第3章射线照相的影像质量.doc

第3章 射线照相的影像质量
3．1 影像形成的简单分析
图3—1画出了射线照相影像形成的过程。从图3—1可以看到，在射线透照下，物体内部的情况将投影 在胶片平面，形成射线照相影像的图像。这幅图像的形成，以从射线直线传播的性质讨论。作为初步分析，可以假设射线源是——个几何点，射线从这点发出，沿直线在空间传播，并沿直线穿透被透照物体。上述影像形成的过程使影像具有下面一些特点。
1．影像重叠
影像的每个点都是物体的一系列点对射线衰减产生的总结果，或者说是物体一系列点的影像的重叠。例如，图中的影像A是射线穿过、、……等无数个点到达胶片后形成的，所以A点影像反映了、、……等无数个点对射线衰减的情况。这样，当从不同方向进行射线检测时，对同一物体得到的影像可以不同。影像的重叠性使得物体中不同位置的缺陷，在射线检测的影像上可能表现成一个缺陷，这给射线检测影像的判断带来困难。
2．影像放大
影像放大是指在胶片上形成的影像的尺寸大于形成影像的物体的尺寸。图3—2清楚地显示出，物体中一宽度为的区域，在胶片上形成的影像的宽度为，明显地这是一个放大的影像，从投影关系不难理解这一点。影像放大的程度与射线源至被透照物体的距离有关、与影像所表示的物体和检测器的距离有关。在一般的情况下，影像都存在一定程度的放大。应注意的是，在实际射线照相检验时，如果X射线机的焦点大于缺陷的尺寸，则影像可能不产生放大。
3．影像畸变

如果得到的影像的形状与物体在投影方向截面的形状不相似，则称影像发生了畸变。产生这种情况的原因是，物体截面上不同的部分在胶片上形成影像时产生的放大不同，这样就导致影像的形状与物体的形状不相似。只要物体的投影截面与记录影像的截面不平行，就将发生影像畸变。
在实际射线照相中，缺陷影像畸变是经常发生的，这是由于缺陷总是具有一定的体积，具有一定的空间分布，形状常常是不规则的，这些情况使得透照时将存在多个投影截面，不同的投影截面形成的影像的放大总是存在一些不同，就造成了影像畸变。理解射线照相影像的这些特点，对正确地评定底片上的缺陷具有重要意义。
3．2 影像质量
3.2.1 影像质量的基本因素

射线照相检验影像质量的基本因素，可以从金属边界射线照相的影像导出。
如图3-3所示，当透照一锐利的垂直的金属物体边界时，理想的情况应得到图3—3b所示的黑度分布曲线，即当从一个厚度过渡到另一个厚度时，对应的黑度应从一个黑度以阶跃的形式过渡到另一个黑度。但测量指出，实际的黑度分布并不是这种阶跃形式，而是如图3-3c所示，—在两个黑度之间存在一个缓慢变化的区域，使黑度逐渐地从一个黑度过渡到另一个黑度，缓慢变化区的黑度分布不是直线，而是一存在坡脚和肩部的曲线。这个缓慢变化区的宽度即是射线照相的不清晰度，一般记为U，它造成了射线照片上影像边界的扩展。进一步的研究发现，过渡区的的细致情况如图3-3d所示，即实际的黑度存在不规则的大大小小的不断变化，并不是单调均匀的变化。黑度不规则变化的统计平均值(统计标准差)称为影像的颗粒度，记为。对应金属边界的黑度差称为该影像的对比度，记为D。
D、U和即是影像质量的基本因素，即射线照片上影像的质量由对比度、不清晰度、颗粒度决定。
对比度是影像与背景的黑度差，不清晰度是影像边界扩展的宽度，颗粒度是影像黑度的不均匀性程度。影像的对比度决定了在射线透照方向上可识别的细节尺寸，影像的不清晰度决定了在垂直于射线透照方向上可识别的细节尺寸，影像的颗粒度决定了影像可显示的细节最小尺寸。
3．2．2 影像的射线照相对比度
在射线照相中影像的对比度定义为射线照片上两个区域的黑度差，常记为D。即如果两个区域的黑度分别为、，则它们的对比度为
(3-1)
射线照片上影像的对比度常指影像的黑度与背景的黑度之差。
从物体厚度的一个小的增加量AT产生的黑度变化，即可得到射线照相对比度的公式。如图3-4所示，设在厚度 之上局部叠加了一小的厚度，而D为对应厚度T部分的黑度；为对应厚度部分的黑度。

显然，是由厚度小增量引起的两区域的黑度差。在第2章曾经给出，对胶片特性曲线的直线部分存在关系：

式中，、 为曝光量，它等于射线强度与曝光时间之积

由于与之差很小，因此D与之差也很小，所以可认为对应于与，的梯度近似相等，因此对引起的黑度差有

这样有

(3-2)
首先考虑简单的情况，即窄束、单色射线情况，从射线衰减规律有

两式相除，得到

所以

将此式代入式（3-2），得到
（3-3）
这就是一个小的厚度增量（也就是小的厚度差），在窄束、单色射线情况下产生的对比度的公式。应指出的是，小厚度差在垂直于射线透照方向应具有较大尺寸时才满足这个关系。
实际探伤时一般都是宽束射线情况，这是必须考虑散射线，即这时应采用宽束连续谱射线的衰减规律讨论式（3-2）。

记，由于很小，近似认为。因为存在《，利用近似公式
（＜1 则有

这样，从式（3-2）可以得到

由于

最后得到
（3-4）
对实际工件中的缺陷，严格地说，不能简单地应用式(3-4)计算，这时应考虑缺陷对射线的衰减特性。如果记缺陷的线衰减系数为，则式(3-4)应改写成
(3-5)
当存在《或=0时，也就是缺陷引起的射线衰减远小于同样大小的工件本身引起的射线衰减时，式(3-5)将转化为式(3-4)。
对于宽束连续谱射线情况，应注意的是，这时应认为式中的线衰减系数是对应于等效波长(能量)的线衰减系数。显然，式(3-4)包含了式(3-3)。
式(3-4)是射线照相检验技术理论的基本公式，它指导射线照相检验技术的基本考虑。
从式(3-5)可以看到，某个细节(缺陷)影像的射线照相对比度相关于一系列因素，这些因素决定于下列3个方面：
1)细节本身的性质和尺寸——、；
2)射线照相技术参数—— 、、；
3)被透照物体本身的性质和尺寸——、。
为了得到较高的射线照相对比度主要应遵循以下几点：
1)选用可能的较低能量的射线透照——提高线衰减系数；
2)采取各种措施，减少到达胶片的散射线强度——降低散射比；
3)选用质量优良的胶片，采用良好的暗室处理技术——获得较高的梯度。
3．2．3 影像的射线照相不清晰度
影像的射线照相不清晰度是影像质量3个因素的另一个重要因素，本应该用清晰度描述影像质量的这个方面，但由于定量地表述清晰度比较困难，所以在射线照相中目前广泛采用不清晰度概念描述影像的清晰度。
不清晰度描述的是影像边界扩展的程度。对工业射线照相，产生不清晰度的原因是多方面的，其中最主要的是几何不清晰度和胶片固有不清晰度，此外还有屏不清晰度和运动不清晰度。几何不清晰度一般记为，胶片固有不清晰度一般记为。
几何不清晰度产生于射线源总是具有一定的尺寸，而不是个点。这样，当透照一定厚度的物体时，按照几何投影(射线直线传播)成像原理，所成的像总要有一定的半影区，即边界扩展区，这就是几何不清晰度。图3-5画出了几何不清晰度的形成。

从图中可以看到，几何不清晰度与射线源焦点尺寸大小、射线源至胶片的距离、工件本身的厚度(缺陷与胶片的距离)有关，从相似三角形容易得到几何不清晰度的计算公式
（3-6）
式中
——射线源焦点尺寸；
——焦距，即射线源至胶片的距离；
——工件射线源侧表面与胶片的距离、通常取为工件本身的厚度。
从图3—5或式(3—6)，都可以看出，焦点尺寸越小、焦距越大、工件厚度越小则几何不清晰度也越小。在射线照相中几何不清晰度应控制在规定的范围，一般总是希望减少几何不清晰度，除了选择射线源外，．主要是通过改变焦距控制几何不清晰度。此外，正确地选定透照布置也能够减小几何不清晰度。
对于X射线机来说，由于X射线管的有效焦点尺寸在不同方向具有不同大小，因而，如果严格地讨论射线照相中的几何不清晰度，它将是一个复杂的问题。工件中的缺陷，由于其位置的不同——位于不同的深度，也将具有不同的几何不清晰度。
胶片固有不清晰度是由于入射到胶片的射线，在乳剂层中激发出的次级电子的散射产生的。在射线与乳剂的相互作用中产生的次级电子，能够从产生它们的卤化银颗粒到达其他的卤化银颗粒，并使这些卤化银颗粒成为可显影的，这使得每个射线光子产生的可显影的卤化银颗粒成为具有一定分布的区域。因此，在显影时，不仅受到射线照射的曝光区，而且曝光区的周围，都将显现一定的黑度。这就使锐利的边界的影像扩展成为具有一定分布的黑度区，分布区的宽度称为胶片固有不清晰度。分布区的宽度决定于次级电子，在乳剂层中能量损失的过程，因此胶片：固有不清晰度决定于射线的能量。图3—6是胶片固有不清晰度与X射线能量关系的曲线，表3—1列出了部分X射线透照电压的胶片固有不清晰度之值。

在射线照相中，由于胶片吸收的射线能量只占入射射线能量的很少部分，因此经常采用增感屏(关于增感屏将在第4章讨论)，利用增感屏吸收射线能量后产生的次级效应，如发射电子、发射荧光等，增加射线对胶片的曝光量。当使用增感屏时，由于增感物质对射线的散射或次级效应带来的散射，将产生一个新的不清晰度，即屏不清晰度，记为Ue。荧光增感屏即使对于较低能量的射线也能产生较大的不清晰度(见表3—2)，金属箔增感屏在厚度较大时也将产生不清晰度，但不清晰度都很小，所以，对金属增感屏一般不考虑它引起的不清晰度。

如果在射线照相过程中，射线源与工件存在相对移动，则将产生另一个不清晰度，即运动不清晰度，常记为Um。实际上这种相对运动相当于加大了射线源的焦点尺寸，因此必然导致新的不清晰度。对于常规射线照相技术，一般都认为不存在运动不清晰度。对于扫描(移动)射线照相技术，运动不清晰度是一必须进行分析的重要问题。
由以上各种原因产生的不清晰度，共同构成射线照相总的不清晰度，总的不清晰度记为U。对于通常的射线照相，因为不使用荧光增感屏，射线源与工件之间也不认为存在相对运动，所以只考虑几何不清晰度和胶片固有不清晰度，它们共同构成了总的射线照相不清晰度。许多人研究过总的不清晰度与几何不清晰度和胶片固有不清晰度的关系，提出过不同的从几何不清晰度和胶片固有不清晰度计算总的不清晰度的关系式， 目前比较广泛采用的关系式是
（3-7）
有时也采用下面的关系式

3．2．4 影像的颗粒度
即使在均匀的曝光下，影像黑度的分布也存在不均匀性， 颗粒度就是描述黑度的不均匀性的概念。
将射线照片放大到一定程度，眼睛就可以看到影像的黑度存在起伏的状况，这就是所说的颗粒度。不同类别的胶片在射线照相中形成的影像具有不同的颗粒度，感光度高的胶片颗粒度大，感光度低的胶片颗粒度小。
颗粒度是卤化银颗粒尺寸和在乳剂中分布的随机性、射线光子被吸收的随机性的反映。
颗粒度除了与胶片本身的性质有关外，主要与射线能量和曝光量有关，也与显影条件和显影过程有关。对于某种类型的胶片，在较低能量的射线和较大的曝光量下透照，可以得到较小的颗粒度，反之，将增大颗粒度。显影条件与胶片特性不符合，显影过程不足或过度，也将引起颗粒度增大。
颗粒度限制了影像能够记录和显示的细节的最小尺寸。一个尺寸很小的细节，在颗粒度较大的影像中，或者不能形成自己的影像，或者其影像将被黑度的起伏所掩盖，无法识别出来。
3．2．5 不清晰度对对比度的影响
当存在不清晰度时，研究指出，如果细节影像的宽度尺寸小于射线照相总的不清晰度，那么不清晰度将引起它的影像的对比度降低。这将严重影响宽度尺寸较小的细节的影像的可识别性，也就是将影响细小缺陷(如裂纹、细小孔洞等)的可检验性。
（）
式中
——射线照相总的不清晰度：
——细节影像的宽度，<U；
——不清晰度为0时影像的对比度；
——不清晰度为U时影像的对比度。
它给出了细节影像对比度因存在不清晰度降低的变化规律。图3—7给出的是设不清晰度曲线为直线时，不清晰度对对比度影响的作用，它给出的结果与式(3—8)相同。

3．3 射线照相灵敏度
3．3．1 概念
决定射线照片影像质量的3个因素是对比度、不清晰度、颗粒度。在日常的射线照相检验工作中并不直接测量射线照片影像的对比度、不清晰度、颗粒度，而是设计了一些方法综合地测定影像质量。现在广泛采用射线照相灵敏度这个概念，描述射线照片记录、显示细节的能力(射线照片记录和显示缺陷的能力)。射线照相灵敏度是通过一些规定形式的细节，在射线照片上被记录和显示的程度，描述射线照片上形成的影像的质量，它在一定程度上
综合评定了影像质量3个基本因素对影像质量的影响结果。
目前，测定射线照片的射线照相灵敏度采用像质计(像质指示器、透度计)，最广泛使用的像质计主要有3种：丝型像质计、阶梯孔型像质计、平板孔型像质计，此外还有槽型像质计等。各种像质计设计了自己特定的鲒构和细节形式，规定了自己的测定射线照相灵敏度的方法，因此，不同像质计给出的射线照相灵敏度不能简单互换。就是说，用不同像质计即使得到的射线照相灵敏度值相同，也并不表示射线照片的影像质量相同。哪种像质计更能准确地表示影像质量、更能灵敏地反映影像质量与射线照相技术的关系，还需要深入研究。
射线照相灵敏度的表示方法有两种，一种称为相对灵敏度，另一种称为绝对灵敏度。相对灵敏度以百分比表示，即以射线照片上可识别的像质计的最小细节的尺寸与被透照工件的厚度之比的百分比表示。绝对灵敏度则以射线照片上可识别的像质计的最小细节尺寸表示。用像质计测定的射线照相灵敏度也称为细节灵敏度，即它表示某种特定形状的细节在使用的射线照相技术下可被发现的程度，它不完全等同于同样尺寸的自然缺陷可被发现的程度。
3．3．2 丝型像质计
丝型像质计由于结构简单、易于制作，已被世界各国广泛采用，国际标准化组织也将丝型像质计纳入其制订的射线照相标准中。丝型像质计的型式、规格已逐步统一。
丝型像质计的基本样式如图3—8所示，它采用与被透照工件材料相同或相近的材料制作的金属丝，按照直径大小的顺序、以规定的间距平行排列、封装在对射线吸收系数很低的透明材料中，或直接安装在一定的框架上，并配备一定的标志说明字母和数字。不同国家的标准对丝的直径与允许的偏差、长度、间距、一个像质计中丝的根数及标志说明等都做出了各自的规定，对丝的材料有的标准作出了比较具体的规定。丝型像质计主要应用在金属材料。

关于丝的直径，现在各个国家一般都采用公比为 (近似为1．25)的等比数列决定的一个优选数列，并对丝径给以编号，我国有关标准对丝径的规定如表3-3所示。

我国的丝型像质计，将表3-3中列出的19根丝分成五组；1～7、6～12、10～16、12～18、13～19，每个像质计包含其中一组丝，适用于不同的厚度。在制作成丝型像质计时，丝长一般为50mm，间距一般为5mm。经常见到的是前面三组，并常分别称为第1、II、Ⅲ号线型像质计。在射线照相中究竟选用哪一组像质计，应按照透照厚度和技术要求决定，所应识别的丝不应处于所在组的边缘。例如，要求识别第7号丝，则应选用6～12号这组，而不
应选取1～7号这组。
使用时，丝型像质计放置的数量、位置和具体的安放方法等应符合有关标准的规定。一般的规定主要是，原则上每张底片上都应有像质计的影像，像质计应放置在工件射线源侧的表面上，且应放置在透照区中灵敏度差的部位。当像质计放置在工件胶片侧表面时，应附加标记(一般是字母“F”)。多数标准对丝型像质计的识别性都规定：在底片上至少可清晰看到连续10mm长的丝的影像时，则该丝认为是可识别的。
除了上面的常规样式的丝型像质计外，针对不同的应用，我国标准也规定了一些非常规或专用型的丝型像质计，如等径型丝型像质计、双丝或三丝型丝型像质计等。
丝型像质计的相对灵敏度规定为：在射线照片上可识别的金属丝最小直径与工件的透照厚度的百分比，即

式中 ——丝型像质计射线照相灵敏度；
——射线照片上可识别的金属丝最小直径；
——丝型像质计射线照相灵敏度；

但目前的射线照相检验标准已很少采用这种规定的灵敏度了，这主要是因为同一个相对灵敏度值(例如2％)，对不同的检验厚度，可能是很好的灵敏度，也可能是很差的灵敏度。在一些较早的射线照相检验标准中，曾错误地使用相对灵敏度作出了规定。因此，现在基本上都是直接规定不同的透照厚度范围应识别的丝径。
我国的少数标准还采用过较早原西德标准的“像质指数”规定灵敏度。原西德标准规定，像质指数z按下式计算

并应对得到的数值取整数。实际上得到的值就是丝径对应的丝号，并没有带来新的意义。
3．3．3 其他侮质计
1．阶梯孔型像质计
阶梯孔型像质计的基本结构是在阶梯块上钻上直径等于阶梯厚度的通孔，孔应垂直于阶梯表面、不做倒角。常用的阶梯形状是矩形和正六边形，典型的设计如图3—9所示。为了克服小孔识别的不确定性，常在薄的阶梯上钻上两个孔。
与丝型像质计一样，阶梯的材料应与被检工件的材料相同或相近，阶梯的厚度尺寸与丝型像质计的金属丝直径尺寸相同。阶梯孔型像质计的射线照相灵敏度规定为，在射线照片上可识别的最小孔所在的阶梯的阶梯厚度与工件的透照厚度的百分比，即

式中 ——阶梯孔型像质计的射线照相灵敏度；
——可识别的最小孔所在的阶梯的厚度：
——工件的透照厚度。

由于在射线照片上丝的可识别性与孔的可识别性并不相同，因此，即使丝型像质计灵敏度与阶梯孔型像质计灵敏度相同，也并不表示射线照相灵敏度相同。表3-4给出的是采用完全相同的射线照相技术、透照同一工件所得到的丝型像质计灵敏度和阶梯孔型像质计灵敏度。既然采用的是相同的射线照相技术，又是透照同一工件，那么应该得到相同的影像质量，也就是得到相同的射线照相灵敏度，但不同的像质计给出的值不同。表3-4也提示我们，在射线照相中，不同形状的缺陷(性质相同)其可检验性将存在差别。

阶梯孔型像质计主要在欧洲地区应用，有试验报告报导，在显示射线照相技术变化对影像质量的影响方面，它比丝型像质计更灵敏一些。
2．平板孔型像质计
在美国广泛使用一种特殊型式的像质计，并且仍称为透度计，这就是平板孔型像质计。也可以认为它是一种特殊的阶梯孔型像质计。
平板孔型像质计是在均匀厚度的平板上钻上3个通孔，如果板的厚度为了，则3个孔的直径分别为1T、2T、4T，1T孔位于中间。板厚应选为透照厚度的1％、2％或4％，板的材料应与被透照工件的材料相同或相近。平板孔型像质计的典型样式如图3-10所示。图3—10a的设计适于较小透照厚度，图3—10b适于较大透照厚度。

平板孔型像质计用的方式规定灵敏度级别，其中、为两个常数，是以透照物体厚度的百分数表示的像质计板厚，是应识别的最小孔径为像质计板厚的倍数。、都只取1、2或4。例如，4-2T这个灵敏度级别，表示所使用的像质计板厚了应是透照厚度的4％(即， 4)，至少应能识别像质计上直径为像质计板厚2倍的孔(即，=2)。由于、都只取l、2或4三个数中的一个，所以平板孔型像质计共可以规定出9个灵敏度级别，即

在射线照相检验中，以规定应达到的灵敏度级别规定技术级别要求。经常设立5个级别，即I-1T、1-2T、2-1T、2-2T、2-4T。
对于平板孔型像质计在美国还规定了一个特殊的灵敏度——“等效透度计灵敏度”，简记为EPS。所谓等效透度计灵敏度是指：对于每个灵敏度级别，采用与达到这个灵敏度级别相同的射线照相技术时，2T孔是可识别的最小孔的像质计板厚与透照厚度的百分比。这是类似于阶梯孔型像质计灵敏度的一种规定，但是，两者之间存在很大的不同。表3-5列出了平板孔型像质计各个灵敏度级别对应的等效透度计灵敏度值。

应该注意的是EPS灵敏度既不等于阶梯孔型像质计灵敏度，也不等于丝型像质计灵敏度。例如，对2-1了灵敏度级别，其EPS灵敏度为1，4％，而对应的阶梯孔型像质计灵敏度却是2．0％ 。
3．双丝型像质计
双丝型像质计是一种特殊的像质计，它的基本结构是一系列的丝对(分为圆形截面和矩形截面两种)，图3-11是圆形截面的双丝像质计的样式，矩形截面的双丝像质计仅是截面不同。像质计中的丝对由直径相等、丝的间距等于丝的直径的两根丝组成，这样的一系列不同直径的丝对按一定间距封装起来、并加上适当的标记构成了双丝型像质计。丝的材料应是钨等高吸收的物质，丝径的值和允许的偏差都有严格的规定。
双丝型像质计用于测定射线检测的不清晰度。有关标准中规定，不清晰度等于不能清晰区分为两根丝的丝对中直径最大的丝对的直径的2倍(对绝大多数测定情况)。
3．4 细节影像的可识别
在射线照片上一个细节的影像是否能被眼睛识别出来，简单地说，决定于它的对比度。按照有关的理论，这个缺陷影像的对比度必须满足两个条件：
1）
2）
——识别该细节(缺陷)影像所需的最小黑度差；
——射线照片影像的颗粒度。
第一个条件是从眼睛的视觉特性提出的。眼睛可识别的最小黑度差决定于眼睛的视觉特性，它主要取决于照明亮度和细节影像的形状、尺寸。这个值的大小与影像的形状和尺寸相关，同一尺寸不同形状的影像，这个值不同：同一形状不同尺寸的影像这个值也不同。影像的尺寸越小，识别其影像所需要的黑度差越大。因此，为了在射线照片上识别小的细节影像，必须使它产生较大的对比度。而识别一个较大的细节影像，则只需一较小的对比度。例如，在适当的照明条件下，识别一些细节影像所需的最小黑度差为
细长丝状影像：=0.006
细小点状影像：=0.008
较大点状影像：=0.006
第二个条件是从统计理论的信噪比概念提出的，即信号必须高于噪声3～5倍，才能从背景噪声中识别出信号，即影像的颗粒度小时，识别细节影像所需要的对比度可以低；影像的颗粒度大时，识别细节影像所需要的对比度要高些。
上述条件是理解射线照相检验控制射线照片黑度的基本出发点之一。
各种细节的对比度公式见附录A。