基于線陣探測(cè)器的X和γ射線角焊縫檢測(cè)試驗(yàn)分析

丁克勤，陳 光，張 旭

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013）

在列管式換熱器和列管式反應(yīng)器的制造過(guò)程中，管子－管板角焊縫一直是其質(zhì)量控制的關(guān)鍵問(wèn)題之一。針對(duì)管子－管板角焊縫內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法中，目前研究較多的是γ射線膠片照相法［1－2］，然而膠片照相法存在膠片儲(chǔ)存和環(huán)境污染等一系列問(wèn)題。

線陣列探測(cè)器作為射線數(shù)字成像方法的主要成像器件之一，由于其較高的分辨率及動(dòng)態(tài)范圍，在X射線成像中獲得了較好的評(píng)價(jià)，但在γ射線數(shù)字成像中的應(yīng)用研究卻很少，有關(guān)的文獻(xiàn)資料也有限，需要做進(jìn)一步的分析和試驗(yàn)研究。

1 線陣探測(cè)器成像原理

隨著陣列探測(cè)器的迅速發(fā)展，X射線線陣探測(cè)器數(shù)字成像在國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)到了實(shí)用階段，它通過(guò)輻射技術(shù)使不能直接被視覺感知的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢灾苯佑^測(cè)的信息［3－4］。線陣探測(cè)器成像原理如圖1所示，射線源發(fā)射的射線穿過(guò)被檢測(cè)工件，工件中有缺陷部位和無(wú)缺陷部位對(duì)射線衰減程度不同，使得透射射線帶有工件的缺陷信息；線陣探測(cè)器接收透射射線，通過(guò)掃描將射線的一行光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳送到計(jì)算機(jī)處理并顯示。隨著焊縫和探測(cè)器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線陣探測(cè)器行掃描得到的數(shù)據(jù)形成一幅動(dòng)態(tài)圖像，從而完成整個(gè)成像過(guò)程［5－7］。

圖1 線掃描DR成像原理圖

采用的線陣探測(cè)器為CMOS結(jié)構(gòu)，有效長(zhǎng)度為160mm，像素尺寸為83μm，空間分辨率能達(dá)到理論上的6LP／mm，12bit，動(dòng)態(tài)范圍4000∶1，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示［8］。

圖2 CMOS線陣探測(cè)器結(jié)構(gòu)原理圖

2 試驗(yàn)分析

利用X射線和192Ir源γ射線源對(duì)管子－管板角焊縫試件進(jìn)行對(duì)比，分析其產(chǎn)生的圖像特點(diǎn)。

2.1 測(cè)試試件

管子－管板角焊縫試件設(shè)計(jì)參照標(biāo)準(zhǔn)GB 151—1999《管殼式換熱器》（圖3）。其材料為Q235A，板厚14mm，管子直徑49.5mm，壁厚4mm，管端突出4mm。焊接方式采用鎢極氬弧焊。

圖3 測(cè)試試件實(shí)物圖

2.2 專用像質(zhì)計(jì)

對(duì)管子－管板角焊縫來(lái)說(shuō)，線型像質(zhì)計(jì)會(huì)增大焊縫至探測(cè)器的距離，從而增大圖像不清晰度，故較少使用。目前大多采用圓形像質(zhì)計(jì)對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定。專用像質(zhì)計(jì)根據(jù)換熱器管子的直徑有不同的規(guī)格，圖4是其中的一種，其外徑為49.5mm；孔的大小依次為1.0，1.5，2.0mm，線寬分別為1.0，1.5，2.0mm。同時(shí)圓形像質(zhì)計(jì)還起到屏蔽塊的作用，可盡量使圖像在評(píng)定區(qū)獲得均勻的灰度。

圖4 專用像質(zhì)計(jì)

2.3 測(cè)試試驗(yàn)

（1）X射線源測(cè)試 試驗(yàn)條件為：管電壓160kV；管電流5mA；曝光時(shí)間4.62min；焦距700mm。

圖5為利用X射線采集的圖像，其中圖5（a）為模仿γ射線源安裝情況采集的中心管和周圍6個(gè)管子的圖像，并在中心和兩側(cè)放置專用像質(zhì)計(jì)；圖5（b）為截取的中心管圖像。從圖5（a）和（b）中均能看見圓形像質(zhì)計(jì)的1.0mm×1.0mm 的槽和1.0mm×1.0mm的孔，與膠片照相質(zhì)量相當(dāng)。

（2）192Ir源測(cè)試 試驗(yàn)條件為：放射源活度0.4Ci；曝光時(shí)間60.48min；焦距70mm。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6為利用γ射線源采集的圖像，其中圖6（a）為采集的中心管子圖像，并在中心放置專用像質(zhì)計(jì)；圖6（b）為經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后得到的圖像。從圖6（b）中能看見圓形像質(zhì)計(jì)的1.5mm×1.5mm的槽和1.5mm×1.5mm的孔。

2.4 試驗(yàn)分析

對(duì)比X射線和γ射線采集的圖像效果，總體來(lái)說(shuō)，γ射線采集的圖像質(zhì)量稍差，并且整體灰度偏暗，采集時(shí)間較長(zhǎng)。分析影響γ射線數(shù)字圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素有：

（1）射線源發(fā)射強(qiáng)度的波動(dòng)和噪聲 相比X射線的連續(xù)譜線，γ射線源的發(fā)射是自發(fā)進(jìn)行，穿透試件到達(dá)探測(cè)器的光子數(shù)量較少；而線陣探測(cè)器采集圖像時(shí)需要相對(duì)運(yùn)動(dòng)，掃描速度與光子數(shù)量直接相關(guān)，探測(cè)器單位像素的面積小，使得每個(gè)像素檢測(cè)到的光子數(shù)大大減少，每個(gè)像素點(diǎn)的信噪比降低。只有適當(dāng)?shù)墓庾訑?shù)量照射在探測(cè)器上，探測(cè)器才有能譜效應(yīng)，導(dǎo)致采集時(shí)間增加。照射劑量的減少會(huì)增加量子噪聲，從而降低圖像質(zhì)量，使得圓形像質(zhì)計(jì)中γ射線分辨程度低于X射線。為了提高信噪比，獲得較高的分辨率和靈敏度，在動(dòng)態(tài)采集中，通過(guò)連續(xù)疊加多幅圖像，可在保證檢測(cè)速度的同時(shí)來(lái)提高圖像質(zhì)量。由于圖像的原始數(shù)據(jù)是不隨時(shí)間變化的，而噪聲是隨機(jī)的，因此只要疊加的幀數(shù)足夠多，就可以將量子噪聲有效地過(guò)濾。其連續(xù)疊加降噪的數(shù)學(xué)方程如下所示：

式中g(shù)（x，y）為疊加后圖像中某點(diǎn)像素的灰度值；M為疊加幀數(shù)；fk（x，y）為第k幀圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的像素灰度值。

（2）旋轉(zhuǎn)中心偏移 旋轉(zhuǎn)中心的偏移主要靠機(jī)械裝置來(lái)保證，容許一定的誤差。其明顯的特征表現(xiàn)在圖像旋轉(zhuǎn)一周后未閉合或過(guò)重合。在試驗(yàn)中通過(guò)保證線陣探測(cè)器在掃描所需的半徑處達(dá)到最優(yōu)分辨率來(lái)控制運(yùn)行速度，確保檢測(cè)圖像在容許誤差內(nèi)。

（3）像元響應(yīng)不一致性校正 線陣探測(cè)器的像元響應(yīng)不一致性屬于探測(cè)器自身特點(diǎn)，其結(jié)果為掃描圖像時(shí)沿掃描方向產(chǎn)生條紋。為避免影響圖像質(zhì)量，需對(duì)探測(cè)器進(jìn)行校正。影響探測(cè)器校正的主要因素有射線源的光譜、曝光時(shí)間及成像系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)。

在試驗(yàn)中，γ射線源的能量是給定的，不能像X射線源能夠通過(guò)調(diào)節(jié)電壓、電流和曝光時(shí)間來(lái)確定合適的透照劑量（光譜），從而建立校正模型進(jìn)行探測(cè)器的校正。γ射線源通過(guò)控制曝光時(shí)間和濾波板的厚度來(lái)調(diào)節(jié)適合的透照劑量，進(jìn)而建立校正模型。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)管子－管板角焊縫試件的射線數(shù)字透射成像試驗(yàn)，分析了線陣列探測(cè)器在X和γ射線照射下的圖像特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)γ射線采集的圖像質(zhì)量稍差，并且整體灰度偏暗，采集時(shí)間較長(zhǎng)。分析了影響γ射線數(shù)字圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素：① 射線源發(fā)射強(qiáng)度的波動(dòng)和噪聲，可在動(dòng)態(tài)采集中通過(guò)連續(xù)幀疊加，在保證檢測(cè)速度的同時(shí)能夠取得滿意的結(jié)果。② 旋轉(zhuǎn)中心的偏移，可主要靠機(jī)械裝置保證。③ 像元響應(yīng)不一致性，可通過(guò)控制曝光時(shí)間和濾波板的厚度來(lái)調(diào)節(jié)適合的透照劑量，以實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的校正。

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