直線加速器射線檢測中不銹鋼增感屏與鉛增感屏的性能對比試驗研究

陳甫旭

（上海阿波羅機械股份有限公司，上海 201401）

1 引言

某核電項目600 MW 示范快堆工程新組件轉換筒下支撐盤（見圖1），壁厚為110 mm，直徑為5 220 mm。坡口形式為雙面對稱U 形坡口，采用手工氬弧焊打底，自動焊氬弧填充方法，對該焊縫進行焊接。由于焊接厚度大，填充量多，奧氏體散熱慢，易產生熱裂紋、氣孔及根部未熔合等缺陷。為保證產品的質量，對該焊縫進行射線檢測尤為重要。

圖1 轉換筒下支撐盤設計圖

設計要求按照《核安全二、三級設備焊縫射線檢測技術條件》進行100%射線檢測。

在程序編制時，為保證檢測工藝的可行性，特對此項目射線檢測工藝進行驗證。

2 選用直線加速器的理論依據

選擇射線源的首要因素，是射線源所發出的射線對被檢試件必須有足夠的穿透能力。在射線源具有足夠穿透能力的前提下，確保射線照相質量及工作效率。

2.1 加速器的選用

在工業射線照相檢測中，一般選用加速器產生更高能量的射線。適合工業射線照相探傷的加速器主要是：電子感應加速器、電子直線加速器、電子回旋加速器。

根據NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2 部分：射線檢測》中5.6.3 條要求，檢測技術等級為A 級、AB 級，透照厚度大于或等于50 mm 時，可選用大于4～12 MeV 高能X 射線檢測進行檢測。

本文選用電子直線加速器（也稱直線加速器）。

2.2 直線加速器的工作原理

直線加速器的主體結構是圓柱形金屬波導管，波導管中每隔一定距離安放一個金屬圓盤，圓盤中心有一圓孔，它是行波電磁場和電子的通路。這種加速器采用電磁場在波導管內不斷供給電子能量，使電子加速，電子每前進1 cm 可獲得約6.0×104eV 的能量。電子在加速管內沿直線運動，加速到一定能量后撞擊在靶上產生X 射線。圖2 是行波電子直線加速器結構示意圖。

圖2 行波電子直線加速器結構示意圖

電子直線加速器是性能更適合于工業射線照相探傷的加速器。對工業射線照相檢測，其能量多為1～15 MeV；在這個能量范圍它可以制造得輕巧、操作方便；其焦點尺寸約2 mm。與電子感應加速器相比，它的體積大，但它的電子束流強度大，產生的X 射線強度大，約為電子感應加速器的10～100 倍。

2.3 高能X 射線檢測的特點

高能X 射線照相檢驗技術基本與采用常規低能X 射線機的射線照相檢驗技術相同，但存在一些高能X 射線本身的特點。

1）X 射線轉換效率高。由于在加速器中電子的能量很高，并且能量集中，因此轉換成X 射線的效率高。高能X 射線轉換效率通常可以達到50%～60%。低能X 射線轉換效率一般只有1%～2%。

2）射線照相檢驗厚度寬容度大。在大約1～10MeV 范圍，高能X 射線，物質的射線吸收系數隨能量的增高比較慢地減小，射線照相檢驗的厚度寬容度遠大于低能X 射線時的情況。對高能射線照相檢驗，厚度相差1 倍的2 個厚度，可以同時得到清晰的圖像。

3）輻射場的橫斷面上，輻射強度很不均勻。加速器中產生的X 射線主要在電子速度方向輻射。這樣，在輻射場的橫斷面上，輻射強度很不均勻。束中心的強度比偏離中心處的強度高出很多，圖3 是典型的高能X 射線輻照場強度分布。這種情況隨射線能量的提高而更加顯著，它限制了高能射線可使用的輻照場。

圖3 高能X 射線輻照場強度分布

4）射線穿透力能力強，透照厚度大；焦點尺寸小，焦距大，照相清晰度高；散射線少，照相靈敏度高。

5）射線強度大，曝光時間短，可以連續運行，工作效率高等[1]。

3 試驗條件

3.1 試驗研究相關設備

1）直線加速器：型號DZ-6/100，最高能量6 MeV，最高劑量率1 000 cGy/min，焦點尺寸2 mm，最大重復頻率加到250 Hz。

2）工業用恒溫洗片機、全自動干片機；3）透射式黑白密度計、強光觀片燈等。

3.2 材料

1）試驗件：選用與實際產品同規格（板厚T=110 mm）、同材質304 不銹鋼及焊接方法、坡口形式均相同，焊接試驗件見圖4。

圖4 轉子對接焊縫模擬試驗件

2）膠片：工業X 光膠片，牌號Agfa-C4。根據NB/T 47013.2—2015 標準中5.4.2 條要求，采用高能X 射線檢測，膠片選擇應采用C 類或更高類別的膠片。

3）像質計：JB/T 7902-型號I 型-Fe1/7。

4 焦距及曝光參數選擇

根據NB/T 47013.2—2015 中5.7 條關于（射線源至工件表面的最小距離）及（諾模圖）要求：AB 級射線檢測技術射線源至工作件距離f≥10 db2/3；焦距F＞601 mm 可以滿足幾何不清晰度要求。

由于DZ-6/100 型直線加速器固有特性，廠家推薦焦距F＞1.8 m。因透照厚度為110 mm，為了得到更好的射線照相效果，本次焦距選擇2.5 m。

圖5 曝光曲線圖

5 增感屏選用

5.1 增感屏的類型及作用

增感屏主要有3 種類型：金屬增感屏、熒光增感屏、復合增感屏（金屬熒光增感屏）。

金屬增感屏是將厚度均勻、平整的金屬箔黏結在一定的支持物（如紙片、膠片片基等）上構成的。金屬箔增感屏主要與非增感型膠片一起使用。

金屬箔增感屏在射線照射下可以發射電子，這些電子被膠片吸收也產生照相作用，從而增加了射線的照相效應，產生增感作用。圖6 是金屬增感屏增感過程示意圖。

圖6 金屬增感屏增感過程

金屬增感屏的另一個重要作用是濾波，還能夠吸收散射線。一次射線能量較高，能夠穿透金屬箔并激發金屬箔發射電子，實現增感，但工件中產生的散射線能量較低，大部分被金屬箔吸收，這將大大地降低散射比，提高底片的影像質量。

5.2 金屬增感屏的選用

目前，工業射線探傷常用的均為金屬增感屏。

當射線能量一定時，增感屏厚度相同但金屬材料不同，增感效果是不相同的。

根據NB/T 47013.2—2015 中4.2.6.2 條關于增感屏選用應符合下文試驗數據的規定。6 MeV 直線加速器射線照相AB級：鉛增感屏、前后屏均為0.5～1.0 mm；鋼增感屏前后屏均為≤1.0 mm。

因此，現代醫學模式不僅僅是科學醫學而是科學醫學與社會學的綜合，是一個系統工程。建立與完善現代醫學模式需要結合中國國情，走中國特色之路[11]。堅持以人為本，不僅關注患者身體疾病的生物學治療，更應關注患者的心理健康和社會環境、生活方式對健康的影響，關注人與環境的和諧統一[12-13]，根據疾病譜的變化和經濟發展狀況合理構建與完善醫療保健體系。

為了得到最佳底片增感效果，現選用0.5 mm 鉛增感屏、0.5 mm 不銹鋼增感屏、1.0 mm 鉛增感屏、1.0 mm 不銹鋼增感屏4 個規格增感屏進行對比試驗，研究各增感屏的性能差別。為編制射線檢測工藝提供驗證（注：前屏和后屏均相同）。

6 檢測實施

根據DZ-6/100 型直線加速廠家推薦的曝光曲線，查得照射劑量8.7 Gy。現對使用0.5 mm 鉛增感屏、0.5 mm 不銹鋼增感屏、1.0 mm 鉛增感屏及1.0 mm 不銹鋼增感屏的射線底片，以2.5 m 焦距，累積劑量為8.7 Gy 能量進行曝光。

7 暗室處理

暗室處理是射線照相檢驗的一道主要工序，被射線曝光的工業膠片經過暗室處理后變為帶有可見影像的射線底片。底片的質量是否達到標準技術要求與暗室處理過程中的人員技能水平、顯影液、定影液、溫度、時間有密切關系。

現以相同的暗室處理條件，對使用0.5 mm 鉛增感屏、0.5 mm不銹鋼增感屏、1.0 mm 鉛增感屏及1.0 mm 不銹鋼增感屏的射線底片進行暗室處理[2]：

顯影（20 ℃）5 min—停顯30 s—定影（20 ℃）10 min—水洗30 min—自動烘干。

8 增感效果的驗證

在曝光參數和暗室處理等條件一定時，靈敏度與黑度是證明底片質量的最重要的依據。

根據NB/T 47013.2—2015 標準規定：單壁透照，像質計置于源測，AB 級射線照相靈敏度要求，公稱厚度110 mm 時，需識別到6 號（1.0 mm）的絲徑，底片評定結果如下：

0.5 mm 鉛增感屏，如圖7 所示，底片黑度在3.03～3.31，像質計靈敏度可識別6（1.0 mm）號絲徑，底片輪廓相對模糊清晰度較差。

圖7 0.5 mm 鉛增感屏/焊縫底片

0.5 mm 不銹鋼增感屏，如圖8 所示，底片黑度在2.32～2.56，像質計靈敏度可識別7（0.8 mm）號絲徑，底片輪廓相對清晰。

圖8 0.5 mm 不銹鋼增感屏/焊縫底片

1.0 mm 鉛增感屏，如圖9 所示，底片黑度在2.35～3.72，像質計靈敏度可識別6（1.0 mm）號絲徑，底片輪廓相對模糊清晰度較差。

圖9 1.0 mm 鉛增感屏/焊縫底片

1.0 mm 不銹鋼增感屏，如圖10 所示，底片黑度在2.32～2.56，像質計靈敏度可識別7（0.8 mm）號絲徑，底片輪廓相對清晰。

圖10 1.0 mm 不銹鋼增感屏/焊縫底片

根據圖7～圖10 實驗結果，匯總見表1。

9 分析總結

通過射線照相檢測，缺陷是否能夠而被檢出，取決于若干個因素：首先，缺陷必須在底片上留下足夠的識別影像；底片上的影像應在適當條件下得以充分顯示，以利于評片人員觀察和識別；然后，才是評片人員對觀察到影像應做出正確分析與判斷[3，4]。

表1 實驗結果表

依據上文試驗數據比較發現：

1）使用同厚度的不銹鋼增感屏，比使用同厚度的鉛增感屏靈敏度較高，黑度較低，底片清晰度較好；

2）使用同材質不同厚度增感屏，靈敏度、底片清晰度幾乎未發生變化；

3）鉛增感屏厚度較大的底片黑度，大于鉛增感屏厚度較薄的底片黑度；

4）不同厚度的不銹鋼增感屏底片黑度未發生明顯變化。

對以上試驗數據分析研究得知，對大于100 mm 的超厚板對接焊縫，采用6 MeV 直線加速器進行射線檢測時：雖然采用0.5 mm 或1.0 mm 鉛增感屏及不銹鋼增感屏都可以滿足NB/T47013.2—2015 標準相關條款要求，但是從靈敏度、底片黑度、清晰度等底片影像質量評價，不銹鋼增感屏更適用于高能量直線加速器超厚板對接焊縫射線檢測。