射線檢測計算機仿真技術及其應用

王倩妮，馬海全，蘇宇航

（北京航空材料研究院，北京 100095）

射線檢測計算機仿真是根據射線檢測基本原理，利用計算機軟件模擬實際的射線檢測系統及檢測過程，以得到與實際檢測系統相同的結果［1］的一項技術。射線檢測計算機仿真技術可應用于產品設計及產品質量控制的檢測階段［2］。零件在設計階段獲得CAD模型后，通過模擬該零件的射線檢測過程，進行可檢測性（Probability of Detection，POD）分析，對存在射線檢測盲區的結構進行優化或更改設計，確保產品內部質量可檢測；還可以利用射線檢測計算機仿真技術分析零件不同工序狀態時的射線可檢性，幫助合理安排檢測工序。在檢測階段射線檢測計算機仿真技術的主要作用包括：根據CAD模型編制射線檢測工藝，確定透照角度及參數，縮短工藝編制周期，節省資源；分析當前檢測工藝可檢測范圍，優化檢測工藝；對于復雜結構的射線檢測可以通過仿真技術得到理論的透照圖像，以助于排除結構因素對評片的影響。

目前射線檢測計算機仿真軟件大多使用用戶友好的圖形界面，普通檢測人員利用零件三維數模，通過設置零件材料、射線機、膠片及透照參數，調整透照角度，即可快速獲得模擬的射線檢測圖像。射線檢測仿真技術研究及軟件開發在歐美國家較為活躍，比較成功的射線檢測計算機仿真軟件有美國的XRSIM、德國的BAM、英法合作開發的RADICAD及SIMDBAD、法國的CIVA等［3］。筆者以XRSIM軟件為例，介紹射線檢測計算機仿真技術基本原理及其在航空產品檢測中的應用。

1 XRSIM軟件

1.1 XRSIM軟件射線檢測計算機仿真的原理

射線檢測計算機仿真的一般過程是射線源發出射線，射線穿過待檢零件并發生衰減，成像裝置再接收透射射線，最終得到檢測圖像，如圖1所示。射線源產生射線的能譜及強度、射線光子穿透零件時與零件的相互作用、成像裝置接收射線后的可視化過程是射線檢測計算機仿真技術需要解決的三個主要問題。

圖1 射線檢測計算機仿真的一般過程

常用的射線源包括X射線源和γ射線源。X射線是由高速運動的電子撞擊金屬靶，由韌致輻射產生的射線；γ射線是由放射性同位素的原子核發生衰變過程產生的［4］。X射線是連續譜射線，γ射線是單色射線，XRSIM軟件參考X射線和γ射線的射線譜分布，根據用戶設置的參數計算出射線強度。對于X射線，還計算了不同波長的射線光子強度，以求達到與實際X射線機同樣的光譜分布。由于射線源并非點光源，且具有一定的尺寸，XRSIM軟件將射線源分為m×n個網格（見圖2），每個網格作為一個理想點源。若射線總強度為I0，對于強度均勻的射線源，每個網格的射線強度為I（x，y）＝I0／（m×n）。

圖2 XRSIM軟件仿真算法基本原理

入射到物體中的射線光子，部分與零件發生了復雜的相互作用，其中包括光電效應、康普頓效應、電子對效應、瑞利散射，這些作用的發生具有一定的隨機性。射線通過物體的衰減與各種相互作用引起射線強度衰減的總和相關。理想的單色射線穿過單一材料物體的衰減可以用公式（1）和（2）表示：

式中：I0為入射線強度；I為透射線強度；T為工件厚度；μ1為線衰減系數；μcoh為瑞利散射衰減系數；μpe為光電衰減系數；μcom為康普頓衰減系數；μpp為電子對衰減系數。

若零件為混合物或化合物，式（1）中μ1應使用質量衰減系數μm，計算公式為：

式中：μ1n為第n種材料的線衰減系數；Wn第n種材料的比重。

射線通過零件后到達成像裝置，XRSIM軟件將成像裝置（膠片或數字探測器）分為a×b個網格，每個網格作為仿真圖像的一個像素，利用光線跟蹤技術，計算每個網格接收到m×n個理想點源發出的射線達到該網格的射線強度總和，計算公式為：

式中：αx，y為點源（n，m）占射線源總強度的百分比；Ti，j，x，y為工件在投射方向的厚度；Ri，j，x，y為點源（x，y）到網格（i，j）的距離。

仿真圖像上每個像素點的灰度值由公式（5）計算得出，式中的a、b、c、d均為與成像裝置（膠片或者數字探測器）性能相關的系數。計算出每個像素點的灰度值，給出模擬的射線檢測圖像。

需要注意的是，筆者僅給出了XRSIM軟件仿真的基本原理，各步驟在實際仿真過程中有非常復雜的物理原理與數學運算過程，還需考慮更多對成像結果產生影響的因素，如X射線機靶材料、鈹窗口厚度、膠片顆粒噪聲等。

1.2 XRSIM軟件射線檢測仿真的功能與特點

XRSIM軟件具有圖形化的操作界面，其利用零件的CAD模型，實現射線檢測圖像的模擬顯示；還可以添加缺陷，進行缺陷可檢測性分析。XRSIM軟件仿真操作的一般流程如圖3所示。XRSIM軟件具有以下特點：

（1）自定義系統參數：針對用戶使用設備及檢測零件材料的多樣性，XRSIM軟件提供了開放的數據庫接口，供用戶自定義包括射線源、膠片／探測器、待檢材料成份等參數?？紤]到射線機受老化程度等的影響，XRSIM軟件還需設置修正系數，以縮小仿真圖像與實際圖像的差距。需要注意的是，修正系數并非固定值，而是受射線機、膠片／探測器類型、透照電壓等因素影響的，朱凱等［5］通過對XRSIM軟件仿真圖像與實際射線照相檢測膠片黑度進行對比分析，提出一種以理想黑度2.5為基準的XRSIM修正系數曲線的繪制方法，在1.5～4.0黑度范圍內，將仿真圖像與實際透照圖像黑度差控制在0.3以內。

圖3 XRSIM軟件仿真操作的一般流程

（2）預置缺陷：XRSIM軟件可以任意添加缺陷，缺陷可以是通過三維制圖軟件得到的CAD模型，也可以是使用高分辨率CT（計算機層析成像）提取的真實缺陷模型。任意設置缺陷材料、尺寸以及在零件中的位置，可以得到含缺陷的仿真圖像，分析該缺陷是否可被檢出及是否有好的成像效果。

（3）可檢性分析：XRSIM提供了POD（Probability of Detection）功能，通過生成分析樹將零件分為若干區域，指定缺陷類型及大小，計算缺陷在不同位置時與無缺陷部分的灰度差ΔD，并利用不同顏色在三維圖像上表示出該缺陷的可檢性。根據人眼對灰度差的分辨能力，XRSIM軟件認為當ΔD不大于0.08時缺陷不可檢，當ΔD在0.08～0.12時不確定缺陷是否可檢，當ΔD不小于0.12時缺陷可檢。POD分析結果使用不同顏色在三維圖上表示出來，紅色表示不可檢，黃色表示不確定是否可檢，綠色表示可檢。

2 射線檢測計算機仿真技術的應用

2.1 編制檢測工藝

隨著航空產品制造工藝的發展，復雜精密鑄件得到了大量應用，在射線檢測工藝的編制過程中往往需要大量的試驗才能確定透照角度及參數，利用射線檢測計算機仿真軟件完成工藝的初步編制過程，可以縮短工藝試驗時間，減少射線機、膠片等資源的損耗。

以鈦合金精密鑄件支板為例（見圖4），立面射線照相檢測宜采用圖5中的透照布置。根據筆者單位現有設備設置射線機參數：鎢靶靶角45°，最大電壓320kV，最大功率4500W，射線束錐角40°；焦距為1.5m時，得到透照厚度圖如圖6所示。仿真試驗膠片選用D4（細顆粒膠片）；曝光量設置為30mA·min；電壓在90～150kV范圍內模擬射線透照，并進行尺寸為0.5mm氣孔的可檢性分析。根據仿真試驗結果，利用100，130kV進行兩次透照（仿真試驗圖像如圖7、8所示）檢測支板立面，黑度值在2.5左右。根據以上參數進行實際透照試驗，透照底片圖像如圖7、8所示，立面區域底片黑度值在2.0～2.8之間，可滿足檢測要求。

圖4 鈦合金精密鑄件支板三維圖

圖5 透照布置圖

圖6 透照厚度圖

圖7 電壓100kV時透照結果

圖8 電壓130kV時透照結果

2.2 缺陷檢出能力試驗

XRSIM軟件可以在仿真過程中添加缺陷，缺陷可以由三維圖形軟件繪制獲得，或者可以是實際缺陷的三維圖像，通過改變缺陷的形狀、材料、尺寸及位置，可以定性缺陷是否可檢測。在鈦合金精密鑄件支板中人工制作5mm氣孔、長35mm的裂紋；使用上述的射線機及膠片，焦距1.5m，透照電壓100kV，曝光量30mA·min；仿真后，添加的兩個缺陷在仿真圖像上都清晰可見（仿真圖像見圖9）。

圖9 支板缺陷檢出能力試驗結果

在缺陷檢測能力仿真試驗中，除與缺陷性質、透照參數相關外，還與設置的仿真圖像像素大小相關，通常將像素大小設置為缺陷尺寸的1／10為宜，盲目減小像素尺寸雖然會獲得更好的分辨率，但會大大增加軟件計算量。在厚度為10mm的鈦合金平板試塊中添加四個氣孔缺陷，尺寸分別為2，1，0.5，0.2mm，使用上述射線機及膠片，焦距1.5m，透照電壓100kV，曝光量30mA·min，像素尺寸分別設置為0.1mm及0.02mm（仿真圖像見圖10），像素尺寸為0.1，0.2mm時缺陷無法檢測，像素尺寸為0.02mm時缺陷可檢測。因此，在缺陷檢出能力仿真試驗中，需根據缺陷尺寸合理設置像素尺寸。

圖10 鈦合金平板氣孔檢出能力分析試驗結果

2.3 可檢性分析

XRSIM軟件的可檢性分析（POD）功能，需預設缺陷材料、最小缺陷尺寸、透照角度及參數，綜合所有透照條件下的分析結果，給出零件的POD圖像。當前航空產品中大量使用精密復雜鑄件，部分關鍵件要求實現100%內部質量檢測，由于此類零件具有尺寸大、結構復雜等特點，傳統射線照相檢測覆蓋范圍往往難以實現100%檢測，因此需分析射線檢測可覆蓋范圍。

筆者單位將XRSIM軟件的可檢測性分析（POD）功能應用于可檢測范圍分析當中。由于目前XRSIM軟件無法實現將膠片插入鑄件內部進行透照，為了與實際射線透照保持一致，將零件裁分為若干部分進行分析試驗。圖11（a）為某大型鑄件局部的三維圖，參考已有射線檢測工藝對該部分進行POD分析，分析結果如圖11（b）所示，圖11（b）中箭頭所指筋條為無法檢測的區域。但是在仿真軟件分析前，該筋條處黑度可滿足檢測要求，未被認為是無法檢測的區域。原因是該筋條較薄，透照中由于“邊蝕”現象產生了一定黑度，實際上射線未直接穿透。根據分析結果優化檢測工藝，實現了對該部位的100%檢測。

圖11 某鑄件POD分析試驗

3 結語

隨著計算機技術的發展，射線檢測計算機仿真正由簡化模型向精確計算發展，射線檢測計算機仿真軟件也取得了較大進步，但還存在一定的問題。以XRSIM為例，存在著如下問題：仿真試驗中膠片不能彎曲，而實際透照中往往需要改變膠片形狀以最大限度地貼合工件，對于多層壁零件，也無法將底片插入其中一層進行局部透照；仿真圖像像素大小很難達到與膠片顆粒度相當；進行大數據量計算時軟件運行不太穩定等等。

作為一項新技術，射線檢測計算機技術在國內的發展及應用與國外相比還有較大差距，射線檢測計算機仿真軟件在國內目前僅應用到產品檢測環節，可以節省透照試驗的時間及經濟成本、提高效率、有助于優化工藝，若能將其應用到產品設計過程中，將檢測“盲區”終結在圖紙階段，將會有更大的實用意義。

［1］孫朝明，王增勇.射線檢測中的仿真技術發展［J］.無損檢測，2006，28（9）：475－478.

［2］TILLACK G R，NOCKEMANN C，BELLON C.X－ray modeling for industrial applications［J］.NDT＆E International，2002，33：481－488.

［3］FEYZI I.Scattering and its role in radiography simulations［J］.NDT＆E International，2002，35：581－593.

［4］鄭世才，趙起良.射線檢測［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［5］朱凱，王倩妮，郭廣平，等.X射線檢測仿真軟件成像的黑度修正［J］.無損檢測，2013，35（6）：53－56.