无损检测新技术-数字X射线检测技术简介
无损检测新技术-数字X射线检测技术简介
夏纪真
无损检测资讯网 https://www.wendangku.net/doc/45327671.html,
广州市番禺区南村镇恒生花园14梯701 邮编：511442
摘要：本文简单介绍了数字X射线检测技术的种类、基本原理与应用
关键词：无损检测数字X射线检测
1 综述
数字X射线检测（Digital Radiography，简称DR）可以分为：以图像增强器为基础的X 射线实时成像（Real-time Radiography Testing Image，缩写RRTI）、采用成像板（IP板）的模拟数字照相成像（Computed Radiography，简称CR）、采用电子成像技术的直接数字化X射线成像（DirectDigit Radiography，简称DR）以及将X射线照相胶片经扫描转为数字图像（FDR）。
2 以图像增强器为基础的X射线实时成像（RRTI）
以图像增强器为基础的X射线实时成像系统采用图像增强器代替射线照相的胶片或者旧式工业电视的简单荧光屏来实现图像转换，可以实现实时检测。系统主要由用于产生X 射线的X射线机系统（包括高压发生器、微焦点或小焦点的恒电位X射线机、电动光栏、循环水冷却器等，以投影放大方式进行射线透照）、图像增强器系统（X射线接收转换装置，将隐含的透过金属材料的X射线检测信号转换为可见的模拟图像）、进行信号处理及重构数字化图像的图像处理工作站（包括计算机、图像采集板卡、图像处理软件及系统软件与控制软件等，同时集成了整机控制，包括射线控制面板在内的所有控制面板和操作面板，射线透视的结果在显示器屏幕上显示，检测图像可以按照一定的格式储存在计算机硬盘、移动硬盘、U盘内或刻录到光盘上而长期保存）、检测机械工装、PLC电气控制系统、现场监视系统等六大部分组成。
典型的工业X射线实时成像检测系统结构原理示意图
图像增强器是X射线实时成像检测系统中除X射线源
外最关键的元件。图象增强器由外壳、射线窗口、输入屏
（包括输入转换屏和光电层，目前常用碘化铯晶体或三硫
化二锑、碲化锌镉、硒化镉、氧化铅、硫化镉、硅等对X
射线敏感的光电材料制作）、聚焦电极和输出屏组成。输入
转换屏吸收入射的射线，将其能量转换为可见光发射，光
图像增强器结构示意图
电层将可见光发射能量转换为电子发射，通过加有
25~30KV高压的聚焦电极加速电子并将其聚集到输出屏，
再由输出屏将电子能量转换为光发射，大大提高了输出光强，得到大大增强的图像亮度、动态范围以及分辨力。亦即在图像增强器内实现的转换过程是：射线→可见光→电子→可见光。
图像增强器输出屏后面是光学聚焦镜头等组成的光路系统，再由CCD（Charge Coupled Device的缩写，电荷耦合器件）或CMOS（Complementary Metal Oxide Silicon的缩写，互
补金属氧化硅）摄取可见光模拟图像，经过模拟/数字转换（A/D转换）成电子信号后进入图像处理工作站，引入图像处理技术进行各种图像增强处理，改善图像质量，最后送入监视器显示。经过图像增强器以及图像处理后，在显示器上所得到的图像的图像灰度、亮度、对比度、清晰度都得到了极大的提高。
3采用成像板（IP板）的模拟数字照相成像（CR）
CR方式属于非直接读出方式，其物理基础是X射线的电离作用及光激励发光，其主要效用是以可反复使用高达数千次的成像板（简称IP板）取代传统的X射线胶片。IP板有刚性的也有柔性的，可以与普通胶片一样分成各种不同大小规格以满足实际应用需要。CR的装置包括影像采集部分（IP板）、影像扫描部分（读出器）及影像后处理和记录部分（计算机、打印机和其他存储介质）。
CR的成像过程如下：透过物体的X射线投射到IP板上，IP板感光后在荧光物质中把X 射线的能量以潜影的方式储存下来，完成影像信息的记录，再将这种带有潜影的IP板置入专用的读出器中用激光束进行精细扫描读取，荧光物质被激励，释放其储存的能量，发出的荧光被集光器收集送到光电倍增管，由光电倍增管将其放大并转换成电信号，经A/D转换器转换成数字图像，再经由计算机处理得到一个数字化图像，在监视器屏幕上显示出灰阶图像，也可以被储存。CR的成像要经过影像信息的记录、读取、处理和显示等步骤。
IP板成像质量已接近于X线胶片（Agfa D7）的清晰度（对比度可达到12位或4096灰度，空间分辨率可达到5线对/毫米即100μm，扫描像素达到10Pixel/mm），IP板的动态特性线性度比胶片好，X射线转换率高，需要的曝光量负荷大大减少（可少至传统胶片法的1/5~1/20，需要的曝光时间短），具有非常宽的动态范围，对于不同的曝光条件有很高的宽容度，在选择曝光量时将有更多的自由度，从而可以使一次拍照成功率大大提高（重拍次数大大减少），在一般情况下只需要一次曝光就可以得到全部可视的判断信息。CR技术不需要胶片、化学药品、暗室、相关设备及胶片存储，可在普通室内明间进行操作处理（干式），处理速度快。IP板可装入标准的X射线胶片盒中与铅或其他适当的增感屏一起使用，曝光后，可手工将其从胶片盒取出，插入阅读器进行成像处理，在重新用于曝光之前需要使用专门的擦除器（消光器）处理（IP板经过强光照射即可抹消潜影）。传统X射线能摄照的部位也都可以用CR成像，现有的传统X射线透照设备（周向、定向射线机）以及爬行器都可以继续使用，其作业过程基本与常规的胶片照相相同，不需要对操作者进行特殊的培训，使用方便，适用于各种检查，特别是适合于传统射线机和野外恶劣环境施工。缺点是操作较复杂，不能实时，与DR成像系统相比工作效率较低且图像质量略逊于DR。对CR图像的观察与分析也与传统X射线照片相同。所不同的只是CR图像是由一定数目的象素所组成，可以在屏幕上观看或进行不同的后处理。CR系统的优点是便携、读出设备与成像板分离（可以在多个拍摄点情况下，集中在一个阅读器读取）。当然， IP板的使用条件要求和胶片一样也是非常苛刻的，不能使用在潮湿的环境中和极端的温度条件下。
IP板是基于某些辉尽性
荧光发射物质（可受光刺激
的感光聚合物涂层）具有保
留潜在图像信息的能力，当
对它进行X射线曝光时，这
些荧光物质内部晶体中的电
子被投射到成像板上的射线
所激励并被俘获到一个较高
能带（半稳定的高能状态），形成潜影，再将该IP板置入CR读出设备内，利用激光束以2510x2510的像素矩阵（分辨率可高达100微米）对匀速移动的IP板整体进行精确而均匀
的扫描（速度可达100-150幅/小时），在激光
激发下（激光能量释放被俘获的电子），激发
出强度与原来接收的射线剂量成比例的蓝色
可见光被自动跟踪的光电接收器接收并转换
为数字信号，放大后经模拟/数字转换器（A/D）
转换成数字化影像信息，送入计算机进行处
理，形成数字化的射线照相灰阶图像并通过监
视器屏幕显示供观察分析。
4 采用电子成像技术的直接数字化X射线成像（DR）
DR成像技术包括直接转换方式（器件在经过X射线曝光后，X射线光子直接转换为电信号）和间接转换方式（器件先将X射线光子转变为可见光，然后再转换为电信号），从X 射线曝光到图像显示的全过程自动进行，经过X射线曝光后，即可在显示器上观察到图像。DR采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探测器是线阵探测器，由将X射线光子成正比地转换为可见光的X 线转换层（主要是闪烁体如碘化铯CsI、CdWO4或荧光体如硫氧化钆GdSO）与具有光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（信号储存基本像素单元及信号放大与信号读取）等组成多层结构，达到同步完成射线接收、光电转换、数字化的全过程，读出电路将每个像素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，最后获得数字图像显示。FPD目前已经可以达到127x127μm像素和17x17英寸的面积，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线数字照相。线阵成像器可承受20KV~450KV能量的X射线直接照射，具有在强磁场中稳定工作的能力，无老化现象，动态范围可达到 12 Bit（4096灰度级），可以一次性实现透照厚度变化大的工件和成像检测。线阵探测器除了普通的直线形外，还有L形、U形，或拱形等，最新型的线阵列成像器已经能够制成曲面形状（例如C形）来适应周向曝光的X射线管辐照，从而获得曲面形状工件的全景展开图形。线阵成像系统的配置一般包括：X射线成像器（包括扫描机构）、PC接口卡、成像器卡、X射线采集和成像软件和成像器电缆等。图像的采集与处理系统由前置放大器、A/D转换器、缓存器、CPU等组成。线扫描成像的扫描时间短，所需X射线剂量低，动态范围宽和价格较低。
线阵扫描成像系统工作原理如下图所示：
间接转换型DR探测器也有平板式，不需要扫描运动，有效检测区域大（如40cmx30cm），空间分辨率高（4~5LP/mm），动态范围大（可达到2000:1，即66dB），直接输出数字图像，目前已可达到输出1-30帧/秒。缺点是价格昂贵，承受高能射线能力差（一般不用在加速器下成像）。
直接转换型DR探测器主要为平板式结构（也有线扫描式），没有荧光转换层，主要是
由非晶硒层（amorphous Selemium，a-Se）加薄膜半导体阵列（Thin Film Transistor array，TFT）构成多层平板状结构。非晶硒是一种光电导材料，探测器结构上施加有一个偏压，经X射线曝光后由于电导率的改变而直接将X射线转换成图像电信号（入射的X线光子在非晶硒层激发出电子穴偶对时，电子和空穴在偏置电压下反向运动，产生电流），通过TFT检测阵列俘获形成电信号实现转换X射线能量，能提供一个完整的扫描场，直接成为数字信号，与每个探测单元相连的单独的存储电容收集这些电荷在阵列中以定制的电子学规则读出，亦即在TFT中，经放大电路和控制电路采集各TFT像素单元电荷，再经A/D转换变成数字信号，送到计算机处理而获得数字化图像并在显示器上显示便于即时观察。目前已经能在14x17英寸/35x43cm的图像面积上使用2560x3072的探测单元矩阵（例如由二维排列的139x139μm薄膜晶体管TFT层上涂敷500μm厚的非晶硒，其上是介质层和表面电极层及保护层等构成）。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比硅板小，因此图像精度较高。
直接转换型DR探测器
还有最新型的采用互
补金属氧化硅半导体
（Complementary
Metal Oxide Silicon ，
缩写CMOS）的成像板，
其精度比CCD成像系
统高10倍、比用非晶
硅/硒板成像高3倍。如
果采取几何放大，精度
可达到几个微米，抗震
性和强度更高，寿命更
长，受温度影响非常小，灵敏度更高，信噪比更大，能承受高达20MeV的射线能量。
平板式数字成像系统的空间分辨率已经接近胶片，但是对比度范围则远远超过胶片，除了不能进行分割和弯曲外，能够与胶片和CR有同样的应用范围，可以被放置在机械或传送带位置，检测通过的零件，也可以采用多配置进行多视域的检测。在两次照射期间，不必更换成像板，仅需要几秒钟的数据采集就可以观察到图像，与胶片和CR的生产能力相比，有巨大的提高。平板式数字成像系统已被广泛应用于医疗和工业领域X射线检测，可达到胶片的影象质量，具有检测速度快、费用低、可接受射线直接照射等特点。
DR检测系统的组成可以简单地表述为：射线源-检测对象-射线成像探测器-图像数字化系统-数字图像处理系统。DR的装置包括射线成像探测器及影像后处理和记录部分（计算机、打印机和其他存储介质）。
5 将X射线照相胶片经扫描转为数字图像（FDR）
传统X射线照相所得的图像是不能进行图像处理的，若其图像质量由于种种原因达不到评判要求，然而又不能进行改善图像的处理，则只能重新拍照。当需要将各种影像检查的图片集在一起参照对比时，其图像状态不能根据需要进行变换。射线数字化影像不仅可利用各种图像处理技术对图像进行处理，改善图像质量，并能将各种判断技术所获得的图像同时显示，进行互相参照互相补充，乃至合并处理，大大增加了判断信息。
常规射线照相检测得到的X或γ射线底片的保存与管理是比较繁琐和麻烦的问题，它们的保存、管理和查找以及递送图像照片都得花去大量的人力和物力。而且保存日久的照片会逐渐变质，使影像质量下降。
目前已经有专用的X光胶片数字化扫描仪、激光胶片数码仪、高分辨率透射式平板或滚
筒扫描仪，可将已有的传统X或γ射线底片通过扫描使之转换成数字化图像输入计算机中存储并再利用，从而大大方便了射线照相检测底片的保存与管理，也极大地方便了影像传送（方便实现异地评判或研讨、数据共享）、培训教学等的需要。高性能的X光胶片数字化扫描仪已经能使转换损失导致的失真度达到很小。
作者简介：夏纪真，高级工程师，国务院授予政府终身特殊津贴的有突出贡献专家，《无损检测资讯网 https://www.wendangku.net/doc/45327671.html,》创建并主持人。