射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中最高電壓限值的規(guī)定

孫朝明

(中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所, 綿陽(yáng) 621900)

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射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中最高電壓限值的規(guī)定

孫朝明

(中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所, 綿陽(yáng) 621900)

摘要：為了解射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中最高電壓限值曲線所對(duì)應(yīng)的技術(shù)細(xì)節(jié)，對(duì)現(xiàn)行及最新制訂的射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了分析比較，追溯了最高電壓限值規(guī)定的由來(lái)以及其發(fā)展變化。在此基礎(chǔ)上，定量分析了最高電壓限值與透照厚度間的函數(shù)關(guān)系，初步探討了最高電壓限值與圖像對(duì)比度間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。分析表明，射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最高電壓限值曲線，是按指數(shù)函數(shù)關(guān)系進(jìn)行設(shè)置的；最高電壓限值曲線在膠片照相檢測(cè)中應(yīng)用較好，但在射線數(shù)字成像檢測(cè)中并不適用；如果對(duì)射線檢測(cè)中的主因?qū)Ρ榷?、圖像信噪比進(jìn)行綜合分析，則有望規(guī)定出射線數(shù)字成像檢測(cè)用的最高電壓限值。

關(guān)鍵詞：射線檢測(cè);標(biāo)準(zhǔn);最高電壓;對(duì)比度

通常在射線檢測(cè)過(guò)程中的選取曝光參數(shù)時(shí)，需要考慮射線穿透能力和能量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)。如果射線能量升高，則射線的平均波長(zhǎng)變短，射線線質(zhì)變硬，射線穿透被檢測(cè)工件的能力增強(qiáng)，到達(dá)成像介質(zhì)的射線強(qiáng)度增加；檢測(cè)時(shí)射線能量要足夠高，才能保證有效得到透視圖像，縮短曝光時(shí)間。但另一方面，隨著射線能量的增高，射線在材料中的衰減系數(shù)相應(yīng)減小，檢測(cè)結(jié)果圖像中的對(duì)比度降低。因此需對(duì)過(guò)高的射線能量進(jìn)行限制，從而保證射線透過(guò)被檢測(cè)工件及內(nèi)部缺陷后，可形成具有一定對(duì)比度的能夠辨識(shí)的缺陷影像。

大多射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所允許的X射線最高透照管電壓進(jìn)行了限定,但在限制值的具體規(guī)定方面卻并未給出,筆者追溯了最高電壓限值規(guī)定的由來(lái)以及發(fā)展變化,分析了最高電壓限值與透照厚度間的函數(shù)關(guān)系。

1射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中最高電壓限值的規(guī)定

在標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4730.2-2005[1]的4.2節(jié)“射線能量”中，以圖的形式對(duì)不同透照厚度允許的X射線最高透照管電壓進(jìn)行了限定，如圖1(a)所示。圖中被檢測(cè)工件的透照厚度范圍為1～100 mm，電壓范圍為10～500 kV，被檢測(cè)工件的材料有4種，按序號(hào)分別是銅及銅合金、鋼、鈦及鈦合金、鋁及鋁合金。在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3323-2005[2]的6.2.1節(jié)中，采用了相同的圖對(duì)最高管電壓進(jìn)行了限制。

最新制訂的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)射線檢測(cè)時(shí)的最高電壓也進(jìn)行了相應(yīng)的限定。如在ISO 17636-2[3]的7.2節(jié)中對(duì)最高電壓限值以圖的形式進(jìn)行了規(guī)定，如圖1(b)所示。圖1(b)中的4條曲線與圖1(a)中的曲線一致，只是圖1(b)中被檢測(cè)工件的透照厚度范圍擴(kuò)大為1～1 000 mm，對(duì)應(yīng)的電壓范圍擴(kuò)大為1 000 kV。在標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.11-201X[4]7.5.1節(jié)中對(duì)X射線能量限定值規(guī)定時(shí)，所采用的圖與圖1(b)基本相同。

圖1　不同標(biāo)準(zhǔn)中的最高電壓限值曲線

2最高電壓限值的由來(lái)

較早的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)射線檢測(cè)的最高電壓限值與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定有所不同。在標(biāo)準(zhǔn)GB 3323-1987[5]的4.1節(jié)中，用圖規(guī)定了不同透照厚度所允許的最高管電壓，射線管電壓最高為400 kV;從圖中可以看出透照厚度和管電壓限值是線性關(guān)系(對(duì)數(shù)坐標(biāo))。在標(biāo)準(zhǔn)JB 4730-1994[6]的3.12節(jié)中，用圖規(guī)定了透照不同厚度材料(鉛、銅、鋼、鈦、鋁及其合金)所允許的最高管電壓，射線最高管電壓為450 kV;從圖中可以看出不同材料透照厚度和管電壓限值也是線性關(guān)系(對(duì)數(shù)坐標(biāo))。比較后發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于透照鋼材料所規(guī)定的射線管電壓限值是一致的。

在標(biāo)準(zhǔn)GB 3323-1987中對(duì)于最高管電壓的規(guī)定可能源自德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 54111-1:1977[7]。在標(biāo)準(zhǔn)DIN 54111-1:1977中最高透照電壓Vmax與透照厚度T存在指數(shù)關(guān)系，對(duì)于鋼材料[8]：

(1)

按照式(1)，經(jīng)計(jì)算后可得到圖2，圖2中的曲線與標(biāo)準(zhǔn)GB 3323-1987,JB 4730-1994中的曲線符合較好。實(shí)踐表明，圖2中對(duì)10 mm以下厚度的射線透照電壓限制過(guò)嚴(yán)。DIN 54111經(jīng)過(guò)了10年的應(yīng)用[9],在標(biāo)準(zhǔn)DIN 54111-1:1988中,對(duì)此作出了修改和補(bǔ)充，形成圖1(a)所示的規(guī)定, 并被許多標(biāo)準(zhǔn)引用。比較可知，圖1(a)將圖2中1～10 mm范圍內(nèi)的直線改為緩慢上升的曲線，而大于10 mm的射線電壓限值不變。

圖2　標(biāo)準(zhǔn)DIN 54111-1:1977中對(duì)鋼材料的最高電壓限值

圖3　多項(xiàng)式擬合后的最高電壓限值曲線

圖2中的曲線可以用指數(shù)關(guān)系進(jìn)行描述，筆者采用了指數(shù)函數(shù)對(duì)緩慢上升的曲線部分、直線部分進(jìn)行分段擬合，得到了最高透照電壓Vmax與透照厚度T的關(guān)系，如圖3所示。指數(shù)函數(shù)擬合所得到的結(jié)果,與圖1(b)中的最高電壓限值曲線吻合較好。與多項(xiàng)式擬合方式[10]對(duì)比，指數(shù)函數(shù)的擬合效果會(huì)更好。

歐標(biāo)BS 2600[7]、EN 1435[11]中最高電壓限值規(guī)定也有改變，如標(biāo)準(zhǔn)BS 2600-1983中對(duì)膠片的不同類(lèi)型，將最高電壓限值線設(shè)定為R、S、T三條直線(線性坐標(biāo)下)。而標(biāo)準(zhǔn)EN 1435-1997對(duì)此進(jìn)行了更改，曲線與圖1(a)一致。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3323-2005在對(duì)射線最高電壓進(jìn)行限值時(shí)采用的圖與EN 1435一致。

3最高電壓限值與圖像對(duì)比度間的關(guān)系

如前所述，射線能量影響透視圖像的對(duì)比度。對(duì)射線檢測(cè)的原理進(jìn)行分析，可知射線成像時(shí)的主因?qū)Ρ榷葹椋?/p>

(2)

式中:I為透過(guò)檢測(cè)工件后的射線強(qiáng)度;ΔI為缺陷部位與附近完好部位對(duì)比的射線強(qiáng)度差值;μ為檢測(cè)材料的線衰減系數(shù);ΔT為缺陷部位與附近部位的透照厚度差值;n為射線散射比。

對(duì)圖1(b)曲線中的4種材料，可通過(guò)插值計(jì)算出在不同射線能量下的線衰減系數(shù)[12]μ，如圖4所示。從曲線可知，隨著射線能量的增加，材料的線衰減系數(shù)均有下降趨勢(shì);過(guò)高的射線能量不利于獲取高對(duì)比度的檢測(cè)結(jié)果。

圖4　不同射線能量下線衰減系數(shù)曲線

采用最高電壓限值時(shí)，不同透照厚度下的射線散射比n也可通過(guò)計(jì)算得到，從而可知μ/(1+n)的變化情況，結(jié)果如圖5所示。圖中給出的結(jié)果也相當(dāng)于在透照厚度差ΔT為1 cm時(shí)的主因?qū)Ρ榷?。從圖中曲線可知：① 射線透照的工件較薄時(shí)，主因?qū)Ρ榷容^高。② 相同的透照厚度下，銅與鋼靈敏度相當(dāng)，能達(dá)到較好的對(duì)比度；鈦則次之，而鋁的透照靈敏度較低。

圖5　散射作用后的線衰減系數(shù)曲線

考慮不同的厚度差ΔT,可得到最高電壓限值下的主因?qū)Ρ榷?，如圖6所示。在計(jì)算過(guò)程中，ΔT取值分別為總透照厚度的2%。從結(jié)果可以看出，各材料的主因?qū)Ρ榷扰c透照厚度呈近似線性關(guān)系。如何理解這一關(guān)系，有待進(jìn)一步分析。

圖6　最高電壓限值下的主因?qū)Ρ榷?/p>

4數(shù)字射線成像中的最高電壓限值

隨著射線檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字化射線檢測(cè)方法獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)也在逐步制訂和完善。對(duì)于射線膠片照相檢測(cè)而言，射線最高電壓限值的規(guī)定能夠在實(shí)踐中取得較好的指導(dǎo)作用，但對(duì)于數(shù)字射線成像方法，情況有所不同。正如ISO 17636所指出的，最高電壓限值曲線適用于膠片照相檢測(cè)，在使用數(shù)字陣列探測(cè)器、IP成像板等成像時(shí)，射線電壓可在一定程度上提高，并由此提出了數(shù)字化射線檢測(cè)時(shí)的補(bǔ)償原則，即使用提高信噪比的方法來(lái)補(bǔ)償射線電壓升高所帶來(lái)的不利影響。

射線數(shù)字陣列探測(cè)器可以在使用前進(jìn)行良好的校準(zhǔn)，可采用增加探測(cè)元件的曝光時(shí)間等方式增加圖像的信噪比。通過(guò)有效的數(shù)字化成像方式，檢測(cè)圖像的對(duì)比度可以超過(guò)膠片照相，裂紋的可識(shí)別性大大提高。德國(guó)的研究學(xué)者[13]提出，射線成像中的主因?qū)Ρ榷扰c信噪比的乘積形成了CNR(圖像對(duì)比度與噪聲之比)指標(biāo)。試驗(yàn)表明，有較高的信噪比時(shí)，焊縫中裂紋的影像得到了很大程度的改善。在數(shù)字射線成像中，不僅要考慮主因?qū)Ρ榷?，還要分析信噪比對(duì)圖像質(zhì)量的影響。

5結(jié)語(yǔ)

(1) 在射線膠片照相檢測(cè)過(guò)程中，為保證缺陷的檢出效果，對(duì)可用的射線最高電壓進(jìn)行了限制。限值曲線的發(fā)展變化是從無(wú)到有、從粗到細(xì)的演變過(guò)程。雖然美國(guó)、日本的射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有明確提出射線最高電壓限值曲線，但這一曲線的提出更有利于實(shí)現(xiàn)射線檢測(cè)中曝光參數(shù)的優(yōu)化選取、更便于控制檢測(cè)結(jié)果的質(zhì)量。

(2) 射線最高電壓限值曲線更多是按函數(shù)關(guān)系進(jìn)行人為設(shè)置的限值。其正確性與合理性需要放到射線檢測(cè)實(shí)踐中去檢驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)踐結(jié)果進(jìn)一步修正和完善。

(3) 數(shù)字射線成像檢測(cè)中，對(duì)射線的最高電壓值進(jìn)行限制，可以參考膠片照相檢測(cè)的結(jié)果。但數(shù)字射線探測(cè)器的成像特點(diǎn)與膠片不同，如何針對(duì)數(shù)字射線探測(cè)器的使用，具體規(guī)定出合理的射線最高電壓限值，還需要一段時(shí)間。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)在制訂時(shí)大多參考了國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)，這雖然有利于提高標(biāo)準(zhǔn)的水平,但具體到一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如何規(guī)定實(shí)施，還需要進(jìn)一步研究。

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The Regulations of Maximum Values of Tube Voltage for Radiographic Testing

SUN Chao-ming

(Institute of Machinery Manufacturing Technology, China Academy Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Abstract：To investigate the details related with the defined maximum values of tube voltage in some radiographic testing standards, the very contents in present effective standards and new developing standards were compared and analyzed, and then the origin and changes of this specification were traced. Thus, relationship between maximum values of tube voltage and penetrated thickness was quantitatively analyzed, and correlation between maximum values of tube voltage and contrast of testing result was quantitatively calculated roughly. From the analysis, we know the curve of maximum X-ray voltage versus penetrated thickness is made according to certain math function. Maximum values on the curve are the best practice values for film radiography, however, these values are not quite applicable for digital radiographic testing. If comprehensive analysis on essential contrast and signal-to-noise in radiographic testing was carried out, maximum X-ray voltage applicable for digital radiographic testing would be prescribed.

Key words:Radiographic testing; Standard; Maximum values of tube voltage; Contrast

中圖分類(lèi)號(hào)：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6656(2016)01-0075-04

DOI:10.11973/wsjc201601020

作者簡(jiǎn)介：孫朝明(1977-),男,高級(jí)工程師,主要從事無(wú)損檢測(cè)工作。

收稿日期：2015-06-08