无损检测新技术-数字X射线检测技术简介

无 损 检 测 新 技 术 - 数 字 X 射 线 检 测 技 术 简 介 夏 纪 真 无 损 检 测 资 讯 网 www.ndtinfo.net 广 州 市 番 禺 区 南 村 镇 恒 生 花 园 14 梯 701 邮 编 :511442 摘 要 : 本 文 简 单 介 绍 了 数 字 X 射 线 检 测 技 术 的 种 类 基 本 原 理 与 应 用 关 键 词 : 无 损 检 测 数 字 X 射 线 检 测 1 综 述 数 字 X 射 线 检 测 (Digital Radiography, 简 称 DR) 可 以 分 为 : 以 图 像 增 强 器 为 基 础 的 X 射 线 实 时 成 像 (Real-time Radiography Testing Image, 缩 写 RRTI) 采 用 成 像 板 (IP 板 ) 的 模 拟 数 字 照 相 成 像 (Computed Radiography, 简 称 CR) 采 用 电 子 成 像 技 术 的 直 接 数 字 化 X 射 线 成 像 (DirectDigit Radiography, 简 称 DR) 以 及 将 X 射 线 照 相 胶 片 经 扫 描 转 为 数 字 图 像 (FDR) 2 以 图 像 增 强 器 为 基 础 的 X 射 线 实 时 成 像 (RRTI) 以 图 像 增 强 器 为 基 础 的 X 射 线 实 时 成 像 系 统 采 用 图 像 增 强 器 代 替 射 线 照 相 的 胶 片 或 者 旧 式 工 业 电 视 的 简 单 荧 光 屏 来 实 现 图 像 转 换, 可 以 实 现 实 时 检 测 系 统 主 要 由 用 于 产 生 X 射 线 的 X 射 线 机 系 统 ( 包 括 高 压 发 生 器 微 焦 点 或 小 焦 点 的 恒 电 位 X 射 线 机 电 动 光 栏 循 环 水 冷 却 器 等, 以 投 影 放 大 方 式 进 行 射 线 透 照 ) 图 像 增 强 器 系 统 (X 射 线 接 收 转 换 装 置, 将 隐 含 的 透 过 金 属 材 料 的 X 射 线 检 测 信 号 转 换 为 可 见 的 模 拟 图 像 ) 进 行 信 号 处 理 及 重 构 数 字 化 图 像 的 图 像 处 理 工 作 站 ( 包 括 计 算 机 图 像 采 集 板 卡 图 像 处 理 软 件 及 系 统 软 件 与 控 制 软 件 等, 同 时 集 成 了 整 机 控 制, 包 括 射 线 控 制 面 板 在 内 的 所 有 控 制 面 板 和 操 作 面 板, 射 线 透 视 的 结 果 在 显 示 器 屏 幕 上 显 示, 检 测 图 像 可 以 按 照 一 定 的 格 式 储 存 在 计 算 机 硬 盘 移 动 硬 盘 U 盘 内 或 刻 录 到 光 盘 上 而 长 期 保 存 ) 检 测 机 械 工 装 PLC 电 气 控 制 系 统 现 场 监 视 系 统 等 六 大 部 分 组 成 典 型 的 工 业 X 射 线 实 时 成 像 检 测 系 统 结 构 原 理 示 意 图 图 像 增 强 器 是 X 射 线 实 时 成 像 检 测 系 统 中 除 X 射 线 源 外 最 关 键 的 元 件 图 象 增 强 器 由 外 壳 射 线 窗 口 输 入 屏 ( 包 括 输 入 转 换 屏 和 光 电 层, 目 前 常 用 碘 化 铯 晶 体 或 三 硫 化 二 锑 碲 化 锌 镉 硒 化 镉 氧 化 铅 硫 化 镉 硅 等 对 X 射 线 敏 感 的 光 电 材 料 制 作 ) 聚 焦 电 极 和 输 出 屏 组 成 输 入 转 换 屏 吸 收 入 射 的 射 线, 将 其 能 量 转 换 为 可 见 光 发 射, 光 电 层 将 可 见 光 发 射 能 量 转 换 为 电 子 发 射, 通 过 加 有 图 像 增 强 器 结 构 示 意 图 25~30KV 高 压 的 聚 焦 电 极 加 速 电 子 并 将 其 聚 集 到 输 出 屏, 再 由 输 出 屏 将 电 子 能 量 转 换 为 光 发 射, 大 大 提 高 了 输 出 光 强, 得 到 大 大 增 强 的 图 像 亮 度 动 态 范 围 以 及 分 辨 力 亦 即 在 图 像 增 强 器 内 实 现 的 转 换 过 程 是 : 射 线 可 见 光 电 子 可 见 光 图 像 增 强 器 输 出 屏 后 面 是 光 学 聚 焦 镜 头 等 组 成 的 光 路 系 统, 再 由 CCD(Charge Coupled Device 的 缩 写, 电 荷 耦 合 器 件 ) 或 CMOS(Complementary Metal Oxide Silicon 的 缩 写, 互

补 金 属 氧 化 硅 ) 摄 取 可 见 光 模 拟 图 像, 经 过 模 拟 / 数 字 转 换 (A/D 转 换 ) 成 电 子 信 号 后 进 入 图 像 处 理 工 作 站, 引 入 图 像 处 理 技 术 进 行 各 种 图 像 增 强 处 理, 改 善 图 像 质 量, 最 后 送 入 监 视 器 显 示 经 过 图 像 增 强 器 以 及 图 像 处 理 后, 在 显 示 器 上 所 得 到 的 图 像 的 图 像 灰 度 亮 度 对 比 度 清 晰 度 都 得 到 了 极 大 的 提 高 3 采 用 成 像 板 (IP 板 ) 的 模 拟 数 字 照 相 成 像 (CR) CR 方 式 属 于 非 直 接 读 出 方 式, 其 物 理 基 础 是 X 射 线 的 电 离 作 用 及 光 激 励 发 光, 其 主 要 效 用 是 以 可 反 复 使 用 高 达 数 千 次 的 成 像 板 ( 简 称 IP 板 ) 取 代 传 统 的 X 射 线 胶 片 IP 板 有 刚 性 的 也 有 柔 性 的, 可 以 与 普 通 胶 片 一 样 分 成 各 种 不 同 大 小 规 格 以 满 足 实 际 应 用 需 要 CR 的 装 置 包 括 影 像 采 集 部 分 (IP 板 ) 影 像 扫 描 部 分 ( 读 出 器 ) 及 影 像 后 处 理 和 记 录 部 分 ( 计 算 机 打 印 机 和 其 他 存 储 介 质 ) CR 的 成 像 过 程 如 下 : 透 过 物 体 的 X 射 线 投 射 到 IP 板 上,IP 板 感 光 后 在 荧 光 物 质 中 把 X 射 线 的 能 量 以 潜 影 的 方 式 储 存 下 来, 完 成 影 像 信 息 的 记 录, 再 将 这 种 带 有 潜 影 的 IP 板 置 入 专 用 的 读 出 器 中 用 激 光 束 进 行 精 细 扫 描 读 取, 荧 光 物 质 被 激 励, 释 放 其 储 存 的 能 量, 发 出 的 荧 光 被 集 光 器 收 集 送 到 光 电 倍 增 管, 由 光 电 倍 增 管 将 其 放 大 并 转 换 成 电 信 号, 经 A/D 转 换 器 转 换 成 数 字 图 像, 再 经 由 计 算 机 处 理 得 到 一 个 数 字 化 图 像, 在 监 视 器 屏 幕 上 显 示 出 灰 阶 图 像, 也 可 以 被 储 存 CR 的 成 像 要 经 过 影 像 信 息 的 记 录 读 取 处 理 和 显 示 等 步 骤 IP 板 成 像 质 量 已 接 近 于 X 线 胶 片 (Agfa D7) 的 清 晰 度 ( 对 比 度 可 达 到 12 位 或 4096 灰 度, 空 间 分 辨 率 可 达 到 5 线 对 / 毫 米 即 100μm, 扫 描 像 素 达 到 10Pixel/mm),IP 板 的 动 态 特 性 线 性 度 比 胶 片 好,X 射 线 转 换 率 高, 需 要 的 曝 光 量 负 荷 大 大 减 少 ( 可 少 至 传 统 胶 片 法 的 1/5~1/20, 需 要 的 曝 光 时 间 短 ), 具 有 非 常 宽 的 动 态 范 围, 对 于 不 同 的 曝 光 条 件 有 很 高 的 宽 容 度, 在 选 择 曝 光 量 时 将 有 更 多 的 自 由 度, 从 而 可 以 使 一 次 拍 照 成 功 率 大 大 提 高 ( 重 拍 次 数 大 大 减 少 ), 在 一 般 情 况 下 只 需 要 一 次 曝 光 就 可 以 得 到 全 部 可 视 的 判 断 信 息 CR 技 术 不 需 要 胶 片 化 学 药 品 暗 室 相 关 设 备 及 胶 片 存 储, 可 在 普 通 室 内 明 间 进 行 操 作 处 理 ( 干 式 ), 处 理 速 度 快 IP 板 可 装 入 标 准 的 X 射 线 胶 片 盒 中 与 铅 或 其 他 适 当 的 增 感 屏 一 起 使 用, 曝 光 后, 可 手 工 将 其 从 胶 片 盒 取 出, 插 入 阅 读 器 进 行 成 像 处 理, 在 重 新 用 于 曝 光 之 前 需 要 使 用 专 门 的 擦 除 器 ( 消 光 器 ) 处 理 (IP 板 经 过 强 光 照 射 即 可 抹 消 潜 影 ) 传 统 X 射 线 能 摄 照 的 部 位 也 都 可 以 用 CR 成 像, 现 有 的 传 统 X 射 线 透 照 设 备 ( 周 向 定 向 射 线 机 ) 以 及 爬 行 器 都 可 以 继 续 使 用, 其 作 业 过 程 基 本 与 常 规 的 胶 片 照 相 相 同, 不 需 要 对 操 作 者 进 行 特 殊 的 培 训, 使 用 方 便, 适 用 于 各 种 检 查, 特 别 是 适 合 于 传 统 射 线 机 和 野 外 恶 劣 环 境 施 工 缺 点 是 操 作 较 复 杂, 不 能 实 时, 与 DR 成 像 系 统 相 比 工 作 效 率 较 低 且 图 像 质 量 略 逊 于 DR 对 CR 图 像 的 观 察 与 分 析 也 与 传 统 X 射 线 照 片 相 同 所 不 同 的 只 是 CR 图 像 是 由 一 定 数 目 的 象 素 所 组 成, 可 以 在 屏 幕 上 观 看 或 进 行 不 同 的 后 处 理 CR 系 统 的 优 点 是 便 携 读 出 设 备 与 成 像 板 分 离 ( 可 以 在 多 个 拍 摄 点 情 况 下, 集 中 在 一 个 阅 读 器 读 取 ) 当 然, IP 板 的 使 用 条 件 要 求 和 胶 片 一 样 也 是 非 常 苛 刻 的, 不 能 使 用 在 潮 湿 的 环 境 中 和 极 端 的 温 度 条 件 下 IP 板 是 基 于 某 些 辉 尽 性 荧 光 发 射 物 质 ( 可 受 光 刺 激 的 感 光 聚 合 物 涂 层 ) 具 有 保 留 潜 在 图 像 信 息 的 能 力, 当 对 它 进 行 X 射 线 曝 光 时, 这 些 荧 光 物 质 内 部 晶 体 中 的 电 子 被 投 射 到 成 像 板 上 的 射 线 所 激 励 并 被 俘 获 到 一 个 较 高 能 带 ( 半 稳 定 的 高 能 状 态 ), 形 成 潜 影, 再 将 该 IP 板 置 入 CR 读 出 设 备 内, 利 用 激 光 束 以 2510x2510 的 像 素 矩 阵 ( 分 辨 率 可 高 达 100 微 米 ) 对 匀 速 移 动 的 IP 板 整 体 进 行 精 确 而 均 匀

的 扫 描 ( 速 度 可 达 100-150 幅 / 小 时 ), 在 激 光 激 发 下 ( 激 光 能 量 释 放 被 俘 获 的 电 子 ), 激 发 出 强 度 与 原 来 接 收 的 射 线 剂 量 成 比 例 的 蓝 色 可 见 光 被 自 动 跟 踪 的 光 电 接 收 器 接 收 并 转 换 为 数 字 信 号, 放 大 后 经 模 拟 / 数 字 转 换 器 (A/D) 转 换 成 数 字 化 影 像 信 息, 送 入 计 算 机 进 行 处 理, 形 成 数 字 化 的 射 线 照 相 灰 阶 图 像 并 通 过 监 视 器 屏 幕 显 示 供 观 察 分 析 4 采 用 电 子 成 像 技 术 的 直 接 数 字 化 X 射 线 成 像 (DR) DR 成 像 技 术 包 括 直 接 转 换 方 式 ( 器 件 在 经 过 X 射 线 曝 光 后,X 射 线 光 子 直 接 转 换 为 电 信 号 ) 和 间 接 转 换 方 式 ( 器 件 先 将 X 射 线 光 子 转 变 为 可 见 光, 然 后 再 转 换 为 电 信 号 ), 从 X 射 线 曝 光 到 图 像 显 示 的 全 过 程 自 动 进 行, 经 过 X 射 线 曝 光 后, 即 可 在 显 示 器 上 观 察 到 图 像 DR 采 用 的 器 件 主 要 是 线 阵 列 DR 探 测 器 和 平 板 检 测 器 (Flat Pannel Detector, 简 称 FPD) 典 型 的 间 接 转 换 型 DR 探 测 器 是 线 阵 探 测 器, 由 将 X 射 线 光 子 成 正 比 地 转 换 为 可 见 光 的 X 线 转 换 层 ( 主 要 是 闪 烁 体 如 碘 化 铯 CsI CdWO 4 或 荧 光 体 如 硫 氧 化 钆 GdSO) 与 具 有 光 电 二 极 管 作 用 吸 收 可 见 光 并 转 换 为 电 信 号 的 低 噪 声 非 晶 硅 层 (amorphous Silicom,a-Si) 大 量 微 小 的 带 有 薄 膜 晶 体 管 (TFT) 阵 列 大 规 模 集 成 电 路 ( 信 号 储 存 基 本 像 素 单 元 及 信 号 放 大 与 信 号 读 取 ) 等 组 成 多 层 结 构, 达 到 同 步 完 成 射 线 接 收 光 电 转 换 数 字 化 的 全 过 程, 读 出 电 路 将 每 个 像 素 的 数 字 化 信 号 传 送 到 计 算 机 的 图 像 处 理 系 统 集 成 为 X 射 线 影 像, 最 后 获 得 数 字 图 像 显 示 FPD 目 前 已 经 可 以 达 到 127x127μm 像 素 和 17x17 英 寸 的 面 积, 每 一 个 像 素 的 几 何 尺 寸 仅 有 几 十 微 米, 具 有 极 高 的 空 间 分 辨 率 和 很 宽 的 动 态 范 围, 可 用 做 普 通 X 线 数 字 照 相 线 阵 成 像 器 可 承 受 20KV~450KV 能 量 的 X 射 线 直 接 照 射, 具 有 在 强 磁 场 中 稳 定 工 作 的 能 力, 无 老 化 现 象, 动 态 范 围 可 达 到 12 Bit(4096 灰 度 级 ), 可 以 一 次 性 实 现 透 照 厚 度 变 化 大 的 工 件 和 成 像 检 测 线 阵 探 测 器 除 了 普 通 的 直 线 形 外, 还 有 L 形 U 形, 或 拱 形 等, 最 新 型 的 线 阵 列 成 像 器 已 经 能 够 制 成 曲 面 形 状 ( 例 如 C 形 ) 来 适 应 周 向 曝 光 的 X 射 线 管 辐 照, 从 而 获 得 曲 面 形 状 工 件 的 全 景 展 开 图 形 线 阵 成 像 系 统 的 配 置 一 般 包 括 :X 射 线 成 像 器 ( 包 括 扫 描 机 构 ) PC 接 口 卡 成 像 器 卡 X 射 线 采 集 和 成 像 软 件 和 成 像 器 电 缆 等 图 像 的 采 集 与 处 理 系 统 由 前 置 放 大 器 A/D 转 换 器 缓 存 器 CPU 等 组 成 线 扫 描 成 像 的 扫 描 时 间 短, 所 需 X 射 线 剂 量 低, 动 态 范 围 宽 和 价 格 较 低 线 阵 扫 描 成 像 系 统 工 作 原 理 如 下 图 所 示 : 间 接 转 换 型 DR 探 测 器 也 有 平 板 式, 不 需 要 扫 描 运 动, 有 效 检 测 区 域 大 ( 如 40cmx30cm), 空 间 分 辨 率 高 (4~5LP/mm), 动 态 范 围 大 ( 可 达 到 2000:1, 即 66dB), 直 接 输 出 数 字 图 像, 目 前 已 可 达 到 输 出 1-30 帧 / 秒 缺 点 是 价 格 昂 贵, 承 受 高 能 射 线 能 力 差 ( 一 般 不 用 在 加 速 器 下 成 像 ) 直 接 转 换 型 DR 探 测 器 主 要 为 平 板 式 结 构 ( 也 有 线 扫 描 式 ), 没 有 荧 光 转 换 层, 主 要 是

由 非 晶 硒 层 (amorphous Selemium,a-Se) 加 薄 膜 半 导 体 阵 列 (Thin Film Transistor array, TFT) 构 成 多 层 平 板 状 结 构 非 晶 硒 是 一 种 光 电 导 材 料, 探 测 器 结 构 上 施 加 有 一 个 偏 压, 经 X 射 线 曝 光 后 由 于 电 导 率 的 改 变 而 直 接 将 X 射 线 转 换 成 图 像 电 信 号 ( 入 射 的 X 线 光 子 在 非 晶 硒 层 激 发 出 电 子 穴 偶 对 时, 电 子 和 空 穴 在 偏 置 电 压 下 反 向 运 动, 产 生 电 流 ), 通 过 TFT 检 测 阵 列 俘 获 形 成 电 信 号 实 现 转 换 X 射 线 能 量, 能 提 供 一 个 完 整 的 扫 描 场, 直 接 成 为 数 字 信 号, 与 每 个 探 测 单 元 相 连 的 单 独 的 存 储 电 容 收 集 这 些 电 荷 在 阵 列 中 以 定 制 的 电 子 学 规 则 读 出, 亦 即 在 TFT 中, 经 放 大 电 路 和 控 制 电 路 采 集 各 TFT 像 素 单 元 电 荷, 再 经 A/D 转 换 变 成 数 字 信 号, 送 到 计 算 机 处 理 而 获 得 数 字 化 图 像 并 在 显 示 器 上 显 示 便 于 即 时 观 察 目 前 已 经 能 在 14x17 英 寸 /35x43cm 的 图 像 面 积 上 使 用 2560x3072 的 探 测 单 元 矩 阵 ( 例 如 由 二 维 排 列 的 139x139μm 薄 膜 晶 体 管 TFT 层 上 涂 敷 500μm 厚 的 非 晶 硒, 其 上 是 介 质 层 和 表 面 电 极 层 及 保 护 层 等 构 成 ) 硒 板 成 像 系 统 的 幅 频 低 于 硅 板 成 像 系 统, 但 是 在 承 受 X 射 线 撞 击 时 产 生 的 电 子 散 射 比 硅 板 小, 因 此 图 像 精 度 较 高 直 接 转 换 型 DR 探 测 器 还 有 最 新 型 的 采 用 互 补 金 属 氧 化 硅 半 导 体 ( Complementary Metal Oxide Silicon, 缩 写 CMOS) 的 成 像 板, 其 精 度 比 CCD 成 像 系 统 高 10 倍 比 用 非 晶 硅 / 硒 板 成 像 高 3 倍 如 果 采 取 几 何 放 大, 精 度 可 达 到 几 个 微 米, 抗 震 性 和 强 度 更 高, 寿 命 更 长, 受 温 度 影 响 非 常 小, 灵 敏 度 更 高, 信 噪 比 更 大, 能 承 受 高 达 20MeV 的 射 线 能 量 平 板 式 数 字 成 像 系 统 的 空 间 分 辨 率 已 经 接 近 胶 片, 但 是 对 比 度 范 围 则 远 远 超 过 胶 片, 除 了 不 能 进 行 分 割 和 弯 曲 外, 能 够 与 胶 片 和 CR 有 同 样 的 应 用 范 围, 可 以 被 放 置 在 机 械 或 传 送 带 位 置, 检 测 通 过 的 零 件, 也 可 以 采 用 多 配 置 进 行 多 视 域 的 检 测 在 两 次 照 射 期 间, 不 必 更 换 成 像 板, 仅 需 要 几 秒 钟 的 数 据 采 集 就 可 以 观 察 到 图 像, 与 胶 片 和 CR 的 生 产 能 力 相 比, 有 巨 大 的 提 高 平 板 式 数 字 成 像 系 统 已 被 广 泛 应 用 于 医 疗 和 工 业 领 域 X 射 线 检 测, 可 达 到 胶 片 的 影 象 质 量, 具 有 检 测 速 度 快 费 用 低 可 接 受 射 线 直 接 照 射 等 特 点 DR 检 测 系 统 的 组 成 可 以 简 单 地 表 述 为 : 射 线 源 - 检 测 对 象 - 射 线 成 像 探 测 器 - 图 像 数 字 化 系 统 - 数 字 图 像 处 理 系 统 DR 的 装 置 包 括 射 线 成 像 探 测 器 及 影 像 后 处 理 和 记 录 部 分 ( 计 算 机 打 印 机 和 其 他 存 储 介 质 ) 5 将 X 射 线 照 相 胶 片 经 扫 描 转 为 数 字 图 像 (FDR) 传 统 X 射 线 照 相 所 得 的 图 像 是 不 能 进 行 图 像 处 理 的, 若 其 图 像 质 量 由 于 种 种 原 因 达 不 到 评 判 要 求, 然 而 又 不 能 进 行 改 善 图 像 的 处 理, 则 只 能 重 新 拍 照 当 需 要 将 各 种 影 像 检 查 的 图 片 集 在 一 起 参 照 对 比 时, 其 图 像 状 态 不 能 根 据 需 要 进 行 变 换 射 线 数 字 化 影 像 不 仅 可 利 用 各 种 图 像 处 理 技 术 对 图 像 进 行 处 理, 改 善 图 像 质 量, 并 能 将 各 种 判 断 技 术 所 获 得 的 图 像 同 时 显 示, 进 行 互 相 参 照 互 相 补 充, 乃 至 合 并 处 理, 大 大 增 加 了 判 断 信 息 常 规 射 线 照 相 检 测 得 到 的 X 或 γ 射 线 底 片 的 保 存 与 管 理 是 比 较 繁 琐 和 麻 烦 的 问 题, 它 们 的 保 存 管 理 和 查 找 以 及 递 送 图 像 照 片 都 得 花 去 大 量 的 人 力 和 物 力 而 且 保 存 日 久 的 照 片 会 逐 渐 变 质, 使 影 像 质 量 下 降 目 前 已 经 有 专 用 的 X 光 胶 片 数 字 化 扫 描 仪 激 光 胶 片 数 码 仪 高 分 辨 率 透 射 式 平 板 或 滚

筒 扫 描 仪, 可 将 已 有 的 传 统 X 或 γ 射 线 底 片 通 过 扫 描 使 之 转 换 成 数 字 化 图 像 输 入 计 算 机 中 存 储 并 再 利 用, 从 而 大 大 方 便 了 射 线 照 相 检 测 底 片 的 保 存 与 管 理, 也 极 大 地 方 便 了 影 像 传 送 ( 方 便 实 现 异 地 评 判 或 研 讨 数 据 共 享 ) 培 训 教 学 等 的 需 要 高 性 能 的 X 光 胶 片 数 字 化 扫 描 仪 已 经 能 使 转 换 损 失 导 致 的 失 真 度 达 到 很 小 作 者 简 介 : 夏 纪 真, 高 级 工 程 师, 国 务 院 授 予 政 府 终 身 特 殊 津 贴 的 有 突 出 贡 献 专 家, 无 损 检 测 资 讯 网 www.ndtinfo.net 创 建 并 主 持 人