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1、6.2 射线照相检测设备,主要内容,6.2.1 X射线机 6.2.2 射线机,6.2.1 X射线机,概述,1895年，伦琴用克鲁克斯阴极射线管发现了X射线。克鲁克斯阴极射线管真空度低，管电流不稳，时有“击穿”现象发生，射线管寿命很短。 1913年美国科学家W.D.库利吉发明了热阴极、高真空度的X射线管。 1923年发明了双焦点X射线管 1927年，飞利浦研制出金属X射线管和旋转阳极X射线管。 1930年推出首台为无损探伤X射线设备。 1939年，美国通用电气公司制成了第一台高能(能量1MeV)X射线发生设备。 1973年，飞利浦研制出第一只金属陶瓷X射线管(160KV/19mA)，逐步取代工业
2、用玻璃X射线管。,6.2.1.1 X射线机的分类,(1) 按X射线机的工作电压分为恒压X射线机和脉冲X射线机 (2) 按X射线管分为玻璃管X射线机和陶瓷管X射线机 (3) 按辐射方向分为定向X射线机和周向X射线机 (4) 按焦点尺寸分为纳米焦点、微焦点、小焦点和常规焦点X射线机 (5) 按绝缘介质可分为：油绝缘X射线机和气绝缘X射线机 (6) 按照工业X射线机高压发生器的工作频率高低分为工频机和高频机。 (7) 按照X射线机的结构分为便携式X射线机、移动式X射线机等。,6.2.1.2 X射线机的结构,组成： X射线管(关键部件) 高压发生器 控制和保护系统 冷却系统,a. X射线管,射线管是用
3、来产生X射线的射线源，是X射线探伤装置的核心部分。X射线探伤机的优劣主要是看其X射线管的技术性能。 高真空热阴极式X射线管(主流),1. X射线管分类,按发射电子方式分冷阴极式和热阴极式 按发射波谱分软X射线管和一般X射线管 按阳极冷却方式分自冷却和强迫冷却 按辐射方向分定向和周向X射线管 按壳体材质分玻璃壳、金属壳和金属陶瓷壳等,玻璃壳,金属壳,金属陶瓷壳,2. X射线管的结构,外壳：硬质玻璃管，高真空10- 9hPa 阴极：电子源，发射电子流(钨丝)。 阳极：靶，受高速电子轰击而辐射X射线。,（1）阴极,由发射电子的灯丝、聚焦电子的凹面阴极头和阴极罩组成。 作用：发射电子和聚焦电子束 X射
4、线管的焦点形状取决于阴极形状。,阴极,阴极头的大小、凹面直径、深度、灯丝直径和位置对X射线管的焦点形状和大小有直接影响。 阴极形状可分为圆焦点和线焦点两种,阴极,供给灯丝的管电压越高，灯丝电流越大，灯丝的温度越高，发射的电子越多，但灯丝的温度不能无限升高，灯丝的温度对灯丝的寿命有直接影响。灯丝在3000度高温时，蒸气压力较大，此时容易损伤灯丝或X射线管。 X射线管的管电流与灯丝特性、管电压有关，低管电压时，管电流随管电压的增大而增大，但管电压超过一定值时，管电压再增大，管电流缓慢增大，呈现饱和现象，这是由于在一定灯丝温度下灯丝所发射的电子已接近全部到达阳极。 电子束聚焦：获得小的焦点,（2）
5、阳极,由靶、热导率高的空心铜阳极体和阳极罩组成 靶的选择 原子序数高 熔点高 传热系数高 高温时蒸汽 压力要低,阳极靶材及性能,阳极作用：承受从阴极发射出的电子高速撞击产生轫致辐射；其次阳极为X射线管的靶提供机械支撑；阳极是一个良好的热辐射体。 常用钨做靶材 原子序数高(Z=74) 熔点高，能承受电子高速撞击产生的高温而不被熔化,X射线发射窗口上装有铍板，由于铍的原子序数小(Z=4)，对X射线吸收少，且能滤去一部分软的X射线，保证了X射线管有良好的工作性能。 阳极靶与管轴垂直方向成20倾斜角。X射线束则形成一个约40圆锥向外辐射。,周向辐射,定向辐射,（3）外壳,外壳必须具有足够高的机械强度和
6、电绝缘强度。 普通X射线管是由耐高温玻璃外壳制成的。 七十年代发展生产了性能优越的金属陶瓷管。它采用不锈钢管代替玻璃管，用陶瓷材料绝缘。 金属陶瓷管有很多特点：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。,3. X射线管的规格参数,X射线管的主要技术性能指标包括 阳极特性曲线 灯丝发射特性曲线 管电压 辐射强度及空间分布 辐射角 焦点 真空度 寿命等。,管电压,X射线管的管电压是指它的最大峰值电压，一般都以(kVp)表示，但在电功测量中，表头指示的是有效值。 必须注意的是，所有X射线管的管电压都以峰值表示，测试中不允许超过，否则容易击穿而损坏。 X射线管的管
7、电压是管子的重要技术指标，管电压越高，发射的X射线的波长越短，穿透工件能力就越强。 在一定范围内、管电压与穿透能力有近似直线关系.所以管电压实际代表了X射线机的穿透能力。,管电流,管电流是指在某一管电压和曝光时间内所允许的最大电流平均值，单位为毫安。在调整管电流时不得超过额定值，否则将导致焦点面过热而损坏或缩短灯丝寿命。 X射线管电流大小取决于从阴极到达阳极电子多少。,阳极特性曲线,阳极特性曲线指在一定的灯丝加热电流下，管电压U与管电流i的关系，即在一定功率下，对应管电压最大允许的管电流。,灯丝发射特性曲线（阴极特性）,灯丝发射特性曲线是指在一定管电压下，管电流与灯丝加热电流的关系。当管电压较
8、高时适当减小灯丝加热电流，使管电流不随管电压的变化而变化。反之当管电压较低时，适当增加灯丝加热电流。,辐射角,辐射角直接决定了X射线机的辐射场大小，由阳极结构设计决定。 定向X射线机的辐射角一般为40o， 周向X射线机的辐射角一般为24 o360o。,射线强度分布,阳极效应：这种越靠近阳极，沿管轴分布的X射线强度下降得越多的现象。就是所谓的“足跟效应，也称为阳极效应或侧倾效应 在其他条件相同的前提下，靶角较大的X射线管辐射强度沿阳极管轴方向下降的快一些。阳极效应比靶角较小的X射线管明显,沿X射线管管轴方向的强度分布,X射线管管轴垂直方向上的分布,6. X射线管的焦点,X射线管的焦点是指阳极靶上
9、产生X射线的面积范围，即射线源的大小。 焦点是决定X射线管光学性能好坏的重要标志，焦点大小直接影响探伤灵敏度。,有效焦点与实际焦点,实际焦点：阳极靶被电子撞击的部分。 有效焦点：实际焦点垂直于管轴线上的正投影。,有效焦点尺寸的计算 一般所说的X射线管焦点也是指有效焦点 有效焦点与实际焦点关系 有效焦点尺寸小于实际焦点尺寸 有效焦点大小的影响,有效焦点尺寸的测量方法,针孔法 测量标准 IEC 60336 EN 12543 ASTM E1165,有效焦点的计算,国际标准化组织有关标准及我国JB4730标准把常用的射线源焦点形状划分为四类 正方形 长方形 圆形 椭圆形,特殊焦点的X射线管,微焦点X射
10、线管 焦点尺寸达微米级 双焦点X射线管 大小焦点 实践证实，在X射线拍片时，焦点越小，检测结果越清晰。但是焦点越小，承受的功率也小，导致射线穿透被检工件后剂量不足。,7. X射线管的真空度,高真空度原因：10-6-10-7毫米汞柱 防止电极材料氧化 使电子束不电离气体而容易通过 使电极之间绝缘 真空度过低将导致X射线管击穿 逸出气体被电离，正离子撞击阴极，引起阴极金属溅射，烧断灯丝。 真空度由管内气体的吸收和放出占优决定 解决方法 训机+保护程序(无法上高压),老化训练,目的：吸收X射线管内的气体，提高X射线管的真空度。 手动训机或自动训机 方法：按照一定的程序，从低电压、低管电流逐步升压，直
11、到达到X射线机的工作所需的最高管电压或额定工作电压。,b. 高压发生器,高压发生器由高压变压器、灯丝变压器和整流电路组成。 高压发生器的作用是提供灯丝电压和加速电压。 根据高压发生器的极性，可分为单极性和双极性，单极性只需提供正或负极性的电压，适用于低管电压；而双极性需同时提供两种极性的电压，适用于高管电压。,单极恒电压,双极恒电压,高压变压器+灯丝变压器,高压变压器 作用：利用电磁感应原理将电压升高，供给X射线管两极间的高电压，使电子产生高速运动。 由闭合磁路的铁心(硅钢片)和高绝缘强度的绕组构成 灯丝变压器 把200V左右的工频电压降到4-20V之间供给X射线管灯丝加热。,高压电缆,连接高
12、压发生器和X射线发生器的，把高压发生器产生的高电压和X射线管的灯丝加热电压送到X射线管上。 英国ESSEX 集团公司是全球知名的高压电缆及高压器件的生产制造集团公司，向全球提供高品质、高性能的高压电缆、高压电缆组件、高压插座、高压连接器、 中子屏蔽材料及中子探测器等产品。,高压发生器,高压电缆,整流电路,由高压变压器把低电压交流电变成高电压并通过整流使之变成直流高压电。 220V-高电压 交流电-直流电 X射线的能量和强度相关于加在X射线管中阴极和阳极之间的电压波形。主要有半波自整流电路、全波整流电路和全波恒压整流电路。,半波自整流电路,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
13、半周时电流通过，X射线管工作，产生X射线。当阳极电位为负半周时电流不能通过，X射线管不工作，不产生X射线。 半波自整流电路只在半周的时间内产生X射线，电源利用率很低。但半波整流电路结构简单，体积小，多用于便携式X射线机。,电压波形,全波整流电路,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(在一个半周内，只有一个负载电阻有电流通过，另一个负载电阻由于处在负半周电流不能通过)施加在X射线管上，使X射线管工作，产生X射线。 全波整流电路的优点是不需要承受反向高压，缺点是输出电压波形不稳定，输出X射线不稳定。,电压波形,全波恒压整流电路,全波恒压整流电路通过高压变压器、两个整流二极管和两
14、个电容器，把较低的交流电压，整流出一个较高的直流电压，其基本电路可参考倍压整流电路。 特点是X射线管上的高压是高压变压器上的电压和电容器上的电压之和，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。由于电容器的充电时间远小于放电时间，因此，X射线管上的电压变化很小。,c. 控制和保护系统,基本电路、电压和电流调整部分、冷却和时间等的控制、保护装置等。 为了保证X射线机安全工作，X射线机电路中设置了保护电路和装置，主要有过流保护、过压保护和冷却液温度保护等。 保护装置的作用是X射线机将不能加上高压或高压将被切断。,d. 冷却系统,强迫冷却 循环油冷却 循环水冷却 强迫风冷却 自然冷却
15、 散热片自然散热冷却 注：当高压切断后不能马上关闭冷却系统，必须让冷却系统继续运转10-20分钟，使X射线管的阳极充分冷却后才能关闭总电源、关闭冷却系统电源。,6.2.1.3 国内X射线机主要生产商,X射线机的核心器件是球管，制作工艺相对复杂，世界上只有少数几个国家能独立制造出高精度的球管。 丹东新力探伤机厂 丹东奥龙射线仪器有限公司 丹东华日理学电气有限公司,国外X射线机主要生产商,德国依科视朗国际射线有限公司YXLON 瑞士COMET(收购YXLON) 美国GE Varian 公司 德国phoenix 飞利浦 西门子 日本岛津,6.2.1.4 X射线探伤机选择,射线能穿透的材料厚度 成像质
16、量 X射线管焦点大小 被检工件形状 曝光时间等,6.2.2 射线机,1.射线机的分类,按源容器的可移动性分为手提式(携带式)、移动式、固定式和爬行式。 按机体结构分为直通道形式和S通道形式。 按放射性源种类分为钴60射线机、铯137射线机、铱192射线机、铥170射线机等。,2.射线机的组成,源组件(密封射线源) 源容器(主机体) 输源(导)管 驱动机构 附件,射线探伤机及驱动机构工作情况示意图,源组件,源组件也称为源辫子,是由放射源、包壳和辫子组成。以TS-1型为例。它是将放射源(如Tr192)放射性物质装入源包壳内,包壳采用内外两层,里层是铝包壳,外层是不锈钢包壳。,源容器,源容器是射线源的储存装置，是射线机的主机。不曝光时射线源被收回置于源容器中。 屏蔽方式：“S通道”和“直通道”,S通道射线机源容器结构示意图 1外壳 2聚氨酯填料 3贫化铀屏蔽层 4源(源组件) 5源托 6安全接插器 7快速连接器 8密封盒,驱动机构,驱动机构是一套用来将放射源从机体的屏蔽贮存位置驱动
