X射線管屏數(shù)字成像的研究與分析

王占富+宋智文

摘 要：文章從管屏數(shù)字成像原理、設(shè)備主要構(gòu)成、設(shè)備參數(shù)選擇和實(shí)際測(cè)試等方面介紹了管屏數(shù)字成像。并通過實(shí)際參數(shù)實(shí)驗(yàn)將X射線管屏數(shù)字成像設(shè)備的成像質(zhì)量調(diào)整到了最佳狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：X射線；數(shù)字成像；設(shè)備

1 管屏X射線數(shù)字成像設(shè)備主要工作原理

X射線數(shù)字成像是以數(shù)字化的面陣探測(cè)器作為X射線的信號(hào)檢測(cè)器，該種探測(cè)器的外層是對(duì)X射線光子具有高吸收率的晶體屏，它吸收X射線并轉(zhuǎn)換成可見光；轉(zhuǎn)換的可見光信號(hào)再由非晶硅光電二極管轉(zhuǎn)換成電荷；形成的電荷經(jīng)過不斷積累最后由薄膜晶體管TFT集成電路讀出，并完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

外層的光子轉(zhuǎn)換屏越厚，轉(zhuǎn)換的可見光就越多，但同時(shí)系統(tǒng)能夠記錄的最小細(xì)節(jié)尺寸會(huì)隨之增大；光電二極管的間距被叫做數(shù)字圖像的像素間距，間距越大，電荷轉(zhuǎn)換效率越高，但它又限制著系統(tǒng)能夠辨別的最小細(xì)節(jié)尺寸，過大的像素間距會(huì)導(dǎo)致一些細(xì)小特征無法成像或辨認(rèn)。

2 管屏X射線數(shù)字成像設(shè)備構(gòu)成

2.1 X射線機(jī)

采用高頻率、高穩(wěn)定的微處理器控制的恒壓320kV X射線機(jī)系統(tǒng)。配COMET金屬陶瓷MXR-320kV/23 X射線管，其雙焦點(diǎn) 1.0/0.4mm，焦點(diǎn)功1800W/800W，最高工作電壓320kV，管電壓50～320kV連續(xù)可調(diào)，自動(dòng)恒功率操作。其特點(diǎn)：工作頻率40KHZ，抗干擾，紋波小，高穩(wěn)定性連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 圖像系統(tǒng)

采用美國(guó)珀金埃爾默XRD 0822AP平板X射線探測(cè)器，具有88 d B的動(dòng)態(tài)范圍以及高達(dá)每秒100幀的幀頻（fps）、具有多種讀出方式。探測(cè)器適用從60kev-15MeV的寬泛的射線能級(jí)并可選配多種射線防護(hù)及閃爍體。圖像亮度和對(duì)比度連續(xù)可調(diào)并能夠充分滿足圖像觀測(cè)要求。

二套光柵分別安裝在X射線管和平板探測(cè)器上，其中X射線管前的光柵是氣動(dòng)控制光閘，為的是進(jìn)管時(shí)保護(hù)平板探測(cè)器不受射線直接照射；而平板前的光柵是電動(dòng)控制光閘，且水平方向的上、下和垂直方向的左、右均可實(shí)現(xiàn)分別單獨(dú)控制，為的是更好的屏蔽部分圖像系統(tǒng)的輸入屏，使局成像清晰準(zhǔn)確，從而提高成像的質(zhì)量。

2.3 工控機(jī)

工控機(jī)用于采集檢測(cè)的圖像信息，進(jìn)行圖像處理并對(duì)檢測(cè)圖像進(jìn)行技術(shù)評(píng)定，例如一條環(huán)形焊縫動(dòng)態(tài)圖像的連續(xù)觀察或靜態(tài)圖像的多次截取以及圖像對(duì)比度的調(diào)整等，加上產(chǎn)品令號(hào)、編號(hào)、時(shí)間、操作人員等多項(xiàng)信息的同屏顯示等等?？傊ㄟ^軟件的處理，可實(shí)時(shí)觀測(cè)到時(shí)檢測(cè)圖像內(nèi)部的各項(xiàng)信息。檢測(cè)結(jié)果可儲(chǔ)存并刻錄在光盤之上以便長(zhǎng)期保存和日后的查閱。

3 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)分析

在X射線成像檢測(cè)中，空間分辨率、對(duì)比度是兩個(gè)非常重要的指標(biāo)，前者描述了X射線轉(zhuǎn)換媒質(zhì)的性能，后者被用來衡量獲取的圖像質(zhì)量。

3.1 空間分辨率

空間分辨率表征了系統(tǒng)能夠記錄的最小細(xì)節(jié)尺寸，通常用LP/mm（每毫米線對(duì)數(shù)）表示，可以用專門制作的線對(duì)卡在X射線下曝光成像來測(cè)試系統(tǒng)的空間分辨率。

3.2 圖像對(duì)比度

圖像的對(duì)比度決定了在射線透照方向上可識(shí)別的圖像細(xì)節(jié)的尺寸，是評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量的重要指標(biāo)。在X射線檢測(cè)系統(tǒng)中，圖像的對(duì)比度通常是指圖像與背景的灰度之差。

對(duì)比度不僅僅與探測(cè)器有關(guān)，還關(guān)系到成像系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，影響的主要參數(shù)除了射線在工件中的衰減系數(shù)外，散射也是影響對(duì)比度的主要原因。非晶硅面陣探測(cè)器的轉(zhuǎn)換屏都設(shè)置成又柱狀閃爍晶體排列而成，使射線在閃爍體內(nèi)只能沿直線傳播，可以有效降低散射線對(duì)對(duì)比度的影響。

4 實(shí)際測(cè)試

在實(shí)際使用中，我們選擇已知有缺陷的樣管進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)整X射線電壓、電流、曝光量、焦距等參數(shù)，將X射線管屏數(shù)字成像設(shè)備的成像質(zhì)量調(diào)整到了最佳狀態(tài)。

管子尺寸：51*7；電壓：226kV；電流：3.55mA；焦點(diǎn)：0.4；像質(zhì)計(jì)在膠片測(cè) 13號(hào)像質(zhì)計(jì)；像質(zhì)計(jì)可識(shí)別5根；積分次數(shù)：50次；采集幀速99ms；可清晰發(fā)現(xiàn)一個(gè)氣孔缺陷。（圖1）

積分次數(shù)和采集幀速也是決定射線經(jīng)由探測(cè)器調(diào)制后強(qiáng)度大小的一個(gè)因素，積分次數(shù)和采集幀速越大，強(qiáng)度越大，且呈線性關(guān)系。另外增加探測(cè)器的積分時(shí)間，會(huì)大大降低噪聲，也是常用的一種降噪的有效處理手段，降噪實(shí)際就是使圖像更平滑，降噪技術(shù)即是各種平滑技術(shù)。采取的手段就是對(duì)圖像采用某種方式求平均，但是由于噪聲和信號(hào)通常呈現(xiàn)相似特征，所以平滑降噪的同時(shí)會(huì)是圖像模糊，甚至?xí)?dǎo)致降噪毫無意義。但積分次數(shù)增大的同時(shí)會(huì)延長(zhǎng)成像時(shí)間，對(duì)工作速度有一定影響。經(jīng)過我們的多次測(cè)試與對(duì)比。將積分次數(shù)定位30以上，采集幀速根據(jù)管材壁厚決定。管子壁厚越厚，采集幀速越高。

管子尺寸：51*7；電壓：178kV；電流：4.45mA；焦點(diǎn)：0.4；像質(zhì)計(jì)在膠片測(cè)；12號(hào)像質(zhì)計(jì)；像質(zhì)計(jì)可識(shí)別5根；積分次數(shù)：50次；采集幀速99ms；可清晰發(fā)現(xiàn)內(nèi)凹。（圖2）

5 結(jié)束語

該設(shè)備采用了國(guó)際最先進(jìn)的非晶硅平板探測(cè)器數(shù)字成像技術(shù)，成像質(zhì)量清晰，檢測(cè)靈敏度高，滿足NB/T47013、ASME等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)要求。主要用于：組裝成屏（管子直徑：Φ20～Φ76mm）成排（包括換管、插管）焊口、半元件管子焊口、短直管焊口（工業(yè)電視無法實(shí)施檢測(cè)）。

參考文獻(xiàn)

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