底片黑度對(duì)射線檢測(cè)靈敏度的影響探究

楊 磊

（山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院濰坊分院，山東濰坊 261000）

0 引言

X 射線檢測(cè)技術(shù)是承壓類特種設(shè)備中定期檢驗(yàn)時(shí)的重要內(nèi)部缺陷檢測(cè)方法之一，因承壓類設(shè)備所盛裝介質(zhì)通常具有高溫高壓、易燃易爆等特性，排除其內(nèi)部缺陷對(duì)于設(shè)備的使用安全具有重要意義[1]。如何提高射線檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)靈敏度一直是承壓類設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)人員研究的重要課題。

所謂X 射線檢測(cè)靈敏度，指在X 射線底片上所能發(fā)現(xiàn)的焊縫內(nèi)部最小缺陷的能力，它是衡量X 射線檢測(cè)自身工作質(zhì)量的一項(xiàng)綜合指標(biāo)。X 射線檢測(cè)的技術(shù)水平和所用的器材性能水平較集中地反映在這項(xiàng)指標(biāo)上。檢測(cè)靈敏度又與底片黑度、對(duì)比度（反差）、清晰度等因素有一定內(nèi)在聯(lián)系。為集中討論其中的某一問題，本文僅就靈敏度與底片黑度之間的相互關(guān)系作深入探討。

1 底片黑度的定義

用于無損檢測(cè)的X 射線通常是由高速運(yùn)動(dòng)的電子撞擊物質(zhì)的原子所產(chǎn)生的波長(zhǎng)為1×10-6～1×10-10cm 的電磁波，它具有穿透金屬和其他物質(zhì)的能力，同時(shí)能使膠片感光。當(dāng)X 射線穿透工件時(shí)，由于基本金屬（如鍋爐筒體的母材和焊縫）和內(nèi)部缺陷（如焊縫內(nèi)部的氣孔、夾渣、未熔合、未焊透、裂紋等）的密度不同，它們對(duì)X 射線的吸收亦有所不同，使貼在焊縫背面的X 光膠片的感光量也有所不同，經(jīng)暗室顯影處理后根據(jù)底片上黑化程度的差異，判斷是否有缺陷，這就是X 射線檢測(cè)技術(shù)的基本原理[2]。

底片黑化程度稱為黑度。黑度是指X 射線至底片上的光通量與透過的光通量的常用對(duì)數(shù)的比值D=lg（I0/I）。

底片的對(duì)比度（反差）是指底片上相鄰兩有個(gè)區(qū)域黑度的差異，即ΔD=D2-Dx。對(duì)比度越大，則缺陷與焊縫金屬之間的輪廓界線越分明，就愈容易識(shí)別缺陷，因此，探傷靈敏度越高。

2 底片黑度差產(chǎn)生的原因

X 射線穿透物質(zhì)后，由于被物質(zhì)所吸收（產(chǎn)生光電效應(yīng)、散射效應(yīng)或者康普頓效應(yīng)）而消耗能量，射線強(qiáng)度將顯著減弱。實(shí)驗(yàn)證明，射線減弱具有自然衰減的規(guī)律。

通過厚度為dt 微小薄層物質(zhì)時(shí)，X 射線強(qiáng)度衰減量di 正比于X 射線強(qiáng)度I 和穿透層的厚度（圖1），即di∝-Idt 或di=-μdt。其中，μ 為比例常數(shù)，與X 射線的波長(zhǎng)及物質(zhì)有關(guān)系，稱為該物質(zhì)的衰減系數(shù)，其單位為厘米-1，“-”表示強(qiáng)度的變化是由強(qiáng)變?nèi)?，即衰減的意思。

圖1 X 射線的衰減

對(duì)上式進(jìn)行積分，則：∫（dI/I）=-∫μdt，lnI=-μt+C。

當(dāng)X=0 時(shí)，I=I0，故C=tnI。代入上式得：lnI+InI0=ln（I/I0）=-μt。因此，I/I0=e-μt或I=I0e-μt。其中，e 是自然對(duì)數(shù)的底，e=2.718 28…；t為穿過物質(zhì)的厚度；I0為入射X 射線的強(qiáng)度，I 為透過t 厚物質(zhì)后的X 射線強(qiáng)度。

通過上式可看出，X 射線通過物質(zhì)時(shí)，將按照指數(shù)函數(shù)的規(guī)律迅速衰減。

3 膠片特性曲線與底片黑度的關(guān)系

X 射線檢測(cè)工藝證明，底片黑度主要與X 射線透照曝光量有關(guān)。X 射線強(qiáng)度I 與爆光時(shí)間T 的乘積為常數(shù)，表示為曝光量E。

一般來說，曝光量越大，底片黑度越大，但是底與黑度與曝光量之間關(guān)系不是簡(jiǎn)單的遞增關(guān)系，僅是在某一定范圍內(nèi)才依直線關(guān)系遞增（圖2）。圖2 中橫座標(biāo)為曝光量E 的常用對(duì)數(shù)值，縱坐標(biāo)為底片上黑度D，這樣繪制的一條曲線通常稱為膠片特性曲線。

圖2 膠片特性曲線

將曲線中直線部分延長(zhǎng)并與橫軸相關(guān)成夾角θ，取夾角θ 的正切值r，稱之為膠片反差系數(shù)：r=tgθ=（D2-D1）/（lgE2-lgE1）。

如果有一束入射強(qiáng)度為I 的X射線取某工件進(jìn)行探傷，假設(shè)工件內(nèi)部有一缺陷，其厚度為x，經(jīng)X 射線透照拍片后，透過基本金屬部的X 射線強(qiáng)度為I1，其底片部位的黑度為D1，透過有缺陷部位的X射線強(qiáng)度為I2，其底片部位的黑度為D2，因?yàn)榛窘饘倥c缺陷的密度不同，一般是D2>D1，則I2

因?yàn)榛窘饘俨课缓陀腥毕莶课皇且酝瑯拥臅r(shí)間T 進(jìn)行探傷的，所以r=ΔD/（lgI2T-lgI1T）=ΔD/（lgI2-lgI1）。由于I=I0e-μt，則：I1=I0e-μt；I2=I0e-μ（t-x）。

對(duì)這兩個(gè)公式分別取常用對(duì)數(shù)，然后相減，則lgI2-lgI1=lg。

因此，ΔD=0.43μxr；或D2-D1=0.43μxr 或D2=D1+0.43μxr。

進(jìn)行X 射線檢測(cè)時(shí)，工件材料的μ、工件內(nèi)部缺陷厚度x 和膠片的反差系數(shù)r 均是固定的，所以（0.43μxr）是常數(shù)。

從上面的分析可知，適當(dāng)提高射線能和量曝光量，底片上基本金屬部位黑度D1會(huì)提高，底片上有缺陷部位黑度D2亦隨之提高；兩者在底片上黑度差異（反差）也相應(yīng)增加（ΔD=0.43μxr），這樣，底片上缺陷部位的影象與基本金屬部位的影象之間輪廓界線更加清晰可辨，更細(xì)小的缺陷也能檢測(cè)出來了，探傷靈敏度也會(huì)隨之提高。

由此可見，在進(jìn)行X 射線照相法探傷時(shí)，適當(dāng)提高射線能量和曝光量會(huì)提高基本金屬部位的黑度和有缺陷部位黑度，能夠提高探傷靈敏度，相反黑度降低、靈敏度也會(huì)有所下降。

有關(guān)研究表明，正常人的肉眼可分辨出的最小黑度差值為0.02[3]，即Dmin=0.02，再小就無法分辨了。因此，xmin=0.02/0.43μr=0.046/μr。

通過上面論述可知，當(dāng)工件材料的衰減系數(shù)μ 值一定時(shí)，膠片反差系數(shù)r 愈大，能夠發(fā)現(xiàn)的缺陷尺寸就愈小，檢測(cè)靈敏度愈高，這就是無損人員喜歡使用高反差的膠片的理由。

4 最佳推薦底片黑度范圍

如前所述，提高底片黑度對(duì)提高探傷靈敏度有利，但是，隨著黑度的提高，對(duì)底片觀察的高度要求愈高，假設(shè)底黑度D=4，根據(jù)黑度的定義：D=lg（J0/J）=4，則J0/J=104=10 000 或J0=10 000J。這就是說，如果要能觀察到底片靈敏度下的某一細(xì)小缺陷，則要求入射光通量至少是透過光通量的1 萬倍，顯然要獲得這樣強(qiáng)大的光源是有困難的，而且這樣強(qiáng)的光線對(duì)人眼刺激太大，使評(píng)片人員無法工作。另外，要獲得這樣高的黑度的底片，X 射線探傷的曝光參數(shù)要大大提高，是很不經(jīng)濟(jì)的。

由此可見，底片的黑度規(guī)定應(yīng)有一個(gè)適合的范圍。

對(duì)于承壓類特種設(shè)備的射線檢測(cè)而言，執(zhí)行的是NB/T 47013—2015 標(biāo)準(zhǔn)，在該標(biāo)準(zhǔn)的5.16.11.1 條中規(guī)定，對(duì)于檢測(cè)技術(shù)等級(jí)為AB 級(jí)的檢測(cè)，其黑度范圍為2.0～4.5，在實(shí)際檢測(cè)中，應(yīng)推薦一個(gè)中間范圍的黑度值，以保證所拍底片均在正常黑度范圍之內(nèi)。

實(shí)踐還證明，能夠發(fā)現(xiàn)最小缺陷的黑度范圍往往是在推薦黑度范圍內(nèi)較窄的一部分，這就是所謂最佳黑度范圍。探傷人員的工作應(yīng)將底片黑度控制在最佳黑度范圍之內(nèi)，以求獲得最佳探傷底片質(zhì)量（圖3）。

圖3 底片黑度與靈敏度的關(guān)系

按照NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》規(guī)定，底片正常黑度在2.0～4.5，低于下限或超過上限為廢片，需重新拍片；推薦黑度規(guī)定在2.5～4.0，這是同常探傷工作所要求達(dá)到的范圍；最佳黑度則控制在2.8～3.8，這是經(jīng)過多次試驗(yàn)求得的黑度范圍，可獲得最佳靈敏效果。不過這并不僅是通過提高底片黑度來取得的，在實(shí)際檢驗(yàn)中檢測(cè)人員可以參照這個(gè)范圍，以達(dá)到最佳的檢測(cè)靈敏度。

5 結(jié)束語(yǔ)

射線檢測(cè)的靈敏度是一項(xiàng)綜合性能，黑度對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響往往容易被忽視，本文從黑度差產(chǎn)生的機(jī)理和試驗(yàn)論證，得出承壓類特種設(shè)備采用AB 級(jí)檢測(cè)技術(shù)等級(jí)檢測(cè)時(shí)的最佳推薦黑度范圍，可以為檢驗(yàn)人員提供一定的參考。