寬容度照相模式射線檢測(cè)靈敏度分析

蔡閏生 高紅月 何川龍 邢文濤

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

對(duì)截面厚度變化較小，采取適當(dāng)提高透照電壓，減小曝光量進(jìn)行一次性透照的方法，被稱為寬容度透照模式[1]。這種方法在射線檢測(cè)實(shí)踐中使用極為廣泛，環(huán)形焊縫檢測(cè)就是最典型的應(yīng)用。此外對(duì)存在凸起、臺(tái)階等變截面金屬鑄件的射線檢測(cè)，也多應(yīng)用這種模式。然而，這種寬容度照相模式，在檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中常被加以限制使用。例如檢測(cè)方法GJB1187A—2001中要求對(duì)鋁合金件照相不得提高30 kV[2]。其他一些標(biāo)準(zhǔn)甚至明確提出：A級(jí)技術(shù)（最低等級(jí)）曝光量應(yīng)不小于15 mA·min。標(biāo)準(zhǔn)限制的目的在于確保必要的曝光量，以保證檢測(cè)靈敏度，完成對(duì)細(xì)節(jié)缺陷的檢出。但在檢測(cè)實(shí)踐中，一些檢測(cè)工作量大且使用便攜射線機(jī)（額定透照電流較小）的工廠企業(yè)，為實(shí)現(xiàn)全面檢測(cè)以及提高檢測(cè)效率，通常會(huì)使用較大的透照電壓和相對(duì)較小的曝光量，這種有別標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)方法，其檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)結(jié)果常被質(zhì)疑。但事實(shí)上，提高透照電壓、減小曝光量（有相當(dāng)數(shù)量的額定透照電流5 mA的檢測(cè)設(shè)備），實(shí)際檢測(cè)靈敏度降低多少，降低的趨勢(shì)如何，業(yè)界并沒(méi)有明確的認(rèn)識(shí)。本文將以鋁材料為樣本，以絲型像質(zhì)計(jì)為指征，分析大寬容度模式下的射線檢測(cè)靈敏度。

1 射線檢測(cè)靈敏度理論分析

1.1 射線檢測(cè)靈敏度與絲型像質(zhì)計(jì)

射線檢測(cè)靈敏度是指底片記錄、顯示細(xì)節(jié)的能力[3]。而這個(gè)能力一般用像質(zhì)計(jì)來(lái)表征，絲型像質(zhì)計(jì)為國(guó)內(nèi)普遍采用，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織也將其納入標(biāo)準(zhǔn)中。簡(jiǎn)單地說(shuō)：就是底片能發(fā)現(xiàn)多大直徑的絲，即表示在所應(yīng)用的照相技術(shù)下，該尺寸絲狀細(xì)節(jié)可被發(fā)現(xiàn)的能力。但細(xì)致地說(shuō)，在黑白底片上，能夠發(fā)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，都是底片上黑白差異所致，也就是對(duì)比度上的顯示。因此，獲得合適的底片黑度以及較大的對(duì)比度，就是獲得較高射線檢測(cè)靈敏度的關(guān)鍵所在。

1.2 底片對(duì)比度與靈敏度的關(guān)系

射線檢測(cè)理論中有ΔD≥ΔDmin，其中不等式左側(cè)表示可發(fā)現(xiàn)細(xì)節(jié)的對(duì)比度，右側(cè)表示人眼視覺(jué)特性可識(shí)別的最小黑度差（對(duì)于不同形狀的細(xì)節(jié)，最小黑度差有一定的差別）。因此，射線檢測(cè)所追求的就是較大數(shù)值的ΔD。

式中，μ為衰減系數(shù)，與材料或缺陷性質(zhì)相關(guān)；G為膠片特性曲線斜率，與膠片種類相關(guān)；ΔT為厚度差異或缺陷尺寸；n為散射比。很明顯，公式中并沒(méi)有與透照電壓和透照電流（曝光量）相關(guān)的參數(shù)，但實(shí)際上，衰減系數(shù)μ與散射比n都與透照電壓間接關(guān)聯(lián)，而且隨著透照電壓的升高，衰減系數(shù)有降低趨勢(shì)。

公式（1）表明：⑴隨后的分析模式所涉及參數(shù)具有全面性；⑵檢測(cè)靈敏度與透照電壓并非具有完全的線性相關(guān)性；⑶寬容度照相模式與檢測(cè)靈敏度具有關(guān)聯(lián)規(guī)律。

1.3 透照電壓和透照電流的關(guān)系

透照電壓和透照電流以及透照時(shí)間（曝光量=透照電流×透照時(shí)間）是射線檢測(cè)的幾個(gè)重要參數(shù)。從宏觀上，它們與膠片性質(zhì)等指標(biāo)一起，共同影響底片的黑度、對(duì)比度和靈敏度。從微觀上，透照電壓決定了射線光子穿透物體的能力，透照電流決定了穿透物體的射線光子數(shù)量，這是在透照電壓適當(dāng)情況下獲得的結(jié)論。但如果透照電壓過(guò)低，即使使用大的透照電流和較長(zhǎng)的透照電流輸入時(shí)間，由于入射光子的動(dòng)能不足，衰減過(guò)大，穿透物體的光子數(shù)目也不會(huì)多；同理，如果透照電壓較高，較小的透射電流，穿透物體的光子數(shù)目也不會(huì)過(guò)少。決定底片黑度和靈敏度的本質(zhì)原因，就是這些穿透物體的光子數(shù)[3]。從這個(gè)意義上講，較高的透照電壓，較低的透照電流，或者說(shuō)較小的曝光量，原理上可以獲得應(yīng)有的檢測(cè)靈敏度。

2 寬容度模式下靈敏度分析模型設(shè)計(jì)

選取適當(dāng)厚度標(biāo)準(zhǔn)鋁試塊，鋪放絲型像質(zhì)計(jì)，以黑度2.0為限制條件，分步完成射線照相。其中鋁試塊厚度選取要相對(duì)大些，以盡可能地提高透照電壓。其中黑度限制在2.0，具有兩個(gè)意義：第一是為了保證黑度在GJB1187A—2001的規(guī)定范圍內(nèi)；第二提高透照電壓，同時(shí)減小透照電流，勢(shì)必造成黑度波動(dòng)，進(jìn)而影響ΔD，致靈敏度數(shù)值失真。

測(cè)試中使用相同底片以防止底片的特征曲線的G值變化帶來(lái)誤差。另外相同的底片可使得底片噪聲得到相對(duì)控制。

因?yàn)檫x取鋁試塊的厚度為定值，當(dāng)透照電壓變化后，實(shí)際上ΔT值就是像質(zhì)計(jì)可發(fā)現(xiàn)的的絲徑數(shù)值。

此外，測(cè)試過(guò)程中，要保證焦距、透照設(shè)備、顯影設(shè)備及參數(shù)的一致性。

綜上，模型設(shè)計(jì)的中心思想就是：公式（1）為模版，恒定相應(yīng)參數(shù)，獲取透照電壓和透照電流變化下的靈敏度數(shù)值。

3 靈敏度驗(yàn)證與分析

選取15 mm標(biāo)準(zhǔn)鋁試板，源測(cè)放置10#～16#絲鋁質(zhì)像質(zhì)計(jì)，從曝光曲線（焦距1 m）選取15 mm厚度對(duì)應(yīng)透照參數(shù)55 kV，15 mA·min，獲得底片。

圖1 55 kV，15 mA·min像質(zhì)計(jì)影像Fig.1 IQI image of 55 kV and 15 mA·min

按照GJB1187A—2001要求，A級(jí)技術(shù)底片黑度要求在1.7～4.0間，現(xiàn)選擇2.0黑度，查詢曝光曲線，正常透照時(shí)，相匹配的透照參數(shù)為55 kV，15 mA·min。

從圖1看出像質(zhì)計(jì)10#～14#絲完整可見(jiàn)。表明此透照條件下，射線檢測(cè)絕對(duì)靈敏度可到14#絲即0.16 mm。這個(gè)靈敏度完全滿足GJB1187A—2001對(duì)于15 mm厚金屬材料必須達(dá)到12#絲0.25 mm絲徑的靈敏度要求。

3.1 寬容度模式下曝光量與透照電壓的關(guān)系驗(yàn)證

由于圖1匹配的各項(xiàng)透照指標(biāo)完全符合GJB1187A—2001的要求。因此，圖1可作為透照15 mm鋁試板的標(biāo)準(zhǔn)底片，相關(guān)透照電壓和曝光量確定為基準(zhǔn)參數(shù)。進(jìn)一步將以此為基礎(chǔ)，對(duì)寬容度透照模式中曝光量與透照電壓的關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。即逐步減小曝光量，尋找2.0黑度下的適配透照電壓。具體地，曝光量從15 mA·min開(kāi)始，以1 mA·min為幅度逐步降低，直至曝光量為1 mA·min。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，各曝光量對(duì)應(yīng)的透照電壓數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 透照電流與透照電壓匹配Tab.1 Matching technique of transmission current and voltage

由表1可知，隨著曝光量逐步減小，底片黑度2.0的情況下，初期曝光量15～10（mA·min）區(qū)間，匹配透照電壓增加的幅度較小；中期曝光量9～6（mA·min）區(qū)間，匹配透照電壓變化幅度略有增大；后期曝光量5～1（mA·min）區(qū)間，匹配透照電壓提升明顯。

經(jīng)擬合，在保證底片黑度2.0的前提下，透照電壓與曝光量存在比較精確的冪函數(shù)關(guān)系，其擬合R2=0.998，如圖2所示。

圖2 黑度2.0時(shí)，透照電壓與透照電流的關(guān)系Fig.2 Voltage and current relationship between radiographic exposure of black 2.0

從射線透照基礎(chǔ)理論分析這種關(guān)系原因。底片的黑度主要是由射線光量子的數(shù)量決定，當(dāng)透照電壓較低的時(shí)候，即使曝光量較大，也存在相當(dāng)多的低能光量子，它們?cè)谂c被透照物質(zhì)的原子發(fā)生碰撞時(shí)，能量被完全消耗，不能穿透物體到達(dá)膠片貢獻(xiàn)黑度。而當(dāng)透照電壓較高時(shí)，盡管曝光量較小，但存在相對(duì)更多的高能光量子，它們穿透物體，使底片感光，便有了底片的黑度。至于冪函數(shù)的關(guān)系，這從X射線管的連續(xù)譜輻射總強(qiáng)度公式可以簡(jiǎn)單理解，即射線總強(qiáng)度（可形象理解為光量子數(shù)目）與管電流與透照電壓的平方的乘積成比例。

3.2 寬容度模式下透照電壓與靈敏度的關(guān)系驗(yàn)證

GJB1187A—2001規(guī)定在焊接件中發(fā)現(xiàn)的像質(zhì)計(jì)絲的長(zhǎng)度不得少于10 mm，鑄件相應(yīng)長(zhǎng)度應(yīng)為100%[4]。結(jié)合以上兩種情況，定義像質(zhì)計(jì)絲長(zhǎng)度顯示50%即為發(fā)現(xiàn)。如此，有兩方面的考量：第一，工程實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)了一定長(zhǎng)度的像質(zhì)計(jì)，就表明檢測(cè)能力能夠達(dá)到對(duì)應(yīng)的水平；第二，對(duì)于研究來(lái)說(shuō)，工程用像質(zhì)計(jì)不夠精細(xì)，有必要細(xì)化。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，隨著透照電壓升高曝光量減小，即執(zhí)行寬容度透照模式，檢測(cè)靈敏度有較為明顯的下降，如圖3所示。

圖3 57 kV，13mA·min像質(zhì)計(jì)影像Fig.3 IQI image of 57 kV and 13 mA·min

由圖3可知，當(dāng)曝光量從15 mA·min減小到僅為2 mA·min時(shí)，像質(zhì)計(jì)可見(jiàn)最細(xì)絲號(hào)就成為了12#絲，靈敏度下降速度很快。但繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，這種下降并非大斜率的直線下降，如圖4所示。

圖4 62 kV，10 mA·min像質(zhì)計(jì)影像Fig.4 IQI image of 62 kV and 10 mA·min

由圖4可知，當(dāng)曝光量從標(biāo)準(zhǔn)曝光量的15 mA·min減小了5 mA·min，像質(zhì)計(jì)仍可見(jiàn)12#絲，靈敏度保持不變。但繼續(xù)減小曝光量增大透照電壓，靈敏度再次發(fā)生了顯著變化，如圖5所示。

圖5 63 kV，9 mA·min像質(zhì)計(jì)影像Fig.5 IQI image of 63 kV and 9 mA·min

由圖5可知，像質(zhì)計(jì)可發(fā)現(xiàn)最細(xì)絲為11#。此時(shí)，靈敏度仍滿足GJB1187A—2001的相對(duì)要求。此后，這個(gè)靈敏度一直保持到78 kV，4 mA·min。靈敏度與透照電壓對(duì)應(yīng)詳見(jiàn)表2。

表2 透照電壓與靈敏度的關(guān)系Tab.2 The relationship between transillumination voltage and sensitivity

由表2可見(jiàn)，寬容度照相模式下，透照電壓與靈敏度具有一定的關(guān)系。其關(guān)系可以表述為：隨著電壓的升高，檢測(cè)靈敏度呈階梯狀下降趨勢(shì)，且階梯平臺(tái)逐步加寬。表明：在一個(gè)平臺(tái)上，更多的透照電壓具有相同的檢測(cè)靈敏度。例如：73～78 kV都具有相同的靈敏度。這也從側(cè)面驗(yàn)證了射線理論另個(gè)觀點(diǎn)：即透照電壓越高，寬容度越大。

4 結(jié)論

靈敏度是射線檢測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo)，因此業(yè)內(nèi)對(duì)于寬容度照相這種可降低檢測(cè)靈敏度模式的運(yùn)用抱有謹(jǐn)慎態(tài)度，即不能不用，又只能試探性應(yīng)用，其中核心問(wèn)題就是這種模式下的檢測(cè)靈敏度變化趨勢(shì)的模糊性。通過(guò)對(duì)透照電壓和透照電流（曝光量）相互作用于靈敏度的微觀分析和以鋁材作為模型的宏觀試驗(yàn)分析，經(jīng)過(guò)透照電壓和曝光量?jī)蓞?shù)的組合適配，在2.0黑度下，取得了各組合參數(shù)下的檢測(cè)靈敏度數(shù)據(jù)，經(jīng)分析確定以下結(jié)論：⑴鋁材透照電壓提高到可穿透電壓140%，檢測(cè)靈敏度仍滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；⑵在滿足黑度等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求前提下，寬容度照相模式具有可靠的靈敏度；⑶以上結(jié)論雖以鋁材作為研究對(duì)象獲得，但實(shí)驗(yàn)與分析的方法具有普遍意義；⑷透照電壓與曝光量適配數(shù)值具有冪函數(shù)關(guān)系。