數(shù)字射線檢測實用指導(dǎo)（二）——射線檢測技術(shù)概述

（中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013）

1 圖像增強器技術(shù)

20世紀(jì)50年代初研制成功的圖像增強器，極大地促進(jìn)了射線實時成像檢測技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。到70年代以后，通過不斷改進(jìn)技術(shù)，射線實時檢測技術(shù)取得了明顯的進(jìn)展，直到現(xiàn)在也一直是非膠片成像的最主要技術(shù)，也是目前工業(yè)射線圖像在線檢測的代表性技術(shù)［1]。圖1為基于圖像增強器技術(shù)的檢測系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 檢測系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

圖像增強器技術(shù)的成像原理為：圖像增強器為一種真空管，X射線光電轉(zhuǎn)換屏由較薄的鋁或鈦材料制成，屏的基層涂有鈉（Na）－碘化銫（CsI）作為輸入閃爍體（CsI∶Na），它能夠?qū)⒋┻^被檢試件的X射線光子轉(zhuǎn)換為可見光，再經(jīng)過光電陰極板的作用將可見光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電子束，電子束在高電壓作用下在真空管內(nèi)被加速、聚焦后以較高的能量轟擊輸出熒光屏（ZnCdS：Ag閃爍體材料），形成可視的檢測圖像。可見光在輸出屏后端配有聚焦光學(xué)鏡頭和CCD（Charge－Coupled Device電荷耦合器件），將可視圖像信號輸出進(jìn)行顯示。

基于圖像增強器的射線檢測技術(shù)經(jīng)歷了兩個發(fā)展階段（模擬成像技術(shù)、數(shù)字成像技術(shù)），形成了三種檢測系統(tǒng)（模擬、模擬＋數(shù)字化、數(shù)字）。

1.1 模擬成像檢測系統(tǒng)

第1階段的基于圖像增強器技術(shù)的射線檢測系統(tǒng)即是俗稱的工業(yè)電視檢測，成像器件是由圖像增強器＋CCD（CCD，Charge Coupled Device）模擬（視屏）相機(jī)組成，輸出的是模擬圖像，檢測人員通過監(jiān)視器觀察檢測圖像。

此類系統(tǒng)由于使用了增強管，使得微光信號得到加速，因此增益高，靈敏度得到提高；同時，視屏CCD相機(jī)的圖像采集幀頻達(dá)到25幀/s，可以實現(xiàn)實時成像，提高檢測效率；但其動態(tài)靈敏度較低，只有3%～5%，視場中心分辨率約2 Lp/mm。該成像過程只是實現(xiàn)了“光電轉(zhuǎn)換”而未實現(xiàn)“模數(shù)轉(zhuǎn)換”，顯示的圖像是未經(jīng)處理的原始圖像，噪聲大，與膠片照相相比靈敏度和分辨率都很低。成像的視場約100～250 mm，圖像邊緣存在畸變。

1.2 模擬＋數(shù)字化成像檢測系統(tǒng)

針對第1階段檢測系統(tǒng)的缺點，為了提高像質(zhì)，在不改變系統(tǒng)原有配置的前提下，加入計算機(jī)和數(shù)字化技術(shù)，檢測系統(tǒng)進(jìn)入第2階段。圖像輸出分為兩路：一路是原有的模擬圖像到監(jiān)視器；另一路采用數(shù)字圖像采集卡將視屏信號（模擬圖像）轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入到計算機(jī)，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對圖像進(jìn)行顯示和處理，同時對缺陷或疑似缺陷的圖像進(jìn)行保存、分析。

此類檢測系統(tǒng)與工業(yè)電視的不同點在于：實現(xiàn)了“模數(shù)轉(zhuǎn)換”；輸出灰度等級不小于256；可實現(xiàn)靜態(tài)成像，通過圖像的疊加，降低噪聲，提高圖像質(zhì)量；利用圖像處理技術(shù)增加可視化效果。

1.3 數(shù)字成像檢測系統(tǒng)

隨著數(shù)字成像器件技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)工業(yè)電視系統(tǒng)中的CCD視屏相機(jī)由數(shù)字CCD相機(jī)代替時，此類檢測系統(tǒng)真正實現(xiàn)了數(shù)字成像。其工作原理在可見光進(jìn)入CCD之前與工業(yè)電視是一樣的，不同點在于：數(shù)字CCD相機(jī)將可見光轉(zhuǎn)換成電信號，通過數(shù)字電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入到計算機(jī)顯示和處理。

與工業(yè)電視相比，其成像質(zhì)量得到很大的提高，不同點在于其采集幀頻＜25幀/s，但仍可滿足實時檢測的需要；靈敏度、空間分辨率得到很大的提高。

2 CR技術(shù)

20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的CR檢測技術(shù)，使射線檢測邁出了一大步，實現(xiàn)了計算機(jī)自動存儲和圖像處理。該系統(tǒng)提供了所有數(shù)字化功能，曾被認(rèn)為是膠片的替代者［2]。

2.1 成像原理與結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)與膠片照相相比，只是用成像板（IP板）代替膠片，利用成像潛影讀出裝置（包括進(jìn)片機(jī)械驅(qū)動）和潛影擦除裝置代替膠片的暗室處理過程，最后利用成像控制顯示單元（計算機(jī)及其軟件）實現(xiàn)圖像的顯示和存儲。其中的關(guān)鍵部件是成像板和潛影讀取裝置。圖2所示為成像板內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 成像板組成結(jié)構(gòu)示意圖

CR技術(shù)采用的成像器件為成像板，它對射線的作用相當(dāng)于閃爍體屏或轉(zhuǎn)換屏。入射到成像板的X射線光子被成像板層內(nèi)的熒光體吸收，釋放出電子。其中一部分電子散布在熒光體內(nèi)呈半穩(wěn)定狀態(tài)，形成潛影。當(dāng)用激光照射已形成的潛影時，半穩(wěn)定狀態(tài)的電子轉(zhuǎn)變?yōu)楣饬孔樱串a(chǎn)生光激發(fā)光（PSL）現(xiàn)象。光子隨即由光學(xué)電路傳送到光電倍增管，經(jīng)檢測并轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然后，數(shù)字信號被傳輸?shù)酱鎯εc顯示單元中作進(jìn)一步處理［3－4]。圖3為潛影讀取示意圖。

圖3 潛影讀取示意圖

2.2 特性

CR檢測技術(shù)實質(zhì)是為代替膠片照相而研制的技術(shù)，其在形成潛影前的過程是一致的，不同點在于：CR技術(shù)形成的潛影需要通過激光掃描轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)后續(xù)電路的處理形成數(shù)字信號，最終以數(shù)字圖像的形式在顯示器中顯示。

成像板可依據(jù)用戶要求定制尺寸，目前最大尺寸為14″×17″。潛影讀出裝置像素尺寸可選，最小物理像素尺寸為12.5μm，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換不小于14位，同時成像板是柔性熒光板，其熒光顆粒很小，因此最高圖像分辨率理論上可達(dá)10 Lp/mm。

成像板可重復(fù)使用，且可彎曲，但成像板容易劃傷，形成偽影，影響成像質(zhì)量，在使用時應(yīng)特別關(guān)注現(xiàn)場及周圍環(huán)境的影響，如溫度、濕度、清潔度等，系統(tǒng)一次性投入成本高。CR技術(shù)與膠片照相技術(shù)相比只是用成像板代替膠片，用潛影讀取裝置代替暗室處理，整個檢測成像時間達(dá)幾分鐘，但其射線劑量低、動態(tài)范圍寬，成像質(zhì)量可達(dá)到膠片照相水平。

3 DR技術(shù)

DR技術(shù)是近年來發(fā)展起來的最新的射線數(shù)字檢測技術(shù)，與膠片照相技術(shù)相比具有以下特點：靈敏度高、分辨率低、射線劑量低、檢測效率高、寬容度大、查詢和統(tǒng)計速度快、無暗室洗片環(huán)節(jié)、環(huán)境污染低、一次投入成本高、探測器無法彎曲、有一定厚度、對環(huán)境要求較高、在役檢測受限。

DR檢測技術(shù)的核心部件是數(shù)字探測器。除成像系統(tǒng)的工藝條件外，探測器的成像特性是決定數(shù)字成像系統(tǒng)像質(zhì)的主要因素。下面按數(shù)字探測器不同的分類方法介紹。

3.1 成像技術(shù)

按照數(shù)字探測器的成像技術(shù)分為：直接轉(zhuǎn)換技術(shù)和間接轉(zhuǎn)換技術(shù)［5]。

3.1.1 直接轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)換過程為：射線光子→電信號→數(shù)字信號→數(shù)字圖像。

射線光子透照物體后，在數(shù)字探測器中直接把射線衰減信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，經(jīng)計算機(jī)處理后以數(shù)字圖像的形式顯示，如圖4所示。

圖4 直接轉(zhuǎn)換過程示意圖

3.1.2 間接轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)換過程為：射線光子→可見光→電信號→數(shù)字信號→數(shù)字圖像。

射線光子透照物體后，在數(shù)字探測器中，首先經(jīng)過閃爍體屏（熒光屏）把射線光子轉(zhuǎn)換為可見光，然后再由后續(xù)電路把可見光信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?jīng)A/D轉(zhuǎn)換和放大后形成數(shù)字信號，經(jīng)計算機(jī)處理后以數(shù)字圖像的形式顯示，如圖5所示。

圖5 間接轉(zhuǎn)換過程示意圖

3.2 成像形式

DR技術(shù)一次成像有兩種形式：一維（線形）圖像和二維（面形）圖像。其中線陣探測器（LDA－linear diode arrays）采集信息形成一維圖像，平板探測器（Flat－panel Detector）采集信息形成二維圖像。

3.2.1 平板探測器

平板探測器是20世紀(jì)90年代陸續(xù)投入應(yīng)用的數(shù)字探測器。目前市場上主要有四類平板探測器（CMOS、CCD、非晶硒、非晶硅）。

3.2.1.1 CMOS探測器

此類探測器主要由閃爍體屏＋CMOS（complementar y Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導(dǎo)體）組成（圖6）。當(dāng)射線透照被檢工件，衰減后的射線束入射到探測器的閃爍體層，產(chǎn)生可見光。由光學(xué)系統(tǒng)或光纖將這些可見光耦合到CMOS芯片上。再由CMOS芯片光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并將這些電信號儲存起來，得到所需要的圖像信息，經(jīng)放大與讀出電路讀出并送到圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

圖6 CMOS數(shù)字探測器

該探測器的后續(xù)電子控制和放大電路都放置于每個像素上，不同于其它探測器在探測器邊緣布線的結(jié)構(gòu)，該探測器厚度增加。在圖像板面上采用了微膠片晶體管電路，CMOS探測器的抗震性較強。溫度范圍大，填充因子高達(dá)90%以上，所以靈敏度較高，像素尺寸在20～100μm之間，分辨率較高。目前工業(yè)用此類平板探測器的最高射線能量為160 kV，檢測對象受限。

3.2.1.2 CCD探測器

此類探測器主要由閃爍體屏＋CCD（Charge Coupled Device電荷耦合器件）組成，其工作原理與CMOS探測器一致。CCD探測器圖像采集速度高于CMOS探測器，無圖像增強器技術(shù)透鏡的失真、分辨率高。但其噪聲較大，承受的輻射能量低，目前多用于安檢與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

3.2.1.3 非晶硒平板探測器

此類探測器屬于直接轉(zhuǎn)換型平板探測器，見圖7所示［6]。其上有一厚光電導(dǎo)層（典型的是用200～500μm的非晶硒α－Se），α－Se光電導(dǎo)層兩面的電極板間加有高電壓，光電導(dǎo)層吸收X射線光子，激發(fā)出電子/空穴對，并在所加電場下運動至相應(yīng)電極。到達(dá)像元電極的電荷給存儲電容充電，產(chǎn)生相應(yīng)電荷的變化。電容中的累積電荷由TFT（Thin Fil m Transistor即薄膜場效應(yīng)晶體管）進(jìn)行控制、讀出電信號，經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換等處理形成數(shù)字信號，最終以數(shù)字圖像輸出。

圖7 非晶硒數(shù)字探測器

此類探測器無轉(zhuǎn)換屏層，克服了轉(zhuǎn)換屏的彌散，成像分辨率比較高，由于光電導(dǎo)膜層較厚，使轉(zhuǎn)換效率比較高。但其圖像邊緣分辨率低、一般要求5～10 k V的高電壓、硒對于低于5℃或高于45℃的溫度較敏感且抗震性差。

由于它對環(huán)境要求苛刻，且非晶硒需要至少5 kV的高壓，目前逐漸被間接轉(zhuǎn)換型平板探測器替代。在工業(yè)射線檢測領(lǐng)域，主要采用間接轉(zhuǎn)換型非晶硅平板探測器。

3.2.1.4 非晶硅探測器

這類探測器是目前市場上應(yīng)用最多的間接轉(zhuǎn)換平板探測器，見圖8所示［7]。由閃爍體屏＋非晶硅光敏元件組成。射線光子由閃爍體屏（常用的是Gd2O2S或CsI）轉(zhuǎn)換為可見光，再由光電二極管陣列轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字信號。

探測器像素大小在94～400μm之間，輸出灰度范圍12～14 bit，圖像采集幀頻可調(diào)，可實現(xiàn)實時成像，具有較高的靈敏度和空間分辨率。

圖8 非晶硅數(shù)字探測器

3.2.2 線陣探測器

線陣探測器分為基于CMOS技術(shù)和非晶硅技術(shù)兩種，如圖9所示。其組成和工作原理與平板探測器一致，X射線閃爍體材料（常用晶體有基于磷屏的釔、CdWO4和CsI）。不同之處在于：線陣探測器作為平板探測器的一個特例，它只有一行像素，一次成像輸出一行，因此，早期主要應(yīng)用于2D－CT成像。目前隨著檢測的需要，通過線陣探測器實現(xiàn)二維成像，在海關(guān)集裝箱、輪箍、包裹以及鍋爐焊管的對接焊縫檢測中得到了廣泛應(yīng)用。

圖9 CMOS探測器系列與非晶硅探測器

由于線陣列探測器每次輸出的圖像為一條線，為了獲得完整的二維圖像，就必須使被檢工件與線陣列探測器之間作相對運動，將連續(xù)掃描獲得的一維信息重新組合成圖像的二維信息，從而完成整個檢測過程。因此，基于線陣列探測器數(shù)字成像系統(tǒng)的主要特點是被檢工件必須在X射線源與線陣列探測器之間作相對勻速運動。

線陣列探測器與平板探測器在結(jié)構(gòu)上的不同，使得成像散射小、具有較高的對比度靈敏度和空間分辨率；像素間距可小到0.08 mm，對于亞毫米級的閃爍體膜層，理論上具有約6 Lp/mm的高空間分辨率。但是，線陣探測器對機(jī)械傳動要求高，成像速度慢，檢測效率較低，射線劑量要求較高。

4 結(jié)論

射線數(shù)字成像技術(shù)適用于所有的射線檢測，且可實現(xiàn)高效的快速檢測。但由于其對環(huán)境條件要求高于膠片照相，同時基于探測器本身的結(jié)構(gòu)特點，故對工況復(fù)雜的在役檢測受限。隨著相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的推出，相關(guān)檢測規(guī)范和方法的完善，射線數(shù)字成像技術(shù)將逐步成為工業(yè)射線檢測的主要技術(shù)。

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