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1、60第2章 射线照相检验设备与器材2.1 X射线机2.1.1 X射线机的基本结构与类型工业射线照相探伤中使用的低能X射线机,简单地说是由四部分组成:射线发生器(X射线管)、高压发生器、冷却系统、控制系统。当各部分独立时,高压发生器与射线发生器之间应采用高压电缆连接。X射线机可以从不同方面进行分类。按照X射线机的结构,X射线机通常分为三类,便携式X射线机、移动式X射线机、固定式X射线机。便携式X射线机采用组合式射线发生器,其X射线管、高压发生器、冷却系统共同安装在一个机壳中,也简单地称为射线发生器,在射线发生器中充满绝缘介质。整机由两个单元构成,即控制器和射线发生器,它们之间由低压电缆连接。在射
2、线发生器中所充的绝缘介质,较早时为高抗电强度的变压器油,其抗电强度应不小于3050kV/2.5mm。现在多数充填的绝缘介质是六氟化硫(SF6),以减轻射线发生器的重量。充填的SF6气体的气压应不低于0.34MPa(3.5kg/cm2),但也不能过高,以防机壳爆裂,通常不应超过0.49MPa(5.0kg/cm2)。采用充气绝缘的便携式X射线机,体积小、重量轻,便于携带,利于现场进行射线照相检验。便携式X射线机的管电压一般不超过320kV,管电流经常固定为5mA,连续工作时间一般为5min。移动式X射线机具有分立的各个组成部分,但它们共同安装在一个小车上,可以方便地移动到现场、车间,进行射线检验。
3、冷却系统为良好的水循环冷却系统。X射线管采用金属陶瓷X射线管,管电压不高于160kV(或150kV),尺寸小,射线发生器通常就是X射线管,它与高压发生器之间采用一长达15m左右的高压电缆连接,以便于现场的防护和操作。固定式X射线机采用结构完善、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
4、应优先选用的X射线机。X射线机也可以按其他方面分类,例如按照X射线机的工作电压可分为恒压X射线机和脉冲X射线机,按照加在X射线管上的电压脉冲频率可分为恒频X射线机和变频X射线机,按照所使用的X射线管可分为玻璃管X射线机和陶瓷管X射线机,按照X射线管的辐射角可分为定向X射线机和周向X射线机,按照X射线管焦点尺寸可分为微焦点、小焦点和常规焦点X射线机等,但目前较多采用的是按照结构进行分类。2.1.2 X射线管X射线机的核心器件是X射线管,普通X射线管的基本结构如图2-1所示。它主要由阳极、阴极和管壳构成。图2-1 X射线管结构示意图图2-2 阳极的基本结构示意图1阳极罩 2阳极体 3放射窗口 4阳
5、极靶阳极是产生X射线的部位。主要由阳极体、阳极靶和阳极罩组成。阳极的基本结构如图2-2所示。阳极体为具有高热传导性的金属电极,典型的阳极体由无氧铜制做。其作用是支承阳极靶,并将阳极靶上产生的热量传送出去,避免靶面烧毁。阳极靶的作用是承受高速电子的撞击,产生X射线。阳极靶紧密镶嵌在阳极体上,与阳极体具有良好的接触。由于工作时阳极靶直接承受高速电子的撞击,电子大部分动能在它上面转换为热,因此阳极靶必须耐高温。此外,阳极靶应具有高原子序数,才能具有较高的X射线转换效率。所以,对工业射线照相检验用的X射线管,其阳极靶采用钨制做。阳极靶的表面应磨成镜面,并与X射线管轴成一定角度,靶面与管轴垂线所成的角度
6、常称为靶面角。阳极靶可以采用不同的结构,以产生不同的辐射。例如,常用锥形靶和平面形靶产生周向辐射X射线,也有的X射线机采用特殊的旋转阳极靶,它不仅可以改善散热状况,而且可以获得更高的管电流。高速电子撞击阳极靶时会产生二次电子,二次电子可集聚在管壳上,形成一定电位,影响飞向阳极靶的电子束,阳极罩就是用来吸收高速电子撞击阳极靶时产生的二次电子。阳极罩常用铜制做,在朝向阴极方向有一小孔,阴极发射的电子从这个小孔进入,撞击阳极靶;阳极罩的侧面也有一个小孔,常用原子序数很低的薄铍板覆盖,称为窗口,阳极靶产生的X射线从此窗口辐射出来。图2-3 X射线管的阳极特性曲线X射线管的阳极特性是指,在一定的阴极灯丝
7、电流下,管电流与管电压的关系。图2-3是X射线管的阳极特性曲线。从图中可以看到,管电流在最初随着管电压升高而增加,但当管电压达到一定值以后,管电流趋于饱和。产生这种饱和特点的原因是,灯丝发射的电子已接近全部到达阳极靶。当X射线管施加的管电压较低时,为了得到较大的管电流,只能采用更大的灯丝电流。但实际上灯丝电流也只能在一定范围内调整,这也就限定了低管电压下可使用的最大管电流。阴极是X射线管中发射电子的部位,它由灯丝和一定形状的金属电极聚焦杯(阴极头)构成。灯丝由钨丝绕成一定形状,聚焦杯包围着灯丝。灯丝在灯丝电流加热下可发射热电子,这些电子在X射线管的管电压作用下,高速飞向阳极靶,最终通过轫致辐射
8、在阳极靶产生X射线。灯丝发射电子的能力随灯丝温度,也就是灯丝的加热电流而改变。当灯丝温度增高时,发射电子的能力也增大。由于钨的熔点高(3370),且蒸发率低,所以工业探伤用X射线管的灯丝采用钨制做。灯丝的主要形状有圆形、线形、矩形等,灯丝的形状、尺寸及聚焦杯的形状、尺寸、与灯丝的相对位置等,都直接影响X射线管的焦点。灯丝温度通过调节灯丝变压器的电压改变灯丝电流进行调节,过高的灯丝电流将会烧毁灯丝。X射线管的阴极特性是指,在一定管电压下,管电流与灯丝电流之间的关系。图2-4是X射线管的阴极特性曲线。X射线管的管壳封出一个高真空腔体,并在腔内封装阳极和阴极。管内的真空度应达到1.33(10-310
9、-5)Pa。管壳必须具有足够高的机械强度和电绝缘强度。工业射线检测常用的X射线管的管壳主要采用玻璃与金属或陶瓷与金属制做。采用玻璃与金属制做管壳的X射线管称为玻璃X射线管。采用陶瓷与金属制做管壳的X射线管分为两类,一类是金属陶瓷X射线管,另一类是波纹陶瓷X射线管。图2-5是波纹陶瓷X射线管的结构示意图。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,与玻璃管壳的X射线管比较,它的主要特点是结构牢固、寿命长,现在已经是X射线管的重要类型。波纹陶瓷X射线管是广泛应用在的另一类X射线管,它与金属陶瓷X射线管具有类似的特点。普通玻璃X射线管的寿命一般为400500h,陶瓷X射线管的寿命一般在1
10、000h以上。这里所说的寿命是指X射线管的辐射量降低到规定值的80%以下,并不是指X射线管本身损坏。目前,在工业射线检测中还使用的另一种X射线管是微焦点X射线管。这是一类特殊结构的X射线管,管的焦点尺寸现在可小到几微米,它采用了一套电子聚焦系统,以便形成很细的电子束。这种X射线管的工作电压较低,一般不超过160kV,管电流也远小于普通X射线管,一般不超过数百微安。 图2-4 X射线管的阴极特性曲线 图2-5 波纹陶瓷X射线管结构示意图在X射线管中产生X射线的基本过程如下。X射线管的阴极灯丝通过电流,被加热到2000以上后发射电子,这些电子聚集在灯丝附近。当X射线管的阳极和阴极间施加上高压后,电
11、子在这个高压作用下被加速,高速飞向阳极靶,穿过阳极和阴极之间的空间后撞击到阳极靶上。通过轫致辐射,电子的一部分动能转化为X射线,从X射线管窗口辐射出来。电子的大部分动能传给了阳极靶,使它迅速升温。图2-6 油浸200kVX射线机射线发生器结构示意图从这个过程可以看出,为了保证X射线管能够正常地工作,产生一定能量和强度的X射线,X射线管必须具有足够的真空度、足够的绝缘强度和足够的散热能力。X射线管的结构、所达到的绝缘强度和真空度,限定了在阳极和阴极间所能施加的最高高压。由于气体分子在电子的撞击下可以发生电离,产生附加的电流,真空度同时还将影响X射线管管电流的稳定性,这也直接关系到X射线管的正常工
12、作和寿命。显然,如果不能很好地散热,X射线管的阳极将迅速升到很高的温度,不仅会使阳极靶烧毁,而且也会导致X射线管整体损坏。使用时,X射线管置于一定的外壳中,X射线管与此外壳和外壳中充填的绝缘介质等构成一个整体,通常称为射线发生器(机头)。对便携式X射线机,射线发生器还会包括高压部分。外壳由具有一定强度的金属制做,外壳上有一系列的插座,包括可能有的高压电缆插座和冷却循环用的接管等。在外壳内应有一定厚度的铅屏蔽层,使漏泄辐射量降低到规定的要求。内部充填的绝缘介质主要是高抗电强度的变压器油或六氟化硫气体。图2-6是一射线发生器内部结构示意图。2.1.3 高压发生器高压发生器由高压变压器、高压整流管、
13、灯丝变压器和高压整流电路组成,它们共同装在一个机壳中,里面充满了耐高压的绝缘介质。高压发生器提供X射线管的加速电压阳极与阴极之间的电位差和X射线管的灯丝电压。高压发生器中注满高压绝缘介质,目前主要是高抗电强度的变压器油,其抗电强度应不小于3050kV/2.5mm。高压变压器的结构与一般变压器相同,其特点是二次电压很高、但功率不大。为保证高压变压器具有足够的绝缘强度,在制造过程中应进行严格绝缘处理,以防止以后发生击穿。灯丝变压器的一次电压一般为100200V,二次电压常为520V,必须解决的问题是一次绕组与二次绕组之间的绝缘问题。由于X射线管的阴极处于高压之中,而灯丝变压器的一次绕组处在低压线路
14、之中,所以必须防止它们之间的高压击穿。正是由于这个原因,灯丝变压器必须置于高压绝缘介质之中。高压整流电路有多种形式,一些典型电路是半波自整流电路、全波整流电路、恒压整流电路。半波自整流电路是最简单的高压整流电路,其基本电路如图2-7所示,得到的电压波形如图2-8所示。在这种电路中X射线管本身起着整流二极管的作用。当X射线管施加交流电压时,利用自整流作用,在阳极电位为正半周时电流通过,X射线管工作,发射X射线。在阳极电位为负半周时电流不能通过,X射线管不工作,不发射X射线。即半波自整流电路只在半周的时间内发射X射线。 图2-7 半波自整流电路 图2-8 半波自整流电路的电压波形半波自整流电路的优
15、点是结构简单、部件少、体积小,多用于携带式X射线机。但半波自整流电路也存在明显的缺点,主要是仅在半周发射X射线,电源利用率低;此外,在高压的负半周,X射线管要承受很高的反向电压,如果阳极温度很高,可能会因发射电子而出现反向电流。为避免这一问题,电路中长采用逆电压降低电路,这样一来,在负半周仅有较低的电压加在X射线管上。全波整流电路其基本电路如图2-9所示。当交流电处在不同半周时,可分别通过不同的整流二极管将电压施加在X射线管上,使X射线管工作,发射X射线。此电路电源利用率高,X射线管不存在需要承受反向高压问题。电路存在的主要缺点是,输出的电压波形不稳定,也即输出的X射线不稳定。图2-9 全波整流电路全波恒压整流电路其基本电路如图2-10所示,得到的电压波形如图2-11所示。为了提高X射线管的辐射强度,必须采用波动很小的直流电对X射线管供电,全波恒压整流电路就是这样的一种整流电路。按图2-10的标示,在正半周时,交流电对电容C1充电,电容C2放电;在负半周时,交流电对电容C2充电,电容C1放电。正半周时电流的路径是高压变压器整流二极管D1X射线管电容器C2高压变压器。负半周时电流的路径是高压变压器电容器C1X射线管整流二极管D2高压变压器。X射线管上的高压是高压变压器上的电压与电容器上的电压的和,即实际施加到X射线管上的电压近似比高压变压器二次电压高一倍。由于电容的充电