X射线检测技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二章 第五节,X,射线检测技术,第五节,X,射线检测技术,2.5.1.X,射线成像检测原理,2.5.1.1,X,射线照相法,2.5.1.2.,实时成像检测,2.5.2.,计算机断层成像（,CT,）,2.5.3.,康普顿散射成像检测系统,2.5.4.,工业,CT,的应用,1,第二章 第五节,X,射线检测技术,2.5.1.X,射线成像检测原理,X,射线检测方法可以分为,3,类：,射线照相法；,实时成像检测；,计算机断层成像，,2.5.1.1,X,射线照相法,的基本原理如下图所示。,当,X,射线穿透被照物体时，有缺陷部位（如气孔，夹杂物等）与基体（金属或非金属）对射线吸收能力不同，,例如有缺陷部位所含的空气对射线的吸收能力大大低于与基体（金属或非金属）对射线吸收能力；,因此，透过有缺陷部位的,X,射线强度高于无缺陷部位的射线强度。,在,X,射线胶片上对应的有缺陷部位将接受较多的,X,射线粒子，从而产生黑度较大的缺陷影像。,2,第二章 第五节,X,射线检测技术,缺陷检测与材料性质，缺陷厚度有关,通过缺陷部位：,I,d,=I,0,e,-,(d-x),无缺陷部位：,I,d,=I,0,e,-,d,式中：,缺陷厚度,X,为物体沿射线方向的厚度；,则有，,I,d,/I,d,=e,x,显然，,（,I,d,/I,d,）,比值越大，,底片上的对比度越大，底片上的,图象越清晰,。,由上式看出（,I,d,/I,d,）,不仅与缺陷,X,有关，,而且与,，,即材料的性质有关。,越大越容易发现缺陷，,缺陷厚度越厚也越容易发现。,反之则越不容易发现。因为缺陷太薄对透过射线的强度衰减很小，底片不易分辨。,3,第二章 第五节,X,射线检测技术,射线检测灵敏度用以表示检测较小缺陷的能力,。,检测缺陷越小，则灵敏度越高。,测量,灵敏度最古老的方法是用,“透度计”,，,现在大多数国家公认的术语是“像质计”（,Image Quality Indicator IQI,），,它是测量射线检测器件灵敏度的术语。,它是把一系列不同厚度的薄片制成小台阶梯楔形式，,薄片用与工件相同的材料制成，,测试时将透度计放在工件之上，,设,A,为最小可识别单元的尺寸厚度，,A,为工件厚度，,则,灵敏度为；,K=,（,A/A,）,100%,ASTM,平板孔型像质计的式样，如下图所示,射线照相的影象质量主要由三个因素决定：,对比度，清晰度和颗粒度。,一个良好的射线照相影象，应具有较高的对比度，较好的清晰度，较细的颗粒度。,4,第二章 第五节,X,射线检测技术,2.5.1.2.,实时成像检测,射线照相检测技术可以得到高质量的图象，但检验周期较长，费用较高。,实时成像检测是能实时显示物体变动的图象。,早期的射线实时成像系统是,X,射线荧光检验系统,，,它采用荧光屏将,X,射线照相的强度分布转换为可见光图象。,20,世纪,50,年代引入了,电视系统,，,通过电视摄像在监视器上观察图象。,但早期的实时成像系统存在图象亮度低，颗粒粗，对比度低的缺点。,以后研制了,图象增强器,，,可将亮度增益,10000,倍以上，并具有较好的分辨力，但清晰度还不够高。,近年来进一步研究了,数字实时成像检测系统,，,它使用新型检测器拾取信号直接得到数字化图象。,现在推出的主要是，,用线阵列或成像板构成的射线实时检测以及扫描实时成像系统，,例如经常提到的,X,射线集装箱实时成像检测系统，就是它的工业应用之一。,5,第二章 第五节,X,射线检测技术,实时成像检测系统的基本组成：,实时成像检测系统,有多种类型,：,X,射线荧光检验系统，,图象增强器射线实时成像，,成像板实时成像以及,线阵列射线实时成像检测系统等。,它们的,基本组成包括,：,射线源可以是,X,光机，,射线源，电子加速器等。不同的检测对象采用不同的射线源。一般工业检测用低能,X,射线，大型集装箱检测需用高能,X,射线。,机械装置用以完成图象扫描，是实时成像检测系统的重要部分。,射线检测器（含,A/D,转换）对射线完成转换，主要是闪烁晶体或半导体光电器件，,图象处理用以改进图象质量，,图象显示与存储用于图象显示和保存数据。,控制部分包括，计算机，软件以及一些辅助设备（摄象机，监视器等），并实现对整个系统的控制。,6,第二章 第五节,X,射线检测技术,图象增强器射线实时成像检测系统,。,下图表示系统的主要部件及射线转换过程。,图象增强器是射线实时成像检测系统的核心器件，,完成了射线光电转换和增强的作用。,输入转换屏目前采用,CsI,晶体制作，,它发射的荧光处于兰色和紫外谱范围，,与光电层的谱灵敏度相匹配。,光电层将荧光能量转换成电子发射。,聚焦电极加有,25-30,kV,的高压，,加速并将电子聚焦到输出屏，,输出屏将电子转换成荧光发射。,实现；,射线,-,荧光,-,电子,-,荧光,的转换。,经过图象增强器，可见光的图象亮度要比简单的荧光屏放大,1,万倍，,动态分辨,2000,：,1,7,第二章 第五节,X,射线检测技术,2.5.1.3.,计算机断层成像（,CT,）,在,X,射线成像技术中，存在,2,个根本的问题：,1,）常规的,X,射线成像是利用透射原理完成的，它使物体的三维结构通过投影后显示在一个二维的平面上，使图象前后重叠，读片困难。,2,）无论是荧光屏还是,X,射线胶片，它们固有的分辨率都比较差。,X,射线断层成像（,X-ray Computer,Tomography,，,X-CT,）,从根本上克服了上述困难。,X,射线断层成像（,X-CT,）,技术是根据物体横断面的一组投影数据，经过计算处理后，得到物体横断面的图象，是一种由数据到图象的重建技术。,8,第二章 第五节,X,射线检测技术,基本原理：,设有一幅只含,4,个像素的图象，每个像素的衰减系数的值是未知的。,根据投影,X,射线成像原理，当入射强度为,I,0,的,X,射线通过物体后，检测器接受到的射线强度为：,I=,I,0,e,-d,式中，,d,为物体的厚度，,为物体的线性衰减系数。,对于一个,值不均匀的截面而言，可以假设不同的位置有不同的,值（见图），并建立一系列的衰减方程。对于这个只含,4,个像素的图象来说，,在水平方向上可以建立以下,2,个方程：,I,1,=,I,0,e,-,（,1+4,）,d,I,2,=,I,0,e,-,（,2+3,）,d,同理，还可以在垂直方向或对角线方向上列出类似的方程。,4,个独立的方程联合起来求解，就能得出,1,2,3,4,的值,，,所形成的这幅关于衰减系数的图象就是我们所要得到的,X-CT,图象，它表示物体的内部结构。,9,第二章 第五节,X,射线检测技术,X-CT,图象具有以下突出优点,：,1,）,它能鉴别出，较小的衰减系数差，从而提高了检测灵敏度。,2,）,对物体的前后，左右，上下,进行,3,维全方位断面扫描,，将数据重新整合，就能得到物体结构的,3,维立体图象。,X-CT,自问世以来，在不长的,20,多年中得到了飞速的发展，产品经过了几代更新，各项性能指标有了明显的提高。,10,第二章 第五节,X,射线检测技术,第一代：,X-CT,用一个,X,射线源，,一个探测器，,同步作平移运动，,并旋转扫描以获取投影数据。,第一代的主要缺点是采集数据的时间比较长，大约需要几分钟。,11,第二章 第五节,X,射线检测技术,第二代：也采用平移加旋转的扫描方式,，,不同的是用一个小角度扇形的射线束和多个检测器来代替原来的单一检测器。,使在每一个发射位置上可以同时检测到多个投影数据。,假如有,10,个检测器，,相邻之间相差,1,o,，,那么在一次发射后可同时采集到,10,个投影数据。于是在下一步作旋转运动时，,整个扫描系统就可以一步旋转,10,o,而不是,1,o,（,假设单一检测器时每次转,1,o,），,使整个数据采集时间缩短了,10,倍。,12,第二章 第五节,X,射线检测技术,第三代：它与一，二代扫描仪不同,，,它,只包含扇形束的旋转扫描,而不包括,X,射线源与检测器的平移运动。,因为第三代扫描仪的扇形束，已扩展至能容纳下整个工件的截面。,检测器阵列通常有几百个或上千个检测器单元，依次排列而成。,工件围绕着一个公共轴心旋转，,X,射线源与检测器同时作上下平移运动。,这一代扫描仪的明显优点是机械结构简化了，可以保证机械扫描精度，,并使扫描速度有了明显的提高（通常为几秒钟）。,这是,当前,X-CT,的主要结构形式,。,13,第二章 第五节,X,射线检测技术,第四代扫描仪,采用在,360,o,圆周上固定安装好的检测器，,数据的采集只是靠旋转,X,射线源，,整个探测器阵列是不动的。,它的缺点是对某一特定的检测单元来说，在不同的扫描位置上，,X,射线以不同的角度轰击探测器，这将对重建图象的质量发生影响。,同时制造成本也高。,14,第二章 第五节,X,射线检测技术,X-CT,装置的核心技术是,从,投影重建图象,。,一种,逆问题求解的方法,，研究从投影重建图象的理论有普遍的适用性。,断层扫描作为一种技术，它,既有坚实的数学理论为依托，,又有现代电子技术及计算机技术相支持，,X-CT,已在工业，农业，地球物理等领域中得到广泛的应用。,中科院高能物理研究所，已建成并投入使用的加速器工业,X-CT,系统,15,第二章 第五节,X,射线检测技术,检测平台和线阵探测器,检测平台,可以左右移动并可围绕中心轴转动的平台上，,断层截面的切取，通过工件台的上升或下降实现。,线阵探测器选用,：,钨酸镉,0.35,mm(,宽,),6,mm(,高,),5,mm(,深,),，,能量响应范围宽：,50,keV,9MeV,，,探头间隔,0.4,mm,，,它决定了位置分辨的精度；,动态范围，,7500/1,（动态范围定义为饱和信号与电子噪声本底标准偏差的比值）；,模数转换,16,位；,积分时间,3,ms,100ms,。,16,第二章 第五节,X,射线检测技术,通常工业,CT,由以下,5,部分组成,，包括：,1,）,辐射源：,常用的有：,X,光机，加速器，,射线源。,理想的射线源：应具有足够高的强度，单一的能量，较小的焦点尺寸。,射线源的能量应根据检测物体的特点选定。,2,）,探测器：,它是数据采集系统的核心器件，它接收射线信号，形成,X-CT,系统的原始数据，其性能直接影响系统的图象质量。,探测器的主要性能包括：单元尺寸，单元数目（通道数），能量转换效率，响应时间，动态范围，稳定性，一致性等。,常用的固体探测器有：,CdWO,4,，,CaWO,4,，,Nal,(,Tl,),BGO,或塑料闪烁体等，后接光电倍增管；,射线源与探测器前均有相应的准直装置。,3,）,机械扫描系统：,用于工件的旋转，升降和平移，调整,射线源,-,工件,-,探测器的距离和相对位置。,主要性能要求是：扫描方式，移位特性（移动自由度，速度，范围等），控制方法和精度等。,4,）,电子学系统。,包括信号放大、甄别、计数等一系列部件，以及使探测系统与计算机系统相联系的接口等。,5,）计算机系统。,硬件有主机、阵列处理器、数据存储、图象显示与文字输出等；软件有各种作滤波反投影信息处理的程序和一定的图象重建的程序。,17,第二章 第五节,X,射线检测技术,评价,CT,性能的主要参数,影响,CT,图象质量的因素很多，但通常用下列几种参数作为主要评价标志。,1,）,扫描时间,：即完成一个层面数据采集所需的时间。它与图象矩阵的大小，探测器阵列所含探测器的多少及射线源的辐射强度等直接相关。,2,）,重建时间,：即计算机系统完成一个层面数据处理，给出数字图象所需要的时间。它与图象矩阵的大小，重建算法的性能密切相关。,3,）,空间分辨率：,指断层面上的几何分辨率，即显示最小物体的能力,4,）,断层厚度：,即为切片厚度，要得到很高的空间分辨率，必须取很薄的扫描断层厚度。,5,）,密度分辨率：,又称对比度分辨率，它表示能够区分开的密度差别程度，以,%,表示。,6,）,伪影,：又称假像，它是指图象中与被检物体的物理参数分布没有对应关系的部分。它可能来自被检物和,CT,装置两个方面。,7,）,均匀度,：指断面不同位置上同类缺陷成像时，是否具有同一个平均,CT,值。,8,）,重复性,：指在一定的误差范围内，同一物体在同样的测量参数下始终能获得同样的图象。,9,）,CT,系统,可以检测工件的尺寸，厚度，重量等,。,18,第二章 第五节,X,射线检测技术,2.5.3.,康普顿散射成像检测系统,以上工业,X-CT,的检测原理是建立在射线对物体透射的基础上，,对物体的厚度和密度比较灵敏，,但对物质的种类或物质的原子量不太敏感。,康普顿散射成像检测系统测试的是康普顿的散射射线，,它,对物质的原子量很敏感,。,理论推得：,原子的康普顿散射截面,c,与物质的原子序数,Z,以及,光子能量之间的关系为,c,z,hv,（当,hv,）,mc,2,时），,因此，康普顿散射成像检测系统，可以检测物质的成分。,19,第二章 第五节,X,射线检测技术,康普顿散射成像检测系统的,基本原理,如下图所示。,射线照射到工件，由于检测器的前面设置有准直器，,来自工件不同深度层产生的散射线，将入射到不同位置的检测器。,在物体的某一层中，如果在不同点存在有性质的差异，,那么所产生的散射线强度也不同，,从检测器给出的数据分布，,可以对该层的物质性质作出分析。,其主要特点是：,单侧几何布置；,图象的对比度在理论上可达,100%,；,具有层析功能，,并且一次可得到多个截面的图象。,20,第二章 第五节,X,射线检测技术,康普顿散射成像检测技术,存在一定的局限性,：,由于康普顿散射成像技术采用散射线成像，,因此它主要适用于低原子序数物质，,近表面区较小厚度范围内缺陷的检验。,通常它适宜检验物体表面层厚度区是：,钢为,3-5,mm,，,铝约为,25,mm,，,塑料和复合材料约为,50,mm,。,其次，在应用时必须考虑基体材料和缺陷对射线的散射差别，也必须考虑所要求的分辨率和成像时间。,康普顿散射成像检测技术已应用于一些问题的检验和研究，,例如飞机蒙皮的黏结，和腐蚀检验。,在固体火箭发动机结构的分层检验中，已可检出,0.15,mm,的分层间歇。,测量密度为,6.7,g/cm,3,左右的密度时，测量的不确定度，可达,1%,，,实验证明可用于密度为，,1.7,g/cm,3,左右的复合材料密度测量。,21,第二章 第五节,X,射线检测技术,2.5.4.,工业,CT,的应用,工业,CT,的应用已越来越广泛。,航空航天工业中，,CT,技术用来检测精密铸件，烧结和复合材料的结构等；,核工业,CT,技术用来检测反应堆燃料元件的密度和缺陷，,确定包壳管内芯体的位置，核动力装置的零部件及组件等；,钢铁工业,CT,技术用来检测钢材的质量，如管子的外径，内径，壁厚，偏心率和椭圆度；,机械工业中可检测铸件和焊缝中的微小气孔，夹杂和裂纹等缺陷。,此外，在陶瓷，建筑，食品，矿业，石油等等，领域都有很多的应用。,22,第二章 第五节,X,射线检测技术,在线实时测试和自动控制,工业,X-CT,的应用已深入到生产过程的,在线实时测试和自动控制,1984,年，美国钢铁协会设立一专门小组，探讨解决钢铁生产发展所面临的紧迫任务的有效途径。,他们认为，热轧无缝钢管的在线测试是其首要任务之一，,即,在热轧的同时测定,钢管的壁厚、同心度、单位长度重量以及检查出钢管中的气孔、划痕、裂缝、分层等各种缺陷。,在此之前，摩根教授等人曾就工业,CT,在热轧无缝钢管测试中的应用可行性，作过一系列探索和实验。,双方决定投资,240,万美元研制称之为“钢管全长检测系统,(,IPIS)”,的工业,CT,。,经过四年的努力，,IPIS,的样机已于,1988,年年底问世。其间，摩根在,1987,年创立了专门从事,INs,研制生产的国际数字模式公司,(,EDM,公司,),。,23,第二章 第五节,X,射线检测技术,CT,作在线实时检测的经济意义,工业生产流水线上用,CT,作在线实时检测并参与自动控制过程，其经济意义更为显著。,以,IPIS,系统为例，当钢管热轧线开工或产品规格变更时，为确定和调整工艺过程，往往需占用很多正常生产时间，而,IPIS,可使热轧工艺调整大为简化,；,生产中，除可大量节省质量检验时间外，仅钢管成品头尾的正确切割即可使每吨钢管的,生产成本节约,10,美元,；,由于单位长度重量的严格控制，可,提高产量,0.3%,；,IPIS,的使用，使得离线产品检验时，那种一旦发现问题，巳有大批产品报废的现象不复产生；,而且出厂的每根产品都,已作过,100,的全长检查,，大大提高了产品的市场竞争能力，,尤宜作石油采集用管,(,油井管，抽油管,),。,根据最保守的估计，一个月产,20000,t,无缝钢管的工厂可在一年时间内收回,IPIS(185,万美元台,),的设备投资。,IPIS,系统即将在北美的三家大钢厂里安装使用，,其他行业也对其十分感兴趣，如发电厂，海上石油钻井公司、海军部门与飞机制造商等等。,24,第二章 第五节,X,射线检测技术,国防工业的应用,最近的工业应用，更与计算机辅助设计、制造,(,CAD,CAM),结合起来，使各种发动机和其他机械设计制造的工作效率与性能指标，均有很大提高。,例如,弹药的装药密度测定,使制造商们大伤脑筋。用常规的检查方法，除非把炮弹锯开否则都碍于弹壳的不均匀性而影响其测定精确度。,美国,IRT,公司曾经设计制造了一台康普顿散射,CT,扫描仪，检测,l 55mm,火箭炮弹头。装药的,极为局部的密度变化均被正确测定,，弹壳厚度的变化对这一测量没有任何影响。,除美国外，其他工业发达国家如英国、联邦德国、日本、法国、俄罗斯等也都在工业,CT,的发展方面，取得了引入注目的成就。,最为集中的应用领域可说是国防工业，,如直径为,2,m,火箭的整体测试,，以及各种枪炮和弹药的无损检测等。,工业,CT,还被应用于飞机螺旋桨、发动机，汽轮机叶片，汽缸等精密铸件的无损检测。,苏联曾用,XCT,测定反应堆燃料元件的密度分布,。以前的这种检查，需把燃料元件分解开后用化学方法测定，耗时费钱。,使用,CT,技术一次可测定,32,个燃料元件，每次测定仅花,35,min,。,25,第二章 第五节,X,射线检测技术,航天及民用,美国肯尼迪空间中心的,SMS-201-CT,扫描仪，在一次测定中节约了,l0,万美元。,当时，,航天飞机引擎,装配好后在其燃料管的波纹管减振器的肘节处,(2.3,mm,不锈钢制成,),，发现,处约为一枚硬币大小的凹痕。,痕迹虽不深，但明显可见。,制造商洛克希德公司用了好几种方法对此痕迹作了检查，,以确定痕迹处的管壁是否薄于规定指标，但均未奏效。,按常规方法似乎只有拆开燃料管换上一根新的波纹管了。,但这根结构复杂的部件价值,10,万美元。,于是采用,SMS-201-CT,对该肘节处作了,621,次剖面扫描，花了,4,h,，,结果证明肘节处的尺寸还是在加工公差范围之内，部件可以放心地被使用。,民用工业产品的测试名目繁多,如木材扫描,(,提高其利用率,),，,轮胎生产流水线，,以及各种管道和桩柱的定期检查等等。,26,