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X-RAY射线光源的内部结构拆解


发布时间:2019-07-31 10:30:00 点击量:

[文章导读]:X射线检测作为五大常规(超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测以及涡流检测)的无损检测之一,在工业上有着非

X射线检测作为五大常规(超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测以及涡流检测)的无损检测之一,在工业上有着非常广泛的应用。X射线与自然光并没有本质的区别,都是电磁波。只是X射线的的光子能量远大于可见光,能够穿透可见光不能穿透的物体,而且在穿透物体的同时将和物质发生复杂的物理和化学作用,可以使原子发生电离,使某些物质发出荧光,还可以使某些物质产生光化学反应。如果检测工件局部区域存在缺陷,将改变物体对射线的衰减,引起透射射线强度的变化,若采用一定的检测方法,比如利用胶片感光,来检测透射线强度,就可以判断工件中是否存在缺陷以及缺陷的位置、大小。
 
X射线是一种波长很短的的电磁波,是一种光子,波长为10-12到10-7m,据爱因斯坦光子理论,波长越小,能量越大。利用其的穿透性质,照在物质上时,仅一部分被物质所吸收,大部分经由原子间隙而透过,表现出很强的穿透能力。X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关,X射线的波长越短,光子的能量越大,穿透力越强。X射线的穿透力也与物质密度有关,利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来,所以X射线常被用来检测工业中大部分产品(铜、铁、金、银等),而铅和钨此类高原子密度的元素材料能够有效的阻挡X射线,常用作X射线无损检测设备的隔板材料。同时材料的厚度也与阻挡X射线的程度为正比关系如图表1。
产生X射线的装置如图1,应用高电压使电子加速,再使高速电子轰击到靶材表面。当高速电子撞击到靶材,电子减速,损失动能,而其损失的动能的一小部分(约百分之一)会以光子的形式发射出来,形成X射线光谱的连续部分,此为制动辐射,是目前实验室、工厂及医院等地方用的产生X射线的方法;通过加大加速电压,电子携带的能量增大,则有可能将金属原子的内层电子撞出,于是内层形成空穴,外层电子跃迁回内层填补空穴,同时放出波长在0.1纳米左右的光子。由于外层电子跃迁放出的能量是量子化的,所以放出的光子的波长也集中在某些部分,形成了X光谱中的特征线,此称为特性辐射。
 
在X射线管的发展中,主要有三类射线管:反射式密闭管、透射式密闭管(实验室采用)、透射式开放管。X射线由X射线光管产生,汇聚再发散,照射并穿透载物台上的样品,带有物质衬度信息的X射线由检测器接受。被测物件需要载物台来盛放,为了避免载物台对被测物件成像的干扰,大多选用碳纤维板或是铝板作为载物台的材料。穿透物件后的X射线因物件每个部位的厚度或是材质的不同会有强度的差异,带着这种强度的差异打在侦测器上,被图像传感器记录下来就形成了图像的衬度数据,通过软件对衬度数据进行处理,即形成了图像灰度值的明暗程度的差别。并在显示器上呈现X射线图像来对被测物件进行检测。
 
一、影像增强器(图像增强器、数字探测器)
光源能谱
 
因X射线直接打在荧光屏上的亮度很弱,不能够使用电视摄像机直接进行图像摄取,需要利用影像增强器,先将X射线影像转换成为可见光图像并将其亮度提高千倍,再进行摄像,通过显示器输出图像。影像增强器大致分为图像增强器,数字探测器(CMOS探测器以及非晶硅平板探测器),如下针对不同检测器作介绍。
 
1.图像增强器
 
X射线进入打在荧光物质上发出荧光,通过闪烁计数器及光电阴极,转换为电子,电信号经过调整,发出荧光,再由CCD等摄像管捕获图像。图像增强器可以高倍放大图像,调整视场,实时检测。优点在分辨率、采样帧率高,转换效率高。(图3为图像增强器工作原理)
2.数字探测器(非晶硅TFT平板探测器)
 
闪烁体CsI吸收X射线,将其转换成可见光,光电层吸收可见光,然后转换为电信号。每个光电二极管对应一个像素或图像单元,再读出每个像素对应的电信号,由显示器显示。
 
3.数字探测器(CMOS平板探测器)
 
同样X射线被荧光材料吸收,在由荧光材料发出荧光,照射到CMOS传感器上,而后甄别各个像素,显示图像。
 
实验室X射线无损检测设备使用CMOS探测器像素为3MP,探测帧率为25fps,像素50μm,较优于普通的非晶硅数字探测器。
二、扫描方式(2D、X-Plane、CT)
 
X射线无损检测系统成像主要分成二维图像以及三维图像。X射线灯管放射X射线,在焦点处汇聚成一点,再向探测器方向发散(点扩散成圆),经过被测物,X射线带着被测物的2维信息打在探测器上,由探测器捕获图像。其中,X射线源到探测器的距离是不变,通过改变被测物到射线源的距离来调整X射线检测图像的放大倍率(被测物到射线源越近,放大倍率越大)。
 
三维图像有X-Plane和CT两种扫描方式。X-Plane扫描模式为被测物不动,通过调整射线源及探测器扫描被测物的角度(探测器在被测物上方转一圈,在特定的位点采集图像),获得不同位置被检物的形貌结构信息,通过软件进行三维重建。CT是指射线源与探测器保持不动,更换载物台,先在实时图像监测下将被检物保持在画面中心,而后通过旋转物体(确保物体旋转过程不会超出画面范围)采集360°图像,可以通过设置步数来决定采集图像的数量,后由软件重建三维图像。CT的数据量足够则可以更为准确的反应被检物的三维结构,扫描的步长越短,则需要更长的扫描时间;X-plane则因为存储的二维图像较少,扫描时间较短,重建的三维模型存在和实物不符的可能性,所以不适用在结构复杂的样品。

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