射線檢測(cè)技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

黃愛(ài)民（廣東省博羅縣質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)所,廣東　惠州　516100）

射線檢測(cè)技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

黃愛(ài)民
（廣東省博羅縣質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)所,廣東惠州516100）

摘要：無(wú)損檢測(cè)是現(xiàn)代產(chǎn)品、設(shè)備質(zhì)量檢測(cè)的重要方法之一，在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。射線檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)的一個(gè)重要門(mén)類，本文將針對(duì)射線檢測(cè)技術(shù)，分別對(duì)其概念、物理基礎(chǔ)、檢測(cè)原理、發(fā)展與應(yīng)用、優(yōu)缺點(diǎn)以及防護(hù)做詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：無(wú)損檢測(cè);射線檢測(cè);應(yīng)用

0　前言

無(wú)損檢測(cè)是在不破壞和改變被檢測(cè)物體的物理和化學(xué)狀態(tài)，并對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的性質(zhì)、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)進(jìn)行高靈敏度檢查和高可靠性測(cè)試，從而判斷其表面和內(nèi)部的完整性、連續(xù)性、安全性以及其他性能指標(biāo)。射線檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)的重要類別，如應(yīng)用于工件內(nèi)部宏觀幾何形狀缺陷檢測(cè)，可以獲得缺陷的直觀圖像，定性準(zhǔn)確，甚至對(duì)長(zhǎng)度、寬度、高度進(jìn)行測(cè)量，因而它在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。本文將針對(duì)射線檢測(cè)技術(shù)，分別對(duì)其概念、物理基礎(chǔ)、檢測(cè)原理、發(fā)展與應(yīng)用、優(yōu)缺點(diǎn)以及防護(hù)做詳細(xì)闡述。

1　射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)

射線強(qiáng)度衰減是指X射線穿過(guò)物體時(shí)，入射光束強(qiáng)度大于從物體透射的光束強(qiáng)度。其原因是光子射線衰減與物質(zhì)復(fù)雜的相互作用，主要包括電子對(duì)效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、光電效應(yīng)和瑞利散射。由于這種相互作用的能量，一部分轉(zhuǎn)移到方向或能量改變的光子，一部分轉(zhuǎn)移到相互作用的電子或產(chǎn)生的電子，并且電子可以繼續(xù)與原子相互作用，其中有相當(dāng)部分能量在物體中損失（稱為吸收）。X射線通過(guò)物質(zhì)后其強(qiáng)度的衰減主要是由于物質(zhì)對(duì)它的吸收所造成。X射線穿過(guò)一定厚度的物體后，透射射線中將包含一次射線、散射線、電子等。如果到達(dá)檢測(cè)器（如圖像增強(qiáng)器、膠片等）只有一次射線，它被稱為窄束輻射；如果檢測(cè)器上除了一次射線還包含散射線，被稱為寬束射線。

單色窄束射線衰減規(guī)律：射線穿透物體時(shí)，對(duì)于一束射線，在均勻的介質(zhì)中，在較小的厚度范圍內(nèi)入射射線強(qiáng)度和透射物的厚度與強(qiáng)度衰減量成正比。即：△I=-μI△T(式中：μ-線衰減系數(shù)，I-透射射線強(qiáng)度，T-透過(guò)物體的厚度)。

寬束連續(xù)譜射線的衰減規(guī)律：射線檢測(cè)中常使用的是X射線，此時(shí)透射射線強(qiáng)度應(yīng)為一次射線和散射射線強(qiáng)度之和。即：I=ID+IS(式中：ID-一次射線強(qiáng)度，IS-散射線強(qiáng)度)。

2　射線檢測(cè)的原理

當(dāng)輻射入射到物體上，物質(zhì)原子與入射光子發(fā)生相互作用，射線強(qiáng)度由于吸收和散射等原因逐步減弱。強(qiáng)度衰減的大小主要取決于材料的衰減系數(shù)以及穿透該材料的厚度。如果被穿透對(duì)象存在局部缺陷，且其與構(gòu)成缺陷的材料衰減系數(shù)不同，局部區(qū)域?qū)⑴c相鄰區(qū)域產(chǎn)生透過(guò)射線強(qiáng)度的差異，利用這些差異以確定被測(cè)對(duì)象是否存在缺陷，這是射線檢測(cè)的基本原理。射線穿透被測(cè)對(duì)象后，形成一幅射線強(qiáng)度分布空間的潛像。在被檢體背面放置一個(gè)檢測(cè)器件（如圖像增強(qiáng)器、膠片等），可得到這個(gè)潛像的平面投影，經(jīng)過(guò)一定的技術(shù)處理，就可把潛像轉(zhuǎn)化成為一幅人眼睛可觀察到的二維平面圖。

3　射線檢測(cè)的發(fā)展與分類

3.1射線檢測(cè)的發(fā)展

1895年倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，隨著X射線的發(fā)現(xiàn)，法國(guó)海關(guān)開(kāi)始使用X射線檢查物品，在1920年以后，X射線開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域；美國(guó)在1922年建立了世界上第一個(gè)工業(yè)射線實(shí)驗(yàn)室，然后射線檢測(cè)技術(shù)開(kāi)始在軍工和機(jī)械制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)于1958年開(kāi)始生產(chǎn)工業(yè)射線檢測(cè)膠片，于1960年研制出第一臺(tái)便攜式60Co 源C射線探傷機(jī)，于1964年研制出第一臺(tái)X射線探傷機(jī)；90年代相繼引進(jìn)了美國(guó)、俄羅斯的工業(yè)CT裝置。

20世紀(jì)50年代以前，主要是針對(duì)射線照相檢驗(yàn)技術(shù)的研究，即膠片成像技術(shù)。1962年前后，建立了完整射線照相檢測(cè)技術(shù)基本理論。1970年后，主要是對(duì)新技術(shù)和新方法進(jìn)行了研究，這些研究的基本特征是把射線照射檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)。隨著圖像增強(qiáng)器的應(yīng)用，出現(xiàn)了實(shí)時(shí)成像射線檢測(cè)技術(shù)。20多年前，計(jì)算機(jī)、圖像增強(qiáng)器及熒光成像板等設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)字射線檢測(cè)新技術(shù)的推廣起到了很大推動(dòng)作用，其中CR和DR方法是非常重要的兩種方法。隨著數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)CT技術(shù)作為國(guó)際上無(wú)損檢測(cè)界公認(rèn)的最佳NDT技術(shù)已登上舞臺(tái)，并逐步占有無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域非常重要的地位。

3.2射線檢測(cè)的種類

如果對(duì)射線檢測(cè)技術(shù)細(xì)分，還可以分為三類。即射線照相檢測(cè)技術(shù)：X射線照相檢測(cè)、電子射線照相檢測(cè)、γ射線照相檢測(cè)、中子射線照相檢測(cè)、相紙射線照相檢測(cè)、成像板射線照相檢測(cè)等；射線層析檢測(cè)技術(shù)：康普頓散射成像檢測(cè)、膠片層析射線照相技術(shù)、射線層析檢測(cè)；射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)：X射線光導(dǎo)攝像實(shí)時(shí)成像檢測(cè)、X射線熒光實(shí)時(shí)成像檢測(cè)、圖像增強(qiáng)實(shí)時(shí)成像檢測(cè)、數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測(cè)。

3.3X射線檢測(cè)方法分類

（1）X射線照相方法：當(dāng)X射線穿透被照物體，有缺陷的位置（如孔隙，雜物等）對(duì)射線吸收能力與基體（金屬或非金屬）不同，例如空隙所含空氣對(duì)射線的吸收能力遠(yuǎn)低于基體的吸收能力，所以，通過(guò)無(wú)缺陷位置的X射線強(qiáng)度要低于有缺陷位置的射線強(qiáng)度。對(duì)應(yīng)于有缺陷的位置將接受更多的X射線粒子，從而導(dǎo)致在X射線膠片上形成黑度較大的缺陷圖像。缺陷檢測(cè)與材料性質(zhì)，缺陷厚度有關(guān)，通過(guò)缺陷部位：Id`=I0e-μ(d-x)，無(wú)缺陷部位：Id=I0e-μd（式中：缺陷厚度X，d為物體沿射線方向的厚度）。

（2）實(shí)時(shí)成像檢測(cè)：通過(guò)真空管中對(duì)X射線敏感的熒光屏把不可見(jiàn)的X射線圖像轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光子圖像，然后利用光電陰極將可見(jiàn)光子轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電子，再通過(guò)數(shù)千eV的電壓對(duì)電子加速并聚焦于熒光顯示屏，最后形成被增強(qiáng)了好幾十倍的可見(jiàn)光圖像。圖像增強(qiáng)器輸出的可見(jiàn)光圖像是不能夠直接用于觀察的，用攝像機(jī)把圖像增強(qiáng)器輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)電纜傳送到計(jì)算機(jī)，并對(duì)圖像進(jìn)行必要的加工處理再送到顯示器供檢測(cè)人員觀察分析。

（3）計(jì)算機(jī)斷層成像（CT）：在被測(cè)物體無(wú)損狀態(tài)下，利用射線以掃描方式從多個(gè)方向照射被測(cè)物的某斷面，通過(guò)計(jì)算機(jī)的專用的圖像重建算法，將前述的斷面以二維灰度圖像顯示出來(lái)，其檢測(cè)直觀圖就是被測(cè)斷層的斷面圖像。能給出檢測(cè)工件二維或三維圖像感興趣的目標(biāo)不受周圍細(xì)節(jié)特征遮擋，圖像易識(shí)別且高分辨率。

4　射線檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

射線檢測(cè)方法以其缺陷定位定量準(zhǔn)確、結(jié)果易記錄、缺陷顯示直觀等優(yōu)點(diǎn)，仍然是許多工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要手段，隨著射線在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，射線檢測(cè)技術(shù)更是呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)展勢(shì)頭。航空航天工業(yè)中，CT技術(shù)用來(lái)檢測(cè)精密鑄件，燒結(jié)和復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)等；核工業(yè)CT技術(shù)用來(lái)檢測(cè)反應(yīng)堆燃料元件的密度和缺陷，確定包殼管內(nèi)芯體的位置，核動(dòng)力裝置的零部件及組件等；鋼鐵工業(yè)CT技術(shù)用來(lái)檢測(cè)鋼材的質(zhì)量，如管子的外徑，內(nèi)徑，壁厚，偏心率和橢圓度；機(jī)械工業(yè)中可檢測(cè)鑄件和焊縫中的微小氣孔，夾雜和裂紋等缺陷；此外，在陶瓷、建筑、食品、礦業(yè)、石油等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

我國(guó)頒布的射線檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如：GB/T3323金屬熔化焊焊接接頭射線照相、GB/T5677鑄鋼件射線照相檢測(cè)、GB/T17925氣瓶對(duì)接焊縫X射線數(shù)字成像檢測(cè)等。

5　射線檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

射線檢測(cè)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)：對(duì)被檢驗(yàn)工件無(wú)特殊要求，幾乎適用于所有材料；可以直觀地顯示缺陷影像，便于對(duì)缺陷進(jìn)行定量、定性和定位等；射線底片能夠長(zhǎng)期保存，便于日后追溯查找原因。射線檢測(cè)技術(shù)的主要缺點(diǎn)：費(fèi)用高；設(shè)備較重；不能發(fā)現(xiàn)與射線方向垂直的微小線性缺陷；對(duì)環(huán)境有輻射污染，對(duì)人體有副作用甚至傷害，對(duì)其他敏感物體可能有損害，因此有安全防護(hù)要求。

6　射線的防護(hù)

當(dāng)人體受大劑量的射線照射或者連續(xù)超過(guò)允許劑量照射時(shí)會(huì)受到相當(dāng)?shù)膫Γ灰虼嗽谏渚€檢測(cè)技術(shù)中，必須采取措施避免射線的超劑量照射，減少對(duì)人體的影響。根據(jù)國(guó)際放射線委員會(huì)的規(guī)定，射線檢測(cè)人員可承受的射線最大允許劑量為每年5rem（雷姆），每月420mrem，每日17mrem。射線防護(hù)的方法主要有屏蔽防護(hù)、距離防護(hù)和時(shí)間防護(hù)3種：屏蔽防護(hù)法：利用或填充各種屏蔽物質(zhì)吸收射線，以降低射線對(duì)人體的傷害。防護(hù)材料優(yōu)先選擇密度大的物質(zhì)，如鉛、鐵等；也可以選擇普通材料，如混凝土、巖石等；距離防護(hù)法：射線劑量率與距離的平方成反比，因此增加距離可以顯著降低射線的劑量率。無(wú)防護(hù)或者防護(hù)層不夠時(shí)，這是一種有效的方法；時(shí)間防護(hù)法：讓人體盡可能減少接觸射線的時(shí)間，以保證其在任一天都不超過(guò)國(guó)家規(guī)定的最大允許劑量當(dāng)量。人體接受總劑量：D=Ρt（Ρ是射線劑量率，t是接觸時(shí)間）。

7　結(jié)語(yǔ)

作為一種綜合性應(yīng)用技術(shù)，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)經(jīng)歷了從無(wú)損探傷（NDI），到無(wú)損檢測(cè)（NDT），再到無(wú)損評(píng)價(jià)（NDE），并且向定量無(wú)損評(píng)價(jià)（QNDE）和自動(dòng)無(wú)損評(píng)價(jià)（ANDE）發(fā)展。射線檢測(cè)技術(shù)作為無(wú)損檢測(cè)極為重要的分支，隨著數(shù)字化和集成技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣?，其?yōu)越性和重要性也將倍受關(guān)注。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張小海,鄔冠華.射線檢測(cè)[J].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013(10).

作者簡(jiǎn)介：黃愛(ài)民(1982-)，男，廣東信宜人，研究方向：儀器儀表工程。