射線檢測技術在無損檢測中的應用

黃愛民（廣東省博羅縣質量技術監督檢測所,廣東　惠州　516100）

射線檢測技術在無損檢測中的應用

黃愛民
（廣東省博羅縣質量技術監督檢測所,廣東惠州516100）

摘要：無損檢測是現代產品、設備質量檢測的重要方法之一，在各行各業得到了廣泛應用。射線檢測是無損檢測的一個重要門類，本文將針對射線檢測技術，分別對其概念、物理基礎、檢測原理、發展與應用、優缺點以及防護做詳細闡述。

關鍵詞：無損檢測;射線檢測;應用

0　前言

無損檢測是在不破壞和改變被檢測物體的物理和化學狀態，并對被檢測對象的性質、狀態、結構進行高靈敏度檢查和高可靠性測試，從而判斷其表面和內部的完整性、連續性、安全性以及其他性能指標。射線檢測是無損檢測的重要類別，如應用于工件內部宏觀幾何形狀缺陷檢測，可以獲得缺陷的直觀圖像，定性準確，甚至對長度、寬度、高度進行測量，因而它在各行各業得到了廣泛應用。本文將針對射線檢測技術，分別對其概念、物理基礎、檢測原理、發展與應用、優缺點以及防護做詳細闡述。

1　射線檢測的物理基礎

射線強度衰減是指X射線穿過物體時，入射光束強度大于從物體透射的光束強度。其原因是光子射線衰減與物質復雜的相互作用，主要包括電子對效應、康普頓效應、光電效應和瑞利散射。由于這種相互作用的能量，一部分轉移到方向或能量改變的光子，一部分轉移到相互作用的電子或產生的電子，并且電子可以繼續與原子相互作用，其中有相當部分能量在物體中損失（稱為吸收）。X射線通過物質后其強度的衰減主要是由于物質對它的吸收所造成。X射線穿過一定厚度的物體后，透射射線中將包含一次射線、散射線、電子等。如果到達檢測器（如圖像增強器、膠片等）只有一次射線，它被稱為窄束輻射；如果檢測器上除了一次射線還包含散射線，被稱為寬束射線。

單色窄束射線衰減規律：射線穿透物體時，對于一束射線，在均勻的介質中，在較小的厚度范圍內入射射線強度和透射物的厚度與強度衰減量成正比。即：△I=-μI△T(式中：μ-線衰減系數，I-透射射線強度，T-透過物體的厚度)。

寬束連續譜射線的衰減規律：射線檢測中常使用的是X射線，此時透射射線強度應為一次射線和散射射線強度之和。即：I=ID+IS(式中：ID-一次射線強度，IS-散射線強度)。

2　射線檢測的原理

當輻射入射到物體上，物質原子與入射光子發生相互作用，射線強度由于吸收和散射等原因逐步減弱。強度衰減的大小主要取決于材料的衰減系數以及穿透該材料的厚度。如果被穿透對象存在局部缺陷，且其與構成缺陷的材料衰減系數不同，局部區域將與相鄰區域產生透過射線強度的差異，利用這些差異以確定被測對象是否存在缺陷，這是射線檢測的基本原理。射線穿透被測對象后，形成一幅射線強度分布空間的潛像。在被檢體背面放置一個檢測器件（如圖像增強器、膠片等），可得到這個潛像的平面投影，經過一定的技術處理，就可把潛像轉化成為一幅人眼睛可觀察到的二維平面圖。

3　射線檢測的發展與分類

3.1射線檢測的發展

1895年倫琴發現了X射線，隨著X射線的發現，法國海關開始使用X射線檢查物品，在1920年以后，X射線開始應用于工業領域；美國在1922年建立了世界上第一個工業射線實驗室，然后射線檢測技術開始在軍工和機械制造領域得到了廣泛的應用。我國于1958年開始生產工業射線檢測膠片，于1960年研制出第一臺便攜式60Co 源C射線探傷機，于1964年研制出第一臺X射線探傷機；90年代相繼引進了美國、俄羅斯的工業CT裝置。

20世紀50年代以前，主要是針對射線照相檢驗技術的研究，即膠片成像技術。1962年前后，建立了完整射線照相檢測技術基本理論。1970年后，主要是對新技術和新方法進行了研究，這些研究的基本特征是把射線照射檢測技術、數字圖像處理技術和計算機技術結合起來。隨著圖像增強器的應用，出現了實時成像射線檢測技術。20多年前，計算機、圖像增強器及熒光成像板等設備和技術的發展，對數字射線檢測新技術的推廣起到了很大推動作用，其中CR和DR方法是非常重要的兩種方法。隨著數字化射線檢測技術的發展，工業CT技術作為國際上無損檢測界公認的最佳NDT技術已登上舞臺，并逐步占有無損檢測領域非常重要的地位。

3.2射線檢測的種類

如果對射線檢測技術細分，還可以分為三類。即射線照相檢測技術：X射線照相檢測、電子射線照相檢測、γ射線照相檢測、中子射線照相檢測、相紙射線照相檢測、成像板射線照相檢測等；射線層析檢測技術：康普頓散射成像檢測、膠片層析射線照相技術、射線層析檢測；射線實時成像檢測技術：X射線光導攝像實時成像檢測、X射線熒光實時成像檢測、圖像增強實時成像檢測、數字實時成像檢測。

3.3X射線檢測方法分類

（1）X射線照相方法：當X射線穿透被照物體，有缺陷的位置（如孔隙，雜物等）對射線吸收能力與基體（金屬或非金屬）不同，例如空隙所含空氣對射線的吸收能力遠低于基體的吸收能力，所以，通過無缺陷位置的X射線強度要低于有缺陷位置的射線強度。對應于有缺陷的位置將接受更多的X射線粒子，從而導致在X射線膠片上形成黑度較大的缺陷圖像。缺陷檢測與材料性質，缺陷厚度有關，通過缺陷部位：Id`=I0e-μ(d-x)，無缺陷部位：Id=I0e-μd（式中：缺陷厚度X，d為物體沿射線方向的厚度）。

（2）實時成像檢測：通過真空管中對X射線敏感的熒光屏把不可見的X射線圖像轉換為可見光子圖像，然后利用光電陰極將可見光子轉換為相應的電子，再通過數千eV的電壓對電子加速并聚焦于熒光顯示屏，最后形成被增強了好幾十倍的可見光圖像。圖像增強器輸出的可見光圖像是不能夠直接用于觀察的，用攝像機把圖像增強器輸出的光信號轉換成電信號，通過電纜傳送到計算機，并對圖像進行必要的加工處理再送到顯示器供檢測人員觀察分析。

（3）計算機斷層成像（CT）：在被測物體無損狀態下，利用射線以掃描方式從多個方向照射被測物的某斷面，通過計算機的專用的圖像重建算法，將前述的斷面以二維灰度圖像顯示出來，其檢測直觀圖就是被測斷層的斷面圖像。能給出檢測工件二維或三維圖像感興趣的目標不受周圍細節特征遮擋，圖像易識別且高分辨率。

4　射線檢測技術的應用

射線檢測方法以其缺陷定位定量準確、結果易記錄、缺陷顯示直觀等優點，仍然是許多工業產品質量控制的重要手段，隨著射線在各個工業領域的應用，射線檢測技術更是呈現出迅猛的發展勢頭。航空航天工業中，CT技術用來檢測精密鑄件，燒結和復合材料的結構等；核工業CT技術用來檢測反應堆燃料元件的密度和缺陷，確定包殼管內芯體的位置，核動力裝置的零部件及組件等；鋼鐵工業CT技術用來檢測鋼材的質量，如管子的外徑，內徑，壁厚，偏心率和橢圓度；機械工業中可檢測鑄件和焊縫中的微小氣孔，夾雜和裂紋等缺陷；此外，在陶瓷、建筑、食品、礦業、石油等領域都有廣泛的應用。

我國頒布的射線檢測相關標準如：GB/T3323金屬熔化焊焊接接頭射線照相、GB/T5677鑄鋼件射線照相檢測、GB/T17925氣瓶對接焊縫X射線數字成像檢測等。

5　射線檢測技術的優缺點

射線檢測技術的主要優點：對被檢驗工件無特殊要求，幾乎適用于所有材料；可以直觀地顯示缺陷影像，便于對缺陷進行定量、定性和定位等；射線底片能夠長期保存，便于日后追溯查找原因。射線檢測技術的主要缺點：費用高；設備較重；不能發現與射線方向垂直的微小線性缺陷；對環境有輻射污染，對人體有副作用甚至傷害，對其他敏感物體可能有損害，因此有安全防護要求。

6　射線的防護

當人體受大劑量的射線照射或者連續超過允許劑量照射時會受到相當的傷害；因此在射線檢測技術中，必須采取措施避免射線的超劑量照射，減少對人體的影響。根據國際放射線委員會的規定，射線檢測人員可承受的射線最大允許劑量為每年5rem（雷姆），每月420mrem，每日17mrem。射線防護的方法主要有屏蔽防護、距離防護和時間防護3種：屏蔽防護法：利用或填充各種屏蔽物質吸收射線，以降低射線對人體的傷害。防護材料優先選擇密度大的物質，如鉛、鐵等；也可以選擇普通材料，如混凝土、巖石等；距離防護法：射線劑量率與距離的平方成反比，因此增加距離可以顯著降低射線的劑量率。無防護或者防護層不夠時，這是一種有效的方法；時間防護法：讓人體盡可能減少接觸射線的時間，以保證其在任一天都不超過國家規定的最大允許劑量當量。人體接受總劑量：D=Ρt（Ρ是射線劑量率，t是接觸時間）。

7　結語

作為一種綜合性應用技術，無損檢測技術經歷了從無損探傷（NDI），到無損檢測（NDT），再到無損評價（NDE），并且向定量無損評價（QNDE）和自動無損評價（ANDE）發展。射線檢測技術作為無損檢測極為重要的分支，隨著數字化和集成技術的發展，其應用領域將不斷拓展，其優越性和重要性也將倍受關注。

參考文獻：

[1]王樂生.射線檢測[J].北京：機械工業出版社,2009(11).

[2]張小海,鄔冠華.射線檢測[J].北京：機械工業出版社，2013(10).

作者簡介：黃愛民(1982-)，男，廣東信宜人，研究方向：儀器儀表工程。