冷陰極X射線成像技術(shù)在核電射線檢測中的應用和優(yōu)勢

冷陰極X射線成像技術(shù)在核電射線檢測中的應用和優(yōu)勢摘要:冷陰極是一種利用碳納米材料表面的隧穿效應發(fā)射冷電子的射線管陰極，由其開發(fā)的冷陰極X射線數(shù)字成像系統(tǒng)檢測速度快、靈敏度高、寬容度大等特點。本研究通過設計常見核電管道焊縫冷陰極X成像試驗，分析該技術(shù)在核電現(xiàn)場應用的可行性，結(jié)果表明，冷陰極X射線成像技術(shù)能夠達到膠片水平，其圖像清晰，靈敏度高，滿足標準要求，同時，分析認為冷陰極X射線成像技術(shù)成像速度快，透照范圍可以達到10mm以下、環(huán)境劑量低、焦點尺寸小、實現(xiàn)射線數(shù)字化，是應用在核電射線檢測理想的無損檢測方法，具有膠片照相無可比擬的優(yōu)勢。關(guān)鍵字：冷陰極，數(shù)字射線，核電，環(huán)境劑量緒論“冷陰極”是指電子管中不用加熱的方式而發(fā)射電子的陰極。冷陰極X射線機即采用高導電率的場發(fā)射碳納米材料制作射線管的陰極，其電子產(chǎn)生和移動是利用場致發(fā)射原理完成的，即在強電場作用下電子從固體表面進入真空。其在使用壽命，尺寸，重量，發(fā)射時間等方面較傳統(tǒng)熱陰極X射線機有明顯優(yōu)勢。冷陰極X射線數(shù)字成像系統(tǒng)系統(tǒng)成像原理冷陰極數(shù)字射線成像技術(shù)的物理基礎仍是以射線吸收規(guī)律為基本原理的射線檢測技術(shù)。對數(shù)字射線檢測技術(shù)，初始檢測信號與常規(guī)膠片射線照相檢驗技術(shù)相同，仍然是物體對比度：.■-I■■-（式1-1）

式中：I為射線強度；口為射線的線衰減系數(shù)；n為散射比；AT為厚度差。不同的是的這種特性。對于探測器，一般都工作在線性區(qū)，圖3顯示了分立輻射探測器不同的是的這種特性。圖3分立輻射探測器的光電轉(zhuǎn)換特性即可認為圖像亮度（L）信號與射線檢測信號間近似為線性轉(zhuǎn)換關(guān)系："燈（式1-2）式中：k為常數(shù)。因此對檢測圖像有：/I（式1-3）小制麗喬石（式1-4）或（美國標準，總的不清晰度采用三次方關(guān)系）心罰皿呵噸（式1-5）式中：「為焦點尺寸；M為透照布置的放大倍數(shù)；—為探測器（系統(tǒng)）的固有不清晰度。同時，成像系統(tǒng)中，信噪比SNR定義為檢測圖像某區(qū)的平均信號與該區(qū)信號的統(tǒng)計標準差之比。對于灰度圖像，若記圖像像素的灰度為GV,則有：Error:Referencesourcenotfound（式1-6）Error:Referencesourcenotfound（式1-7）式中：S為檢測圖像某區(qū)的平均信號，6為該區(qū)信號的統(tǒng)計標準差，SNR=S/6。1.2系統(tǒng)組成冷陰極X射線數(shù)字成像系統(tǒng)可以稱作冷陰極“DR”，它由冷陰極X射線機，平板探測器，采集軟件已經(jīng)相應工裝組成。其中，冷陰極X射線機由發(fā)射單元和控制單元組成，發(fā)射單元采用脈沖式激發(fā)，單次照射立即成像，控制單元通過普通干電池或鋰電池驅(qū)動，便攜方便。平板探測器為分辨率高、像元尺寸?。?20um）的靜態(tài)平板探測器。采集軟件通過網(wǎng)線或者無線通訊方式與設備連接,可以實現(xiàn)圖像采集，冷陰極X射線機控制，圖像處理等功能。試驗2.1檢驗對象現(xiàn)有的冷陰極X射線機最高電壓可達180KV，因此，穿透能力有限。本研究針對冷陰極X射線機穿透能力范圍內(nèi)的檢驗對象進行研究，其檢驗對象如表1所示。表1檢驗對象工件編01020304材質(zhì)碳鋼碳鋼碳鋼碳鋼規(guī)格/mm?60X5?60X5?13.7X1.25?130X62.2檢驗標準受限于核電現(xiàn)場復雜的工況環(huán)境，現(xiàn)場工件和焊縫射線檢查仍主要以傳統(tǒng)膠片照相檢測為主，幾乎很少采用數(shù)字射線成像技術(shù)，因此，對該類數(shù)字射線檢測的工藝和標準仍處于摸索階段。2015年我國頒布的NB/T47013.11《壓力容器無損檢測第11部分：X射線數(shù)字成像檢測》規(guī)定了X射線數(shù)字成像檢測的一般工藝和圖像驗收標準，可以一定程度上指導核電射線數(shù)字射線檢測，但是該標準仍具有一定局限性。2.3檢驗工藝本試驗采用RCCM標準設計檢驗工藝和相關(guān)參數(shù)，根據(jù)檢驗對象不同，選擇雙壁雙影或是雙壁單影透照方式。根據(jù)標準要求，其透照焦距可以滿足式“，其中f：焦距，d：焦點尺寸，b公稱厚度。試驗不采用放大技術(shù)，探測器盡可能貼近工件。本試驗采用的具體檢驗工藝參數(shù)如表2所示。表2檢驗工藝工件編 01 02 03 04透照方式雙壁雙影雙壁雙影雙壁雙影雙壁單影電壓/KV155155151155電流/mA2.52.52.52.5曝光時間/S22222.4檢驗結(jié)果分辨率測量根據(jù)標準要求，對冷陰極X射線成像系統(tǒng)分辨率進行測量，系統(tǒng)分辨率主要依賴探測器系統(tǒng)的基本空間分辨率，也是影響檢測圖像不清晰度的主要因素。冷陰極X射線成像系統(tǒng)中，圖像不清晰度與空間頻率線對值互為倒數(shù)關(guān)系，通常采用雙絲像質(zhì)計進行測定，關(guān)系可以表示為R=l/2d，其中，R是空間頻率線對值，d為不能區(qū)分絲對的最大絲直徑，可以用像元尺寸表示。本檢測系統(tǒng)選擇的探測器像元尺寸154口m，即R=3.24Lp/mm，根據(jù)標準要求，雙絲像質(zhì)計應能分辨D8,即空間分辨率應為D9。以雙絲像質(zhì)計表征本試驗系統(tǒng)空間分辨率，對其的計算分析結(jié)果表明，本試驗檢測系統(tǒng)滿足空間分辨率要求，滿足本試驗檢驗對象穿透厚度要求。對比度測量結(jié)果圖像對比度采用的是單絲像質(zhì)計絲徑表征，其測量結(jié)果如表3所示表3對比度測量結(jié)果工件編01020304像質(zhì)計靈敏度W14W14W15 | W15標準要求像質(zhì)計靈敏度W13W13W15W132.4.3圖像效果本試驗檢驗結(jié)果顯示檢驗圖像清晰，缺陷顯示明顯。核電應用優(yōu)勢3.1檢測速度冷陰極數(shù)字射線成像繼承了數(shù)字射線成像速度快、曝光時間短、實時顯示檢驗結(jié)果的優(yōu)點，更進一步，由于其穿透能力范圍在20mm以下的管道焊縫，檢測時間均W2S，能明顯降低檢驗人員的接受劑量和遭受誤照風險。環(huán)境劑量冷陰極X射線數(shù)字成像系統(tǒng)用于核電現(xiàn)場射線檢測安全性高，環(huán)境劑量率小焦點尺寸冷陰極X射線機采用碳納米材料制作而成，且在發(fā)射過程中，產(chǎn)生較小的能量損耗，因此，可以將射線機焦點尺寸制作到極低的水平而不影響射線機結(jié)構(gòu)和尺寸。如試驗采用的冷陰極X射線機的有效焦點尺寸為1mm，作為成像系統(tǒng)的射線源可以較大的提高檢測靈敏度和分辨率，并且應用于復雜的核電作業(yè)現(xiàn)場，可以實現(xiàn)小焦距檢測，便于布置和提高射線檢測可達性。結(jié)論冷陰極X射線數(shù)字成像技術(shù)核電應用試驗中，管道焊縫的圖像質(zhì)量可以達到膠片水平，像質(zhì)計靈敏度滿足標準要求，缺陷顯示清晰。同時，冷陰極X射線數(shù)字成像技術(shù)在核電現(xiàn)場應用中還具有：1）檢測速度快；2）有足夠的標準支撐；3）環(huán)境劑量率低；4）焦點尺寸小，可實現(xiàn)小焦距透照；5）射線數(shù)字化等優(yōu)勢作為替代膠片照相的一種無損檢測方法，冷陰極X射線數(shù)字成像技術(shù)將極大節(jié)省核電站檢修工期和提高檢驗質(zhì)量，在核電站的應用是可行的，也是必要的。參考文獻雷威.基于碳納米管冷陰極的全封裝X射線管[A].中國電子學會真空電子學分會、大功率微波電真空器件技術(shù)國家級重點實驗室.中國電子學會真空電子學分會第十九屆學術(shù)年會論文集（下冊）[C].中國電子學會真空電子學分會、大功率微波電真空器件技術(shù)國家級重點實驗室:中國電子學會真空電子學分會,2013:5.BiB