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中国射线检测进展与挑战:射线计算机数字成像技术
发布:kittyll   时间:2015/8/10 15:52:14   阅读:1226 
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X射线数字成像在英、美等工业发达国家在80年代后期在工业领域开始研究、应用这项技术。而几乎在同时,国内无损检测也就这方面开展了研究工作,并将该技术应用于锅炉、压力容器焊缝的无损检测。在射线无损检测中,数字化X射线照相检测已经日益得到推广和应用。

数字化X射线照相检测技术可以有多种分类方法,通常根据射线曝光到图像的显示过程,即读出方式的不同分为两类:直接读出(Direct Readout)方式和非直接读出(Nondirect Readout)方式。
 



图片来源:网络

直接读出方式技术称为直接数字化照相DR(Direct Readout)。平板探测器(Flat Panel Detector,简称FPD)是当前最流行的DR技术检测设备。平板探测器是由大量微小的带有薄膜晶体管(TFT, Thin Film Transistor array)的探测器成阵列排列而成。
 

图片来源:网络

由于电子转换模式不同分为间接转换型DR和直接转换型DR。间接转换型FPD为多层结构,主要由闪烁体(目前主要有碘化铯CSI)或荧光体(硫氧化钆GdSO)层加具有光电二级管作用的非晶硅层(amorphous Silicon, a-Si)再加TFT阵列构成。此类FPD的闪烁体或荧光体层经X射线曝光后,可将X射线光子成正比地转换为可见光,而后由具有光电二极管作用的低噪声非晶硅层(TFT阵列)吸收可见光并转换为电信号,读出电路将每个像素的数字化信号传送到计算机的图像处理系统集成为X射线影像,最后获得数字图像显示。间接FPD由于有可见光的转换过程,因此会有光的散射问题,而影响图像的分辨率。直接FPD的结构主要是由非晶硒层(amorphous Selemium, a-Se)加TFT构成。非晶硒不使用闪烁体,直接将X射线通过信号转化,在该过程中不会产生可见光散射现象(拖影),能提供一个完整的扫描场,比非晶硅板探测器精度高,大大提高了图像质量。但是非晶硅探测器对环节温度变化要求高,获取图像速度慢,并且由于直接暴露在X射线下,抗射线损坏能力较差。

计算机射线照相检测CR(Computed Radiography)技术是指采用X射线成像板(Image Panel,简称IP板)代替传统的X射线胶片来接受X射线照射,即CR的成像要经过IP板成像、图像读取和图像的处理显示等步骤。CR技术利用的IP板可重复使用,其可视为一张能够反复曝光的电子胶片,寿命取决于机械磨损程度。CR是一种新的成像技术,在不少方面优于传统的X射线成像,但是IP板以及必须配备的读出器的价格目前还是相当昂贵的,从效益—价格比来说,尚难以替换传统的X射线成像。CR除了具备所有数字化影像的共同优点外,其最大优势在于仅以IP板代替X射线胶片,现有的传统X射线透照设备(周向、定向射线机)以及爬行器都可以继续使用。CR与普通X射线照片的不同在于其信号经光电转换最终得到数字化图像,可以在荧光屏上观看或进行不同的后处理,作业过程基本与常规的胶片照相相同,不需要对操作者进行特殊的培训,使用方便,适用于各种检查,特别是适合于传统射线机和野外恶劣环境施工。

与传统胶片法照相检测相比,CR与DR技术的应用不需要洗片过程,没有了显影、定影液等化学药品的消耗,不但能节约大量胶片、药水、洗片机、暗室处理的辅助设备器材以及胶片存储等的费用,节省了环保投资,还能比较好地进行质量的控制。CR与DR的X射线转换效率高(屏感光度高),因此比传统胶片法照相检测所需X射线的剂量要低得多,再通过数字化图像处理技术就能得到高清晰的图像,明显缩短了曝光时间,同时也使操作者减少了受X射线辐射的危害,而且X射线发生器也只需要在较小功率下工作就能满足要求。CR的图像对比度和噪声的表现已经很不错,但是由于CR技术是将信息首先记录在IP板上。再通过扫描装置实现数字化转换,其间存在光学散射和X射线散射,另外曝光条件仍受所使用的X射线设备所限制(焦距、焦点尺寸大小、曝光量以及管电压等),因而图像虽然已经接近X射线照片的图像质量,但与DR相比则仍略逊。

DR与CR探测设备技术进展

CR检测器又叫成像板包含辉尽性荧光物质层来吸收射线并形成潜影,荧光层最初的结构是将磷光材料(例如BaFX:Eu+2,其中X表示Br或I原子)粉末悬浮在多聚体凝胶中。然而这种结构需要高曝光量并具有低的空间分辨率,近年来随着技术的进步,为了降低曝光量和提高分辨率,开发出了新型的长条针状结构的荧光材料并采用双面读出方式来替代早期的单面读出方式,采用新材料和双面读出方式的IP板的剂量利用率已接近DR检测器的水平并超过感光速度400的胶片系统。针状晶体结构材料为射线吸收率更高的CsBr:Eu+2,取代了早期的非晶体磷光粉末,这种针状晶体结构不仅可以将射线能量成可见光,而且也是一种光导体材料,它可以有效地将转换后的可见光子捕获并传导,因此大大降低电子转换前的可见光散射,提高了分辨率和提高了射线转换效率,降低了曝光负荷(射线剂量)。采用双面读取方式可以有效地降低扫描激光和转换后的可见光的损失,提高信噪比改善图像质量,研究报道双面读取方式可以将成像板的射线吸收效率提高一倍。近年来,一种新型的线扫描CR读取设备已经开始出现,这种线扫描CR读取设备改变了原有的逐点扫描的方式,甚至可以将读取时间减低到10秒以下,成像速度可以将原来的的每小时50-80张IP板提高到每小时240张,有利于实现检测的自动化。

近年来DR设备向便携式方向发展,而且DR平板探测器采用柔性材料并采用硫氧化钆(GdSO)做为闪烁体材料以便适应更复杂的检测条件。DR可以实现实时成像而且具有高的射线转换效率,曝光负荷(射线剂量)更低,并且非晶硒探测器不需要可见光的转换过程避免了可见光散射,提高了图像质量,这些都是优于CR技术的。

DR与CR检测技术进展

CR技术在成像机理获取图像的途径上与胶片照相有着本质区别,为了更好地应用CR技术,强天鹏、王军等对比试验了CR在Pb增感屏影响、空间分辨力和散射线影响方面与胶片照相技术的差异,研究结果得出Pb增感屏在CR技术照相时不起增感作用,其主要作用时过滤散射线,提高检测灵敏度。CR技术的分辨力可达50 µm甚至25 µm,已经达到了与胶片技术想通的实际效果,因此不必要求CR的成像板像素达到胶片颗粒度水平。同时,CR技术对散射线的敏感程度要超过胶片技术,要得到较好的图像质量,在CR技术应用中必须注意防护散射线。陈光、丁克勤等利用便携式DR和CR并使用连续式和脉冲式两种射线源检测12 mm厚的钢板对接焊缝,检测结果显示,便携式DR与CR检测所需X射线的能量相差不多,通过数字化图像处理技术得到了比较清晰的焊缝图像,曝光时间短。从焊缝检测的操作与成像质量来看,由于两种系统自身的特点及实验条件限制,便携式DR成像要优于CR成像检测,并且使用连续源检测的成像质量要优于使用脉冲源,但脉冲源具有更为安全的优点。BiBi等为解决DR图像的模糊对缺陷检测造成的影响,提出了一种新的算法FLIT-LBP(finite line integral transform-local binary patterns),改善了DR图像的质量提高了对比灵敏度,但是这种方法也会造成信噪比降低。蒋太秋等将DR平板探测器系统用于螺旋埋弧焊管的检测,并将该系统的成像效果与图像增强器,胶片等传统成像系统进行对比,结果表明DR平板探测器静态灵敏度远高于图像增强器,而与胶片灵敏度基本接近或一致,图像增强器对焊缝的细小裂纹很难检测出来,而DR平板探测器对焊缝相同部位细小裂纹的较差效果较好,与X射线拍片相比,DR平板探测器对焊缝裂纹缺陷的检出效果与其一致。DR平板探测器在螺旋埋弧焊管焊缝检测中具有明显的优势。同时也提出以下经验:

①为更好的发挥DR平板探测器的性能优势也需要有理想的X射线源,并使用高频高压发生器会取得比其他高压发生器更好的效果;
②做好设备的初始校正,在较低的稳定电压下,合理布置DR平板探测器的几何条件使其得到均匀照射,以获得较理想的校正参数;
③针对不同壁厚的钢管选择合适的管电压,使其兼顾管端焊缝修磨部位的静态检测与管体其他部位焊缝的动态检测;
④做好DR平板探测器的日常清洁维护,保证好的成像质量。

李少云等利用DR成像技术检测双面埋弧焊管焊缝,并与图像增强器,胶片等传统成像系统进行对比,结果显示,DR检测系统达到GB/T19293-2003《对接焊缝X射线实时成像检测法》要求,部分性能指标超过规定要求,采用DR技术对埋弧焊钢管管端、补焊部位焊缝进行检测,检测灵敏度超过了图像增强器成像系统,达到甚至超过了传统胶片照相水平,完全可替代X射线拍片检测,DR系统在透照状态下,抗磁性强,散射线边蚀影响极小(几乎不影响观察),同时满足动态和静态实时数字图像要求,完全可取代图像增强器系统。严绍书等利用DR系统检测螺旋焊管焊缝发现,在动态灵敏度和静态灵敏度检测时,平板探测器均超过图像增强器,平板成像抓图灵敏度与胶片灵密度基本上接近过一致。史建军等运用DR技术检测烟气轮机叶片,发现DR实时成像技术对叶片的裂纹有较高的检查能力,裂纹形态分布清晰,检测图像具有较高的分辨率和灵敏度。王广坤等利用DR技术检测铝合金铸件给出了铝合金铸件典型缺陷DR图像总结出铝合金铸件的X射线DR检测特征和铝合金铸件常见缺陷的DR图像特征。

我国在射线数字成像无损检测现有8个正式标准:GB/T 19293-2003《对接焊缝X射线数字成像检测法》和GB 17925-2011《气瓶对接焊缝X射线实时成像检测》;在射线透视检测技术方面的标准有GB/T 23909.1-2009《无损检测射线透视检测 第1部分:成像性能的定量测量》, GB/T 23909.2-2009《无损检测射线透视检测 第2部分:成像装置长期稳定性的校验》,GB/T 23909.3-2009《无损检测射线透视检测 第3部分:金属材料X和伽玛射线透视检测总则》,在计算机射线照相检测技术方面的标准有GB/T21355-2008《无损检测计算机射线照相系统的分类》,GB/T 21356-2008《无损检测计算机射线照相系统的长期稳定性与鉴定方法》和GB/T 26642-2011《无损检测金属材料计算机射线照相检测方法》,这8个标准的发布,标志着我国X射线数字成像无损检测技术的应用和研究步入了新的阶段。

2012年郑世才提出数字成像和胶片成像的关于等价性问题,从数字射线检测技术刚进人工业应用时就已经提出,国际焊接学会在20世纪80年代中期至80年代末曾组织过试验研究。当时的基本结论时,尽管常规像质计灵敏度可以达到射线照相检验技术的要求,但实际的缺陷检验灵敏度,达不到胶片射线照相检验技术水平,特别是对于裂纹性缺陷,应用时必须从缺陷检验灵敏度考虑。尽管国外已经制定了一系列数字射线检测技术方法标准,对数字射线检测技术主要控制作出了的规定,但关于等价性问题,到目前可以说并没有给出清晰的回答,特别是对于实际应用。 等价性问题需要解决的基本问题可以概括为3个方面:

1)从理论和试验上给出明确、实用的判定数字射线检测技术与胶片射线照相检验技术具有同等缺陷检验能力的指标,即等价性指标问题;
2)某种数字射线检测技术级别与胶片射线照相技术级别的对等性讨论,这可称为等价性级别问题;
3)具体地界定出数字射线检测技术与胶片射线照相检验技术对缺陷具有同等检验能力的范围。

中北大学经过理论分析与实验验证,以及与实际应用结合,得出以下结论:数字图像的图像对比度要高于底片图像,数字图像的图像分辨率稍微比底片图像差,但结合图像对比度和图像分辨率综合比较,数字图像的像质可与胶片图像的像质相媲美。

X射线数字成像技术用于埋弧焊管焊缝无损检测,灵敏度高,达到或超过X射线胶片照相法,完全优于图像增强器实时成像法。通过现场使用,在检测壁厚为8~10 mm焊缝时,灵敏度达到1.0%~1.3%,壁厚≤8 mm时,灵敏度近似为1.3%,超过了相关标准的要求。

基于数字成像的图像识别技术方面有大量研究成果,在缺陷区域的快速识别研究中,兰州理工大学声称所设计的算法能够较好地对较复杂的局部性区域型缺陷进行很好的定位和区域锁定,而且重复率达100%,正确率也在90%以上。但是无法很好地对范围过于分散或两个方向跨度太大的缺陷区域(如分散气孔)、间距过大的点型缺陷区域(如水平相间分布的三个夹渣缺陷)、纵横两方向或其中一个方向范围过小的缺陷区域(如水平裂纹,单气孔,分散裂纹等)实现识别和定位。电力系统采用X射线数字成像技术不仅能检测出气体绝缘开关(gas Insulated  Switch,GIS)内部裂纹缺陷,还能检测出装配类缺陷。

节选自《2014中国无损检测年度报道》

本文作者:邬冠华
(中国机械工程学会无损检测分会射线检测专业委员会主任,南昌航空大学教授,江西省中青年学科带头人,从事工业射线教学与科研工作,主编本科射线教材1部,获得江西省科技进步奖2项,发表论文40篇)
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