計算機射線照相系統(tǒng)與工業(yè)膠片在9MeV X射線照相中的性能對比

楊 明，王 冬，蘇志軍，賈慶龍，唐 茜，韓 冰

（中國人民解放軍96630部隊，北京 102206）

作為非膠片數(shù)字射線照相技術(shù)的一種，計算機射線照相（Computed Radiography，CR）是X 射線檢測技術(shù)上的一個重要變革，并且在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣。與傳統(tǒng)膠片照相相比，CR 系統(tǒng)的主要優(yōu)勢有：①動態(tài)范圍大，可達到104∶1以上，一次照相可覆蓋很大的厚度范圍。②所需曝光量低，曝光時間短，約為膠片的1／10。③可重復(fù)使用，使用壽命可達5 000 次（膠片為一次性使用）。④檢測結(jié)果是數(shù)字圖像，存儲和交流更為方便。⑤圖像讀取速度快，約1 min（膠片沖洗約需8～10min）。⑥無需使用貴金屬銀和顯影液、定影液，成本更低，也更為環(huán)保［1－2］。

盡管具有如此多的優(yōu)勢，但CR 系統(tǒng)的實際檢測能力還與成像板熒光材料顆粒度的大小，以及讀出圖像時激光點的尺寸（30～100μm），圖像的空間分辨力和缺陷檢出能力有關(guān)，均達不到膠片射線照相系統(tǒng)的成像能力，特別是對細小的裂紋缺陷［3］檢測時體現(xiàn)得更明顯。然而，當被檢工件厚度較大時，射線能量提高，膠片照相的不清晰度增大，空間分辨率降低，CR 系統(tǒng)有望達到與膠片射線照相同等的檢測能力［4］。

CR 系統(tǒng)在較 低X 射線能量 下（1 MeV 以下）得到了一定的應(yīng)用，在高能區(qū)（1 MeV 以上），射線照相仍以工業(yè)膠片為主。為了分析高能X 射線照相時CR 系統(tǒng)的性能，筆者進行了一系列對比性試驗，為實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 CR技術(shù)原理

CR 技術(shù)的基本原理是：某些熒光發(fā)射物質(zhì)構(gòu)成的IP板（Image Plate）具有保留潛在圖像信息的能力，IP板經(jīng)X 射線照射后，在較高能帶俘獲的電子形成光激發(fā)射熒光中心，也就是在IP板的成像層形成潛影。當采用激光激發(fā)時，光激發(fā)射熒光中心的電子將返回初始能級，并以發(fā)射可見光的形式輸出能量。這種光發(fā)射與原來接收的X 射線劑量成一定比例。這樣，當激光束掃描貯存熒光成像板時，就可將射線照相圖像轉(zhuǎn)化為可見的圖像。CR 系統(tǒng)主要由IP板、IP 板圖像讀出器（掃描儀）以及配套的圖像讀出軟件、監(jiān)視器組成。

1.1 IP板

IP板是X 射線影像的接受體，準確地說是一個影像信息采集與信息形成的轉(zhuǎn)換部件。IP 板接受透過工件的X 射線，使IP 板感光形成潛影。IP 板的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由保護層、熒光層、支持層和背襯層組成。

圖1 IP板結(jié)構(gòu)示意

1.2 IP板圖像掃描器

IP板貯存的圖像需要采用特殊的掃描器讀出。在IP板掃描讀出器中完成的基本過程如圖2所示。IP板圖像掃描讀出時采用一定尺寸的激光束，按照程序設(shè)定的方式掃描IP板，完成圖像讀出。掃描激光束的尺寸按圖像質(zhì)量要求選擇，經(jīng)常選擇的是100μm 或50μm。在掃描時，激光激發(fā)IP 板發(fā)射熒光，熒光經(jīng)光導(dǎo)收集送入光電倍增器，轉(zhuǎn)換成模擬電信號，再經(jīng)A／D 轉(zhuǎn)換形成數(shù)字圖像文件。數(shù)字圖像文件再貯存在計算機內(nèi)存中，成為初始圖像。

圖2 IP板圖像掃描讀出基本過程

2 CR 系統(tǒng)與工業(yè)膠片在9 MeV X 射線照相中的性能對比

試驗用的9 MeV X 射線源為國產(chǎn)HEXTRON 9／300電子直線加速器，焦點為2 mm，射線主束方向距靶點1m 處1min累積劑量為30Gy。CR 系統(tǒng)為美國產(chǎn)VMI 5100MS CR 系統(tǒng)，光電倍增倍數(shù)、掃描激光束斑大小均能夠調(diào)節(jié)。以工業(yè)探傷經(jīng)常使用的中粒膠片（柯達AA400）、細粒膠片（柯達M100）作為對比，對不同厚度鋼板、實際工件進行透照，對比研究不同增感條件、不同掃描參數(shù)情況下的圖像分辨率。試驗中使用的工業(yè)膠片為柯達AA400（粒度為0.5～0.7μm）、柯達M100（粒度為0.3～0.5μm），IP板晶體尺寸為4～7μm。

2.1 照相靈敏度對比

文獻［1］給出了不同被檢工件、不同射線能量時，IP板增感屏材料與厚度的推薦值，以120，150，200mm 鋼板為透照對象，設(shè)置不同厚度的增感屏和前后濾波板進行試驗，以摸索其最佳增感及濾波條件，試驗結(jié)果如表1所示。為方便與工業(yè)膠片的照相性能進行比較，試驗中使用了線型像質(zhì)計和雙絲像質(zhì)計。

工業(yè)膠片照相時，經(jīng)反復(fù)試驗，0.76 mm 是鉛增感屏的最佳厚度。從試驗結(jié)果可以看出，當采用前后各0.76mm 鉛增感屏，在IP板前放置4mm 鉛濾波板時，成像質(zhì)量達到最佳，能夠與柯達AA400工業(yè)膠片的照相效果相當。以后的試驗中，采用該方法作為CR照相的增感與濾波條件，如表1所示。試驗序號16～18使用的是柯達AA400工業(yè)膠片，試驗序號19～21使用的是柯達M100工業(yè)膠片。

圖3是120mm鋼板的CR圖像與工業(yè)底片影像，柯達AA 400工業(yè)（圖3（a））的像質(zhì)計靈敏度為1mm，柯達M 100工業(yè)（圖3（b））的像質(zhì)計靈敏度為0.8mm，CR系統(tǒng)（圖3（c））的像質(zhì)計靈敏度為0.8mm。

圖4是200mm 鋼板射線照相，CR 系統(tǒng)與工業(yè)膠片所得到的影像，柯達AA400工業(yè)（圖4（a））的像質(zhì)計靈敏度為1.25mm，柯達M100工業(yè)（圖4（b））的像質(zhì)計靈敏度為1.0mm，CR系統(tǒng)（圖4（c））的像質(zhì)計靈敏度為1.25mm。

圖3 120mm 鋼板射線照相，IP板與工業(yè)膠片影像對比

表1 CR 成像與工業(yè)膠片不同增感和濾波條件

圖4 200mm 鋼板射線照相，IP板與工業(yè)膠片影像對比

圖5 雙絲像質(zhì)計圖像

用EN452雙絲像質(zhì)計對IP板、工業(yè)膠片的靈敏度進行測試，不透照任何工件，結(jié)果如圖5所示。三種照相介質(zhì)影像均可見第5道雙絲（φ0.32mm），即不清晰度均為0.64。對這三個影像進行比較能夠看出，不清晰度數(shù)值雖然相同，柯達M100膠片的影像質(zhì)量最好，細節(jié)分辨能力最強；CR圖像可以通過軟件調(diào)節(jié)其對比度，也能夠達到比較好的圖像質(zhì)量；柯達AA400膠片的圖像對比度較CR圖像略差。

從上述對比可以看出，使用9 MeV 高能X 射線照相檢測時，CR 系統(tǒng)照相的像質(zhì)計靈敏度略高于柯達AA400（屬中粒膠片），低于柯達M100（屬細粒膠片）。

透照鋼板時，CR成像和柯達AA400所得圖像的單絲像質(zhì)符合標準GJB 1187A—2001《射線檢驗》的A 級要求，柯達M100所得圖像符合該標準的B級要求；CR圖像的雙絲像質(zhì)計分辨率低于文獻［1］給出的能量大于1MeV 時的CR靈敏度要求（能夠發(fā)現(xiàn)第6道絲）。造成這一結(jié)果的原因可能是X射線的能量越高，由射線本身造成的圖像固有不清晰度越大，即由X光子產(chǎn)生的電子能量更高，在感光介質(zhì)中的徑跡長度更大，從而造成影像顆粒度的增大。

2.2 缺陷檢測能力對比

為檢驗CR 系統(tǒng)對實際工件缺陷的檢測能力，以直徑880mm 模擬固體發(fā)動機為檢測對象，分別用工業(yè)膠片和CR 系統(tǒng)進行了照相，照相的部位包括發(fā)動機封頭、機口、筒體段等。

圖6 固體發(fā)動機前封頭工業(yè)膠片和IP板照相影像

圖6是該發(fā)動機封頭（絕熱層內(nèi)部有模擬高密度脫粘缺陷）的照相影像，通過底片能夠清晰地看到兩條細長黑色曲線型缺陷，CR影像相對變化平緩，但也可準確判讀缺陷。

3 結(jié)論

經(jīng)過試驗和對比，用9 MeV X 射線源透照120，200mm 鋼板時，使用前后0.76mm 鉛增感屏，并在IP板和膠片前增加4mm 濾波板，CR 檢測系統(tǒng)的圖像效果較好；CR 圖像的單絲像質(zhì)計靈敏度介于中粒膠片與細粒膠片之間，雙絲像質(zhì)計靈敏度與中粒膠片相當，能夠代替中粒膠片進行工件檢測；透照變厚度工件時，CR 射線照相影像相對變化平緩。

［1］鄭世才.CR 技術(shù)介紹［J］.無損探傷，2008，32（5）：1－10.

［2］李衍.工業(yè)CT 技術(shù)最新動態(tài)［J］.影像技術(shù)，2010（6）：42－48.

［3］陳朝，李倉敏，賈鐸默.IP板研究現(xiàn)狀與前景展望［J］.影像技術(shù)，2011（3）：3－7.

［4］美國無損檢測學(xué)會.美國無損檢測手冊（射線卷）［M］.上海：世界圖書出版社公司，1992.