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1、蒋 仕 良 全国特种设备无损检测考委会考委 （RT、UT、MT、PT、AE五项高级资格） 天津石化公司装备研究院 高级工程师 TEL：022-63802672,第二章 射线检测设备与器材,一、X 射线机 （一） X 射线机的种类和特点 1、 X 射线机的种类： （1）按能量高低分 普通X射线机管电压500KV； 高能X射线机(即电子加速器：直线和回旋)能量 1Mev （2）普通X射线机按结构分 携带式X射线机： a 管电压300KV 电流5mA b 结构简单，体积小、重量轻、 适用高空和野外作业。,移动式X射线机： a 管电压可达500KV，电流较大可 达数十mA（通常有两个焦点， 对应大、小
2、两个管电流） b 结构复杂，体积和重量大、适用 固定或半固定使用 固定式X射线机：结构完善、 功能强的分立射线发生器、高压发 生器、冷却系统和控制系统，射线 发生器与高压发生器之间采用高压 电缆连接，高压电缆的长度一般为 2m。其体积大、重量也大，不便 移动，因此固定安装在X射线机房内。 这类X射线机已形成150kV、250kV （225kV）、320kV、450kV（420kV） 等系列，其管电流可用到30mA甚至 更大的值，系统完善，工作 效率高， 它是检验实验室应优先选用的X射线机。,（3）普通X射线机按使用性能分 定向X射线机： 400左右圆锥角定向辐射、适用定向单张拍片。 周向X射线
3、机：（平耙、锥耙） 3600周向辐射、适用环焊缝周向曝光。 管道爬行器： 3600周向辐射、适用于长输管道环焊缝周向拍片。,工作程序：管道爬行器行进接受指令源信号自动减速刹车通过摆动定位刹车发出曝光指令经延时后曝光,射线管道 爬行器 工作方法,（4）普通X射线机按频率分 工频X射线机： 5060Hz。 变频X射线机：（平耙、锥耙） 300800Hz 。 恒频X射线机： 200Hz。 穿透能力：恒频变频工频（同管电压、管电流） （5）普通X射线机按绝缘介质种类分 变压器油绝缘主要用在移动X射线机 （一般用25号变压器油，2.5mm标准间隙测试，耐 压50KV。） SF6气绝缘主要用在携带式X射线
4、机,按照工作电压分类,恒压X射线机,脉冲X射线机,按射线 管照分类,玻璃管X射线机,陶瓷管X射线机,按射 线管焦 点的尺 寸分类,常规焦点X射线机,微焦点X射线机,小焦点X射线机,（6）普通X射线机按其它方面分,2、 便携式X 射线机的技术进步： （1）机头小型化、轻量化 用SF6气体代替变压器油，不仅大大减轻了绝缘介质的重量，而且由于SF6的绝缘 性能优于变压器油，使得高压元件之间的绝缘距离缩短，从而减小了机头尺寸。 提高X射线管的工作频率，可减小变压器的铁芯尺寸，使高压变压器的重量减轻，同时还提高了X射线管的输出强度。 在满足X射线机散射剂量的规定的前提下，对机头筒体、射线窗口等不同位置的
5、屏蔽采用局部衬不同厚度的铅板的方法，亦可减轻机头重量。 缩小X射线管尺寸，用金属陶瓷管代替玻璃管，并采用阳极接地电路，整机尺寸可 相应缩小。 由于采取以上有效措施，变频和恒频气绝缘X射线机的机头重量比老式的工频油绝缘X射线机的机头重量可减轻1/31/2，而穿透能力却有所提高。 （2）提高操作自动化程度和使用可靠性 将电脑技术应用于X射线机的操作,可进一步提高操作过程的自动化程度，如安装电脑操作系统，实现自动试机、间隙休息、按给定的曝光条件工作等多种功能。采用了语言报警提示，各部工作参数用中文、数字和波型显示，并能一机通用，自动识别不同型号的射线机头等功能。此外，还研制了一种曝光计时器，即用一种
6、外形尺寸为500mml20mm80mm的软垫电离器（后面有1mm厚的铅板防止背散射的干扰），把它放在被检试件后面，紧靠暗袋，接受穿透工件后的X射线，产生相应的电信号达到规定量后，反馈到控制箱切断高压，从而有效地控制胶片接受的射线剂量，保证底片的黑度达到同一性。,（二）X射线管,1、X射线管结构：,主要由阳极(即金属靶) 、 阴极(即灯丝) 和真空度的管壳构成。,X射线管结构示意图,是产生X射线的部位。主要由阳极体、阳极靶和阳极罩组成。,（1）阳极结构：,阳极体多为无氧铜制做，将热量传出，避免靶面烧毁。,1阳极罩 2阳极体 3射线窗口 4阳极靶,阳极体的作用是支承靶面，传送靶上的热量，避免钨靶烧
7、坏，因此阳极体采用导热率大的无氧铜制成。 阳极靶常选用原子序数大、耐高温的钨来制造，软X射线管则选用钼靶。 阳极罩可以吸收二次电子，另一作用是吸收一部分散乱射线。 在阳极罩正对靶面的斜面处开有能使X射线通过的窗口，其上常装有几毫米厚的铍。 由于X射线管能量转换率很低，电子的能量约有99转换为热能传给阳极靶，因此X射线管工作时阳极的冷却十分重要。如冷却不及时，阳极过热会排出气体、降低管子的真空度，严重过热可使靶面熔化以至龟裂脱落，使整个管子丧失工作能力。,阳极的冷却方式一般有以下三种： a）辐射散热式：,b）冲油冷却式： c）旋转阳极自然冷却：,（2）阴极：X射线管的阴极是发射电子和聚集电子的部
8、件，由发射电子的灯丝（一般用钨制作）和聚集电子的凹面阴极头（用铜制作）组成。阴极形状可分为圆焦点和线焦点两大类：圆焦点阴极的灯丝绕成平面螺旋形，装在井式凹槽阴极头内；线焦点阴极的灯丝绕成螺旋管形，装在阴极头的条形槽内.,2、金属陶瓷管 由于用玻璃作外壳制成的X射线管对过热和机械冲击都很敏感，因此在70年代开发出性能优越的金属陶瓷管。这种射线管有很多特点： 抗震性强，一般不易破碎。 管内真空度高，各项电性能好，管子寿命长。 容易焊装铍窗口。 对250kV以上的管子，金属陶瓷管的尺寸可以做得比玻璃管小得多。,（3）外壳：普通X射线管的外壳用耐高温的玻璃制成，灯丝导线从阴极端部穿过管壁引出，为了使金
9、属和玻璃相接处不漏气，与玻璃壁接触的金属要求和玻璃有一样的膨胀系数，解决这一问题的办法是采用一种特殊的称为科瓦的铁镍钴合金。,100160kV金属陶瓷X射线管,金属陶瓷X射线管：,以不锈钢管代替玻璃管壳； 用陶瓷材料绝缘； 主要特点是结构牢固、寿命长； 玻璃管寿命：400500h； 陶瓷管寿命：1000h。 寿命：辐射量降低到80%以下。,200300kV金属陶瓷X射线管,320470kV金属陶瓷X射线管,3、 特殊用途的X射线管 周向辐射X射线管：这种X射线管可以通过一次曝光完成大直径筒体环焊缝整个圆周的曝光，从而大大提高了工作效率。它的阳极靶有平面阳极和锥体阳极两种形式其中平面阳极制造容易
10、，散热条件好，使用较多，但其射线束中心有一倾角，对环焊缝纵向裂纹的检测有一定影响。,小焦点X射线管：这种X射线管通过圆筒式聚焦栅将灯丝发射的电子束聚成很细的一束，可获得小于0.1mm微小焦点。在射线实时成像检测技术中为提高灵敏度，通常采用放大透照布置，这就需要小焦点X射线管，放大倍数的选择与X射线管焦点尺寸有关，射线源尺寸越小，可选用的放大倍数越大。 棒阳极X射线管： 这种X射线管的阳极制成棒状，可伸进小直径筒内对环焊缝作周向曝光。一种典型产品的尺寸：X射线管总长280mm，最大直径100mm，棒阳极外径33mm，长49mm，用水冷却，额定管电压160KV，额定管电流6mA。,4、X射线管的技
11、术性能 （1）阴极特性和阳极特性 阴极特性：金属热电子发射与发射体的温度关系极大。假定在一定的管电压下，X射线管阴极发出的电子全部射到阳极上，则饱和电流密度与温度的关系（即X射线管的阴极特性）可用图表示。从图中可以看到，在阴极的工作温度范围内，较小的温度变化就会引起较大的电流变化。,管电流与灯丝温度的关系曲线,阳极特性：阳极特性即X射线管的管电压与管电流的关系，见图。在管电压较低时（10kV20kV），X射线管的管电流随管电压增加而增大，当管电压增加到一定程度后，管电流趋于饱和从而不再增加。这说明在某一恒定的灯丝加热电流下，阴极发射的热电子已经全部到达了阳极，再增加电压亦不可能再增加管电流。,
12、X射线管电流与管电压关系曲线,也就是说，工业检测用的X射线管工作在电流饱和区。由此可知，对工作在饱和区的X射线管，要改变管电流，只有改变灯丝的加热电流（即改变灯丝的温度）。 通过对两个特性曲线的分析，可以得出如下结论：X射线管的管电流和管电压在工作过程中可以相互独立进行调节。,（2） X射线管的管电压 管电压是指X射线管承载的最大峰值电压，以符号kVp表示。 必须注意的是，在修理时进行的电工测量中，表头指示的是有效值。对于正弦波，存在如下关系：U有效值=0.707U峰值。 例如一额定管电压为200kVp的X射线管折算为有效值应为2000.707=141.4（kV），测试中不允许超过，否则容易击
13、穿而损坏。 管电压是X射线管的重要技术指标，管电压越高，发射的X射线的波长越短，穿透能力就越强。在一定范围内，管电压与穿透能力有近似直线关系，见图。,射线穿透能力示意图,（3）X射线管的焦点 焦点是X射线管重要技术指标之一，其数值大小直接影响照相灵敏度。 X射线管焦点的尺寸主要取决于X射线管阴极灯丝的形状和大小、阴极头聚焦槽的形状及灯丝在槽内安装的位置。此外，管电压和管电流对焦点大小也有一定影响。 阳极靶被电子撞击的部分叫做实际焦点，见图。 焦点大，有利于散热，可承受较大的管电流；焦点小，照相清晰度好，底片灵敏度高。 实际焦点垂直于管轴线上的正投影叫做有效焦点，探伤机说明书提供的焦点尺寸就是有
14、效焦点。它的形状有三种：圆焦点（用直径表示）；长方形焦点用（长+宽）/2表示和正方形焦点（用边长表示）。 对斜靶定向X射线管，其有效焦点面积So与实际焦点面积S的关系可用下式表示： So=Ssin （2-1） 式中：靶与垂直管轴线平面的夹角，一般=20o，所以有近似关系：So=S/3。,（3）X射线管的焦点 焦点是X射线管重要技术指标之一，其数值大小直接影响照相灵敏度。X射线管焦点的尺寸主要取决于X射线管阴极灯丝的形状和大小、阴极头聚焦槽的形状及灯丝在槽内安装的位置。此外，管电压和管电流对焦点大小也有一定影响。阳极靶被电子撞击的部分叫做实际焦点，见图。,焦点尺寸d计算方法：(标准附录E),焦点
15、形状分类,正方形焦点：d=a,长方形、椭圆形焦点：d=（a+b）/2,圆形焦点：d=d,实际焦点和有效焦点,有效焦点尺寸可按照JB/T87641998工业探伤用X射线管通用技术条件规定的方法来测量。,（4）辐射场的分布 定向X射线管的阳极靶与管轴线方向呈20o的倾角，因此发射的X射线束有40o左右的立体锥角，随角度不同X射线的强度有一定差异，用伦琴计测量，射线强度有图所示的分布。 从图中可以看到，阴极侧比阳极侧射线强度高，在大约30辐射角处射线强度最大。但实际上，由于阴极侧射线中包含着较多的软射线成分，所以对具有一定厚度的试件照相，阴极侧部位的底片并不比阳极侧更黑，利用阴极侧射线照相也并不能缩
16、短多少时间。,不同角度上X射线的强度,（5）X射线管的真空度 X射线管必须在高真空度（10-6mmHg10-7mmHg）才能正常工作，故在使用时要特别注意不能使阳极过热。,（6）X射线管的寿命 X射线管的寿命是指由于灯丝发射能力逐渐降低，射线管的辐射剂量率降为初始值的80的累积工作时限。玻璃管寿命一般不少于400h，金属陶瓷管寿命不少于500h。如果使用不当，将使X射线管的寿命大大降低。保证X射线管使用寿命的措施主要有以下几条： 在送高压前，灯丝必须提前预热、活化。 使用负荷应控制在最高管电压的90以内。 使用过程中一定要保证阳极的冷却，例如将工作和间息时间设置为1:1。 严格按使用说明书要求进行训机。,(三)高压发生电路 高压发生电路是X射线管工作的基本电路。按加在X射线管两极上的电压波形可分为半波整流、全波整流、倍压整流及恒直流等四种；按高压变压器地电位的接法可分为阳极接地和中间接地两
