X射线检测技术ppt课件

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1、第二章第二章 第五节第五节XX射线检测技术射线检测技术第五节第五节X射线检测技术射线检测技术2.5.1.X2.5.1.X射线成像检测原理射线成像检测原理2.5.1.12.5.1.1 X X射线照相法射线照相法2.5.1.2.2.5.1.2.实时成像检测实时成像检测2.5.2.2.5.2.计算机断层成像（计算机断层成像（CTCT）2.5.3.2.5.3.康普顿散射成像检测系统康普顿散射成像检测系统 2.5.4.2.5.4.工业工业CTCT的应用的应用 1 1第二章第二章 第五节第五节XX射线检测技术射线检测技术2.5.1.X2.5.1.X射线成像检测原理射线成像检测原理射线成像检测原理射线成像检

2、测原理 X X射线检测方法可以分为射线检测方法可以分为3 3类：类： 射线照相法；射线照相法； 实时成像检测；实时成像检测； 计算机断层成像，计算机断层成像，2.5.1.12.5.1.1 X X射线照相法射线照相法的基本原理如下图所示。的基本原理如下图所示。 当当X X射线穿透被照物体时，有缺陷部位（如气孔，射线穿透被照物体时，有缺陷部位（如气孔，夹杂物等）与基体（金属或非金属）对射线吸收夹杂物等）与基体（金属或非金属）对射线吸收能力不同，能力不同， 例如有缺陷部位所含的空气对射线的吸收能力大例如有缺陷部位所含的空气对射线的吸收能力大大低于与基体（金属或非金属）对射线吸收能力；大低于与基体（金

3、属或非金属）对射线吸收能力； 因此，透过有缺陷部位的因此，透过有缺陷部位的X X射线强度高于无缺陷射线强度高于无缺陷部位的射线强度。部位的射线强度。 在在X X射线胶片上对应的有缺陷部位将接受较多的射线胶片上对应的有缺陷部位将接受较多的X X射线粒子，从而产生黑度较大的缺陷影像。射线粒子，从而产生黑度较大的缺陷影像。 2 2第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术缺陷检测与材料性质，缺陷厚度有关缺陷检测与材料性质，缺陷厚度有关缺陷检测与材料性质，缺陷厚度有关缺陷检测与材料性质，缺陷厚度有关通过缺陷部位：通过缺陷部位： I Id d=I=I0 0ee- -(d-x)(d-x) 无

4、缺陷部位：无缺陷部位： I Id d=I=I0 0ee- -dd 式中：式中： 缺陷厚度缺陷厚度 X X 为物体沿射线方向的厚度；为物体沿射线方向的厚度； 则有，则有，I Id d/I/Id d=e=exx 显然，显然，（I Id d/I/Id d）比值越大，比值越大，比值越大，比值越大，底片上的对比度底片上的对比度越大，底片上的越大，底片上的图象越清晰图象越清晰图象越清晰图象越清晰。 由上式看出（由上式看出（I Id d/I/Id d） 不仅与缺陷不仅与缺陷X X有关，有关， 而且与而且与，即材料的性质有关。即材料的性质有关。 越大越容易发现缺陷，越大越容易发现缺陷， 缺陷厚度越厚也越容易发

5、现。缺陷厚度越厚也越容易发现。 反之则越不容易发现。因为缺陷太薄对透反之则越不容易发现。因为缺陷太薄对透过射线的强度衰减很小，底片不易分辨。过射线的强度衰减很小，底片不易分辨。 3 3第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术射线检测灵敏度用以表示检测较小缺陷的能力射线检测灵敏度用以表示检测较小缺陷的能力射线检测灵敏度用以表示检测较小缺陷的能力射线检测灵敏度用以表示检测较小缺陷的能力。 检测缺陷越小，则灵敏度越高。检测缺陷越小，则灵敏度越高。 测量测量灵敏度最古老的方法是用灵敏度最古老的方法是用“透度计透度计透度计透度计”， 现现在在大大多多数数国国家家公公认认的的术术语语是是“

6、像像质质计计”（Image Image Quality Quality Indicator Indicator IQIIQI），），它是测量射线检测器件灵敏度的术语。它是测量射线检测器件灵敏度的术语。 它是把一系列不同厚度的薄片制成小台阶梯楔形式，它是把一系列不同厚度的薄片制成小台阶梯楔形式， 薄片用与工件相同的材料制成，薄片用与工件相同的材料制成， 测试时将透度计放在工件之上，测试时将透度计放在工件之上， 设设AA为最小可识别单元的尺寸厚度，为最小可识别单元的尺寸厚度，A A为工件厚度，为工件厚度， 则则灵敏度为；灵敏度为；灵敏度为；灵敏度为；K=K=K=K=（A/AA/AA/AA/A）10

7、0%100%100%100% ASTMASTM平板孔型像质计的式样，如下图所示平板孔型像质计的式样，如下图所示 射线照相的影象质量主要由三个因素决定：射线照相的影象质量主要由三个因素决定：对比度，清晰度和颗粒度。对比度，清晰度和颗粒度。对比度，清晰度和颗粒度。对比度，清晰度和颗粒度。一个良好的射线照相影象，应具有较高的对比度，较好的清晰度，较细一个良好的射线照相影象，应具有较高的对比度，较好的清晰度，较细的颗粒度。的颗粒度。 4 4第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术2.5.1.2.2.5.1.2.实时成像检测实时成像检测实时成像检测实时成像检测 射线照相检测技术可以得到高

8、质量的图象，但检验周期较长，费用较高。射线照相检测技术可以得到高质量的图象，但检验周期较长，费用较高。 实时成像检测是能实时显示物体变动的图象。实时成像检测是能实时显示物体变动的图象。 早期的射线实时成像系统是早期的射线实时成像系统是X X射线荧光检验系统射线荧光检验系统， 它采用荧光屏将它采用荧光屏将X X射线照相的强度分布转换为可见光图象。射线照相的强度分布转换为可见光图象。 2020世纪世纪5050年代引入了年代引入了电视系统电视系统， 通过电视摄像在监视器上观察图象。通过电视摄像在监视器上观察图象。 但早期的实时成像系统存在图象亮度低，颗粒粗，对比度低的缺点。但早期的实时成像系统存在图

9、象亮度低，颗粒粗，对比度低的缺点。 以后研制了以后研制了图象增强器图象增强器， 可将亮度增益可将亮度增益1000010000倍以上，并具有较好的分辨力，但清晰度还不够倍以上，并具有较好的分辨力，但清晰度还不够高。高。 近年来进一步研究了近年来进一步研究了数字实时成像检测系统数字实时成像检测系统， 它使用新型检测器拾取信号直接得到数字化图象。它使用新型检测器拾取信号直接得到数字化图象。 现在推出的主要是，现在推出的主要是，用线阵列或成像板构成的射线实时检测以及扫描实用线阵列或成像板构成的射线实时检测以及扫描实用线阵列或成像板构成的射线实时检测以及扫描实用线阵列或成像板构成的射线实时检测以及扫描实

10、时成像系统，时成像系统，时成像系统，时成像系统， 例如经常提到的例如经常提到的X X射线集装箱实时成像检测系统，就是它的工业应用之一。射线集装箱实时成像检测系统，就是它的工业应用之一。 5 5第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术实时成像检测系统的基本组成：实时成像检测系统的基本组成：实时成像检测系统的基本组成：实时成像检测系统的基本组成： 实时成像检测系统实时成像检测系统有多种类型有多种类型有多种类型有多种类型： X X射线荧光检验系统，射线荧光检验系统， 图象增强器射线实时成像，图象增强器射线实时成像， 成像板实时成像以及成像板实时成像以及 线阵列射线实时成像检测系统等。

11、线阵列射线实时成像检测系统等。 它们的它们的基本组成包括基本组成包括基本组成包括基本组成包括： 射线源可以是射线源可以是X X光机，光机， 射线源，电子加速器等。不同的检测对象采用不同的射线源，电子加速器等。不同的检测对象采用不同的射线源。一般工业检测用低能射线源。一般工业检测用低能X X射线，大型集装箱检测需用高能射线，大型集装箱检测需用高能X X射线。射线。 机械装置用以完成图象扫描，是实时成像检测系统的重要部分。机械装置用以完成图象扫描，是实时成像检测系统的重要部分。 射线检测器（含射线检测器（含A/DA/D转换）对射线完成转换，主要是闪烁晶体或半导体光电器转换）对射线完成转换，主要是闪

12、烁晶体或半导体光电器件，件， 图象处理用以改进图象质量，图象处理用以改进图象质量， 图象显示与存储用于图象显示和保存数据。图象显示与存储用于图象显示和保存数据。 控制部分包括，计算机，软件以及一些辅助设备（摄象机，监视器等），并控制部分包括，计算机，软件以及一些辅助设备（摄象机，监视器等），并实现对整个系统的控制。实现对整个系统的控制。 6 6第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术图象增强器射线实时成像检测系统图象增强器射线实时成像检测系统图象增强器射线实时成像检测系统图象增强器射线实时成像检测系统。 下图表示系统的主要部件及射线转换过程。下图表示系统的主要部件及射线转换过程

13、。 图象增强器是射线实时成像检测系统的核心器件，图象增强器是射线实时成像检测系统的核心器件， 完成了射线光电转换和增强的作用。完成了射线光电转换和增强的作用。 输入转换屏目前采用输入转换屏目前采用CsICsI晶体制作，晶体制作， 它发射的荧光处于兰色和紫外谱范围，它发射的荧光处于兰色和紫外谱范围， 与光电层的谱灵敏度相匹配。与光电层的谱灵敏度相匹配。 光电层将荧光能量转换成电子发射。光电层将荧光能量转换成电子发射。 聚焦电极加有聚焦电极加有25-3025-30kVkV的高压，的高压， 加速并将电子聚焦到输出屏，加速并将电子聚焦到输出屏， 输出屏将电子转换成荧光发射。输出屏将电子转换成荧光发射。

14、 实现；实现；射线射线- -荧光荧光- -电子电子- -荧光荧光的转换。的转换。 经过图象增强器，可见光的图象亮度要比简单的荧光屏放大经过图象增强器，可见光的图象亮度要比简单的荧光屏放大1 1万倍，万倍， 动态分辨动态分辨20002000：117 7第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术2.5.1.3.2.5.1.3.计算机断层成像（计算机断层成像（计算机断层成像（计算机断层成像（CTCT） 在在X X射线成像技术中，存在射线成像技术中，存在2 2个根本的问题：个根本的问题： 1 1）常常规规的的X X射射线线成成像像是是利利用用透透射射原原理理完完成成的的，它它使使物物体体

15、的的三三维维结结构构通通过过投投影影后后显显示示在在一一个个二二维维的的平平面面上上，使使图图象象前前后后重重叠叠，读读片片困难。困难。 2 2）无论是荧光屏还是）无论是荧光屏还是X X射线胶片，它们固有的分辨率都比较差。射线胶片，它们固有的分辨率都比较差。 X X射射线线断断层层成成像像（X-rayX-rayComputerComputer TomographyTomography，X-CTX-CT）从从根根本上克服了上述困难。本上克服了上述困难。 X X射射线线断断层层成成像像（X-CTX-CT）技技术术是是根根据据物物体体横横断断面面的的一一组组投投影影数数据据，经经过过计计算算处处理理

16、后后，得得到到物物体体横横断断面面的的图图象象，是是一一种种由由数数据据到图象的重建技术。到图象的重建技术。8 8第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术基本原理：基本原理：基本原理：基本原理： 设有一幅只含设有一幅只含4 4个像素的图象，每个像素的衰减系数个像素的图象，每个像素的衰减系数的值是未知的。的值是未知的。根据投影根据投影X X射线成像原理，当入射强射线成像原理，当入射强度为度为I I0 0的的X X射线通过物体后，检测器接受到的射线强射线通过物体后，检测器接受到的射线强度为：度为：I=I= I I00e e-d-d 式中，式中，d d为物体的厚度，为物体的厚度，为物

17、体的线性衰减系数。为物体的线性衰减系数。 对对于于一一个个值值不不均均匀匀的的截截面面而而言言，可可以以假假设设不不同同的的位位置置有有不不同同的的值值（见见图图），并并建建立立一一系系列列的的衰衰减减方方程程。对于这个只含对于这个只含4 4个像素的图象来说，个像素的图象来说， 在水平方向上可以建立以下在水平方向上可以建立以下2 2个方程：个方程： I I1 1= I I00e e- -（1+41+4）d d I I2 2= I I00e e- -（2+32+3）d d 同同理理，还还可可以以在在垂垂直直方方向向或或对对角角线线方方向向上上列列出出类类似似的的方程。方程。 4 4 4 4个独立

18、的方程联合起来求解，就能得出个独立的方程联合起来求解，就能得出个独立的方程联合起来求解，就能得出个独立的方程联合起来求解，就能得出1 1 1 12 2 2 23 3 3 34 4 4 4 的值的值的值的值， 所形成的这幅关于衰减系数的图象就是我们所要得到所形成的这幅关于衰减系数的图象就是我们所要得到的的X-CTX-CT图象，它表示物体的内部结构。图象，它表示物体的内部结构。 9 9第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术X-CTX-CTX-CTX-CT图象具有以下突出优点图象具有以下突出优点图象具有以下突出优点图象具有以下突出优点： 1 1） 它能鉴别出，较小的衰减系数差，从而

19、提高了检测灵敏度。它能鉴别出，较小的衰减系数差，从而提高了检测灵敏度。 2 2） 对对物物体体的的前前后后，左左右右，上上下下进进进进行行行行3 3 3 3维维维维全全全全方方方方位位位位断断断断面面面面扫扫扫扫描描描描，将将数据重新整合，就能得到物体结构的数据重新整合，就能得到物体结构的3 3维立体图象。维立体图象。 X-CTX-CT自问世以来，在不长的自问世以来，在不长的2020多年中得到了飞速的发展，产品经多年中得到了飞速的发展，产品经过了几代更新，各项性能指标有了明显的提高。过了几代更新，各项性能指标有了明显的提高。 1010第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术第一

20、代：第一代：第一代：第一代：X-CTX-CTX-CTX-CT 用一个用一个X X射线源，射线源， 一个探测器，一个探测器， 同步作平移运动，同步作平移运动， 并旋转扫描以获取投影数据。并旋转扫描以获取投影数据。 第一代的主要缺点是采集数据的时间比较长，大约需要几分钟。第一代的主要缺点是采集数据的时间比较长，大约需要几分钟。 1111第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术 第二代：也采用平移加旋转的扫描方式第二代：也采用平移加旋转的扫描方式第二代：也采用平移加旋转的扫描方式第二代：也采用平移加旋转的扫描方式， 不同的是用一个小角度扇形的射线束和多个检测器来代替原来的单一检测器。

21、不同的是用一个小角度扇形的射线束和多个检测器来代替原来的单一检测器。 使在每一个发射位置上可以同时检测到多个投影数据。使在每一个发射位置上可以同时检测到多个投影数据。 假如有假如有1010个检测器，个检测器， 相邻之间相差相邻之间相差1 1o o， 那么在一次发射后可同时采集到那么在一次发射后可同时采集到1010个投影数据。于是在下一步作旋转运动时，个投影数据。于是在下一步作旋转运动时， 整个扫描系统就可以一步旋转整个扫描系统就可以一步旋转1010o o而不是而不是1 1o o（假设单一检测器时每次转假设单一检测器时每次转1 1o o），）， 使整个数据采集时间缩短了使整个数据采集时间缩短了1

22、010倍。倍。1212第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术 第三代：它与一，二代扫描仪不同第三代：它与一，二代扫描仪不同第三代：它与一，二代扫描仪不同第三代：它与一，二代扫描仪不同， 它它只包含扇形束的旋转扫描只包含扇形束的旋转扫描 而不包括而不包括X X射线源与检测器的平移运动。射线源与检测器的平移运动。 因为第三代扫描仪的扇形束，已扩展至能容纳下整个工件的截面。因为第三代扫描仪的扇形束，已扩展至能容纳下整个工件的截面。 检测器阵列通常有几百个或上千个检测器单元，依次排列而成。检测器阵列通常有几百个或上千个检测器单元，依次排列而成。 工件围绕着一个公共轴心旋转，工件围绕着

23、一个公共轴心旋转， X X射线源与检测器同时作上下平移运动。射线源与检测器同时作上下平移运动。 这一代扫描仪的明显优点是机械结构简化了，可以保证机械扫描精度，这一代扫描仪的明显优点是机械结构简化了，可以保证机械扫描精度， 并使扫描速度有了明显的提高（通常为几秒钟）。并使扫描速度有了明显的提高（通常为几秒钟）。 这是这是当前当前当前当前X-CTX-CT的主要结构形式的主要结构形式的主要结构形式的主要结构形式。 1313第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术 第四代扫描仪第四代扫描仪第四代扫描仪第四代扫描仪 采用在采用在360360o o圆周上固定安装好的检测器，圆周上固定安装好

24、的检测器， 数据的采集只是靠旋转数据的采集只是靠旋转X X射线源，射线源， 整个探测器阵列是不动的。整个探测器阵列是不动的。 它的缺点是对某一特定的检测单元来说，在不同的扫描位置上，它的缺点是对某一特定的检测单元来说，在不同的扫描位置上，X X射线以射线以不同的角度轰击探测器，这将对重建图象的质量发生影响。不同的角度轰击探测器，这将对重建图象的质量发生影响。 同时制造成本也高。同时制造成本也高。 1414第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术 X-CTX-CTX-CTX-CT装置的核心技术是装置的核心技术是装置的核心技术是装置的核心技术是 从从投影重建图象投影重建图象投影重建

25、图象投影重建图象。 一种一种逆问题求解的方法逆问题求解的方法逆问题求解的方法逆问题求解的方法，研究从投影重建图象的理论有普遍的适用性。，研究从投影重建图象的理论有普遍的适用性。 断层扫描作为一种技术，它断层扫描作为一种技术，它 既有坚实的数学理论为依托，既有坚实的数学理论为依托， 又有现代电子技术及计算机技术相支持，又有现代电子技术及计算机技术相支持， X-CTX-CT已在工业，农业，地球物理等领域中得到广泛的应用。已在工业，农业，地球物理等领域中得到广泛的应用。 中科院高能物理研究所，已建成并投入使用的加速器工业中科院高能物理研究所，已建成并投入使用的加速器工业X-CTX-CT系统系统151

26、5第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术检测平台和线阵探测器检测平台和线阵探测器检测平台和线阵探测器检测平台和线阵探测器 检测平台检测平台检测平台检测平台 可以左右移动并可围绕中心轴转动的平台上，可以左右移动并可围绕中心轴转动的平台上， 断层截面的切取，通过工件台的上升或下降实现。断层截面的切取，通过工件台的上升或下降实现。 线阵探测器选用线阵探测器选用线阵探测器选用线阵探测器选用： 钨酸镉钨酸镉 0.350.35mm(mm(宽宽) )6 6mm(mm(高高) )5 5mm(mm(深深) )， 能量响应范围宽：能量响应范围宽：5050keVkeV9MeV9MeV， 探头间隔探

27、头间隔0.40.4mmmm，它决定了位置分辨的精度；它决定了位置分辨的精度； 动态范围，动态范围，7500/17500/1（动态范围定义为饱和信号与电子噪声本底标准偏差的（动态范围定义为饱和信号与电子噪声本底标准偏差的比值）；比值）； 模数转换模数转换1616位；位； 积分时间积分时间 3 3msms100ms100ms。 1616第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术通常工业通常工业通常工业通常工业CTCTCTCT由以下由以下由以下由以下5 5 5 5部分组成部分组成部分组成部分组成，包括：，包括： 1 1 1 1） 辐射源：辐射源：辐射源：辐射源： 常用的有：常用的有：X

28、 X光机，加速器，光机，加速器， 射线源。射线源。 理想的射线源：应具有足够高的强度，单一的能量，较小的焦点尺寸。理想的射线源：应具有足够高的强度，单一的能量，较小的焦点尺寸。 射线源的能量应根据检测物体的特点选定。射线源的能量应根据检测物体的特点选定。 2 2 2 2） 探探探探测测测测器器器器：它它是是数数据据采采集集系系统统的的核核心心器器件件，它它接接收收射射线线信信号号，形形成成X-CTX-CT系系统统的的原始数据，其性能直接影响系统的图象质量。原始数据，其性能直接影响系统的图象质量。 探探测测器器的的主主要要性性能能包包括括：单单元元尺尺寸寸，单单元元数数目目（通通道道数数），能能

29、量量转转换换效效率率，响应时间，动态范围，稳定性，一致性等。响应时间，动态范围，稳定性，一致性等。 常常用用的的固固体体探探测测器器有有： CdWOCdWO4 4，CaWOCaWO4 4，NalNal( (TlTl),BGO),BGO或或塑塑料料闪闪烁烁体体等等，后后接接光光电倍增管；电倍增管； 射线源与探测器前均有相应的准直装置。射线源与探测器前均有相应的准直装置。 3 3 3 3） 机机机机械械械械扫扫扫扫描描描描系系系系统统统统：用用于于工工件件的的旋旋转转，升升降降和和平平移移，调调整整射射线线源源- -工工件件- -探探测测器器的的距离和相对位置。距离和相对位置。 主主要要性性能能要

30、要求求是是：扫扫描描方方式式，移移位位特特性性（移移动动自自由由度度，速速度度，范范围围等等），控控制方法和精度等。制方法和精度等。 4 4 4 4） 电电电电子子子子学学学学系系系系统统统统。包包括括信信号号放放大大、甄甄别别、计计数数等等一一系系列列部部件件，以以及及使使探探测测系系统统与与计算机系统相联系的接口等。计算机系统相联系的接口等。5 5 5 5）计算机系统。）计算机系统。）计算机系统。）计算机系统。硬件有主机、阵列处理器、数据存储、图象显示与文字输出等；硬件有主机、阵列处理器、数据存储、图象显示与文字输出等；软件有各种作滤波反投影信息处理的程序和一定的图象重建的程序。软件有各种

31、作滤波反投影信息处理的程序和一定的图象重建的程序。 1717第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术评价评价评价评价CTCTCTCT性能的主要参数性能的主要参数性能的主要参数性能的主要参数 影响影响CTCT图象质量的因素很多，但通常用下列几种参数作为主要评价标志。图象质量的因素很多，但通常用下列几种参数作为主要评价标志。 1 1） 扫扫扫扫描描描描时时时时间间间间：即即完完成成一一个个层层面面数数据据采采集集所所需需的的时时间间。它它与与图图象象矩矩阵阵的的大小，探测器阵列所含探测器的多少及射线源的辐射强度等直接相关。大小，探测器阵列所含探测器的多少及射线源的辐射强度等直接相关

32、。 2 2） 重重重重建建建建时时时时间间间间：即即计计算算机机系系统统完完成成一一个个层层面面数数据据处处理理，给给出出数数字字图图象象所所需要的时间。它与图象矩阵的大小，重建算法的性能密切相关。需要的时间。它与图象矩阵的大小，重建算法的性能密切相关。 3 3） 空间分辨率：空间分辨率：空间分辨率：空间分辨率：指断层面上的几何分辨率，即显示最小物体的能力指断层面上的几何分辨率，即显示最小物体的能力 4 4） 断断断断层层层层厚厚厚厚度度度度：即即为为切切片片厚厚度度，要要得得到到很很高高的的空空间间分分辨辨率率，必必须须取取很很薄薄的扫描断层厚度。的扫描断层厚度。 5 5） 密密密密度度度度

33、分分分分辨辨辨辨率率率率：又又称称对对比比度度分分辨辨率率，它它表表示示能能够够区区分分开开的的密密度度差差别别程程度，以度，以% %表示。表示。 6 6 6 6） 伪伪伪伪影影影影：又又称称假假像像，它它是是指指图图象象中中与与被被检检物物体体的的物物理理参参数数分分布布没没有有对对应关系的部分。它可能来自被检物和应关系的部分。它可能来自被检物和CTCT装置两个方面。装置两个方面。 7 7 7 7） 均均均均匀匀匀匀度度度度：指指断断面面不不同同位位置置上上同同类类缺缺陷陷成成像像时时，是是否否具具有有同同一一个个平平均均CTCT值。值。 8 8 8 8） 重重重重复复复复性性性性：指指在在

34、一一定定的的误误差差范范围围内内，同同一一物物体体在在同同样样的的测测量量参参数数下下始始终能获得同样的图象。终能获得同样的图象。9 9）CTCT系统系统可以检测工件的尺寸，厚度，重量等可以检测工件的尺寸，厚度，重量等可以检测工件的尺寸，厚度，重量等可以检测工件的尺寸，厚度，重量等。 1818第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术2.5.3. 2.5.3. 2.5.3. 2.5.3. 康普顿散射成像检测系统康普顿散射成像检测系统康普顿散射成像检测系统康普顿散射成像检测系统 以上工业以上工业X-CTX-CT的检测原理是建立在射线对物体透射的基础上，的检测原理是建立在射线对物体透

35、射的基础上， 对物体的厚度和密度比较灵敏，对物体的厚度和密度比较灵敏， 但对物质的种类或物质的原子量不太敏感。但对物质的种类或物质的原子量不太敏感。 康普顿散射成像检测系统测试的是康普顿的散射射线，康普顿散射成像检测系统测试的是康普顿的散射射线， 它它对物质的原子量很敏感对物质的原子量很敏感对物质的原子量很敏感对物质的原子量很敏感。 理论推得：理论推得： 原子的康普顿散射截面原子的康普顿散射截面c c与物质的原子序数与物质的原子序数Z Z以及以及光子能量之光子能量之间的关系为间的关系为c c c czzzzhvhvhvhv（当（当hvhv）mcmc2 2时），时）， 因此，康普顿散射成像检测系

36、统，可以检测物质的成分。因此，康普顿散射成像检测系统，可以检测物质的成分。1919第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术 康普顿散射成像检测系统的康普顿散射成像检测系统的基本原理基本原理基本原理基本原理如如下图所示。下图所示。 射线照射到工件，由于检测器的前面设射线照射到工件，由于检测器的前面设置有准直器，置有准直器， 来自工件不同深度层产生的散射线，将来自工件不同深度层产生的散射线，将入射到不同位置的检测器。入射到不同位置的检测器。 在物体的某一层中，如果在不同点存在在物体的某一层中，如果在不同点存在有性质的差异，有性质的差异， 那么所产生的散射线强度也不同，那么所产生的散

37、射线强度也不同， 从检测器给出的数据分布，从检测器给出的数据分布， 可以对该层的物质性质作出分析。可以对该层的物质性质作出分析。 其主要特点是：其主要特点是： 单侧单侧几何布置；几何布置； 图图象的象的对对比度在理比度在理论论上可达上可达100%100%； 具有具有层层析功能，析功能， 并且一次可得到多个截面的并且一次可得到多个截面的图图象。象。 2020第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术 康普顿散射成像检测技术康普顿散射成像检测技术存在一定的局限性存在一定的局限性存在一定的局限性存在一定的局限性： 由于康普顿散射成像技术采用散射线成像，由于康普顿散射成像技术采用散射线成

38、像， 因此它主要适用于低原子序数物质，因此它主要适用于低原子序数物质， 近表面区较小厚度范围内缺陷的检验。近表面区较小厚度范围内缺陷的检验。 通常它适宜检验物体表面层厚度区是：通常它适宜检验物体表面层厚度区是： 钢为钢为3-53-5mmmm，铝约为铝约为2525mmmm，塑料和复合材料约为塑料和复合材料约为5050mmmm。 其其次次，在在应应用用时时必必须须考考虑虑基基体体材材料料和和缺缺陷陷对对射射线线的的散散射射差差别别，也也必须考虑所要求的分辨率和成像时间。必须考虑所要求的分辨率和成像时间。 康普顿散射成像检测技术已应用于一些问题的检验和研究，康普顿散射成像检测技术已应用于一些问题的检

39、验和研究， 例如飞机蒙皮的黏结，和腐蚀检验。例如飞机蒙皮的黏结，和腐蚀检验。 在固体火箭发动机结构的分层检验中，已可检出在固体火箭发动机结构的分层检验中，已可检出0.150.15mmmm的分层间歇。的分层间歇。 测量密度为测量密度为6.76.7g/cmg/cm3 3左右的密度时，测量的不确定度，可达左右的密度时，测量的不确定度，可达1%1%， 实验证明可用于密度为，实验证明可用于密度为，1.71.7g/cmg/cm3 3左右的复合材料密度测量。左右的复合材料密度测量。 2121第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术2.5.4. 2.5.4. 2.5.4. 2.5.4. 工业工

40、业工业工业CTCTCTCT的应用的应用的应用的应用 工业工业CTCT的应用已越来越广泛。的应用已越来越广泛。 航空航天工业中，航空航天工业中，CTCT技术用来检测精密铸件，烧结和复合材料的结构等；技术用来检测精密铸件，烧结和复合材料的结构等； 核工业核工业CTCT技术用来检测反应堆燃料元件的密度和缺陷，技术用来检测反应堆燃料元件的密度和缺陷， 确定包壳管内芯体的位置，核动力装置的零部件及组件等；确定包壳管内芯体的位置，核动力装置的零部件及组件等； 钢铁工业钢铁工业CTCT技术用来检测钢材的质量，如管子的外径，内径，壁厚，偏技术用来检测钢材的质量，如管子的外径，内径，壁厚，偏心率和椭圆度；心率和

41、椭圆度； 机械工业中可检测铸件和焊缝中的微小气孔，夹杂和裂纹等缺陷。机械工业中可检测铸件和焊缝中的微小气孔，夹杂和裂纹等缺陷。 此外，在陶瓷，建筑，食品，矿业，石油等等，领域都有很多的应用。此外，在陶瓷，建筑，食品，矿业，石油等等，领域都有很多的应用。 2222第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术在线实时测试和自动控制在线实时测试和自动控制在线实时测试和自动控制在线实时测试和自动控制 工业工业X-CTX-CT的应用已深入到生产过程的的应用已深入到生产过程的在线实时测试和自动控制在线实时测试和自动控制在线实时测试和自动控制在线实时测试和自动控制 19841984年，美国钢铁协

42、会设立一专门小组，探讨解决钢铁生产发展所面临年，美国钢铁协会设立一专门小组，探讨解决钢铁生产发展所面临的紧迫任务的有效途径。的紧迫任务的有效途径。 他们认为，热轧无缝钢管的在线测试是其首要任务之一，他们认为，热轧无缝钢管的在线测试是其首要任务之一， 即即在热轧的同时测定在热轧的同时测定在热轧的同时测定在热轧的同时测定钢管的壁厚、同心度、单位长度重量以及检查出钢钢管的壁厚、同心度、单位长度重量以及检查出钢管中的气孔、划痕、裂缝、分层等各种缺陷。管中的气孔、划痕、裂缝、分层等各种缺陷。 在此之前，摩根教授等人曾就工业在此之前，摩根教授等人曾就工业CTCT在热轧无缝钢管测试中的应用可行在热轧无缝钢管

43、测试中的应用可行性，作过一系列探索和实验。性，作过一系列探索和实验。 双方决定投资双方决定投资240240万美元研制称之为万美元研制称之为“钢管全长检测系统钢管全长检测系统( (IPIS)”IPIS)”的工的工业业CTCT。 经过四年的努力，经过四年的努力，IPISIPIS的样机已于的样机已于19881988年年底问世。其间，摩根在年年底问世。其间，摩根在19871987年创立了专门从事年创立了专门从事INsINs研制生产的国际数字模式公司研制生产的国际数字模式公司( (EDMEDM公司公司) )。2323第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术CTCTCTCT作在线实时检测的

44、经济意义作在线实时检测的经济意义作在线实时检测的经济意义作在线实时检测的经济意义 工业生产流水线上用工业生产流水线上用CTCT作在线实时检测并参与自动控制过程，其经济意义更为作在线实时检测并参与自动控制过程，其经济意义更为显著。显著。 以以IPISIPIS系统为例，当钢管热轧线开工或产品规格变更时，为确定和调整工艺过程，系统为例，当钢管热轧线开工或产品规格变更时，为确定和调整工艺过程，往往需占用很多正常生产时间，而往往需占用很多正常生产时间，而IPISIPIS可使热轧工艺调整大为简化可使热轧工艺调整大为简化； 生产中，除可大量节省质量检验时间外，仅钢管成品头尾的正确切割即可使每吨生产中，除可大

45、量节省质量检验时间外，仅钢管成品头尾的正确切割即可使每吨钢管的钢管的生产成本节约生产成本节约1010美元美元； 由于单位长度重量的严格控制，可由于单位长度重量的严格控制，可提高产量提高产量0.3%0.3%； IPISIPIS的使用，使得离线产品检验时，那种一旦发现问题，巳有大批产品报废的现的使用，使得离线产品检验时，那种一旦发现问题，巳有大批产品报废的现象不复产生；象不复产生； 而且出厂的每根产品都而且出厂的每根产品都已作过已作过100100的全长检查的全长检查，大大提高了产品的市场竞争能力，大大提高了产品的市场竞争能力， 尤宜作石油采集用管尤宜作石油采集用管( (油井管，抽油管油井管，抽油管

46、) )。 根据最保守的估计，一个月产根据最保守的估计，一个月产2000020000t t无缝钢管的工厂可在一年时间内收回无缝钢管的工厂可在一年时间内收回IPIS(185IPIS(185万美元台万美元台) )的设备投资。的设备投资。 IPISIPIS系统即将在北美的三家大钢厂里安装使用，系统即将在北美的三家大钢厂里安装使用， 其他行业也对其十分感兴趣，如发电厂，海上石油钻井公司、海军部门与飞机制其他行业也对其十分感兴趣，如发电厂，海上石油钻井公司、海军部门与飞机制造商等等。造商等等。 2424第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术国防工业的应用国防工业的应用国防工业的应用国防工

47、业的应用 最近的工业应用，更与计算机辅助设计、制造最近的工业应用，更与计算机辅助设计、制造( (CADCADCAM)CAM)结合起来，使结合起来，使各种发动机和其他机械设计制造的工作效率与性能指标，均有很大提高。各种发动机和其他机械设计制造的工作效率与性能指标，均有很大提高。 例例如如弹弹弹弹药药药药的的的的装装装装药药药药密密密密度度度度测测测测定定定定使使制制造造商商们们大大伤伤脑脑筋筋。用用常常规规的的检检查查方方法法，除非把炮弹锯开否则都碍于弹壳的不均匀性而影响其测定精确度。除非把炮弹锯开否则都碍于弹壳的不均匀性而影响其测定精确度。 美美国国IRTIRT公公司司曾曾经经设设计计制制造造

48、了了一一台台康康普普顿顿散散射射CTCT扫扫描描仪仪，检检测测l l 55mm55mm火火箭箭炮炮弹弹头头。装装药药的的极极极极为为为为局局局局部部部部的的的的密密密密度度度度变变变变化化化化均均均均被被被被正正正正确确确确测测测测定定定定，弹弹壳壳厚厚度度的的变变化化对对这一测量没有任何影响。这一测量没有任何影响。 除美国外，其他工业发达国家如英国、联邦德国、日本、法国、俄罗除美国外，其他工业发达国家如英国、联邦德国、日本、法国、俄罗斯等也都在工业斯等也都在工业CTCT的发展方面，取得了引入注目的成就。的发展方面，取得了引入注目的成就。 最为集中的应用领域可说是国防工业，最为集中的应用领域可

49、说是国防工业， 如直径为如直径为2 2m m火箭的整体测试火箭的整体测试火箭的整体测试火箭的整体测试，以及各种枪炮和弹药的无损检测等。，以及各种枪炮和弹药的无损检测等。 工业工业CTCT还被应用于飞机螺旋桨、发动机，汽轮机叶片，汽缸等精密铸件还被应用于飞机螺旋桨、发动机，汽轮机叶片，汽缸等精密铸件的无损检测。的无损检测。 苏苏联联曾曾用用XCTXCTXCTXCT测测测测定定定定反反反反应应应应堆堆堆堆燃燃燃燃料料料料元元元元件件件件的的的的密密密密度度度度分分分分布布布布。以以前前的的这这种种检检查查，需需把把燃燃料元件分解开后用化学方法测定，耗时费钱。料元件分解开后用化学方法测定，耗时费钱。

50、 使用使用CTCT技术一次可测定技术一次可测定3232个燃料元件，每次测定仅花个燃料元件，每次测定仅花3535minmin。 2525第二章第二章 第五节第五节X X射线检测技术射线检测技术航天及民用航天及民用航天及民用航天及民用 美美国国肯肯尼尼迪迪空空间间中中心心的的SMS-201-CTSMS-201-CT扫扫描描仪仪，在在一一次次测测定定中中节节约约了了l0l0万万美美元。元。 当当时时，航航航航天天天天飞飞飞飞机机机机引引引引擎擎擎擎装装配配好好后后在在其其燃燃料料管管的的波波纹纹管管减减振振器器的的肘肘节节处处(2.3(2.3mmmm不锈钢制成不锈钢制成) )，发现，发现处约为一枚硬

51、币大小的凹痕。处约为一枚硬币大小的凹痕。 痕迹虽不深，但明显可见。痕迹虽不深，但明显可见。 制造商洛克希德公司用了好几种方法对此痕迹作了检查，制造商洛克希德公司用了好几种方法对此痕迹作了检查， 以确定痕迹处的管壁是否薄于规定指标，但均未奏效。以确定痕迹处的管壁是否薄于规定指标，但均未奏效。 按常规方法似乎只有拆开燃料管换上一根新的波纹管了。按常规方法似乎只有拆开燃料管换上一根新的波纹管了。 但这根结构复杂的部件价值但这根结构复杂的部件价值1010万美元。万美元。 于是采用于是采用SMS-201-CTSMS-201-CT对该肘节处作了对该肘节处作了621621次剖面扫描，花了次剖面扫描，花了4 4h h， 结结果果证证明明肘肘节节处处的的尺尺寸寸还还是是在在加加工工公公差差范范围围之之内内，部部件件可可以以放放心心地地被被使使用。用。 民用工业产品的测试名目繁多民用工业产品的测试名目繁多民用工业产品的测试名目繁多民用工业产品的测试名目繁多 如木材扫描如木材扫描( (提高其利用率提高其利用率) )， 轮胎生产流水线，轮胎生产流水线， 以及各种管道和桩柱的定期检查等等。以及各种管道和桩柱的定期检查等等。2626