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1、1X 射线数字照相技术（DR）在铝合金铸件检测中的应用王广坤 北京航星机器制造公司 NDT 主任工艺师邦能达（北京）无损检测有限公司 技术顾问一概 述工业数字 X 射线检测（Digital Radiography）通常可以分为以下四种：（1）以图像增强器为基础的 X 射线实时成像检测（Real-time Radiography Testing Image，缩写 RRTI）；（2）采用成像板（ ImagrPlate IP 板）为射线探测装置的模拟数字 X 射线计算机照相检测（Computed Radiography,简称 CR）；（3）采用专用数码扫描仪将普通 X 射线照相底片经数字化扫描后转化
2、为数字图像存储并进行后期处理（FDR）；（4）采用电子成像技术的直接数字化 X 射线照相检测（DirectDigit Radiography,简称 DR）。根据现代工业数字 X 射线检测技术的发展动态，比较前沿、活跃和工程化技术成熟的数字 X 射线检测技术当属 DR 成像检测和 CR 成像检测，本技术专题讲座着重讲一下 X 射线数字照相 DR 技术在铝合金铸件无损检测的应用，同时也在与 DR技术的研究比较中大致讲一下 CR 检测技术。二DR X 射线数字照相简介DR 成像 X 射线数字照相检测技术包括直接转换方式（器件经 X 射线曝光，X射线光量子直接转换为电信号输出）和间接转换方式（器件先将
3、 X 射线光量子转变为可见光，再转换为电信号输出），从 X 射线曝光到图像显示的全过程自动进行，经 X 射线曝光后，即可在显示器上观察到图像。DR 所用的器件主要是线阵列 DR探测器和平板检测器（Flat Pannel Detector，简称 FPD）。典型的间接转换型 DR探测器是线阵列探测器，由碘化铯 CsI 闪烁体、荧光体如硫氧化钆 GdSO 与具有光2电二极管作用吸收可见光并转换为电信号的低噪声非晶硅层（amorphous Silicom，a-Si）、大量微小的带有薄膜晶体管（TFT）阵列、大规模集成电路等组成多层结构构成，同步完成射线接收、光电转换、数字化等全过程，读出电路将每个像素
4、的数字化信号传送到计算机的图像处理系统集成为 X 射线影像，最后在显示屏上输出数字图像显示。FPD 目前已可达到 127m127m 像素和431mm431mm 的接收面积，每一个像素的几何尺寸仅有几十微米，具有极高的空间分辨率和很宽的动态范围，可用做普通 X 射线数字照相。探测器可承受20KV450KV 能量的 X 射线直接照射，工作性能稳定，动态范围可达到12Bit（2 124096 灰度级） ,可以一次性实现透照厚度变化大的工件的扫描成像检测，间接转换型 DR 平板探测器大多为非晶硅结构，多用于工业 X 射线检测领域。直接转换型 DR 探测器主要为平板式结构（少数也有线阵列扫描式），没有荧
5、光转换层，接收 X 射线曝光的光电信号转换层主要是由非晶硒层（amorphous Selemium， a-Se）与薄膜半导体阵列（Thin Film Transistor array，TFT）构成多层平板结构。非晶硒是一种光电导材料，探测器结构上施加有一个偏转电压，经 X射线曝光后由于电导率改变而直接将 X 射线模拟信号转换成图像电信号（入射的 X线光量子在非晶硒层激发出电子与空穴偶对，电子和空穴在偏置电压下反向运动而产生电流），通过 TFT 检测阵列俘获形成电信号，再经 A/D 转换变成数字信号，通过计算机处理而获得数字化图像并在显示器上显示出来，达到数字成像检测的目的，直接转换型 DR 平
6、板探测器大多为非晶硒结构或 CCD（电荷耦合器件），硒板成像系统的幅频低于硅板成像系统，但是在承受 X 射线撞击时产生的电子散射小，图像精度较高，加之信号转换环节少，图像失真小，多用于医疗 X 射线照相诊断。DR 扫描成像检测系统的原理组成可以简单地表述为：X 射线源受检工件X射线成像探测器图像数字化系统数字图像处理系统记录系统（包括显示、存3储、打印、传输等）。工业检测在一般情况下，X 射线源、受检工件所在转台和成像探测器都安装在一个巨大的减振平台上，X 射线源和成像探测器可以同时上下运动，也可以各自分别运动。工装转台带着受检工件可以做旋转运动，也可以前后移动，复杂一些的转台还可以做倾斜运动
7、，典型的面板 DR 数字化扫描系统的工作原理图见图 1。一套真实在用的典型面阵列 DR 数字化扫描系统实际工作图见图 2图 5。图 1 平板面阵列 DR 扫描系统工作原理示意图4图 2 DR 扫描系统 YXLON MG452 型 X 射线机图 3 DR 扫描系统直径为 600mm 的机械扫描转台和工件图 4 珀金艾尔默 PerkinElmer 非晶硅（ a-Si）8数字平板探测器.5图 5 DR 扫描成像检测系统操作控制台DR 扫描成像检测基本原理请看下面的两个录像短片。课件稿材料X 射 线 DR 扫描过程.AVI；课件稿材料X 射线 DR 扫描机房及操作台.AVI 。三CR X 射线计算机照
8、相简介CR 方式属于非直接读出成像方式，其物理基础是 X 射线的电离作用及光激励发光，它是用可反复使用成千上万次的成像板（简称 IP 板）取代传统的 X 射线胶片，来捕捉穿过工件的 X 射线。IP 板也有刚性柔性之分，可以与普通胶片一样分割成各种大小不同的规格以满足实际需要。CR 装置包括影像采集部分（IP 板）、影像扫描部分（读出器）以及影像后处理和记录部分（包括计算机、打印机和其他存储介质）。CR 成像机理如下：穿透工件的 X 射线投射到 IP 板上，感光后的 IP 板利用其表面涂覆的荧光物质把 X 射线携带的工件内部信息以潜影方式储存下来，完成影像信息的记录，其后将带有潜影的 IP 板插
9、入专用的激光扫描读出器中，用激光束进行精细扫描读取潜影信息，荧光物6质被激光束激励，以荧光形式释放其储存的能量，经过复杂的光电转换和 A/D 模数转换形成数字图像，再经由计算机处理得到数字化图像，并输出到显示器屏幕上。目前，工业级的 CR 图像成像质量已接近于 X 线胶片（Agfa D7）的清晰度，图像的对比度可以达到 12Bit 或 4096 灰度级，图像的空间分辨率可达到5Lp/mm，即 100m，扫描像素达到 10Pixel/mm，硬拷贝出来的 CR 底片影像清晰度极佳。IP 板的动态特性线性度比胶片好，X 射线转换效率高，曝光量大大减少（可以少到传统胶片照相法的 1/51/20，需要的
10、曝光时间非常短），动态范围大，宽容度极高。例如，常用的便携 250 型 X 射线机，胶片照相需要 3min（即 180s），而对 GE 公司的 IPC 型成像板照相，同样电压、电流条件，曝光时间仅需要 12s 左右，而即便是采用颗粒更细的 IPX 型成像板，曝光时间也仅在 15s20s 之间，曝光量选择自由度大，一次拍照成功率提高，一般情况下只需要一次曝光就可以得到全部不同厚度的可视判断信息。CR 技术不需要胶片、化学药品、暗室、相关设备及胶片存储，可在普通室内操作处理，且 IP 板可以反复使用，IP 板在重复使用前需要经强光照射即可抹消潜影，IP 板还可以有限度地折弯，传统 X 射线能透照的
11、部位都可以用 CR 透照成像，现有传统的 X 射线机（包括周向、定向 X 射线机、管道爬行器都可以继续使用，透照过程基本与常规胶片照相相同，不需要对操作者进行特殊的培训，设备便携、读出设备与成像板分离使用，使用方便，对 X 射线机的焦点大小要求不太严格，适合于野外恶劣工况环境施工。其缺点是操作较复杂，不能实时处理，且 IP 板使用和保存条件严格，保存不好会影响其使用寿命和成像质量。与 DR 成像系统相比，工作效率较低，图像质量略逊于 DR。四X 射线数字成像的性能参数（1）空间分辨力（率）空间分辨力是数字图像中能够辨认的临近区域几何尺寸（微小细节）的最小极7限，也就是对影像细节的分辨能力。空间
12、分辨力的数值以单位空间距离内有多少个线对数来表示（Lp/mm） 。在 DR 图像空间范围内，以能够分辨清楚图像中黑白相间线条（双丝像质计）的能力。DR 图像空间分辨力与平板探测器对 X 射线光量子的检测灵敏度、探测器的动态范围、信噪比等因素密切相关。空间分辨力越高，类似于数码照相机的像素越高，这样，图像可适当地进行放大，或为了观察更清楚对图像进行局部放大处理，而图像仍能够清晰不失真。一般情况下，DR 像素比 CR高，最终的空间分辨力也较高。空间分辨力数值随成像板尺寸或探测器尺寸的增加而减少，在电压一定的前提下，适当增加曝光量，会提高数字成图像的信噪比，从而提高空间分辨力，提高对细微区域的显示能
13、力。空间分辨力下降，对区域细微结构的显示能力就会不足。（2）像素像素是 CR 成像板或 DR 平板探测器数字化成像中的最小单元，类似于普通 X射线胶片乳剂层中的 AgBr 颗粒大小。普通 X 射线胶片照相所成的影像是模拟图像，如果用数字图像的像素去衡量，X 射线胶片的模拟影像大约在 2000 万像素左右，远远高于数字化图像的像素。像素的大小决定空间分辨力，像素越小，空间分辨力就越大。例如，像素尺寸大小为 0.460.46，即 460m460m，那么空间分辨力大小就是 1/（0.462）1.1Lp/mm；像素大小为 0.20.2，即 200m200m，那么空间分辨力大小就是 1/（0.22 ）2
14、.5Lp/mm；如果像素大小是 0.170.17，即170m170m，那么空间分辨力大小就是 1/（0.172）3.0Lp/mm，依次类推。DR 空间分辨力可以通过探测器的像素大小来计算推出，也可以通过 Pt-W 双丝像质计紧贴到探测器表面，通过观察双丝像质计的图像，对照读出来。（3）密度分辨力（率）密度分辨力是图像中可以辨认出来图像视场中相邻区域密度（或灰度）差别的8最小极限，即它所表征的是对细微密度（灰度）差别的分辨能力。探测器上的每个像素点所采集到的 X 射线光量子信息数量是用灰阶亮度来表示的，灰阶亮度是用Bit（比特）来表示的，它是数字化的基本表征参数，1 个 Bit 就是 2 的 1
15、 次方，比特数值越高，像素点上捕捉到的 X 射线光量子信息越多，信息量就越大，密度分辨力就越高，对低对比度区域的显示就越好。8Bit 就是 256 个灰度级阶（2 8） ，12Bit就是 4096 个灰度级阶（ 212） ，14Bit 就是 16384 个灰度级阶（2 14） ，而 16Bit 就是65536 个灰度级阶（2 16） ，本专题所讲的 Perkin-Elmer Optoelectronics 珀金埃尔默XRD0820 N ES 8 英寸非晶硅（a-Si）数字平板探测器的动态范围就是 16Bit 灰度显示的（如图 6） 。图 6 XRD0820 N ES 8 英寸非晶硅（a-Si）
16、数字平板探测器（4）密度分辨力与空间分辨力的关系密度分辨力和空间分辨力是分辨力指标的两个方面，分辨力也叫解像力，是成像介质（X 射线胶片、IP 板或 DR 平板探测器）成像时区分两个相邻区域影像或图像的能力。分辨力分为空间分辨力（高对比度分辨力）和密度分辨力（低对比度分辨力或灵敏度） ，空间分辨力高，图像或影像显示细节的能力强；密度分辨力高，图像或影像显示微小异质区域的能力强，即灵敏度高。这两个分辨力是矛盾的，在X 射线数字成像系统中，过于强调了空间分辨力，密度分辨力就会下降，反之亦然。所以，为了综合考虑图像质量，就有了在9布置透照比例关系时，最佳放大倍数的概念。如前述图 1 所示，最佳放大倍数是在考虑 X 射线源焦点尺寸、平板探测器不能紧贴工件而有一定距离的情况下的一种妥协折中考虑。实际上，X 射线机的焦点尺寸、X 射线焦点到工件的距离（SO，source-object） 、工件到探
