X射線(xiàn)數(shù)字成像技術(shù)中成像板物距的測(cè)量

呂占杰，王 進(jìn)，韓國(guó)棟，吳章勤，唐貴基，萬(wàn)書(shū)亭

（1.華北電力大學(xué) 機(jī)械工程系，保定 071003；2.華北電力大學(xué) 云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217；3.云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司 電力研究院，昆明 650217）

X射線(xiàn)無(wú)損探傷作為一種常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)方法在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用已有近百年的歷史，我國(guó)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，X射線(xiàn)數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)已日臻成熟并已成功應(yīng)用于許多行業(yè)的實(shí)踐中。

X射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)圖像質(zhì)量的主要指標(biāo)有三項(xiàng)，即圖像分辨率、圖像不清晰度和對(duì)比靈敏度。其中圖像不清晰度取決于焦點(diǎn)尺寸、焦點(diǎn)至工件表面距離（相距）、工作表面至成像面的距離（物距）和放大倍數(shù)等。現(xiàn)實(shí)測(cè)量物距時(shí)，只是簡(jiǎn)單測(cè)量了工件至成像板表面的距離，而事實(shí)上成像板表面和實(shí)際成像面之間有一段距離。這樣，在小尺寸缺陷檢測(cè)中，計(jì)算不清晰度時(shí)會(huì)有較大誤差，影響圖片質(zhì)量。因此精確確定物距對(duì)提高X射線(xiàn)照相靈敏度有重要意義。

筆者利用云南電力試驗(yàn)研究院金屬研究所的基于X射線(xiàn)的電力設(shè)備數(shù)字成像透視檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)階梯試塊進(jìn)行透視照射。該系統(tǒng)由便攜式X射線(xiàn)機(jī)（0.3MeV，焦點(diǎn)尺寸為3.0mm（EN12543），1.0mm （IEC336））、平板探測(cè)器（非晶硅，成像面積為410mm×410mm，圖像分辨率2.5Lp／mm）、移動(dòng)工作站、遠(yuǎn)程控制箱、附件等組成，見(jiàn)圖1［1］。

圖1 基于X射線(xiàn)的數(shù)字成像透視檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

首先應(yīng)用階梯試塊測(cè)試該機(jī)在不同參數(shù)下的最小分辨率，然后選擇合適的參數(shù)照射一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試塊，從而計(jì)算出成像板表面和真實(shí)成像面的距離。

1 理論計(jì)算

在實(shí)際工業(yè)X射線(xiàn)照相中，造成影像不清晰有多種原因，其中影響圖像不清晰度U主要有兩方面因素，即：幾何不清晰度Ug和熒光屏的固有不清晰度Us

［2］。幾何不清晰度除了相關(guān)于焦點(diǎn)尺寸，還相關(guān)于所選用的放大倍數(shù)。如果焦點(diǎn)尺寸為df，焦點(diǎn)至工作表面距離L1，射線(xiàn)源至成像平面的距離為F，則定義放大倍數(shù)M為：

則可導(dǎo)出幾何不清晰度Ug為：

熒光屏的固有不清晰度取決于熒光物質(zhì)的性質(zhì)和顆粒、熒光屏的厚度和熒光屏的結(jié)構(gòu)。對(duì)于一種熒光屏可認(rèn)為具有一固定的不清晰度。

圖像總的不清晰度U為：

為了計(jì)算照相的不清晰度，L1為相距，L2為實(shí)際物距，d0為成像板表面到真實(shí)成像面的距離。其中df是確定的，L1可以測(cè)量，下面給出L2的計(jì)算方法。物距測(cè)量的原理圖如圖2所示。

根據(jù)三角形相似的幾何關(guān)系可得：

同樣根據(jù)幾何關(guān)系可得：

由式（4），（5）可得：

圖2 物距測(cè)量原理圖

得到d0后，在以后的照射過(guò)程中可更精確地得到物距，從而計(jì)算出X射線(xiàn)照相的幾何不清晰度。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

（1）圖像細(xì)節(jié)能夠分辨清楚的能力稱(chēng)為分辨力，單位寬度內(nèi)的分辨力稱(chēng)之為分辨率［3］。由于不同型號(hào)的X射線(xiàn)機(jī)在不同參數(shù)下成像質(zhì)量不同，因此要確定該射線(xiàn)機(jī)的最小分辨率。試驗(yàn)首先采用標(biāo)準(zhǔn)階梯試塊來(lái)制定出射線(xiàn)機(jī)的曝光曲線(xiàn)，從而針對(duì)某特定受檢部件更方便地選取曝光參數(shù)。

射線(xiàn)穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，強(qiáng)度的衰減主要取決于被照物質(zhì)的種類(lèi)及厚度。所以制作曝光曲線(xiàn)時(shí)，用材質(zhì)相同的厚度成等差排列的階梯試塊（范圍為2～20mm）進(jìn)行試驗(yàn)，可以得到透照厚度，管電壓，管電流，曝光量之間的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系的曲線(xiàn)。選擇厚度2～20mm，每個(gè)階梯厚度相差2mm的階梯試塊，厚度10mm的輔助墊塊一塊，厚度20mm的輔助墊塊一塊，在不同電流電壓下對(duì)不同厚度試塊做54次試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果可看出，在不同電壓電流參數(shù)下可以清楚照射不同的試塊厚度。

（2）根據(jù)被檢測(cè)工件的材質(zhì)和厚度范圍，選擇X射線(xiàn)機(jī)的能量，并留有一定的能量?jī)?chǔ)存。

圖3 成像板空照?qǐng)D

首先設(shè)定電流、電壓和曝光時(shí)間對(duì)成像板進(jìn)行空照，結(jié)果如圖3所示。

通過(guò)測(cè)量得知照片的長(zhǎng)度為410.43mm，在誤差范圍內(nèi)，可得出系統(tǒng)本身對(duì)圖像尺寸的誤差可以忽略不計(jì)。

為了減少試驗(yàn)誤差，分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)邊長(zhǎng)A1×A1＝100mm×100mm，厚度d1為5，20，40mm的試塊進(jìn)行透照。試驗(yàn)時(shí)需要注意將成像板垂直于地面放置，以減少試塊自身重力擠壓成像板而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖4 不同厚度試塊成像圖

設(shè)定相距L1＝850mm、物距為L(zhǎng)2。首先對(duì)厚度為5mm的試塊進(jìn)行照射，根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果設(shè)定電流1mA，電壓100kV。拍照結(jié)果如圖4（a）所示。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果得到圖像的平均尺寸A3為101.87mm。代入式（6）可得d0＝10.895mm。

其次，設(shè)定電壓150kV、電流1mA，對(duì)厚度20mm的試塊進(jìn)行照射，得到結(jié)果如圖4（b）所示。

設(shè)定電壓200kV、電流1mA，對(duì)厚度20mm試塊進(jìn)行照射，得到結(jié)果如圖4（c）所示。

圖4（b）的平均尺寸為103.45mm，圖4（c）的平均尺寸為102.82mm。數(shù)字平板探測(cè)器用的閃爍體不能對(duì)高能有效地響應(yīng)，并將優(yōu)先響應(yīng)散射，增強(qiáng)了邊蝕效應(yīng)［4］。由于管電壓越高，模糊效應(yīng)越明顯，因此圖4（a）的尺寸要小于圖3的尺寸。因此在保證射線(xiàn)有足夠的穿透力的前提下，電壓越小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果越準(zhǔn)確。采用圖3的尺寸，代入式（6）可得：d0＝9.325mm。

設(shè)定電壓200kV、電流1mA，對(duì)厚度40mm試塊進(jìn)行照射，得到結(jié)果如圖4（d）。

設(shè)定電壓250kV、電流1mA，對(duì)厚度40mm試塊進(jìn)行照射，得到結(jié)果如圖4（e）。

同樣由于邊蝕效應(yīng)，利用圖4（e）得到邊長(zhǎng)的平均尺寸為105.90mm。

代入式（6）可得：d0＝10.150mm。

在盡量減少邊蝕效應(yīng)的影響下，為了減少測(cè)量誤差，由以上的三個(gè)測(cè)量結(jié)果可得到成像板的表面到真實(shí)成像面的距離d0的平均值為10.123mm。

3 結(jié)論

結(jié)合DR成像系統(tǒng)的Rhythm軟件，基于X射線(xiàn)數(shù)字成像透視檢測(cè)系統(tǒng)，從理論上提出了計(jì)算成像板表面距離真實(shí)成像面的距離，從而可以在以后的計(jì)算中修正物距，提高計(jì)算的精確度，對(duì)以后計(jì)算不清晰度、檢測(cè)系統(tǒng)成像質(zhì)量等有重要的意義。

［1］ 閆文斌，王達(dá)達(dá)，李衛(wèi)國(guó)，等.X射線(xiàn)對(duì)復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷的透照檢測(cè)和診斷［J］.高壓電氣，2012（10）：58－66.

［2］ 強(qiáng)天鵬.射線(xiàn)檢測(cè)［M］.北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2007.

［3］ 李偉.高分辨率X射線(xiàn)數(shù)字成像技術(shù)研究［D］.西安：中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，2009.

［4］ 郭彥斌.高能X射線(xiàn)源下膠片照相和數(shù)字照相的應(yīng)用分析［C］／／全國(guó)核電離子束學(xué)術(shù)會(huì)議.長(zhǎng)春：［出版者不詳］，2006.