不清晰度U g2

答：胶片侧焊缝的几何不清晰度U g1＝0.0252mm

射源侧焊缝的几何不清晰度U g2＝0.4615mm

2.固有不清晰度Uι

固有不清晰度是由于照射到胶片上的射线在乳剂层中激发出的电子的散射而产生的。当光子穿过剂层时，与物质相互作用发生光电效应，康普顿效应，以及电子对效应，所有这三种效应都能激发出电子。射线光量子的能量越高，激发出来的电子的动能就越大，在乳剂层中的射程也就越长。这些电子向各个方向散射，到达邻近的卤化银颗粒，动能较大的电子甚至可以穿透过许多个卤化银颗粒。由于电子的作用，使这些卤化银颗粒成为潜影，因此一个射线光量子不只是影响一个卤化银颗粒，而可能在乳剂中产生一小块潜影银，其结果是不仅光量子直接作用的点能被显影，而且该点附近区域也能被显影，这就造成了影象边界的扩散和轮廓的模糊，固有不清晰度大小就是散射电子在胶片乳剂层中作用的平均距离。

固有不清晰度主要取决于射线的能量，表3.2为不同射线能量下的固有不清晰度值。按表3.2的数值绘制成曲线图3.7，可以看出：Uι随射线能量的提高而连续递增，在低能区，Uι增大速率较慢，但在高能区，Uι增大速率较快。