無紙片射線透照技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

無紙片射線透照技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

1895年11月，德國科學(xué)家威勒姆盧頓發(fā)現(xiàn)了x線。由于它能夠穿透物質(zhì)，輻射攝影技術(shù)可以為制造商和用戶提供直觀、可靠的產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量信息。但是,膠片在使用過程中的不可重復(fù)性使檢測成本大幅提高。此外,曝光后膠片需要沖洗,獲得質(zhì)量信息的周期長,同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生有害的化學(xué)廢液。而無膠片射線照相技術(shù)具有直觀、動(dòng)態(tài)、經(jīng)濟(jì)、檢驗(yàn)效率高、適于批量產(chǎn)品的檢測和流水式作業(yè)、能立即得到檢測結(jié)果以及對(duì)操作人員無輻射危害等優(yōu)點(diǎn),因此一直受到無損檢測設(shè)備研發(fā)人員的極大關(guān)注。11.1膠片圖像裝置熒光屏型檢測器(熒光鏡)出現(xiàn)在1895年,是第一種無膠片圖像裝置。如圖1所示,設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,將X射線照射下發(fā)光的磷光屏放置在一個(gè)觀察盒中,以補(bǔ)償磷光屏的亮度不足,操作者在屏的另外一側(cè)進(jìn)行觀察。1.2真空管和工業(yè)電視圖像增強(qiáng)器誕生于20世紀(jì)40年代,直到90年代末一直是非膠片成像的最主要方法。由于受器件本身結(jié)構(gòu)的限制,此成像系統(tǒng)具有圖像噪聲大、靈敏度低、對(duì)比度差、圖像變形、使用壽命短以及不能對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行有效檢測等缺陷如圖2所示,圖像增強(qiáng)器是一種真空管,使用光電照相陰極,射線輸入屏由較薄的鋁或鈦材料制成,屏的基層涂有閃爍體(CsI/Na),能將輸入的不可見的X射線檢測信號(hào)轉(zhuǎn)換為可見光圖像,再經(jīng)過光電陰極板將可見光圖像轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電子束,電子束在電子加速聚焦柵的作用下加速并聚焦于熒光輸出屏(ZnCdS/Ag閃爍體材料),形成可視的檢測圖像。如圖3所示,在輸出屏后端配有聚焦光學(xué)鏡頭和CCD(電荷耦合器件)攝像機(jī)。采集對(duì)應(yīng)于可視圖像的模擬信號(hào)直接在顯示終端上輸出,稱為工業(yè)電視;若將模擬信號(hào)輸入圖像采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,再輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理后輸出,稱為普通實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)。目前,基于圖像增強(qiáng)器的非膠片成像技術(shù)已被一些發(fā)達(dá)國家淘汰,很多有實(shí)力的設(shè)備研發(fā)部門和供應(yīng)商已經(jīng)終止對(duì)基于此技術(shù)產(chǎn)品的進(jìn)一步投入,該技術(shù)將會(huì)徹底退出市場。1.3增強(qiáng)器的圖像質(zhì)量熒光屏型檢測器直接在磷屏上觀察成像,圖像增強(qiáng)器是通過顯示器實(shí)時(shí)觀察成像,輸出的是模擬信號(hào),不能按照數(shù)字圖像分級(jí),因此兩者圖像質(zhì)量差,不能達(dá)到普通膠片射線成像水平。2用于模擬圖像的數(shù)字信號(hào)數(shù)字射線透照技術(shù)包含了使射線透照產(chǎn)生的圖像可以在非傳統(tǒng)的鹵化銀片基的其它媒質(zhì)或裝置上通過一系列強(qiáng)弱不同的數(shù)字信號(hào)或像素再現(xiàn)出來的一系列技術(shù)。2.1x-ct成像技術(shù)CR是以降低檢測成本為出發(fā)點(diǎn)的間接數(shù)字射線成像系統(tǒng)。技術(shù)核心是使用柔性潛影感光板(光感屏、存儲(chǔ)光電子板和柔性感光底片)。1975年EastmanKodak公司的GeorgeLuckey發(fā)明了可存儲(chǔ)磷光圖像的柔性感光底片,同年,Kodak公司為世界上第一個(gè)能夠掃描磷光圖像的系統(tǒng)申請(qǐng)了專利,當(dāng)代計(jì)算機(jī)射線成像技術(shù)誕生。1983年該技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。CR使用柔性潛影感光板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的射線膠片。如圖4所示,CR影像板吸收并存儲(chǔ)X射線光量子的能量,當(dāng)影像板被紅外或近紅外光激發(fā)時(shí),磷會(huì)以可見光的形式與曝光量成比例地釋放出存儲(chǔ)的能量。掃描裝置中的光電二極管陣列采集可見光并實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)換,經(jīng)優(yōu)化處理以二維圖像的形式顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上。同時(shí)存儲(chǔ)在板上的圖像被刪除。影像板可視為一張能夠反復(fù)曝光的電子膠片,壽命取決于機(jī)械磨損程度。CR技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是,①CR影像板便于攜帶、可彎曲、可直接代替膠片且動(dòng)態(tài)范圍寬、曝光寬容度大,從節(jié)約膠片的角度考慮,能有效降低檢測成本。②無需使用化學(xué)藥品,不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)廢液。③可以獲得高清晰度的探傷圖像。CR技術(shù)的主要缺點(diǎn)是,該系統(tǒng)為間接數(shù)字成像系統(tǒng),時(shí)間分辨率較低,不易完成實(shí)時(shí)檢測。它需要一個(gè)中間步驟把隱藏在板中的信息(潛影)讀出來,以便顯示和解讀。故不能滿足動(dòng)態(tài)顯示的需求,檢測效率提高不明顯。2.2圖像后處理系統(tǒng)DR是直接數(shù)字射線成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)以降低檢測成本、提高檢測質(zhì)量和提高檢測效率為設(shè)計(jì)基點(diǎn)。技術(shù)核心是使用探測器陣列。出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代,被認(rèn)為是過去25年中X射線成像領(lǐng)域意義最重大的技術(shù)突破之一。DR系統(tǒng)的工作原理是,DR將射線探測單元排列成陣列,即線陣探測器(LDA),如圖5所示,LDA成像系統(tǒng)直接與圖像采集卡相結(jié)合,采集模擬圖像送到采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,再至計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像后處理。工作原理與圖像增強(qiáng)器相同,但分辨率有較大提高。可獲得低噪聲、高靈敏度的圖像。DR分線性二極管陣列板探測器和平板探測器兩種,掃描方式分別為線掃描(線陣列)和面掃描(面陣列)。其中,平板探測器有非晶硒(a-Se)和非晶硅(a-Si)兩種,兩個(gè)裝置都能存儲(chǔ)電荷。線掃描技術(shù)存在曝光時(shí)間過長,像素矩陣和空間分辨率等指標(biāo)都不高等缺點(diǎn),已趨向于淘汰。非晶硅板探測器工作原理如圖6a所示,入射X射線首先撞擊板上的閃爍層,閃爍層以與所撞擊的射線能量成正比的關(guān)系發(fā)出光電子,光電子被下面的硅光電二極管陣列采集并轉(zhuǎn)化為電荷,再將電荷轉(zhuǎn)換為每個(gè)像素的數(shù)字值。非晶硒板探測器工作原理如圖6b所示,硒層能直接將入射X射線轉(zhuǎn)換成電荷。非晶硅板比非晶硒板產(chǎn)生圖像的速度快,但對(duì)于同等像素尺寸,非晶硒板因?yàn)樵赬射線光電子轉(zhuǎn)化為信號(hào)過程中不產(chǎn)生散射現(xiàn)象(拖影),所以比非晶硅板探測器精度高。DR的優(yōu)點(diǎn)有,①獲取質(zhì)量信息的周期短。②成本低(無需膠片、化學(xué)藥液,不產(chǎn)生化學(xué)廢液)。③缺陷檢出率高。某些情況下,使用相關(guān)軟件還可對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)評(píng)判。④檢驗(yàn)結(jié)果可實(shí)現(xiàn)無線傳輸,且存儲(chǔ)保管成本低。DR的缺點(diǎn)是不能彎曲和切割。2.3光電效應(yīng)器色擬石機(jī)20世紀(jì)60年代末期,美國貝爾實(shí)驗(yàn)室提出固態(tài)成像器件概念。70年代初CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)在美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)試制成功,90年代后期實(shí)現(xiàn)商品化。LDA成像系統(tǒng)與CMOS傳感器相結(jié)合,同步完成射線的光電轉(zhuǎn)換與數(shù)字采集,這種成像系統(tǒng)稱為LDA-CMOS直接數(shù)字射線成像系統(tǒng)(圖7)。該系統(tǒng)在各種DR系統(tǒng)中處于先進(jìn)水平。CMOS傳感器利用硅的光電效應(yīng)原理,根據(jù)像素的不同結(jié)構(gòu)分為無源像素被動(dòng)式傳感器(PPS)和有源像素主動(dòng)式傳感器(APS)。PPS出現(xiàn)早,具有單元結(jié)構(gòu)簡單、尋址簡單、填充系數(shù)高和量子效率高等優(yōu)點(diǎn),使得CMOS走向?qū)嵱没?。但PPS靈敏度低、讀出噪聲大、不利于向大型陣列發(fā)展,應(yīng)用受限,后被APS代替。根據(jù)光生電荷的不同方式APS又分為光敏二極管型、光柵型和對(duì)數(shù)響應(yīng)型,現(xiàn)在又出現(xiàn)了數(shù)字像素傳感型。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電壓信號(hào),信號(hào)讀取簡單,CMOS傳感器的每一個(gè)像素是被獨(dú)立放大的,不受相臨像素的影響,能夠減少或消除圖像浮散,像素逐線掃描成像,可提供更高的精度和空間分辨率。CMOS可對(duì)局部像素圖像進(jìn)行隨機(jī)訪問。CMOS直接數(shù)字射線成像系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有,①使用軸外檢測技術(shù)。可以避免CMOS傳感器受X射線的直接照射,能消除散射,減少輻射噪聲,有效延長傳感器壽命。②使用溫度范圍大,在0.55℃~43.3℃(31℉~110℉)溫度變化范圍內(nèi)不需要標(biāo)定。③X射線機(jī)可不受小焦點(diǎn)的限制,造價(jià)相對(duì)較低。④填充系數(shù)高,可高出非晶硅探測器約60%。⑤信噪比高,可在高能狀態(tài)下很好地工作。⑥成像速度一般比非晶硅探測器慢,但是比非晶硒快。2.4dr成像技術(shù)特點(diǎn)CR和DR強(qiáng)大的質(zhì)量控制模塊和后處理技術(shù)保證了圖像質(zhì)量的穩(wěn)定性。CR與DR均采用數(shù)字技術(shù),動(dòng)態(tài)范圍廣,都有很寬的曝光寬容度,因而允許存在照相中的技術(shù)誤差,即使在一些曝光條件難以控制的部位,都能獲得層次豐富、影像邊緣銳利清晰、細(xì)微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出色的圖像。CR系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)會(huì)帶來光學(xué)散射,一方面是CR影像板中的磷粒子使入射X射線產(chǎn)生散射,引起潛像模糊;另一方面是激發(fā)光子在穿過影像板獲取潛像的過程中產(chǎn)生散射,沿著路徑形成受激熒光,使圖像模糊,降低了圖像分辨率。而DR系統(tǒng)無光學(xué)散射引起的圖像模糊,清晰度比CR好。數(shù)字化成像過程中出現(xiàn)的噪聲有時(shí)間噪聲(包括量子噪聲、設(shè)備噪聲和量化噪聲等)和空間噪聲(由于陰極射線管熒光材料的顆粒結(jié)構(gòu)引起)。DR的圖像質(zhì)量取決于所采用的技術(shù)類型、數(shù)字化成像的量子檢出效率(DQE)、噪聲等價(jià)量子數(shù)(NEQ)、采集矩陣、采集灰階、空間分辨率和最小像素尺寸等因素。20世紀(jì)80年代起,Sandrik等用DQE及NEQ評(píng)價(jià)成像質(zhì)量。NEQ通常定義為成像系統(tǒng)中輸出側(cè)的信噪比(SNR),NEQ越大,成像系統(tǒng)的SNR越大,影像信息越多;DQE通常定義為輸入信號(hào)噪聲與輸出信號(hào)噪聲之比,DQE越大,檢測細(xì)節(jié)的能力就越強(qiáng)。在空間分辨率較低時(shí),非晶硒的DQE比非晶硅低,但隨著空間分辨率的增加,非晶硒DQE減小的速率小于非晶硅,使得非晶硒DQE實(shí)際上大于非晶硅,因而非晶硒檢測細(xì)節(jié)方面能力較強(qiáng)。數(shù)字照相技術(shù)成像的優(yōu)點(diǎn)有,①CR成像的對(duì)比度可達(dá)12位或4096灰度,沒有超過膠片但與之相仿,已經(jīng)可以滿足大多數(shù)無損檢測的需要。精度為100μm(5線對(duì)/mm),滿足數(shù)字化評(píng)價(jià)的要求,具有與膠片等效的性能水平縱觀DR技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀可以認(rèn)為,DR技術(shù)將引起射線檢測技術(shù)的一次革命,該技術(shù)真正能做到射線檢測的高質(zhì)量、高效率和低成本。3圖像質(zhì)量與dr對(duì)比(1)目前的一個(gè)主要問題是如何盡快制定相應(yīng)的檢測規(guī)范以適應(yīng)數(shù)字X射線檢測的迅猛發(fā)展。盡管各國都已制定了一些相關(guān)規(guī)范來限定DR的圖像質(zhì)量,用以評(píng)定被檢工件的內(nèi)部狀態(tài),但是相關(guān)檢測規(guī)范的數(shù)量與質(zhì)量仍然不足(2)X射線實(shí)時(shí)成像系