國內外工業便攜式X射線機的發展

黃新超

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院, 鄭州 450008)

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國內外工業便攜式X射線機的發展

黃新超

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院, 鄭州 450008)

介紹了國內外工業便攜式X射線機的歷史、現狀和發展趨勢，通過分析國內外產品的相關數據，比較其性能差距，找出國內產品及行業管理的不足，并提出一些改進意見。

便攜式X射線機；變頻技術；高頻恒壓技術；發展趨勢

射線檢測是無損檢測五大常規檢測方法之一，在工業上有著非常廣泛的應用。便攜式X射線機大部分是現場作業，尤其是野外、高空作業，故要求設備質量輕，體積小，性能穩定。目前，國內外工業便攜式X射線機普遍采用變頻技術[1]，SF6高壓氣體絕緣和強制風冷技術;換句話說，便攜式變頻充氣X射線機是市場的主流，而油絕緣的工頻機和氣絕緣的恒頻機已被淘汰。最近幾年，國際上出現了幾種新技術及新產品，如高頻恒壓技術、便攜式高能X射線裝置等， 這些新技術、新產品的出現，引領著工業便攜式X射線機的發展方向。

筆者介紹了國內外工業便攜式X射線機的歷史、現狀和發展趨勢，通過分析國內外產品的相關數據，比較其性能差距，找出國內產品及行業管理的不足，并提出了一些改進意見。

1　國內工業便攜式X射線機的現狀

國內便攜式變頻氣絕緣X射線機是20世紀80年代初發展起來的。丹東工業探傷機廠參照日本理學晶閘管控制的X射線機，采用SF6高壓絕緣氣體作絕緣，研發出便攜式變頻充氣X射線機，并替代油絕緣工頻機，這是一次跨越式的提升。隨后，各生產廠家在控制電路方面進行了小的改進，如：延時開機、自動訓機、液晶屏顯示、單片機智能控制等，但是，主回路至今沒有改變。現在，丹東系列便攜式變頻充氣X射線機成為了市場的絕對主流。

圖1　便攜式變頻充氣的X射線機電器原理示意

便攜式變頻充氣X射線機電器原理如圖1所示，是典型的陽極接地半波自整流電路。圖1 左側虛線方框內部分為控制器電器原理，右側為射線發生器電器原理。

便攜式X射線機所用電源是220 V，50 Hz單相交流電，電源進入控制箱經功率開關之后分為二路，一路進主回路，另一路給弱電控制部分供電。主回路主要由調壓整流單元、LC濾波、逆變單元(又稱斬波單元)組成，輸出脈沖信號供給高壓變壓器(俗稱高壓包)初級。主回路的信號變化過程如圖2所示。

圖2　變頻射線機信號轉換示意

不同生產廠商的控制單元各有不同，但是，實現的功能基本相同，包括產生觸發控制信號、曝光計時、毫安保護、超壓保護、過溫保護等功能，有的設備利用單片機或微電腦控制，實現自動訓機、語音提示、故障代碼顯示、曝光參數設置、延時開機、存儲、記憶等功能。

射線發生器主要由X射線管、高壓包和外殼，以及一些必要的小配件(溫度繼電器、均場罩，溫度繼電器、散熱器等)組成。高壓包產生的高壓直接加到X射線管的兩端，給射線管提供加速電場。采用陽極接地，半波自整流，高壓和燈絲一體化的設計，結構簡單緊湊，利于散熱，被廣泛采用。

目前，便攜式變頻充氣X射線機的生產廠家主要集中在丹東，有100多家，湖北黃石有十多家，其他地方有幾十家，產品大同小異，產能嚴重過剩，企業利潤較薄，銷售價格較低。由于生存都成問題，生產企業也就不會投入大量的財力和人力進行新產品研發，國家在該領域也沒有專業研究機構進行新技術、新工藝、新材料的研發;所以，三十多年來,國產工業便攜式X射線機沒有新技術、新產品出現，這也是行業的悲哀。

2　國際上工業便攜式X射線機的技術現狀

目前，國際上工業便攜式X射線機的代表品牌有日本理學、美國通用電氣公司(GE)、俄羅斯Spektroflash、比利時ICM、德國 YXLON等，下面分別做一下介紹。

日本理學便攜式變頻充氣X射線機20世紀70年代就進入中國市場，當時中國市場使用的還是油絕緣工頻機，體積大，質量大;相比之下，日本理學便攜式變頻充氣的X射線機體積小、質量小、性能穩定，盡管價格高昂(從最初的十幾萬元，到后來20多萬元，目前價格還在20萬元左右)，仍然受到市場追捧。但是幾十年來，其主回路沒有變化而仍然是變頻充氣機，盡管做了一些改進，技術上卻沒有大的突破。

美國通用電氣公司(GE)ERESCO MF4系列便攜式X射線機，采用中頻恒壓技術，頻率約20 kHz，金屬陶瓷X射線管，產品系列高壓輸出有160,200,280,300 kV，輻射方向分定向和周向機，還有風冷、水冷和小焦點系列，品種比較齊全。產品主要優點是功率輸出較高，圖像清晰度好；較高的 X 射線劑量使曝光時間較短，并相應提高工作效率；30 ℃時運行占空比為100%；與變頻機相比技術性能優勢明顯，例如65 MF 4型300 kV定向機，高壓輸出5～300 kV，管電流0.5～6 mA，額定功率900 W，焦點3.0 mm (EN 12543)，輻射角40°×60°，最大穿透65 mm(鋼)，管頭高度1 020 mm，管頭質量40 kg，電源要求160～253 V AC,50/60 Hz，環境防護等級IP65。美中不足的是產品管頭體積較大,質量偏重。

俄羅斯Spektroflash(史克龍斯)Ltd.曾以脈沖射線機Arina系列聞名，這款機器質量小、電壓低、功耗小。新推出的MAPT系列射線機是高頻恒壓射線機,取消了風扇設計，機身小巧輕便，功耗低，射線管工作效率高，可以有效地將能量轉化為X射線而不是熱量;并采用特種散熱金屬，來完成散熱工作。所采用的特制高頻射線管，具有壽命長，穩定性高，不易損壞等優點。

俄羅斯產品進入中國市場的有2款機型，一款是APT200定向機或半周向機，可以對外發射一個錐向角度為150°的射線，更適合小徑管的周向曝光檢測。輸出管電壓100～200 kV，管電流3 mA，最大穿透厚度30 mm(鋼)；射線發生器質量僅5 kg。 另一款是MAPT250定向機，輻射角度40°，最大穿透厚度40 mm(鋼),輸出管電壓130～250 kV ，管電流3 mA，射線管工作頻率100 kHz，X射線管焦點1.5 mm，發生器質量8.5 kg。據了解，高穿透能力的機型將陸續推出。

比利時ICM公司便攜式X射線機于20世紀90年代進入中國市場，屬于變頻充氣機，玻璃X射線管；恒壓機研發多年，系列產品尚未推出，去年剛推出一款200 kV定向機SITE-X CP200D。主流產品還是變頻充氣機，其主要特點是品種齊全，可連續工作；周向機采用專利技術，均勻度好，且使用后若出現輻射均勻度偏差，不用更換X射線管，可通過射線發生器內部安裝的偏轉線圈進行調整。存在的問題是產品故障率較高。

德國YXLON 是COMET集團旗下的專門生產便攜式和移動式X射線系統的公司，產地在丹麥的哥本哈根。 1989年開始生產Y. SMART系列便攜式X射線機，該產品將油絕緣管頭和玻璃管芯的組合，改變為氣體絕緣和金屬陶瓷管芯的組合，并開始應用了高頻恒壓技術。

2014年最新推出的SMART-EVO 系列，是Y. SMART系列的升級版，控制器和射線發生器都進行了全面技術升級。與Y. SMART系列相比，新產品極大地降低了質量，并確保了更優的操作流程;曝光計算器自動計算所需的曝光時間，無需在設置時采用“試驗法”以逼近最佳值而浪費時間;還有許多設計細節，如射線鉛罩更易于裝卸、控制器肩帶、輻射角激光指示、內嵌式的一體化LED警示燈等,確保了操作流程更快速。尤其值得一提的是,控制器中的功率因數校正(PFC)模塊不僅可優化主供電線路中的電流負載，還可在電壓不穩的情況下進行穩定操作(如發電機供電場所)，并適用于所有介于85～264 V，45～65 Hz的交流電源。優越的設計使其獲得2015年度設計類“最佳中的最佳”獎項——紅點獎(reddot)。

最近，YXLON又推出高功率X射線機和小焦點系列。高功率X射線機XPO EVO 225D定向機，具有1 200 W的恒定射線功率，電流調整幅度高達10 mA，以滿足較高的穿透力要求，能勝任所有中等強度的現場檢測任務。小焦點系列定向機焦點1.0 mm(EN 12543)，特別適合數字射線檢測，且大大提高了成像質量。

YXLON產品系列高壓輸出有160,200,225,300 kV，輻射方向分定向和周向機，還有風冷、水冷和小焦點系列，品種比較齊全。金屬陶瓷X射線管，抗震性好、穩定性強、使用壽命長；可高壓連續工作，暫載率100%, 大大節約了作業時間。如SMART-EVO 300D型300 kV定向機，高壓輸出50～300 kV，管電流0.5～4.5 mA，額定功率900 W，焦點3.0 mm (EN 12543)，輻射角40°× 60°，最大穿透65 mm(鋼)，管頭高774 mm，管頭重29 kg，電源85～253 V AC,50/60 Hz，環境防護等級IP65。

美國Varian公司最新推出便攜式加速器，屬于便攜式高能X射線裝置。擬推出PX-1型和PX-2型二款便攜式裝置，PX-1型加速器焦點1.5 mm，標稱能量 0.95 MeV，半值層 HVL1.4 cm (鋼)，穿透厚度約76 mm(鋼)，供電能源230 V AC，2.5 kVA，X射線發生器外觀尺寸79.5 cm×51.8 cm×31 cm，重36 kg ；控制器27 cm×24.6 cm×17.4 cm，重3 kg，現場安裝時間5 min。PX-2型便攜式加速器，標稱能量1.6 MeV ，穿透厚度約127 mm鋼，焦點小于1.5 mm ，相當于7居里Co60源。

便攜式加速器的優勢主要有：制造過程中對大厚度工件的檢測采用便攜式加速器替代移動式X射線機，操作更為便捷；在役檢測尤其是管道檢測，可替代γ射線儀，檢測更為安全。

3　高頻恒壓技術簡介

高頻恒壓技術是近幾年發展起來的一項先進技術，通過控制器輸出的高頻信號(頻率約幾十千赫茲,變頻機或恒頻機的頻率在300 Hz左右)，進入射線發生器的高頻變壓器，經高頻變壓器升壓后，由倍壓整流模塊變為高壓直流信號——恒壓，提供給X射線管作為加速電場。采用高頻恒壓技術的射線發生器的結構示意如圖3所示。

圖3　高頻恒壓射線機發生器內部結構示意

高頻恒壓技術的主要優點：

(1) 大大提高了射線轉換效率，提升了射線劑量輸出，顯著提升了穿透力，從而，可大大縮短曝光時間。高頻恒壓技術與非高頻恒壓技術射線劑量輸出示意如圖4所示。

圖4　恒壓技術與非恒壓技術射線劑量輸出示意

(2) 倍壓整流模塊替代高壓包，有效縮小射線發生器體積，減輕質量。

(3) 高頻恒壓技術更適合X射線管的電器適應性，避免了變頻技術帶給X射線管方波脈沖信號的頻繁沖擊，從而大大提高X射線管的使用壽命。

(4) 節能，高頻恒壓機額定功率只有幾百瓦，如300 kV最大功率900 W；而變頻機額定功率一般都在2 000 W以上；野外施工，降低了對發電機的功率要求，一般來講，功率越低，發電機的質量越輕，更適合野外、高空作業。

(5) 高頻恒壓射線機產生的射線能量均勻，恒定劑量輸出，特別適合X射線數字成像檢測，尤其是DR檢測，且圖像清晰。

4　國內外工業便攜式X射線機的差距

概況以上的描述，筆者認為，國產便攜式工業X射線機與國際先進X射線技術的差距及造成這種差距的主要原因在于：

(1) 技術工業便攜式X射線機是朝著體積更小、質量更輕、能量轉換效率更高、穿透能力更強、穩定性更好的方向發展。高頻恒壓技術讓我們看到了曙光，而且，上面提到的幾家國際著名品牌產品，例如：德國YXLON 、美國GE等已經實現并領跑行業，俄羅斯Spektroflash(史克龍斯)、比利時ICM等正朝著該方向努力跟進并不斷完善。而國內還采用30年前的變頻技術，差距很大。

(2)工藝良好的裝配工藝、元器件制造工藝是工業便攜式X射線機工作穩定、故障率低的有效保證。眾所周知，國產工業便攜式變頻充氣X射線機是借鑒日本理學技術，技術參數毫不遜色，但是，同樣型號的一臺日本理學射線機，產品價格是國產設備

10多倍，原因何在？答案是國內產品輸在工藝上。

(3)材料材料優劣是反應一個國家整體技術水平的重要標志，國內與國際發達國家相比還相差較遠。例如，影響X射線管壽命的是射線管燈絲材料的電子發射能力，國際先進設備的X射線管的壽命能達到幾千小時，而國產管的壽命才400～500 h，這就是差距。國內廠家可以仿制外觀、結構，但仿制出優質材料不是容易之事。

(4)產業管理國際知名品牌制造商周圍或區域或國家沒有幾十家甚至幾百家企業生產同一種產品的現象，而國產管的壽命生產基地丹東，還有湖北黃石有多少家？國內有多少家？產業管理失控，進入門檻低，一窩蜂上馬生產，產能過剩，惡性競爭，這與產業管理不無干系。

(5)知識產權保護新技術、新產品研發是要花費大量的財力和人力的。國內一旦有新技術、新產品出現，很快就有仿品出現，知識產權保護體系不健全，創新者得不到很好的保護，嚴重挫傷其創新的積極性。

5　結語

我國工業便攜式X射線機與世界先進技術尚有不小的差距，高頻恒壓技術是便攜式工業X射線機的發展方向，期望有更多的從業人士或機構吸收引進先進技術，投入到新技術的研發中去，努力縮短我國與世界先進技術的差距。同時注意知識產權保護，并通過行業協會向國家相關機構提出建議，在該領域加大創新投入，提高生產準入門檻，使從業者有利可圖，企業有利潤才能制造出更好的產品，才能投入更多的資金進行新技術的研究，從而提高我國射線檢測技術水平和裝備水平。

[1]吳偉，鄔冠華,羅更生.國內外變頻氣冷便攜式射線機發展狀況[J].無損檢測，2005,27(11):32-34

The Development of Domestic and Foreign Industrial Portable X-Ray Generator

HUANG Xin-chao

(Henan Province Inspection Institute of Boiler and Pressure Vessel Safety, Zhengzhou 450008, China)

This article describes the history, current situation and development trend of domestic and foreign industrial portable X-ray generator. Through the analysis of the relevant products data and comparing the gaps between them, attempts were made to find out shortcomings of domestic products and industry management in order to make some improvements.

Portable X-ray generator; Frequency conversion technology; High frequency constant voltage technology; Development trend

2015-07-03

黃新超(1964-),男,高級工程師,鍋爐檢驗師、容器檢驗師、管道檢驗師，RT-Ⅲ，UT-Ⅲ，主要從事特種設備檢驗檢測和檢驗檢測儀器研發及應用工作。

10.11973/wsjc201510020

TG115.28

A

1000-6656(2015)10-0087-04