射線檢測數字化成像技術在核電施工中應用可行性的研究

華雄飛，李 明，陸錫智，葉 峰，劉 順，劉 森

(中廣核檢測技術有限公司，江蘇 蘇州 215021)

核電站壓力管道的焊縫質量的優劣直接影響了整個核電站的正常運行及服役壽命。核電站在設備安裝、役前和在役檢查過程中對管道的射線檢測是最主要的無損檢測方法之一，而目前核電無損檢測領域基本都采用傳統膠片照相檢測技術。在工業化生產和競爭日益激烈的現狀下，傳統膠片照相檢測技術存在諸多不足，主要表現在：檢測周期長，膠片成本高，需要大量人力物力，底片保存難度大，查閱不便，難以共享，暗室處理的藥液不利于環境保護等。

計算機射線照相(CR)技術是迅速發展的一種非膠片射線照相新技術，采用存儲熒光成像板代替膠片完成射線照相檢測，能有效地解決目前無損檢測領域廣泛采用的射線照相所固有的處理時間長、重拍率高、膠片保存難、不利于環境保護等問題，顯著提高射線檢測的效率。與傳統膠片照相檢測技術相比較，CR 技術采用成像板(IP)代替膠片，實現了射線檢測結果的圖像數字化，有希望替代膠片技術。

隨著國內核電建設的推廣、發展和核電結構老化檢測的迫切需求，射線檢測還將是核電結構檢測的重要手段，據初步估算，每臺機組建造過程中就大概需要拍攝二十萬套底片，基于如此龐大的使用需求，鑒于膠片照相法存在的諸多不足，故迫切需要尋求一種全新高質量的射線檢測方法，本研究對射線CR 技術在保證射線檢測質量的前提下，在核電無損檢測中的應用開展可行性研究。

1 研究方法

(1) 對國內外射線檢測數字化成像技術使用現狀進行充分調研，掌握CR、DR、CT 等數字成像技術的成像原理和技術特點，通過測試對比選擇最適合的數字成像技術。

(2) 設計加工驗證性測試試塊，建立完整的缺陷試樣庫。采用實踐和理論相結合的方法，使用CR 技術和膠片技術對帶有典型缺陷的試塊庫和驗證性測試塊進行對比透照，通過對比、分析，對CR 圖像質量影響因素和工藝特點進行測試和研究，從而制定CR 技術和膠片技術透照對比參數。

(3) 使用CR 技術和膠片技術在核電現場對管道壁厚10～70 mm 的核級部件、輔助管道進行透照，分析、對比CR 技術與膠片技術的優缺點，特別是對比兩種技術的影像質量，總結CR 技術運用特點。

(4) 從技術性、經濟性、可操作性和局限性等分析研究CR 技術在核電現場管道壁厚10～70 mm 的應用可行性。

具體技術路線如圖1所示。

圖1 可行性研究技術路線Fig.1 Technical route of feasibility research

2 數字成像方法選擇

常見的數字成像技術主要有CT、DR 技術和CR技術。

CT(Computed Tomography)，即電子計算機斷層掃描，是利用精確準直的射線束與靈敏度極高的探測器一同圍繞被檢件的某一部位作一個接一個的斷面掃描，具有掃描時間快，圖像清晰等特點。主要用于醫學檢查和安保檢測等環境，并不適用于核電施工中已安裝的管道。

DR(Direct Radiography)系統，即直接數字化射線攝影系統，是由電子暗盒、掃描控制器、系統控制器、影像監示器等組成，是直接將射線光子通過電子暗盒轉換為數字化圖像，按照探測器類型主要分為非晶硅平板DR(主流)、非晶硒平板DR和CCD DR(主流)。

CR(Computed Radiography)成像的基本原理是：射線束經過工件衰減后，以不同的強度照射在數字成像板(IP板)上，IP板中熒光物質內部晶體的電子被激勵并被俘獲到一個較高能帶(半穩態或更高能量的狀態)，形成潛在影像(光激發熒光中心)。將該IP板置入CR讀出掃描儀內，用激光束對IP板進行掃描，在激光激發下(激光能量釋放被俘獲的電子)，光激發熒光中心的電子將返回初始能級，并以發射可見光的形式輸出不同能量。可見光入射到CR掃描儀內部拋物面反射鏡或反射層上，發生全反射，被反射的可見光最終到達光電倍增管上被接收，同時轉換為數字信號，送入計算機進行處理，得到數字化的射線照相灰度圖像，數據儲存在計算機內。CR成像原理如圖2所示。

圖2 CR成像示意圖Fig.2 Imaging figure of CR

CR系統以IP板為探測器，利用現有的X射線設備進行X射線信息采集，實現圖像的獲取。主要結構：射線產生裝置、成像板、成像板掃描儀、影像處理工作站、信息記錄系統和顯示器。

膠片射線技術、CR技術、DR技術的相關參數對比列于表1。

表1 膠片射線技術、CR技術、DR技術相關參數比較Table 1 The comparison of parameters of the Film, CR and DR

綜合以上3種常見的數字成像技術的特點，空間分辨率是描述數字圖像質量的重要參數，至今為止，CR技術的空間分辨率最接近膠片照相。另外，CR技術具有成像板可彎折，尺寸和膠片類似，厚度小，易攜帶等類似于膠片的特征也是其他數字成像技術不能比擬的。在核電施工、役前和在役檢查中，已安裝的核電管道環境緊湊，CR技術的便攜性優勢進一步得到體現。

3 CR技術工藝特性及參數研究

3.1 建立缺陷試樣庫

根據核電現場焊縫常見缺陷，設計制作了厚度范圍為10～70 mm的缺陷試樣庫，所含缺陷類型齊全，圖3所示為其中Φ880×71.5 mm，弧長為450 mm帶模擬缺陷的接管安全端試塊。

為驗證CR 技術和膠片技術對物體細節的顯示能力差別，研究設計了驗證性測試專用試塊，驗證性測試塊可對CR各種工藝參數進行驗證測試，尋求最佳工藝參數。

根據標準規定等比數列像質計，其相鄰金屬絲與孔尺寸之比為0.8。驗證性測試的試塊為一系列線型和孔型模擬缺陷，其中相鄰線與孔尺寸之比為0.9。且同樣的線寬有2種不同的深度，同樣的孔徑有3種不同的深度。差異如此細小的模擬缺陷，具備鑒別更小的靈敏度差異和區分缺陷顯示能力，能有效對比CR技術和膠片技術對物體細節的顯示。

Φ880×71.5 mm，弧長450 mm 圖3 接管安全端試塊 Φ880×71.5 mm, the arc length is 450 mmFig.3 The block of safety end

驗證性測試塊為一套，共4 塊，厚度分別為10、10、20、30 mm，可通過疊加組合成10～70 mm,共7 種厚度，結構示于圖4和圖5。

3.2 CR 圖像質量影響因素

(1) 對比度

CR 影像的對比度包括主因對比度和像素的對比度分辨率。在射線數字成像技術中，CR 圖像的主因對比度和底片主因對比度一致，表示圖像識別厚度差的能力，而用對比度分辨表示像素值之間的數量差異。

圖4 驗證性測試塊孔與槽分布設計Fig.4 Hole/slot distribution of the sensitivity test block

圖5 驗證性測試塊Fig.5 Visual impact of the block

圖6是經HPX-1 CR系統生成的圖像，圖6a圓形區域中“白點”經放大后的圖像示于圖6b，為矩形區域中16個像素的灰度值，其中最大像素灰度值和最小像素灰度值差為188，黑分明，很容易識別，兩個最小像素灰度值差為33，人眼同樣很好區分識別。

(2) 信噪比

在CR 系統中，必須經歷兩個步驟產生影像，第一步是激勵存儲，第二步是激發過程，從成像板中釋放存儲的能量并將其轉換為可見光，這兩步都會影響到影像的信噪比(SNR)。SNR 指線性的信號強度平均值與在信號強度處噪聲(強度分布)標準偏差的比值。CR 系統噪聲來源比膠片更為復雜，主要包括X(γ)線量子噪聲和內在噪聲。

圖6 HPX-1系統“白點”影像灰度值差異顯示Fig.6 Grayscale pictures to “white dot” of HPX-1 system

針對信噪比，分別使用不同的曝光量對T=20 mm的驗證性測試塊進行透照試驗，其中焦距為450 mm，掃描精度選定50 μm，PMT取值70。分別從像質計靈敏度顯示、驗證性測試試塊孔、線狀模擬缺陷顯示、灰度值以及信噪比五部分進行測量。測試結果顯示，曝光量越大，圖片的灰度值越大，信噪比越高。低曝光量時的像質計靈敏度明顯低于高曝光量，但是曝光量達到一定數值后，靈敏度、灰度值和信噪比均趨于穩定。同時線/孔型模擬缺陷隨著曝光量的不斷增大而顯示出的缺陷更細微、更清晰，從圖7中可明顯辨別出CR圖像靈敏度的差異，靈敏度隨曝光量增大而升高，模擬孔缺陷的顯示明顯增強。故從降低噪聲的兩種方法(提高設備系統整體性能或曝光量)上，選擇合理曝光量來降噪更易于操作。

圖7 不同曝光量條件下的模擬孔靈敏度差異Fig.7 The different shows of CR sensitivity at different exposure conditions

(3) 空間分辨率

掃描分辨率決定像素的尺寸，像素尺寸對細節顯示的影響是顯而易見的，像素尺寸越小，成像系統生成的圖像越能更真實表現出物體的細節。為測試掃描分辨率對CR成像圖像質量的影像，分別使用HXP-1 CR系統25 μm和50 μm的掃描分辨率對驗證性測試試塊厚度20 mm，結果顯示掃描分辨率25 μm時的圖像像素數值是50 μm時圖像像素的4倍。CR系統的“能識別的物體細節”和“需識別的物體細節”決定了需要選擇的掃描分辨率，所以掃描分辨率的選擇還受系統最高靈敏度的限制，即需根據CR系統可達的最高靈敏度選擇合適的掃描分辨率。

采用HXP-1 CR系統及其配套的IP板，EN462-5標準規定的雙絲像質計，射線源裝置為XXG-3005固定式X射線機，焦距1 m，IP板前后均采用0.1 mm厚的鉛質增感屏，掃描精度為25 μm，控制曝光量以使CR圖像達到合理的灰度值范圍，對CR系統空間分辨率進行測試，測試結果如圖8所示。

圖8a為從HXP-1系統透照成像后裁剪的CR圖像，圖8b為圖8a對應的整體信號幅值漲落，圖8c、d為圖8a中截取的最后3組雙絲像質計線對放大圖及對應的信號幅值漲落，從圖8d中可觀察到3組線對兩絲信號峰值間有很明顯的下沉點，即線對均可識別，識別值為第13號線對，該線對的線徑為0.5 mm，則對應的空間分辨率為10 LP/mm，不清晰度為0.1 mm。

(4) 膠片技術和CR技術像質影像因素對比

膠片技術和CR技術的基本成像原理相通，由于探測器不同，以及曝光結束后處理方法的不同，兩種技術的圖像質量影像因素有一定差異。提高系統設備的配置水平、選用合適的射線能量、適當提高曝光量、優化透照系統和減少散射線的影響均有利于提高CR的圖像質量。

3.3 CR 技術特性

(1) PMT 值

PMT是指光電倍增管放大增益。HPX-1CR 系統可供40～100七種放大增益值選擇。使用相同的曝光參數對7 張IP 板進行曝光，驗證性測試塊厚度20 mm，焦距450 mm，曝光量400 Ci·min，掃描精度為50 μm。曝光后的IP板分別對7種放大增益值(PMT)進行掃描。試驗的CR 圖像質量從像質計靈敏度、驗證性測試塊孔/線狀模擬缺陷顯示、灰度值和信噪比進行評定。

圖8 HXP-1系統空間分辨率測試CR圖像及信號幅值漲落Fig.8 CR images of spatial resolution testing witn HXP-1 system and figures of signal amplitude fluctuations

測試結果顯示，隨著PMT 值的增大，像質計靈敏度均沒有變化，驗證性測試塊孔/線狀模擬缺陷無明顯變化規律，信噪比基本不變。灰度值隨PMT 值增大而增大，兩者成線性正比關系，如圖9所示。由此可知，灰度值不僅取決于曝光量，也取決于掃描參數，曝光量相同時，增益放大系數越大，灰度值越大，但影響像質的信噪比并沒有發生變化，像質計靈敏度也無變化。故灰度值并不直接影響圖像像質，標準中也沒有規定CR圖像的灰度值范圍。PMT 值的選擇對圖像質量沒有明顯的影響，較適合的選擇范圍為70～90。

圖9 CR圖像灰度值隨PMT值變化曲線Fig.9 Changing curve of the CR image grayscale value with the PMT

(2) IP板動態范圍

相對于膠片-增感屏系統而言，成像板是一種具有更寬動態范圍的線性探測器。CR 成像板的入射曝光感度一般在0.01～100 mR(范圍為104倍)。CR 技術圖像采集和顯示不同時發生，IP 板中儲存的熒光物質具有非常大的動態范圍，且用于數字化數據的算法可以對曝光過度或不足進行補償，在曝光量選擇上擁有更多的自由度，能有效減少重拍的次數。使用6 組不同的曝光參數對18 張(每組3 張)IP 板進行曝光，驗證性測試塊厚度20 mm，焦距500 mm，PMT 值選定70，掃描分辨率為25 μm，管電壓170 kV，管電流5 mA。CR 圖像質量仍從像質計靈敏度、驗證性測試塊孔/線狀模擬缺陷顯示、灰度值和信噪比進行評定，實驗結果如圖10所示。

測試結果顯示，曝光量越大，圖片的灰度值越大，信噪比越高，圖像質量越好，同時，圖片靈敏度增高，圖片缺陷識別能力提高，當曝光量高到一定程度后測試結果趨于穩定，灰度值隨曝光量增加約為3 000后趨于平緩，圖像靈敏度和信噪比也趨于穩定。

(3) IP板退化特性

CR成像是基于光激勵發光的原理。已曝光的IP板中存儲的潛影，隨著時間的推移會由于磷光的產生而自然消退，即圖像強度在放置超過一定時間后會逐漸退化，從而影響圖像的質量。為測定IP板的退化特征，使用相同的曝光參數對6張IP板進行曝光。驗證性測試塊厚度20 mm，焦距450 mm，曝光量400 Ci·min，掃描精度50 μm，PMT值為70。曝光后的IP板分別經過10～270 min后進行掃描，根據測試結果，在所測試的時間段(10～270 min)內，灰度值和像質計靈敏度均沒有明顯變化，驗證性測試塊孔/線狀模擬缺陷顯示也沒有明顯變化規律，在本實驗的IP板掃描滯時間范圍內，IP板的退化特性影響可以忽略。

圖10 HXP-1系統IP板動態范圍測試結果Fig.10 The test results to IP board dynamic range of HXP-1 system

4 CR技術應用可行性測試

在對CR技術特性及參數進行系列測試研究的基礎上，制定了運用于試樣庫和核電現場管道焊縫CR技術和膠片技術系列對比測試參數，并進行系列系統測試，為CR技術在核電運用的可行性分析提供充足依據。

4.1 對缺陷試樣庫的對比透照測試

圖11 192Ir 透照55 mm厚度試塊 CR 圖像缺陷顯示Fig.11 CR image defect display, exposure with 192Ir The thickness of the block is 55 mm

使用CR技術和膠片技術對缺陷試樣庫進行對比透照，射線源包括192Ir γ源和X射線。測試結果顯示，CR 圖片的靈敏度均能達到或超過RCCM標準MC3000 的要求，在透照厚度超過20 mm 后均超過MC3000 標準要求，一般超過1～2 個等級，但CR 圖片靈敏度、空間分辨率和底片相比，普遍等同或低一個等級。在CR 圖片和底片上顯示的缺陷基本一致，少部分底片顯示的缺陷比CR 圖片更為清晰，如圖11所示。圖11中，CR圖像靈敏度均達到底片水平，線型像質計靈敏度W=11/0.32 mm，孔型像質計靈敏度H=9/0.8 mm，均超過標準2個等級，雙絲像質計可識別第5對線對， 而CR圖像所顯示的缺陷也和底片一致。

橫向對比，X 射線條件下的CR 圖片靈敏度要優于192Ir γ源條件下的CR 圖片靈敏度，如圖12所示。圖12中，線型像質計靈敏度W=14/0.16 mm，孔型像質計靈敏度H=6/0.4 mm，均超過標準2個等級，雙絲像質計可識別第9對線對， CR圖像所顯示的缺陷也和底片一致。

圖12 X射線透照20 mm厚度試塊 CR 圖像缺陷顯示Fig.12 CR image defect display, exposure with X-ray The thickness of the block is 20 mm

4.2 對核電管道焊縫的對比透照測試

根據對缺陷試樣庫所做的對比測試，結合核電現場透照的具體性和特殊性，參照標準RCCM-MC3000和GB/T 26642—2011，分別編制了CR技術和膠片技術的192Ir源對比透照工藝參數。為使對比測試的范圍有較高的涵蓋性，在寧德核電站2#、3#機組選取了多個具有代表性規格的核電現場管道進行測試，包括RCP、ASG、VVP、ARE、GCT、RRA和PRZ系統，透照厚度范圍在17.2～76 mm之內。

測試結果顯示，在透照焦距相同的情況下，兩種方法均能達到理想的測試結果，如圖13所示。圖13中線型像質計靈敏度W=13/0.20 mm， 孔型像質計靈敏度H=7/0.5 mm，均超過標準1個等級，缺陷顯示也和底片一致。和缺陷試樣庫的測試類似，CR 圖片的靈敏度均能達到或超過MC3000 標準的要求，普遍等同或低于底片一個等級，CR 圖片和底片上的缺陷顯示也基本一致。

圖13 核電現場ARE系統 (406.4 mm×21.41 mm)CR圖像顯示Fig.13 CR image display of nuclear power ARE system The specifications of the pipes is 406.4 mm×21.41 mm

5 可行性分析

通過對數字成像方法的針對性選擇，對選定的CR技術工藝特性進行的大量研究測試，以及在核電現場的實際應用測試，對數字成像技術在核電現場管道中的應用可行性進行綜合分析，具體如下。

(1) CR成像技術特點明顯，檢驗結果數字化，可在計算機上觀察評定，無暗室處理過程，整個過程包括曝光、掃描、讀取、IP 板擦除和圖片存儲，速度快，效率高，基本不受溫度影響，省去暗室處理產生的藥液，利于環境保護。

(2) CR技術的IP成像板具有較大的動態范圍，成像板隨入射曝光量變化呈線性、大寬容度響應的特征，透照過程和原理基本與膠片技術一致，IP板的退化特性在允許的時間范圍內影響不明顯；即靈敏度和缺陷顯示的能力滿足規定要求的程度。

(3) 和底片靈敏度相比，CR 圖片靈敏度、空間分辨率普遍等同或低一個等級，但對比RCCM標準而言，CR 圖片的靈敏度均能達到或超過MC3000 標準要求。

(4) 核電現場管道測試結果顯示，CR技術缺陷顯示的能力基本達到膠片水平，核電施工中常見的缺陷如裂紋、未熔合、未焊透、氣孔、夾渣等缺陷均能顯示。

(5) 對于應用經濟性而言，硬件成本方面，CR 掃描儀，如HPX-1CR 系統價格約為150 萬元人民幣，單張430 mm×350 mm的IP 藍板價格約為1.2 萬元，CR 技術的一次性投資要比膠片大，但運行成本比膠片低，一張IP 板大約可重復使用5 000次，如透照規格為430 mm×118 mm圖像，CR成本僅需要2 元，膠片成本需要40 元以上。人力及時間成本方面，能減少暗室處理人員以及大量降低存檔管理人員的工作量，CR 技術中掃描時間一般為1～3 min，整個掃描、讀取、IP 板擦除和圖片存儲、評定過程約為15 min，曝光量允許有較大的動態范圍，能有效減少了重拍的次數，明顯減少人力及時間成本。

(6) 核電現場操作的適用性和便利性，CR技術工藝與膠片技術基本相同，均有裝片準備過程、透照方式選擇、暗袋布置、散射線防護和曝光過程等，CR特有的掃描過程對無塵環境有一定要求。

6 結論

通過對各類數字化成像技術的調研及測試分析，選定CR技術為核電施工中運用可行性分析研究的主體，進而利用研發制造的整套驗證性測試先進試塊，對CR圖像質量影響因素和CR技術特征進行了大量的測試研究，并制定了系列的測試透照參數，建立并使用缺陷試樣庫，對CR技術和膠片技術進行了對比測試，進一步完善了可運用于核電現場管道焊縫對比測試的工藝參數，在大量前提條件均完備的情況下，通過在核電現場各系統管道焊縫進行的CR技術和膠片技術的對比透照，進而從CR技術特點、技術可行性、應用經濟性、 操作適應性和便利性等角度對CR技術在核電施工中的應用進行可行性分析。驗證了CR技術在核電施工中初步應用為可行，為數字成像技術在核電現場的實際應用奠定基礎。

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