數字射線檢測實用指導（二）——射線檢測技術概述

（中國特種設備檢測研究院，北京 100013）

1 圖像增強器技術

20世紀50年代初研制成功的圖像增強器，極大地促進了射線實時成像檢測技術的工業應用。到70年代以后，通過不斷改進技術，射線實時檢測技術取得了明顯的進展，直到現在也一直是非膠片成像的最主要技術，也是目前工業射線圖像在線檢測的代表性技術［1]。圖1為基于圖像增強器技術的檢測系統組成結構示意圖。

圖1 檢測系統組成結構示意圖

圖像增強器技術的成像原理為：圖像增強器為一種真空管，X射線光電轉換屏由較薄的鋁或鈦材料制成，屏的基層涂有鈉（Na）－碘化銫（CsI）作為輸入閃爍體（CsI∶Na），它能夠將穿過被檢試件的X射線光子轉換為可見光，再經過光電陰極板的作用將可見光轉換為相應的電子束，電子束在高電壓作用下在真空管內被加速、聚焦后以較高的能量轟擊輸出熒光屏（ZnCdS：Ag閃爍體材料），形成可視的檢測圖像。可見光在輸出屏后端配有聚焦光學鏡頭和CCD（Charge－Coupled Device電荷耦合器件），將可視圖像信號輸出進行顯示。

基于圖像增強器的射線檢測技術經歷了兩個發展階段（模擬成像技術、數字成像技術），形成了三種檢測系統（模擬、模擬＋數字化、數字）。

1.1 模擬成像檢測系統

第1階段的基于圖像增強器技術的射線檢測系統即是俗稱的工業電視檢測，成像器件是由圖像增強器＋CCD（CCD，Charge Coupled Device）模擬（視屏）相機組成，輸出的是模擬圖像，檢測人員通過監視器觀察檢測圖像。

此類系統由于使用了增強管，使得微光信號得到加速，因此增益高，靈敏度得到提高；同時，視屏CCD相機的圖像采集幀頻達到25幀/s，可以實現實時成像，提高檢測效率；但其動態靈敏度較低，只有3%～5%，視場中心分辨率約2 Lp/mm。該成像過程只是實現了“光電轉換”而未實現“模數轉換”，顯示的圖像是未經處理的原始圖像，噪聲大，與膠片照相相比靈敏度和分辨率都很低。成像的視場約100～250 mm，圖像邊緣存在畸變。

1.2 模擬＋數字化成像檢測系統

針對第1階段檢測系統的缺點，為了提高像質，在不改變系統原有配置的前提下，加入計算機和數字化技術，檢測系統進入第2階段。圖像輸出分為兩路：一路是原有的模擬圖像到監視器；另一路采用數字圖像采集卡將視屏信號（模擬圖像）轉化為數字信號輸入到計算機，利用數字圖像處理技術對圖像進行顯示和處理，同時對缺陷或疑似缺陷的圖像進行保存、分析。

此類檢測系統與工業電視的不同點在于：實現了“模數轉換”；輸出灰度等級不小于256；可實現靜態成像，通過圖像的疊加，降低噪聲，提高圖像質量；利用圖像處理技術增加可視化效果。

1.3 數字成像檢測系統

隨著數字成像器件技術的發展，當工業電視系統中的CCD視屏相機由數字CCD相機代替時，此類檢測系統真正實現了數字成像。其工作原理在可見光進入CCD之前與工業電視是一樣的，不同點在于：數字CCD相機將可見光轉換成電信號，通過數字電路轉化為數字信號輸入到計算機顯示和處理。

與工業電視相比，其成像質量得到很大的提高，不同點在于其采集幀頻＜25幀/s，但仍可滿足實時檢測的需要；靈敏度、空間分辨率得到很大的提高。

2 CR技術

20世紀80年代出現的CR檢測技術，使射線檢測邁出了一大步，實現了計算機自動存儲和圖像處理。該系統提供了所有數字化功能，曾被認為是膠片的替代者［2]。

2.1 成像原理與結構

該系統與膠片照相相比，只是用成像板（IP板）代替膠片，利用成像潛影讀出裝置（包括進片機械驅動）和潛影擦除裝置代替膠片的暗室處理過程，最后利用成像控制顯示單元（計算機及其軟件）實現圖像的顯示和存儲。其中的關鍵部件是成像板和潛影讀取裝置。圖2所示為成像板內部結構示意圖。

圖2 成像板組成結構示意圖

CR技術采用的成像器件為成像板，它對射線的作用相當于閃爍體屏或轉換屏。入射到成像板的X射線光子被成像板層內的熒光體吸收，釋放出電子。其中一部分電子散布在熒光體內呈半穩定狀態，形成潛影。當用激光照射已形成的潛影時，半穩定狀態的電子轉變為光量子，即產生光激發光（PSL）現象。光子隨即由光學電路傳送到光電倍增管，經檢測并轉換為電信號，再經A/D轉換為數字信號。然后，數字信號被傳輸到存儲與顯示單元中作進一步處理［3－4]。圖3為潛影讀取示意圖。

圖3 潛影讀取示意圖

2.2 特性

CR檢測技術實質是為代替膠片照相而研制的技術，其在形成潛影前的過程是一致的，不同點在于：CR技術形成的潛影需要通過激光掃描轉換成電信號，再經后續電路的處理形成數字信號，最終以數字圖像的形式在顯示器中顯示。

成像板可依據用戶要求定制尺寸，目前最大尺寸為14″×17″。潛影讀出裝置像素尺寸可選，最小物理像素尺寸為12.5μm，模擬數字轉換不小于14位，同時成像板是柔性熒光板，其熒光顆粒很小，因此最高圖像分辨率理論上可達10 Lp/mm。

成像板可重復使用，且可彎曲，但成像板容易劃傷，形成偽影，影響成像質量，在使用時應特別關注現場及周圍環境的影響，如溫度、濕度、清潔度等，系統一次性投入成本高。CR技術與膠片照相技術相比只是用成像板代替膠片，用潛影讀取裝置代替暗室處理，整個檢測成像時間達幾分鐘，但其射線劑量低、動態范圍寬，成像質量可達到膠片照相水平。

3 DR技術

DR技術是近年來發展起來的最新的射線數字檢測技術，與膠片照相技術相比具有以下特點：靈敏度高、分辨率低、射線劑量低、檢測效率高、寬容度大、查詢和統計速度快、無暗室洗片環節、環境污染低、一次投入成本高、探測器無法彎曲、有一定厚度、對環境要求較高、在役檢測受限。

DR檢測技術的核心部件是數字探測器。除成像系統的工藝條件外，探測器的成像特性是決定數字成像系統像質的主要因素。下面按數字探測器不同的分類方法介紹。

3.1 成像技術

按照數字探測器的成像技術分為：直接轉換技術和間接轉換技術［5]。

3.1.1 直接轉換

轉換過程為：射線光子→電信號→數字信號→數字圖像。

射線光子透照物體后，在數字探測器中直接把射線衰減信息轉變為數字信號，經計算機處理后以數字圖像的形式顯示，如圖4所示。

圖4 直接轉換過程示意圖

3.1.2 間接轉換

轉換過程為：射線光子→可見光→電信號→數字信號→數字圖像。

射線光子透照物體后，在數字探測器中，首先經過閃爍體屏（熒光屏）把射線光子轉換為可見光，然后再由后續電路把可見光信息轉變為電信號，經A/D轉換和放大后形成數字信號，經計算機處理后以數字圖像的形式顯示，如圖5所示。

圖5 間接轉換過程示意圖

3.2 成像形式

DR技術一次成像有兩種形式：一維（線形）圖像和二維（面形）圖像。其中線陣探測器（LDA－linear diode arrays）采集信息形成一維圖像，平板探測器（Flat－panel Detector）采集信息形成二維圖像。

3.2.1 平板探測器

平板探測器是20世紀90年代陸續投入應用的數字探測器。目前市場上主要有四類平板探測器（CMOS、CCD、非晶硒、非晶硅）。

3.2.1.1 CMOS探測器

此類探測器主要由閃爍體屏＋CMOS（complementar y Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）組成（圖6）。當射線透照被檢工件，衰減后的射線束入射到探測器的閃爍體層，產生可見光。由光學系統或光纖將這些可見光耦合到CMOS芯片上。再由CMOS芯片光信號轉換成電信號，并將這些電信號儲存起來，得到所需要的圖像信息，經放大與讀出電路讀出并送到圖像處理系統進行處理。

圖6 CMOS數字探測器

該探測器的后續電子控制和放大電路都放置于每個像素上，不同于其它探測器在探測器邊緣布線的結構，該探測器厚度增加。在圖像板面上采用了微膠片晶體管電路，CMOS探測器的抗震性較強。溫度范圍大，填充因子高達90%以上，所以靈敏度較高，像素尺寸在20～100μm之間，分辨率較高。目前工業用此類平板探測器的最高射線能量為160 kV，檢測對象受限。

3.2.1.2 CCD探測器

此類探測器主要由閃爍體屏＋CCD（Charge Coupled Device電荷耦合器件）組成，其工作原理與CMOS探測器一致。CCD探測器圖像采集速度高于CMOS探測器，無圖像增強器技術透鏡的失真、分辨率高。但其噪聲較大，承受的輻射能量低，目前多用于安檢與醫學領域。

3.2.1.3 非晶硒平板探測器

此類探測器屬于直接轉換型平板探測器，見圖7所示［6]。其上有一厚光電導層（典型的是用200～500μm的非晶硒α－Se），α－Se光電導層兩面的電極板間加有高電壓，光電導層吸收X射線光子，激發出電子/空穴對，并在所加電場下運動至相應電極。到達像元電極的電荷給存儲電容充電，產生相應電荷的變化。電容中的累積電荷由TFT（Thin Fil m Transistor即薄膜場效應晶體管）進行控制、讀出電信號，經放大、A/D轉換等處理形成數字信號，最終以數字圖像輸出。

圖7 非晶硒數字探測器

此類探測器無轉換屏層，克服了轉換屏的彌散，成像分辨率比較高，由于光電導膜層較厚，使轉換效率比較高。但其圖像邊緣分辨率低、一般要求5～10 k V的高電壓、硒對于低于5℃或高于45℃的溫度較敏感且抗震性差。

由于它對環境要求苛刻，且非晶硒需要至少5 kV的高壓，目前逐漸被間接轉換型平板探測器替代。在工業射線檢測領域，主要采用間接轉換型非晶硅平板探測器。

3.2.1.4 非晶硅探測器

這類探測器是目前市場上應用最多的間接轉換平板探測器，見圖8所示［7]。由閃爍體屏＋非晶硅光敏元件組成。射線光子由閃爍體屏（常用的是Gd2O2S或CsI）轉換為可見光，再由光電二極管陣列轉換為電信號，經A/D轉換輸出數字信號。

探測器像素大小在94～400μm之間，輸出灰度范圍12～14 bit，圖像采集幀頻可調，可實現實時成像，具有較高的靈敏度和空間分辨率。

圖8 非晶硅數字探測器

3.2.2 線陣探測器

線陣探測器分為基于CMOS技術和非晶硅技術兩種，如圖9所示。其組成和工作原理與平板探測器一致，X射線閃爍體材料（常用晶體有基于磷屏的釔、CdWO4和CsI）。不同之處在于：線陣探測器作為平板探測器的一個特例，它只有一行像素，一次成像輸出一行，因此，早期主要應用于2D－CT成像。目前隨著檢測的需要，通過線陣探測器實現二維成像，在海關集裝箱、輪箍、包裹以及鍋爐焊管的對接焊縫檢測中得到了廣泛應用。

圖9 CMOS探測器系列與非晶硅探測器

由于線陣列探測器每次輸出的圖像為一條線，為了獲得完整的二維圖像，就必須使被檢工件與線陣列探測器之間作相對運動，將連續掃描獲得的一維信息重新組合成圖像的二維信息，從而完成整個檢測過程。因此，基于線陣列探測器數字成像系統的主要特點是被檢工件必須在X射線源與線陣列探測器之間作相對勻速運動。

線陣列探測器與平板探測器在結構上的不同，使得成像散射小、具有較高的對比度靈敏度和空間分辨率；像素間距可小到0.08 mm，對于亞毫米級的閃爍體膜層，理論上具有約6 Lp/mm的高空間分辨率。但是，線陣探測器對機械傳動要求高，成像速度慢，檢測效率較低，射線劑量要求較高。

4 結論

射線數字成像技術適用于所有的射線檢測，且可實現高效的快速檢測。但由于其對環境條件要求高于膠片照相，同時基于探測器本身的結構特點，故對工況復雜的在役檢測受限。隨著相應標準的推出，相關檢測規范和方法的完善，射線數字成像技術將逐步成為工業射線檢測的主要技術。

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