数字射线照相技术在无损探伤检测中的应用前景

张含光，刘惕生

（天津天感感光材料有限公司，天津 300220）

1 数字射线照相技术在工业射线无损检测应用中具有强大生命力

1.1 传统的工业胶片射线照相面临数字射线照相的严峻挑战

众所周知，现代医用数字影像技术迅猛发展，正以排山倒海之势迅速占领医疗卫生市场，并成为现代医疗卫生事业发展的强大动力。数字化和网络化已成为现代医用数字影像技术的发展标志和方向。在现代医用数字影像技术的冲击下，传统医用影像材料的应用市场越来越小，正在面临被淘汰的危险。虽然目前在工业射线无损检测领域仍然广泛应用传统工业射线胶片，但是，随着工业射线无损检测技术的现代化发展，传统的工业胶片射线照相正在受到数字射线照相的严峻挑战。

1.2 数字射线照相与传统胶片照相比较所具有的技术优势

数字射线照相与传统胶片照相比较具有明显的技术优势。

①CR和DR成像系统用器件能长期重复使用

CR成像系统用IP成像板及DR成像系统用CCD、CMOS、非晶硒、非晶硅等检测器都能长期反复使用。IP成像板能重复使用5000～10000次，CCD、CMOS、非晶硒、非晶硅等检测器使用时间更长。

②射线感光灵敏度高，宽容度大

数字射线照相的射线感光灵敏度高于传统胶片照相的射线感光灵敏度，有时甚至高达十倍左右，因而所需的曝光量少，曝光时间明显减少，有利于辐射防护。此外，数字射线照相一次扫描动态范围大，曝光宽容度大，因而无曝光不足或曝光过度的问题；当工件材料厚度差较大时，一次曝光能同时显示厚薄区域的细节。

③环境保护

不像射线胶片那样需要化学加工药液，不会产生废液和废水，有利于环境保护。

④使用方便

无需暗室操作，可自动化操作，人们易于掌握，更不会因人而异，便于保证工作质量的稳定性。

⑤便于影像处理，提高影像质量

数字影像可通过计算机进行改变影像密度、改变影像对比度、影像翻转、影像减影、提高影像清晰度等数学增强处理，有利于提高成像质量。

⑥设备紧凑，占地面积小

数字射线照相的激光成像仪 （扫描器）结构小巧，有柜式、筒式、台式，占地面积小。

⑦便于进行数字化、网络化应用

通过数字化、网络化应用，更有利于无损检测技术的现代化、网络化发展。数字射线图像的网络化传输则有利于信息共享或网络交流和远程评定，提高检测数据的应用效率。

2 数字射线照相技术成像系统的分类和工作原理

数字射线照相技术成像方法和成像系统很多，现重点介绍底片扫描法和CR、DR两种成像系统。

2.1 底片扫描法

底片扫描法就是对射线照相底片进行高分辨率扫描，将射线照相底片上的影像转换成数字图像。将底片影像数字化扫描进计算机后，不仅能保留底片影像的高分辨率优势，而且能通过数字增强处理方法增加射线照相底片的信息量。这种扫描的像素芯距可变，通常约25—50μm；空间线性（再现射线底片上图像尺寸的准确度）也好。

底片扫描法的工作流程图如图1所示：

图1 底片扫描法的工作流程图

2.2 CR成像系统

CR（Computed Radiography）成像系统是日本富士胶片公司于上世纪七十年代初开发成功的计算机射线照相系统，简称CR系统，又称FCR系统。该系统不是以传统医用或工业射线胶片作为记录和显示信息的载体，而是使用可记录、并可由激光读出射线影像信息的荧光成像板（Imaging Plate IP）作为载体，经射线曝光及CR扫描器激光扫描读出信息，配套影像处理软件经计算机完成图像处理，形成数字式二维平面图像。

CR成像系统的工作流程图如图2所示：

2.2.1 IP荧光成像板

①IP荧光成像板结构

荧光成像板的结构如图3所示：

荧光成像层是IP荧光成像板的关键涂层，其作用是在成像板使用过程中，经X线摄影形成潜影，再经激光扫描产生荧光影像。成像物质为辉尽性荧光体—含微量二价铕离子的氟卤化钡晶体。晶体平均粒径为4～7μm。

图2 CR成像系统工作流程图

图3 荧光成像板结构图

辉尽性荧光物质就是具有光辉尽发光特性的物质。所谓光辉尽发光就是把最初受到的光刺激信号记录下来，当再次受到光刺激（二次激发）时，会释放出与最初受到光刺激相似的信号。

②IP荧光成像板的成像基本原理

首先由X线摄影形成潜影：在X线对成像板作用时，荧光成像层中的氟卤化钡晶体中的微量铕离子被X线激发而离解，由二价变为三价，Eu2+→Eu3+＋e，将电子释放给周围的导电带；导电带中的自由电子被晶体中已有的卤离子空穴所捕获，产生半稳定状态的F中心，从而在成像板的荧光成像层上形成潜影。

然后，成像板经激光扫描形成荧光模拟影像：当波长为600nm左右的激光扫描已形成潜影的成像板时，激发光被F中心所吸收；致使F中心俘获的电子重新释放到导电带，再被三价铕离子所捕获，铕离子重新由三价变为二价，Eu3+＋e→Eu2+；此时二价铕离子强烈释放能量而发光，形成波长为390～400nm的荧光模拟影像。

③IP荧光成像板的工作原理

IP荧光成像板的工作原理图如图4所示：

2.2.2 CR扫描器

①CR扫描器的工作原理

CR扫描器的工作原理如图5所示：

图4 IP荧光成像板工作原理图

图5 CR扫描器的工作原理图

在扫描器中，当激光扫描IP板（存储荧光板）读出时，荧光影像（模拟信息影像）被逐行聚光导入光电倍增管，转换为电信号，随后经A/D转换器转换为数字信号（数字化信息影像）而被读出。读出后的数字化影像信息可储存于计算机光盘，也可通过CRT进行显示，或可通过打印机输出X线照片。

②CR扫描器的分类

CR扫描器根据其使用条件和使用要求，大致可分为柜式、台式和筒式等三类。

柜式CR扫描器适用于各种标准块状规格的配有硬质暗盒的成像板。硬质暗盒一般内附防散射铅屏，主要起提高影像清晰度和保护成像板防摩擦、提高使用寿命的作用。在扫描器中，带有曝光潜影的成像板会自动从暗盒中移出，经扫描读出后，再经白光消除潜影后，会自动进入硬质暗盒备用。

台式CR扫描器适用于标准条状规格（普通射线照相焊缝检验常用胶片尺寸）的配有柔性暗盒的成像板。台式CR扫描器的使用特点是一次可同时扫描多张成像板，以提高工作效率。

筒式CR扫描器是一种小型的便携式扫描器，适用于标准条状规格的配有柔性暗盒的成像板。筒式CR扫描器主要用于扫描室内检测承压设备环焊缝用的柔性成像板，也适合于野外现场检验使用。

2.3 DR成像系统

DR成像系统即数字射线照相系统（Digital Radiographic System）与CR系统不同，其采用影像检测器以代替工业射线胶片捕获X射线影像，并直接转换成数字影像，配套影像处理软件经计算机进行影像处理和储存。

DR成像系统的工作流程图如图6所示：

图6 DR成像系统的工作流程图

DR成像系统的关键材料是影像检测器，或称影像传感器，主要有CCD、CMOS、TFTs等。

2.3.1 CCD（Charge Coupled Device电荷耦合器件）

CCD（电荷耦合器件）是一种光子探测器，是利用微电子技术制成的表面光电器件，具有光电转换功能。在CCD芯片上有许多光敏单元，可将X射线转换屏发出的不同的光信号转换成不同的电荷信号，形成电荷影像，再转换成数字影像。增加CCD上光敏单元的数量，就能增加影像的分辩率。

2.3.2 CMOS（互补型金属氧化物半导体）

CMOS（互补型金属氧化物半导体）是一种高效、大分辩率的全新影像检测器。与CCD相比，CMOS具有更高的影像分辩率、更高的信号处理能力、更低的功耗、更少的使用空间和更好的性能/价格比。

2.3.3 TFT(Thin Film Transistor）非晶硅、非晶硒薄膜晶体管

这种平板检测器是一种高分辩实时成像板，可分成间接型与直接型两种。这种成像板能获得类似于胶片的成像质量，其典型的像素芯距为100m。对于间接型非晶硅平板检测器来说，由荧光体组成X射线转换层将X射线变换成可见光子，被光电二极管捕获，转换成电子，随后通过晶体管读出。对于直接型的非晶硒非晶硅平板检测器来说，常用光电导体（非晶硒）取代闪烁体，将X射线光子直接转换成电子，用非晶硅薄膜晶体管陈列实现数字影像信号的采集。非晶硒变换层显示极高的分辨率。

3 数字射线照相技术成像系统的工作特点和特性比较

3.1 数字射线照相技术成像系统的工作特点

3.1.1 底片扫描法

底片扫描法适合于当前大量使用工业射线胶片进行无损检测的单位实现底片影像的数字化处理。这样不仅能在充分利用工业射线胶片影像的高分辨率优势的同时，又能实现胶片影像的数字化处理，以适应当前影像信息数字化的发展趋势。无损检测单位在采用底片扫描法时，只需购进高分辨率影像扫描器，投资较少，效果却很大。通过采用底片扫描法，无损检测单位不仅能进行工业射线胶片影像的计算机数字化处理，提高影像质量，又能实现信息的数字化和网络化，便于图像信息的数字化存档和检索、图像信息的远程传输和资源共享。因此，采用底片扫描法是数字射线照相技术的一种投入少、产出大的选择。

GE胶片数字扫描仪如图7所示：

图7 GE FS50/FS50B胶片数字扫描仪

GE FS50/FS50B胶片数字扫描仪技术规格：

光源：HeNe激光632.8nm；激光扫描分辨率50～500μm，按1μm步进；

FS50密度范围：0.05～4.0D；FS50B密度范围：0.05～4.7D；

扫描速度：14x17”7秒 （速度模式，200μm）；120秒（质量模式，50μm）；

像素深度：12bit（4096灰度）对数式；

胶片大小：最小宽度60mm-2.4”，最大宽度355mm-14”；

重量：45kg；尺寸：526x764x330mm；

接口：SCSI，SCSI II；

电源：100～120V；200～240V；50/60Hz，400W；

3.1.2 CR成像系统

CR成像系统采用柔性荧光体成像板 （IP板）代替传统工业射线胶片进行射线照相，仅需对原有的检测用工业射线装置稍加改造就能使用。由于荧光成像板的曝光宽容度大，因此，使用荧光体成像板的方法更易于被习惯于使用射线胶片的工作人员所掌握。经射线照相后的带有潜影的成像板在CR扫描器中经激光扫描，能产生数字化影像信息被读出，即可实现数字射线照相的目的。为此，无损检测单位可根据需要购进相应的像GE检测技术公司生产的CR扫描器（柜式、台式或筒式）。采用普通荧光体成像板，虽然其像质计（IQI）灵敏度不如射线胶片，但曝光时间短（尤其在低kv时）。此外，由于使用荧光体成像板可免去射线胶片的冲洗加工步骤，无需消耗化学药品，有利于环境保护。CR成像的IQI灵敏度问题可通过荧光体的微粒化加以改善。现在成像板制造公司已推出高IQI灵敏度的荧光体成像板，其成像IQI灵敏度明显优于标准规定值。鉴于国外CR成像系统应用于工业无损检测较为普遍，欧洲和美国都有相应的CEN（欧标委）标准、ASTM（美国材料试验学会）标准和ASME（美国机械工程师学会）标准，用于系统等级分类、性能评定和焊缝、铸件等产品鉴定标准。

3.1.3 DR成像系统

DR成像系统采用CCD、CMOS、TPTs等影像检测器代替工业射线胶片进行射线照相，并直接转换成数字影像。CCD、CMOS、TPTs等影像检测器具有对可见光感光度高、像素大、分辨率高，但视场尺寸小的特点。如GE数字X射线成像检测系统，使用GE Revolution平板探測器 （DXR-500）（非晶硅-碘化铯），用于小零件和大零件的DXR数字系统（如图8所示），具有快速曝光、低电噪声、高对比度、高像素填充因数、高动态范围：＞10000∶1（静态）的特点。

图8 DXR数字系统

DR系统也可用于实时射线照相。如锅炉小径管和液化气钢瓶等生产线对接环焊缝的在线实时成像检测。

GE公司提供的X射线实时成像轮毂检测系统如图9所示：

成像系统：WHEEL Compact配置VISTALUS 9/3成像系统，包括9"三视野先进的金属陶瓷图像增強器管，后接高分辨率CCD摄像机，实时图像显示在高分辨率的17"黑白显示器上。

GE公司还提供Rhythm X射线检测集成软件对X射线检测集成结果进行图像评估，这种集CR兼容计算机射线成像、DR数字射线成像和胶片扫描于一体的所有X射线检测模式，能提高工作效率，节省时间和费用。图像评估的可重复性好，无需复杂的培训。

3.2 数字射线照相技术成像系统的特性比较

数字射线照相技术成像系统的特性比较如表1所示：

4 工业射线胶片生产企业积极应对数字射线照相技术发展的严重挑战

数字射线照相技术的迅速发展和广阔的应用前景对于工业射线胶片生产企业来讲，挑战和机遇并存。

4.1 加强创新研究，提高工业射线胶片性能

天津美迪亚影像材料有限公司生产的天津牌工业射线胶片系国内知名品牌，具有宽容度大、像质计灵敏度高、清晰度好等特点，可用于铝合金铸件、铝合金焊件、钛合金焊件、钢焊件等的射线照相探伤检测，获得使用单位的认可。面对数字射线照相技术的挑战，我们应该加强创新研究，进一步发挥胶片照相的像质计灵敏度优势和高温快速加工的特点，以便工业无损检测单位在推广数字射线照相技术过程中，在选用底片扫描法方面有更多的考量。

4.2 开发研究数字射线照相技术新产品

天津美迪亚影像材料有限公司已经在开发研究数字射线照相技术新产品方面做了大量工作，并取得了一些成果。首先要加快荧光体成像板的研发进度，尽快在CR成像系统的开发方面见到成效。同时要加强数字射线照相的标准化研究，学习和借鉴国外数字射线照相的标准化成果。

5 小结

数字射线照相技术，能大大减少曝光时间，缩短检测周期，既能提高射线检测速度和效率，又能完全避免由胶片冲洗引起的环境污染；还可实现射线照相结果的数字化处理、电子存档和检索、影像在线传输、远程评定等。因此，在无损检测技术的数字化、现代化发展的进程中，数字射线照相技术具有强大的生命力和广阔的应用前景。数字射线照相技术的发展也给工业射线胶片生产企业带来挑战和机遇。

在应用数字射线照相技术方面无损检测单位可根据自身的条件和工作要求，从投入产出上考虑选择那种数字射线照相成像系统：对于尚未接触数字射线照相的单位来讲，可首先采用底片扫描法，可在用好射线胶片进行无损检测的同时，实现图像信息的数字化处理；对于有一定实力的无损检测单位来讲，可根据需要选择CR或DR成像系统。CR成像系统采用柔性荧光体成像板，是替代射线胶片进行无损检测的最佳选择。DR成像系统既可应用于大、小零件无损检测，又可用于实时数字射线照相，但价格昂贵，投资费用大。

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