底片黑度對射線檢測靈敏度的影響探究

楊 磊

（山東省特種設備檢驗研究院濰坊分院，山東濰坊 261000）

0 引言

X 射線檢測技術是承壓類特種設備中定期檢驗時的重要內部缺陷檢測方法之一，因承壓類設備所盛裝介質通常具有高溫高壓、易燃易爆等特性，排除其內部缺陷對于設備的使用安全具有重要意義[1]。如何提高射線檢測技術的檢測靈敏度一直是承壓類設備檢驗檢測人員研究的重要課題。

所謂X 射線檢測靈敏度，指在X 射線底片上所能發現的焊縫內部最小缺陷的能力，它是衡量X 射線檢測自身工作質量的一項綜合指標。X 射線檢測的技術水平和所用的器材性能水平較集中地反映在這項指標上。檢測靈敏度又與底片黑度、對比度（反差）、清晰度等因素有一定內在聯系。為集中討論其中的某一問題，本文僅就靈敏度與底片黑度之間的相互關系作深入探討。

1 底片黑度的定義

用于無損檢測的X 射線通常是由高速運動的電子撞擊物質的原子所產生的波長為1×10-6～1×10-10cm 的電磁波，它具有穿透金屬和其他物質的能力，同時能使膠片感光。當X 射線穿透工件時，由于基本金屬（如鍋爐筒體的母材和焊縫）和內部缺陷（如焊縫內部的氣孔、夾渣、未熔合、未焊透、裂紋等）的密度不同，它們對X 射線的吸收亦有所不同，使貼在焊縫背面的X 光膠片的感光量也有所不同，經暗室顯影處理后根據底片上黑化程度的差異，判斷是否有缺陷，這就是X 射線檢測技術的基本原理[2]。

底片黑化程度稱為黑度。黑度是指X 射線至底片上的光通量與透過的光通量的常用對數的比值D=lg（I0/I）。

底片的對比度（反差）是指底片上相鄰兩有個區域黑度的差異，即ΔD=D2-Dx。對比度越大，則缺陷與焊縫金屬之間的輪廓界線越分明，就愈容易識別缺陷，因此，探傷靈敏度越高。

2 底片黑度差產生的原因

X 射線穿透物質后，由于被物質所吸收（產生光電效應、散射效應或者康普頓效應）而消耗能量，射線強度將顯著減弱。實驗證明，射線減弱具有自然衰減的規律。

通過厚度為dt 微小薄層物質時，X 射線強度衰減量di 正比于X 射線強度I 和穿透層的厚度（圖1），即di∝-Idt 或di=-μdt。其中，μ 為比例常數，與X 射線的波長及物質有關系，稱為該物質的衰減系數，其單位為厘米-1，“-”表示強度的變化是由強變弱，即衰減的意思。

圖1 X 射線的衰減

對上式進行積分，則：∫（dI/I）=-∫μdt，lnI=-μt+C。

當X=0 時，I=I0，故C=tnI。代入上式得：lnI+InI0=ln（I/I0）=-μt。因此，I/I0=e-μt或I=I0e-μt。其中，e 是自然對數的底，e=2.718 28…；t為穿過物質的厚度；I0為入射X 射線的強度，I 為透過t 厚物質后的X 射線強度。

通過上式可看出，X 射線通過物質時，將按照指數函數的規律迅速衰減。

3 膠片特性曲線與底片黑度的關系

X 射線檢測工藝證明，底片黑度主要與X 射線透照曝光量有關。X 射線強度I 與爆光時間T 的乘積為常數，表示為曝光量E。

一般來說，曝光量越大，底片黑度越大，但是底與黑度與曝光量之間關系不是簡單的遞增關系，僅是在某一定范圍內才依直線關系遞增（圖2）。圖2 中橫座標為曝光量E 的常用對數值，縱坐標為底片上黑度D，這樣繪制的一條曲線通常稱為膠片特性曲線。

圖2 膠片特性曲線

將曲線中直線部分延長并與橫軸相關成夾角θ，取夾角θ 的正切值r，稱之為膠片反差系數：r=tgθ=（D2-D1）/（lgE2-lgE1）。

如果有一束入射強度為I 的X射線取某工件進行探傷，假設工件內部有一缺陷，其厚度為x，經X 射線透照拍片后，透過基本金屬部的X 射線強度為I1，其底片部位的黑度為D1，透過有缺陷部位的X射線強度為I2，其底片部位的黑度為D2，因為基本金屬與缺陷的密度不同，一般是D2>D1，則I2

因為基本金屬部位和有缺陷部位是以同樣的時間T 進行探傷的，所以r=ΔD/（lgI2T-lgI1T）=ΔD/（lgI2-lgI1）。由于I=I0e-μt，則：I1=I0e-μt；I2=I0e-μ（t-x）。

對這兩個公式分別取常用對數，然后相減，則lgI2-lgI1=lg。

因此，ΔD=0.43μxr；或D2-D1=0.43μxr 或D2=D1+0.43μxr。

進行X 射線檢測時，工件材料的μ、工件內部缺陷厚度x 和膠片的反差系數r 均是固定的，所以（0.43μxr）是常數。

從上面的分析可知，適當提高射線能和量曝光量，底片上基本金屬部位黑度D1會提高，底片上有缺陷部位黑度D2亦隨之提高；兩者在底片上黑度差異（反差）也相應增加（ΔD=0.43μxr），這樣，底片上缺陷部位的影象與基本金屬部位的影象之間輪廓界線更加清晰可辨，更細小的缺陷也能檢測出來了，探傷靈敏度也會隨之提高。

由此可見，在進行X 射線照相法探傷時，適當提高射線能量和曝光量會提高基本金屬部位的黑度和有缺陷部位黑度，能夠提高探傷靈敏度，相反黑度降低、靈敏度也會有所下降。

有關研究表明，正常人的肉眼可分辨出的最小黑度差值為0.02[3]，即Dmin=0.02，再小就無法分辨了。因此，xmin=0.02/0.43μr=0.046/μr。

通過上面論述可知，當工件材料的衰減系數μ 值一定時，膠片反差系數r 愈大，能夠發現的缺陷尺寸就愈小，檢測靈敏度愈高，這就是無損人員喜歡使用高反差的膠片的理由。

4 最佳推薦底片黑度范圍

如前所述，提高底片黑度對提高探傷靈敏度有利，但是，隨著黑度的提高，對底片觀察的高度要求愈高，假設底黑度D=4，根據黑度的定義：D=lg（J0/J）=4，則J0/J=104=10 000 或J0=10 000J。這就是說，如果要能觀察到底片靈敏度下的某一細小缺陷，則要求入射光通量至少是透過光通量的1 萬倍，顯然要獲得這樣強大的光源是有困難的，而且這樣強的光線對人眼刺激太大，使評片人員無法工作。另外，要獲得這樣高的黑度的底片，X 射線探傷的曝光參數要大大提高，是很不經濟的。

由此可見，底片的黑度規定應有一個適合的范圍。

對于承壓類特種設備的射線檢測而言，執行的是NB/T 47013—2015 標準，在該標準的5.16.11.1 條中規定，對于檢測技術等級為AB 級的檢測，其黑度范圍為2.0～4.5，在實際檢測中，應推薦一個中間范圍的黑度值，以保證所拍底片均在正常黑度范圍之內。

實踐還證明，能夠發現最小缺陷的黑度范圍往往是在推薦黑度范圍內較窄的一部分，這就是所謂最佳黑度范圍。探傷人員的工作應將底片黑度控制在最佳黑度范圍之內，以求獲得最佳探傷底片質量（圖3）。

圖3 底片黑度與靈敏度的關系

按照NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》規定，底片正常黑度在2.0～4.5，低于下限或超過上限為廢片，需重新拍片；推薦黑度規定在2.5～4.0，這是同常探傷工作所要求達到的范圍；最佳黑度則控制在2.8～3.8，這是經過多次試驗求得的黑度范圍，可獲得最佳靈敏效果。不過這并不僅是通過提高底片黑度來取得的，在實際檢驗中檢測人員可以參照這個范圍，以達到最佳的檢測靈敏度。

5 結束語

射線檢測的靈敏度是一項綜合性能，黑度對檢測靈敏度的影響往往容易被忽視，本文從黑度差產生的機理和試驗論證，得出承壓類特種設備采用AB 級檢測技術等級檢測時的最佳推薦黑度范圍，可以為檢驗人員提供一定的參考。