張含光，劉惕生

（天津天感感光材料有限公司，天津 300220）

1 數(shù)字射線照相技術(shù)在工業(yè)射線無損檢測應(yīng)用中具有強(qiáng)大生命力

1.1 傳統(tǒng)的工業(yè)膠片射線照相面臨數(shù)字射線照相的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

眾所周知，現(xiàn)代醫(yī)用數(shù)字影像技術(shù)迅猛發(fā)展，正以排山倒海之勢迅速占領(lǐng)醫(yī)療衛(wèi)生市場，并成為現(xiàn)代醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大動力。數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化已成為現(xiàn)代醫(yī)用數(shù)字影像技術(shù)的發(fā)展標(biāo)志和方向。在現(xiàn)代醫(yī)用數(shù)字影像技術(shù)的沖擊下，傳統(tǒng)醫(yī)用影像材料的應(yīng)用市場越來越小，正在面臨被淘汰的危險。雖然目前在工業(yè)射線無損檢測領(lǐng)域仍然廣泛應(yīng)用傳統(tǒng)工業(yè)射線膠片，但是，隨著工業(yè)射線無損檢測技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展，傳統(tǒng)的工業(yè)膠片射線照相正在受到數(shù)字射線照相的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

1.2 數(shù)字射線照相與傳統(tǒng)膠片照相比較所具有的技術(shù)優(yōu)勢

數(shù)字射線照相與傳統(tǒng)膠片照相比較具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

①CR和DR成像系統(tǒng)用器件能長期重復(fù)使用

CR成像系統(tǒng)用IP成像板及DR成像系統(tǒng)用CCD、CMOS、非晶硒、非晶硅等檢測器都能長期反復(fù)使用。IP成像板能重復(fù)使用5000～10000次，CCD、CMOS、非晶硒、非晶硅等檢測器使用時間更長。

②射線感光靈敏度高，寬容度大

數(shù)字射線照相的射線感光靈敏度高于傳統(tǒng)膠片照相的射線感光靈敏度，有時甚至高達(dá)十倍左右，因而所需的曝光量少，曝光時間明顯減少，有利于輻射防護(hù)。此外，數(shù)字射線照相一次掃描動態(tài)范圍大，曝光寬容度大，因而無曝光不足或曝光過度的問題；當(dāng)工件材料厚度差較大時，一次曝光能同時顯示厚薄區(qū)域的細(xì)節(jié)。

③環(huán)境保護(hù)

不像射線膠片那樣需要化學(xué)加工藥液，不會產(chǎn)生廢液和廢水，有利于環(huán)境保護(hù)。

④使用方便

無需暗室操作，可自動化操作，人們易于掌握，更不會因人而異，便于保證工作質(zhì)量的穩(wěn)定性。

⑤便于影像處理，提高影像質(zhì)量

數(shù)字影像可通過計算機(jī)進(jìn)行改變影像密度、改變影像對比度、影像翻轉(zhuǎn)、影像減影、提高影像清晰度等數(shù)學(xué)增強(qiáng)處理，有利于提高成像質(zhì)量。

⑥設(shè)備緊湊，占地面積小

數(shù)字射線照相的激光成像儀 （掃描器）結(jié)構(gòu)小巧，有柜式、筒式、臺式，占地面積小。

⑦便于進(jìn)行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用

通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用，更有利于無損檢測技術(shù)的現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。數(shù)字射線圖像的網(wǎng)絡(luò)化傳輸則有利于信息共享或網(wǎng)絡(luò)交流和遠(yuǎn)程評定，提高檢測數(shù)據(jù)的應(yīng)用效率。

2 數(shù)字射線照相技術(shù)成像系統(tǒng)的分類和工作原理

數(shù)字射線照相技術(shù)成像方法和成像系統(tǒng)很多，現(xiàn)重點(diǎn)介紹底片掃描法和CR、DR兩種成像系統(tǒng)。

2.1 底片掃描法

底片掃描法就是對射線照相底片進(jìn)行高分辨率掃描，將射線照相底片上的影像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像。將底片影像數(shù)字化掃描進(jìn)計算機(jī)后，不僅能保留底片影像的高分辨率優(yōu)勢，而且能通過數(shù)字增強(qiáng)處理方法增加射線照相底片的信息量。這種掃描的像素芯距可變，通常約25—50μm；空間線性（再現(xiàn)射線底片上圖像尺寸的準(zhǔn)確度）也好。

底片掃描法的工作流程圖如圖1所示：

圖1 底片掃描法的工作流程圖

2.2 CR成像系統(tǒng)

CR（Computed Radiography）成像系統(tǒng)是日本富士膠片公司于上世紀(jì)七十年代初開發(fā)成功的計算機(jī)射線照相系統(tǒng)，簡稱CR系統(tǒng)，又稱FCR系統(tǒng)。該系統(tǒng)不是以傳統(tǒng)醫(yī)用或工業(yè)射線膠片作為記錄和顯示信息的載體，而是使用可記錄、并可由激光讀出射線影像信息的熒光成像板（Imaging Plate IP）作為載體，經(jīng)射線曝光及CR掃描器激光掃描讀出信息，配套影像處理軟件經(jīng)計算機(jī)完成圖像處理，形成數(shù)字式二維平面圖像。

CR成像系統(tǒng)的工作流程圖如圖2所示：

2.2.1 IP熒光成像板

①IP熒光成像板結(jié)構(gòu)

熒光成像板的結(jié)構(gòu)如圖3所示：

熒光成像層是IP熒光成像板的關(guān)鍵涂層，其作用是在成像板使用過程中，經(jīng)X線攝影形成潛影，再經(jīng)激光掃描產(chǎn)生熒光影像。成像物質(zhì)為輝盡性熒光體—含微量二價銪離子的氟鹵化鋇晶體。晶體平均粒徑為4～7μm。

圖2 CR成像系統(tǒng)工作流程圖

圖3 熒光成像板結(jié)構(gòu)圖

輝盡性熒光物質(zhì)就是具有光輝盡發(fā)光特性的物質(zhì)。所謂光輝盡發(fā)光就是把最初受到的光刺激信號記錄下來，當(dāng)再次受到光刺激（二次激發(fā)）時，會釋放出與最初受到光刺激相似的信號。

②IP熒光成像板的成像基本原理

首先由X線攝影形成潛影：在X線對成像板作用時，熒光成像層中的氟鹵化鋇晶體中的微量銪離子被X線激發(fā)而離解，由二價變?yōu)槿齼r，Eu2+→Eu3+＋e，將電子釋放給周圍的導(dǎo)電帶；導(dǎo)電帶中的自由電子被晶體中已有的鹵離子空穴所捕獲，產(chǎn)生半穩(wěn)定狀態(tài)的F中心，從而在成像板的熒光成像層上形成潛影。

然后，成像板經(jīng)激光掃描形成熒光模擬影像：當(dāng)波長為600nm左右的激光掃描已形成潛影的成像板時，激發(fā)光被F中心所吸收；致使F中心俘獲的電子重新釋放到導(dǎo)電帶，再被三價銪離子所捕獲，銪離子重新由三價變?yōu)槎r，Eu3+＋e→Eu2+；此時二價銪離子強(qiáng)烈釋放能量而發(fā)光，形成波長為390～400nm的熒光模擬影像。

③IP熒光成像板的工作原理

IP熒光成像板的工作原理圖如圖4所示：

2.2.2 CR掃描器

①CR掃描器的工作原理

CR掃描器的工作原理如圖5所示：

圖4 IP熒光成像板工作原理圖

圖5 CR掃描器的工作原理圖

在掃描器中，當(dāng)激光掃描IP板（存儲熒光板）讀出時，熒光影像（模擬信息影像）被逐行聚光導(dǎo)入光電倍增管，轉(zhuǎn)換為電信號，隨后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（數(shù)字化信息影像）而被讀出。讀出后的數(shù)字化影像信息可儲存于計算機(jī)光盤，也可通過CRT進(jìn)行顯示，或可通過打印機(jī)輸出X線照片。

②CR掃描器的分類

CR掃描器根據(jù)其使用條件和使用要求，大致可分為柜式、臺式和筒式等三類。

柜式CR掃描器適用于各種標(biāo)準(zhǔn)塊狀規(guī)格的配有硬質(zhì)暗盒的成像板。硬質(zhì)暗盒一般內(nèi)附防散射鉛屏，主要起提高影像清晰度和保護(hù)成像板防摩擦、提高使用壽命的作用。在掃描器中，帶有曝光潛影的成像板會自動從暗盒中移出，經(jīng)掃描讀出后，再經(jīng)白光消除潛影后，會自動進(jìn)入硬質(zhì)暗盒備用。

臺式CR掃描器適用于標(biāo)準(zhǔn)條狀規(guī)格（普通射線照相焊縫檢驗常用膠片尺寸）的配有柔性暗盒的成像板。臺式CR掃描器的使用特點(diǎn)是一次可同時掃描多張成像板，以提高工作效率。

筒式CR掃描器是一種小型的便攜式掃描器，適用于標(biāo)準(zhǔn)條狀規(guī)格的配有柔性暗盒的成像板。筒式CR掃描器主要用于掃描室內(nèi)檢測承壓設(shè)備環(huán)焊縫用的柔性成像板，也適合于野外現(xiàn)場檢驗使用。

2.3 DR成像系統(tǒng)

DR成像系統(tǒng)即數(shù)字射線照相系統(tǒng)（Digital Radiographic System）與CR系統(tǒng)不同，其采用影像檢測器以代替工業(yè)射線膠片捕獲X射線影像，并直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字影像，配套影像處理軟件經(jīng)計算機(jī)進(jìn)行影像處理和儲存。

DR成像系統(tǒng)的工作流程圖如圖6所示：

圖6 DR成像系統(tǒng)的工作流程圖

DR成像系統(tǒng)的關(guān)鍵材料是影像檢測器，或稱影像傳感器，主要有CCD、CMOS、TFTs等。

2.3.1 CCD（Charge Coupled Device電荷耦合器件）

CCD（電荷耦合器件）是一種光子探測器，是利用微電子技術(shù)制成的表面光電器件，具有光電轉(zhuǎn)換功能。在CCD芯片上有許多光敏單元，可將X射線轉(zhuǎn)換屏發(fā)出的不同的光信號轉(zhuǎn)換成不同的電荷信號，形成電荷影像，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字影像。增加CCD上光敏單元的數(shù)量，就能增加影像的分辯率。

2.3.2 CMOS（互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體）

CMOS（互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體）是一種高效、大分辯率的全新影像檢測器。與CCD相比，CMOS具有更高的影像分辯率、更高的信號處理能力、更低的功耗、更少的使用空間和更好的性能/價格比。

2.3.3 TFT(Thin Film Transistor）非晶硅、非晶硒薄膜晶體管

這種平板檢測器是一種高分辯實時成像板，可分成間接型與直接型兩種。這種成像板能獲得類似于膠片的成像質(zhì)量，其典型的像素芯距為100m。對于間接型非晶硅平板檢測器來說，由熒光體組成X射線轉(zhuǎn)換層將X射線變換成可見光子，被光電二極管捕獲，轉(zhuǎn)換成電子，隨后通過晶體管讀出。對于直接型的非晶硒非晶硅平板檢測器來說，常用光電導(dǎo)體（非晶硒）取代閃爍體，將X射線光子直接轉(zhuǎn)換成電子，用非晶硅薄膜晶體管陳列實現(xiàn)數(shù)字影像信號的采集。非晶硒變換層顯示極高的分辨率。

3 數(shù)字射線照相技術(shù)成像系統(tǒng)的工作特點(diǎn)和特性比較

3.1 數(shù)字射線照相技術(shù)成像系統(tǒng)的工作特點(diǎn)

3.1.1 底片掃描法

底片掃描法適合于當(dāng)前大量使用工業(yè)射線膠片進(jìn)行無損檢測的單位實現(xiàn)底片影像的數(shù)字化處理。這樣不僅能在充分利用工業(yè)射線膠片影像的高分辨率優(yōu)勢的同時，又能實現(xiàn)膠片影像的數(shù)字化處理，以適應(yīng)當(dāng)前影像信息數(shù)字化的發(fā)展趨勢。無損檢測單位在采用底片掃描法時，只需購進(jìn)高分辨率影像掃描器，投資較少，效果卻很大。通過采用底片掃描法，無損檢測單位不僅能進(jìn)行工業(yè)射線膠片影像的計算機(jī)數(shù)字化處理，提高影像質(zhì)量，又能實現(xiàn)信息的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，便于圖像信息的數(shù)字化存檔和檢索、圖像信息的遠(yuǎn)程傳輸和資源共享。因此，采用底片掃描法是數(shù)字射線照相技術(shù)的一種投入少、產(chǎn)出大的選擇。

GE膠片數(shù)字掃描儀如圖7所示：

圖7 GE FS50/FS50B膠片數(shù)字掃描儀

GE FS50/FS50B膠片數(shù)字掃描儀技術(shù)規(guī)格：

光源：HeNe激光632.8nm；激光掃描分辨率50～500μm，按1μm步進(jìn)；

FS50密度范圍：0.05～4.0D；FS50B密度范圍：0.05～4.7D；

掃描速度：14x17”7秒 （速度模式，200μm）；120秒（質(zhì)量模式，50μm）；

像素深度：12bit（4096灰度）對數(shù)式；

膠片大?。鹤钚挾?0mm-2.4”，最大寬度355mm-14”；

重量：45kg；尺寸：526x764x330mm；

接口：SCSI，SCSI II；

電源：100～120V；200～240V；50/60Hz，400W；

3.1.2 CR成像系統(tǒng)

CR成像系統(tǒng)采用柔性熒光體成像板 （IP板）代替?zhèn)鹘y(tǒng)工業(yè)射線膠片進(jìn)行射線照相，僅需對原有的檢測用工業(yè)射線裝置稍加改造就能使用。由于熒光成像板的曝光寬容度大，因此，使用熒光體成像板的方法更易于被習(xí)慣于使用射線膠片的工作人員所掌握。經(jīng)射線照相后的帶有潛影的成像板在CR掃描器中經(jīng)激光掃描，能產(chǎn)生數(shù)字化影像信息被讀出，即可實現(xiàn)數(shù)字射線照相的目的。為此，無損檢測單位可根據(jù)需要購進(jìn)相應(yīng)的像GE檢測技術(shù)公司生產(chǎn)的CR掃描器（柜式、臺式或筒式）。采用普通熒光體成像板，雖然其像質(zhì)計（IQI）靈敏度不如射線膠片，但曝光時間短（尤其在低kv時）。此外，由于使用熒光體成像板可免去射線膠片的沖洗加工步驟，無需消耗化學(xué)藥品，有利于環(huán)境保護(hù)。CR成像的IQI靈敏度問題可通過熒光體的微?；右愿纳啤，F(xiàn)在成像板制造公司已推出高IQI靈敏度的熒光體成像板，其成像IQI靈敏度明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。鑒于國外CR成像系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)無損檢測較為普遍，歐洲和美國都有相應(yīng)的CEN（歐標(biāo)委）標(biāo)準(zhǔn)、ASTM（美國材料試驗學(xué)會）標(biāo)準(zhǔn)和ASME（美國機(jī)械工程師學(xué)會）標(biāo)準(zhǔn)，用于系統(tǒng)等級分類、性能評定和焊縫、鑄件等產(chǎn)品鑒定標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.3 DR成像系統(tǒng)

DR成像系統(tǒng)采用CCD、CMOS、TPTs等影像檢測器代替工業(yè)射線膠片進(jìn)行射線照相，并直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字影像。CCD、CMOS、TPTs等影像檢測器具有對可見光感光度高、像素大、分辨率高，但視場尺寸小的特點(diǎn)。如GE數(shù)字X射線成像檢測系統(tǒng)，使用GE Revolution平板探測器 （DXR-500）（非晶硅-碘化銫），用于小零件和大零件的DXR數(shù)字系統(tǒng)（如圖8所示），具有快速曝光、低電噪聲、高對比度、高像素填充因數(shù)、高動態(tài)范圍：＞10000∶1（靜態(tài)）的特點(diǎn)。

圖8 DXR數(shù)字系統(tǒng)

DR系統(tǒng)也可用于實時射線照相。如鍋爐小徑管和液化氣鋼瓶等生產(chǎn)線對接環(huán)焊縫的在線實時成像檢測。

GE公司提供的X射線實時成像輪轂檢測系統(tǒng)如圖9所示：

成像系統(tǒng)：WHEEL Compact配置VISTALUS 9/3成像系統(tǒng)，包括9"三視野先進(jìn)的金屬陶瓷圖像增強(qiáng)器管，后接高分辨率CCD攝像機(jī)，實時圖像顯示在高分辨率的17"黑白顯示器上。

GE公司還提供Rhythm X射線檢測集成軟件對X射線檢測集成結(jié)果進(jìn)行圖像評估，這種集CR兼容計算機(jī)射線成像、DR數(shù)字射線成像和膠片掃描于一體的所有X射線檢測模式，能提高工作效率，節(jié)省時間和費(fèi)用。圖像評估的可重復(fù)性好，無需復(fù)雜的培訓(xùn)。

3.2 數(shù)字射線照相技術(shù)成像系統(tǒng)的特性比較

數(shù)字射線照相技術(shù)成像系統(tǒng)的特性比較如表1所示：

4 工業(yè)射線膠片生產(chǎn)企業(yè)積極應(yīng)對數(shù)字射線照相技術(shù)發(fā)展的嚴(yán)重挑戰(zhàn)

數(shù)字射線照相技術(shù)的迅速發(fā)展和廣闊的應(yīng)用前景對于工業(yè)射線膠片生產(chǎn)企業(yè)來講，挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存。

4.1 加強(qiáng)創(chuàng)新研究，提高工業(yè)射線膠片性能

天津美迪亞影像材料有限公司生產(chǎn)的天津牌工業(yè)射線膠片系國內(nèi)知名品牌，具有寬容度大、像質(zhì)計靈敏度高、清晰度好等特點(diǎn)，可用于鋁合金鑄件、鋁合金焊件、鈦合金焊件、鋼焊件等的射線照相探傷檢測，獲得使用單位的認(rèn)可。面對數(shù)字射線照相技術(shù)的挑戰(zhàn)，我們應(yīng)該加強(qiáng)創(chuàng)新研究，進(jìn)一步發(fā)揮膠片照相的像質(zhì)計靈敏度優(yōu)勢和高溫快速加工的特點(diǎn)，以便工業(yè)無損檢測單位在推廣數(shù)字射線照相技術(shù)過程中，在選用底片掃描法方面有更多的考量。

4.2 開發(fā)研究數(shù)字射線照相技術(shù)新產(chǎn)品

天津美迪亞影像材料有限公司已經(jīng)在開發(fā)研究數(shù)字射線照相技術(shù)新產(chǎn)品方面做了大量工作，并取得了一些成果。首先要加快熒光體成像板的研發(fā)進(jìn)度，盡快在CR成像系統(tǒng)的開發(fā)方面見到成效。同時要加強(qiáng)數(shù)字射線照相的標(biāo)準(zhǔn)化研究，學(xué)習(xí)和借鑒國外數(shù)字射線照相的標(biāo)準(zhǔn)化成果。

5 小結(jié)

數(shù)字射線照相技術(shù)，能大大減少曝光時間，縮短檢測周期，既能提高射線檢測速度和效率，又能完全避免由膠片沖洗引起的環(huán)境污染；還可實現(xiàn)射線照相結(jié)果的數(shù)字化處理、電子存檔和檢索、影像在線傳輸、遠(yuǎn)程評定等。因此，在無損檢測技術(shù)的數(shù)字化、現(xiàn)代化發(fā)展的進(jìn)程中，數(shù)字射線照相技術(shù)具有強(qiáng)大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景。數(shù)字射線照相技術(shù)的發(fā)展也給工業(yè)射線膠片生產(chǎn)企業(yè)帶來挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

在應(yīng)用數(shù)字射線照相技術(shù)方面無損檢測單位可根據(jù)自身的條件和工作要求，從投入產(chǎn)出上考慮選擇那種數(shù)字射線照相成像系統(tǒng)：對于尚未接觸數(shù)字射線照相的單位來講，可首先采用底片掃描法，可在用好射線膠片進(jìn)行無損檢測的同時，實現(xiàn)圖像信息的數(shù)字化處理；對于有一定實力的無損檢測單位來講，可根據(jù)需要選擇CR或DR成像系統(tǒng)。CR成像系統(tǒng)采用柔性熒光體成像板，是替代射線膠片進(jìn)行無損檢測的最佳選擇。DR成像系統(tǒng)既可應(yīng)用于大、小零件無損檢測，又可用于實時數(shù)字射線照相，但價格昂貴，投資費(fèi)用大。

［1］李衍，工業(yè)CR技術(shù)最新動態(tài)［J］.影像技術(shù)，2010，⑹：42-47.

［2］祁吉，高野正雄，計算機(jī)X線攝影［M］.人民衛(wèi)生出版社，1997.3-7

［3］劉惕生.計算機(jī)X線攝影（CR）系統(tǒng)使用的兩種非銀成像材料［J］.影像技術(shù).2001，⑵；45-48，2001⑶：39-42.

［4］www.geinspectiontechnologies.cn GE檢測技術(shù)公司

［5］溫榮謙.醫(yī)療數(shù)字X射線成像及其發(fā)展趨勢－與醫(yī)用膠片相關(guān)的問題［J］.影像技術(shù)，2009.⑸：3-7.

［6］李衍，數(shù)字射線照相法現(xiàn)狀評述［J］.影像技術(shù)，2005，⑴:52-54.2005，⑵：45-47.

［7］張燕超，徐桂云，崔吉，基于X射線數(shù)字成像技術(shù)的鋼絲繩［檢測系統(tǒng)［J］.影像技術(shù)，2008，⑵：33-35.⑹：48-53.

［8］李衍，工業(yè)非膠片射線照相技術(shù)一、射線實時成像［J］.影像技術(shù)，2010，⑴：29-34.

［9］李衍，工業(yè)非膠片射線照相技術(shù)二、數(shù)字射線成像［J］.影像技術(shù)，2010，⑵：42-47.

［10］王光坤，范春雷，時建華，王闊忠，工業(yè)射線膠片照相探傷曝光性能測試對比［J］.影像技術(shù)，2010，⑹：48-53.