无损检测用高能X射线源设备的现状及进展.doc

无损检测用高能X射线源设备的现状及进展
High-energy X-ray source device for NDT of status and progress in China
北京机械工业自动化研究所 郭彦斌
Beijing Research Institute of Automation for Machinery Industry

摘要：2005年,国内无损检测在役直线加速器是国产的27台，国外产的27台。经过5年多的时间，国内加速器在役情况发生了大的变化，截至2010年底的不完全统计，国产的在役加速器约为100台，国外产的在役加速器不足10台。我们已经能够生产以磁控管为微波功率源的2、4、6、9MeV能量级别的驻波型加速器，2010 9月，以磁控管为微波功率源的12MeV工业无损检测用驻波电子直线加速器研制成功，标志着我们已经能够检测100mm--420mm厚钢铁。
Abstract
关键词: 高能X射线源；无损检测; 驻波电子直线加速器; 12MeV
Keywords: High-energy X-ray source；Non-destructive-test（NDT）；Standing wave electron linear;
12MeV
一、X射线源概述X-ray source Introduction
1895年，德国物理学家威廉·康拉德·伦琴发现了X射线，被认为是19世纪的重大发现。在他技术突破的几个月后，这种“新光线”被应用于检查骨折和确定枪伤中子弹的位置。虽然X射线最初是用于医学，但该技术在20世纪初期就被应用于锅炉检测了[1],这项技术开创了X射线工业无损检测领域，从此有了对焊接质量进行控制的可能性。
在接下来的近一个世纪，作为射线源，也由最初的天然放射源，发展到人工制成的、有多种放射性核素（或同位素）的放射源，主要为 γ辐射源。此外一批物理学家开始研究出了产生X射线或中子的加速器装置[2].。
X射线应用技术也得到不断改进，在工业无损检测领域得到了广泛的应用，由射线源发射的X射线穿过物体，然后通过胶片或荧光屏接收。从最初的胶片、发展到比胶片显像处理速度快甚至实时的图像增强器、以后的CR成像板，现在的计算机数字平板接收器、线阵探测器等产品不断涌现，为X射线工业无损检测带来了勃勃生机。

工业无损检测用X射线源装置,主要有两类, 一类是低能的X射线机，又称X光机、X射线发生器等,主要用于检测厚度小于70mm 的钢（或等效钢）。而检测钢的厚度超过小于100mm后，低能的X射线机就无能为力了，这就需要另一类的设备，也是本文所关注的高能X射线设备--加速器。早期的加速器主要是电子回旋加速器和电子感应加速器等类型的加速器，目前在使用的加速器主要为电子感应加速器和电子直线加速器；电子感应加速器主要是便携式感应加速器，能量范围在4-10MeV；剂量率较低，电子直线加速器能量范围在2-15MeV，剂量率较高。

表1 便携式感应加速器主要技术参数[3]
型 号
MB-4
MB-5
MB-6
MB-7.5
Krab
最大能量(MeV)
4
5
6
7.5
10
最大剂量率 (R/min)
1
3
3
5
16
焦点尺寸(mm)
0.2x0.2
0.2x0.2
0.2x0.2
0.2x0.2
0.3x0.3
检测钢铁厚度(mm)
150
200
250
300
350

表2 电子直线加速器主要技术参数[4]
型 号
DZ-2/200
DZ-4/500
DZ-6/1000
DZ-9/3000
DZ-12/5500
最大能量(MeV)
2
4
6
9
12
最大剂量率 (cGy/min)
≥ 200
≥ 500
≥ 1000
≥ 3000
≥ 5500
焦点尺寸(mm)
<2
<2
<2
<2
<3
检测钢铁厚度(mm)
40—200
50—250
50—280
76—380
76—420
电子感应加速器市场保有量较小，主要是无损检测任务量不大的单位使用。国内无损检测市场用户最多的是电子直线加速器。以下是对国产直线加速器市场情况（集装箱检查除外Except for cargo inspection）的现状简单分析及对未来的展望。
二、国内直线加速器市场应用现状
2005年有资料表明，国内无损检测在役直线加速器是国产的27台，国外产的27台[5]。经过5年多的时间，国内加速器在役情况发生了大的变化，截至2010年底的不完全统计，国产的在役加速器约为100台，国外产的在役加速器不足10台。国外产的在役加速器大都是上世纪九十年代进口的，已经逐步进入高故障期，由于国际贸易的限制造成维修和更换部件困难，不能满足工业应用，将逐渐被国产加速器替代。

图1 国内、外产的在役加速器数量对比

图2 在役加速器能量分布图

图3 在役加速器用户行业分布图

三、发展中的高能X射线无损检测设备
装备制造业是为国民经济各行业提供技术装备的战略性产业，是产业升级、技术进步的重要保障和国家综合实力的集中体现。高能X射线无损检测装备，是核电设备、水电和火电设备、加氢反应器、煤化工容器、船用发动机曲轴等设备中的大型铸锻件、基础部件、焊件成形过程和加工过程制造工艺分析和质量控制所必需的装备。使用高能射线对这些特殊厚度工件进行无损检测，仍然是目前首选的关键装备之一。
此前，我们已经能够生产2、4、6、9MeV能量级别的驻波型加速器，以磁控管为微波功率源， 2010 9月，以磁控管为微波功率源的12MeV工业无损检测用驻波电子直线加速器研制成功,标志着我们已经能够检测100mm--420mm厚 的钢铁工件。
从表3可看出，能量为9MeV的剂量率为3000cGy/mm.m；12MeV剂量率为5500cGy/mm.m， 单比较剂量率，12MeV比9MeV提高了约83.3%，它可以大大节省射线照相的时间，提高工作效率。
表3 DZ-9/3000与DZ-12/5500技术指标对比表
参数名称
加速器型号
DZ-9/3000
DZ-12/5500
电子束能量（MeV）
9
12
X射线剂量率（cGy/min.m）
≥ 3000
≥ 5500
焦点直径（mm）
<2
<2
X射线均匀度（%）
>55 @±7.5°
>45 @±6°
X射线束不对称性（%）
<±5 @±7.5°
<±5 @±6°
检测钢铁厚度（mm）
76—380
76—420
灵敏度
线性像质计
优于1%
优于1%
孔型像质计
ASTM E-142 1-2T
ASTM E-142 1-2T
去年，我们已有3台12MeV电子直线加速器交付用户使用。

四、X射线无损检测设备未来发展
我国的高能X射线无损检测技术不断发展，高能X射线无损检测设备也在发展。短短十几年的时间，国内X射线无损检测设备能量由2、4、6、9MeV，发展至12和15MeV，用户行业分布也日趋平衡。行业需求促进了无损检测技术的发展，技术发展也支持了行业需求。随着工业生产技术的不断发展，人类对环境保护的新要求不断地提高，一些以前无法生产制造的高效率、低排放、超临界的大型设备，也逐渐问世，同时也对无损检测提出更高的要求。从市场发展的趋势来看，电子直线加速器向着高能高剂量发展有需求的支持；另外，向着低能便携式发展也有一定的市场。
参考文献References
[1] Dirk Dusharme, X-Ray Technologies on the Move，《Quality Digest Magazine》.
[2] Varian Associates Inc., ‘High- Energy X-ray Application for Nondestructive Testing’, California, 1982．
[3] .
[4] Beijing Research Institute of Automation for Machinery Industry，2010 version of the product samples.
北京机械工业自动化研究所，2010版产品样本。
[5] 孟祥宇等，国内高能X线无损检测设备及其应用的发展，《2005年全国射线检测技术及加速器检测设备和应用技术交流会论文集》。