數字射線照相技術在無損探傷檢測中的應用前景

張含光，劉惕生

（天津天感感光材料有限公司，天津 300220）

1 數字射線照相技術在工業射線無損檢測應用中具有強大生命力

1.1 傳統的工業膠片射線照相面臨數字射線照相的嚴峻挑戰

眾所周知，現代醫用數字影像技術迅猛發展，正以排山倒海之勢迅速占領醫療衛生市場，并成為現代醫療衛生事業發展的強大動力。數字化和網絡化已成為現代醫用數字影像技術的發展標志和方向。在現代醫用數字影像技術的沖擊下，傳統醫用影像材料的應用市場越來越小，正在面臨被淘汰的危險。雖然目前在工業射線無損檢測領域仍然廣泛應用傳統工業射線膠片，但是，隨著工業射線無損檢測技術的現代化發展，傳統的工業膠片射線照相正在受到數字射線照相的嚴峻挑戰。

1.2 數字射線照相與傳統膠片照相比較所具有的技術優勢

數字射線照相與傳統膠片照相比較具有明顯的技術優勢。

①CR和DR成像系統用器件能長期重復使用

CR成像系統用IP成像板及DR成像系統用CCD、CMOS、非晶硒、非晶硅等檢測器都能長期反復使用。IP成像板能重復使用5000～10000次，CCD、CMOS、非晶硒、非晶硅等檢測器使用時間更長。

②射線感光靈敏度高，寬容度大

數字射線照相的射線感光靈敏度高于傳統膠片照相的射線感光靈敏度，有時甚至高達十倍左右，因而所需的曝光量少，曝光時間明顯減少，有利于輻射防護。此外，數字射線照相一次掃描動態范圍大，曝光寬容度大，因而無曝光不足或曝光過度的問題；當工件材料厚度差較大時，一次曝光能同時顯示厚薄區域的細節。

③環境保護

不像射線膠片那樣需要化學加工藥液，不會產生廢液和廢水，有利于環境保護。

④使用方便

無需暗室操作，可自動化操作，人們易于掌握，更不會因人而異，便于保證工作質量的穩定性。

⑤便于影像處理，提高影像質量

數字影像可通過計算機進行改變影像密度、改變影像對比度、影像翻轉、影像減影、提高影像清晰度等數學增強處理，有利于提高成像質量。

⑥設備緊湊，占地面積小

數字射線照相的激光成像儀 （掃描器）結構小巧，有柜式、筒式、臺式，占地面積小。

⑦便于進行數字化、網絡化應用

通過數字化、網絡化應用，更有利于無損檢測技術的現代化、網絡化發展。數字射線圖像的網絡化傳輸則有利于信息共享或網絡交流和遠程評定，提高檢測數據的應用效率。

2 數字射線照相技術成像系統的分類和工作原理

數字射線照相技術成像方法和成像系統很多，現重點介紹底片掃描法和CR、DR兩種成像系統。

2.1 底片掃描法

底片掃描法就是對射線照相底片進行高分辨率掃描，將射線照相底片上的影像轉換成數字圖像。將底片影像數字化掃描進計算機后，不僅能保留底片影像的高分辨率優勢，而且能通過數字增強處理方法增加射線照相底片的信息量。這種掃描的像素芯距可變，通常約25—50μm；空間線性（再現射線底片上圖像尺寸的準確度）也好。

底片掃描法的工作流程圖如圖1所示：

圖1 底片掃描法的工作流程圖

2.2 CR成像系統

CR（Computed Radiography）成像系統是日本富士膠片公司于上世紀七十年代初開發成功的計算機射線照相系統，簡稱CR系統，又稱FCR系統。該系統不是以傳統醫用或工業射線膠片作為記錄和顯示信息的載體，而是使用可記錄、并可由激光讀出射線影像信息的熒光成像板（Imaging Plate IP）作為載體，經射線曝光及CR掃描器激光掃描讀出信息，配套影像處理軟件經計算機完成圖像處理，形成數字式二維平面圖像。

CR成像系統的工作流程圖如圖2所示：

2.2.1 IP熒光成像板

①IP熒光成像板結構

熒光成像板的結構如圖3所示：

熒光成像層是IP熒光成像板的關鍵涂層，其作用是在成像板使用過程中，經X線攝影形成潛影，再經激光掃描產生熒光影像。成像物質為輝盡性熒光體—含微量二價銪離子的氟鹵化鋇晶體。晶體平均粒徑為4～7μm。

圖2 CR成像系統工作流程圖

圖3 熒光成像板結構圖

輝盡性熒光物質就是具有光輝盡發光特性的物質。所謂光輝盡發光就是把最初受到的光刺激信號記錄下來，當再次受到光刺激（二次激發）時，會釋放出與最初受到光刺激相似的信號。

②IP熒光成像板的成像基本原理

首先由X線攝影形成潛影：在X線對成像板作用時，熒光成像層中的氟鹵化鋇晶體中的微量銪離子被X線激發而離解，由二價變為三價，Eu2+→Eu3+＋e，將電子釋放給周圍的導電帶；導電帶中的自由電子被晶體中已有的鹵離子空穴所捕獲，產生半穩定狀態的F中心，從而在成像板的熒光成像層上形成潛影。

然后，成像板經激光掃描形成熒光模擬影像：當波長為600nm左右的激光掃描已形成潛影的成像板時，激發光被F中心所吸收；致使F中心俘獲的電子重新釋放到導電帶，再被三價銪離子所捕獲，銪離子重新由三價變為二價，Eu3+＋e→Eu2+；此時二價銪離子強烈釋放能量而發光，形成波長為390～400nm的熒光模擬影像。

③IP熒光成像板的工作原理

IP熒光成像板的工作原理圖如圖4所示：

2.2.2 CR掃描器

①CR掃描器的工作原理

CR掃描器的工作原理如圖5所示：

圖4 IP熒光成像板工作原理圖

圖5 CR掃描器的工作原理圖

在掃描器中，當激光掃描IP板（存儲熒光板）讀出時，熒光影像（模擬信息影像）被逐行聚光導入光電倍增管，轉換為電信號，隨后經A/D轉換器轉換為數字信號（數字化信息影像）而被讀出。讀出后的數字化影像信息可儲存于計算機光盤，也可通過CRT進行顯示，或可通過打印機輸出X線照片。

②CR掃描器的分類

CR掃描器根據其使用條件和使用要求，大致可分為柜式、臺式和筒式等三類。

柜式CR掃描器適用于各種標準塊狀規格的配有硬質暗盒的成像板。硬質暗盒一般內附防散射鉛屏，主要起提高影像清晰度和保護成像板防摩擦、提高使用壽命的作用。在掃描器中，帶有曝光潛影的成像板會自動從暗盒中移出，經掃描讀出后，再經白光消除潛影后，會自動進入硬質暗盒備用。

臺式CR掃描器適用于標準條狀規格（普通射線照相焊縫檢驗常用膠片尺寸）的配有柔性暗盒的成像板。臺式CR掃描器的使用特點是一次可同時掃描多張成像板，以提高工作效率。

筒式CR掃描器是一種小型的便攜式掃描器，適用于標準條狀規格的配有柔性暗盒的成像板。筒式CR掃描器主要用于掃描室內檢測承壓設備環焊縫用的柔性成像板，也適合于野外現場檢驗使用。

2.3 DR成像系統

DR成像系統即數字射線照相系統（Digital Radiographic System）與CR系統不同，其采用影像檢測器以代替工業射線膠片捕獲X射線影像，并直接轉換成數字影像，配套影像處理軟件經計算機進行影像處理和儲存。

DR成像系統的工作流程圖如圖6所示：

圖6 DR成像系統的工作流程圖

DR成像系統的關鍵材料是影像檢測器，或稱影像傳感器，主要有CCD、CMOS、TFTs等。

2.3.1 CCD（Charge Coupled Device電荷耦合器件）

CCD（電荷耦合器件）是一種光子探測器，是利用微電子技術制成的表面光電器件，具有光電轉換功能。在CCD芯片上有許多光敏單元，可將X射線轉換屏發出的不同的光信號轉換成不同的電荷信號，形成電荷影像，再轉換成數字影像。增加CCD上光敏單元的數量，就能增加影像的分辯率。

2.3.2 CMOS（互補型金屬氧化物半導體）

CMOS（互補型金屬氧化物半導體）是一種高效、大分辯率的全新影像檢測器。與CCD相比，CMOS具有更高的影像分辯率、更高的信號處理能力、更低的功耗、更少的使用空間和更好的性能/價格比。

2.3.3 TFT(Thin Film Transistor）非晶硅、非晶硒薄膜晶體管

這種平板檢測器是一種高分辯實時成像板，可分成間接型與直接型兩種。這種成像板能獲得類似于膠片的成像質量，其典型的像素芯距為100m。對于間接型非晶硅平板檢測器來說，由熒光體組成X射線轉換層將X射線變換成可見光子，被光電二極管捕獲，轉換成電子，隨后通過晶體管讀出。對于直接型的非晶硒非晶硅平板檢測器來說，常用光電導體（非晶硒）取代閃爍體，將X射線光子直接轉換成電子，用非晶硅薄膜晶體管陳列實現數字影像信號的采集。非晶硒變換層顯示極高的分辨率。

3 數字射線照相技術成像系統的工作特點和特性比較

3.1 數字射線照相技術成像系統的工作特點

3.1.1 底片掃描法

底片掃描法適合于當前大量使用工業射線膠片進行無損檢測的單位實現底片影像的數字化處理。這樣不僅能在充分利用工業射線膠片影像的高分辨率優勢的同時，又能實現膠片影像的數字化處理，以適應當前影像信息數字化的發展趨勢。無損檢測單位在采用底片掃描法時，只需購進高分辨率影像掃描器，投資較少，效果卻很大。通過采用底片掃描法，無損檢測單位不僅能進行工業射線膠片影像的計算機數字化處理，提高影像質量，又能實現信息的數字化和網絡化，便于圖像信息的數字化存檔和檢索、圖像信息的遠程傳輸和資源共享。因此，采用底片掃描法是數字射線照相技術的一種投入少、產出大的選擇。

GE膠片數字掃描儀如圖7所示：

圖7 GE FS50/FS50B膠片數字掃描儀

GE FS50/FS50B膠片數字掃描儀技術規格：

光源：HeNe激光632.8nm；激光掃描分辨率50～500μm，按1μm步進；

FS50密度范圍：0.05～4.0D；FS50B密度范圍：0.05～4.7D；

掃描速度：14x17”7秒 （速度模式，200μm）；120秒（質量模式，50μm）；

像素深度：12bit（4096灰度）對數式；

膠片大小：最小寬度60mm-2.4”，最大寬度355mm-14”；

重量：45kg；尺寸：526x764x330mm；

接口：SCSI，SCSI II；

電源：100～120V；200～240V；50/60Hz，400W；

3.1.2 CR成像系統

CR成像系統采用柔性熒光體成像板 （IP板）代替傳統工業射線膠片進行射線照相，僅需對原有的檢測用工業射線裝置稍加改造就能使用。由于熒光成像板的曝光寬容度大，因此，使用熒光體成像板的方法更易于被習慣于使用射線膠片的工作人員所掌握。經射線照相后的帶有潛影的成像板在CR掃描器中經激光掃描，能產生數字化影像信息被讀出，即可實現數字射線照相的目的。為此，無損檢測單位可根據需要購進相應的像GE檢測技術公司生產的CR掃描器（柜式、臺式或筒式）。采用普通熒光體成像板，雖然其像質計（IQI）靈敏度不如射線膠片，但曝光時間短（尤其在低kv時）。此外，由于使用熒光體成像板可免去射線膠片的沖洗加工步驟，無需消耗化學藥品，有利于環境保護。CR成像的IQI靈敏度問題可通過熒光體的微粒化加以改善。現在成像板制造公司已推出高IQI靈敏度的熒光體成像板，其成像IQI靈敏度明顯優于標準規定值。鑒于國外CR成像系統應用于工業無損檢測較為普遍，歐洲和美國都有相應的CEN（歐標委）標準、ASTM（美國材料試驗學會）標準和ASME（美國機械工程師學會）標準，用于系統等級分類、性能評定和焊縫、鑄件等產品鑒定標準。

3.1.3 DR成像系統

DR成像系統采用CCD、CMOS、TPTs等影像檢測器代替工業射線膠片進行射線照相，并直接轉換成數字影像。CCD、CMOS、TPTs等影像檢測器具有對可見光感光度高、像素大、分辨率高，但視場尺寸小的特點。如GE數字X射線成像檢測系統，使用GE Revolution平板探測器 （DXR-500）（非晶硅-碘化銫），用于小零件和大零件的DXR數字系統（如圖8所示），具有快速曝光、低電噪聲、高對比度、高像素填充因數、高動態范圍：＞10000∶1（靜態）的特點。

圖8 DXR數字系統

DR系統也可用于實時射線照相。如鍋爐小徑管和液化氣鋼瓶等生產線對接環焊縫的在線實時成像檢測。

GE公司提供的X射線實時成像輪轂檢測系統如圖9所示：

成像系統：WHEEL Compact配置VISTALUS 9/3成像系統，包括9"三視野先進的金屬陶瓷圖像增強器管，后接高分辨率CCD攝像機，實時圖像顯示在高分辨率的17"黑白顯示器上。

GE公司還提供Rhythm X射線檢測集成軟件對X射線檢測集成結果進行圖像評估，這種集CR兼容計算機射線成像、DR數字射線成像和膠片掃描于一體的所有X射線檢測模式，能提高工作效率，節省時間和費用。圖像評估的可重復性好，無需復雜的培訓。

3.2 數字射線照相技術成像系統的特性比較

數字射線照相技術成像系統的特性比較如表1所示：

4 工業射線膠片生產企業積極應對數字射線照相技術發展的嚴重挑戰

數字射線照相技術的迅速發展和廣闊的應用前景對于工業射線膠片生產企業來講，挑戰和機遇并存。

4.1 加強創新研究，提高工業射線膠片性能

天津美迪亞影像材料有限公司生產的天津牌工業射線膠片系國內知名品牌，具有寬容度大、像質計靈敏度高、清晰度好等特點，可用于鋁合金鑄件、鋁合金焊件、鈦合金焊件、鋼焊件等的射線照相探傷檢測，獲得使用單位的認可。面對數字射線照相技術的挑戰，我們應該加強創新研究，進一步發揮膠片照相的像質計靈敏度優勢和高溫快速加工的特點，以便工業無損檢測單位在推廣數字射線照相技術過程中，在選用底片掃描法方面有更多的考量。

4.2 開發研究數字射線照相技術新產品

天津美迪亞影像材料有限公司已經在開發研究數字射線照相技術新產品方面做了大量工作，并取得了一些成果。首先要加快熒光體成像板的研發進度，盡快在CR成像系統的開發方面見到成效。同時要加強數字射線照相的標準化研究，學習和借鑒國外數字射線照相的標準化成果。

5 小結

數字射線照相技術，能大大減少曝光時間，縮短檢測周期，既能提高射線檢測速度和效率，又能完全避免由膠片沖洗引起的環境污染；還可實現射線照相結果的數字化處理、電子存檔和檢索、影像在線傳輸、遠程評定等。因此，在無損檢測技術的數字化、現代化發展的進程中，數字射線照相技術具有強大的生命力和廣闊的應用前景。數字射線照相技術的發展也給工業射線膠片生產企業帶來挑戰和機遇。

在應用數字射線照相技術方面無損檢測單位可根據自身的條件和工作要求，從投入產出上考慮選擇那種數字射線照相成像系統：對于尚未接觸數字射線照相的單位來講，可首先采用底片掃描法，可在用好射線膠片進行無損檢測的同時，實現圖像信息的數字化處理；對于有一定實力的無損檢測單位來講，可根據需要選擇CR或DR成像系統。CR成像系統采用柔性熒光體成像板，是替代射線膠片進行無損檢測的最佳選擇。DR成像系統既可應用于大、小零件無損檢測，又可用于實時數字射線照相，但價格昂貴，投資費用大。

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