黃新超

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院, 鄭州 450008)

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國(guó)內(nèi)外工業(yè)便攜式X射線機(jī)的發(fā)展

黃新超

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院, 鄭州 450008)

介紹了國(guó)內(nèi)外工業(yè)便攜式X射線機(jī)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，通過分析國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)，比較其性能差距，找出國(guó)內(nèi)產(chǎn)品及行業(yè)管理的不足，并提出一些改進(jìn)意見。

便攜式X射線機(jī)；變頻技術(shù)；高頻恒壓技術(shù)；發(fā)展趨勢(shì)

射線檢測(cè)是無損檢測(cè)五大常規(guī)檢測(cè)方法之一，在工業(yè)上有著非常廣泛的應(yīng)用。便攜式X射線機(jī)大部分是現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，尤其是野外、高空作業(yè)，故要求設(shè)備質(zhì)量輕，體積小，性能穩(wěn)定。目前，國(guó)內(nèi)外工業(yè)便攜式X射線機(jī)普遍采用變頻技術(shù)[1]，SF6高壓氣體絕緣和強(qiáng)制風(fēng)冷技術(shù);換句話說，便攜式變頻充氣X射線機(jī)是市場(chǎng)的主流，而油絕緣的工頻機(jī)和氣絕緣的恒頻機(jī)已被淘汰。最近幾年，國(guó)際上出現(xiàn)了幾種新技術(shù)及新產(chǎn)品，如高頻恒壓技術(shù)、便攜式高能X射線裝置等， 這些新技術(shù)、新產(chǎn)品的出現(xiàn)，引領(lǐng)著工業(yè)便攜式X射線機(jī)的發(fā)展方向。

筆者介紹了國(guó)內(nèi)外工業(yè)便攜式X射線機(jī)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，通過分析國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)，比較其性能差距，找出國(guó)內(nèi)產(chǎn)品及行業(yè)管理的不足，并提出了一些改進(jìn)意見。

1　國(guó)內(nèi)工業(yè)便攜式X射線機(jī)的現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)便攜式變頻氣絕緣X射線機(jī)是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的。丹東工業(yè)探傷機(jī)廠參照日本理學(xué)晶閘管控制的X射線機(jī)，采用SF6高壓絕緣氣體作絕緣，研發(fā)出便攜式變頻充氣X射線機(jī)，并替代油絕緣工頻機(jī)，這是一次跨越式的提升。隨后，各生產(chǎn)廠家在控制電路方面進(jìn)行了小的改進(jìn)，如：延時(shí)開機(jī)、自動(dòng)訓(xùn)機(jī)、液晶屏顯示、單片機(jī)智能控制等，但是，主回路至今沒有改變。現(xiàn)在，丹東系列便攜式變頻充氣X射線機(jī)成為了市場(chǎng)的絕對(duì)主流。

圖1　便攜式變頻充氣的X射線機(jī)電器原理示意

便攜式變頻充氣X射線機(jī)電器原理如圖1所示，是典型的陽極接地半波自整流電路。圖1 左側(cè)虛線方框內(nèi)部分為控制器電器原理，右側(cè)為射線發(fā)生器電器原理。

便攜式X射線機(jī)所用電源是220 V，50 Hz單相交流電，電源進(jìn)入控制箱經(jīng)功率開關(guān)之后分為二路，一路進(jìn)主回路，另一路給弱電控制部分供電。主回路主要由調(diào)壓整流單元、LC濾波、逆變單元(又稱斬波單元)組成，輸出脈沖信號(hào)供給高壓變壓器(俗稱高壓包)初級(jí)。主回路的信號(hào)變化過程如圖2所示。

圖2　變頻射線機(jī)信號(hào)轉(zhuǎn)換示意

不同生產(chǎn)廠商的控制單元各有不同，但是，實(shí)現(xiàn)的功能基本相同，包括產(chǎn)生觸發(fā)控制信號(hào)、曝光計(jì)時(shí)、毫安保護(hù)、超壓保護(hù)、過溫保護(hù)等功能，有的設(shè)備利用單片機(jī)或微電腦控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)訓(xùn)機(jī)、語音提示、故障代碼顯示、曝光參數(shù)設(shè)置、延時(shí)開機(jī)、存儲(chǔ)、記憶等功能。

射線發(fā)生器主要由X射線管、高壓包和外殼，以及一些必要的小配件(溫度繼電器、均場(chǎng)罩，溫度繼電器、散熱器等)組成。高壓包產(chǎn)生的高壓直接加到X射線管的兩端，給射線管提供加速電場(chǎng)。采用陽極接地，半波自整流，高壓和燈絲一體化的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，利于散熱，被廣泛采用。

目前，便攜式變頻充氣X射線機(jī)的生產(chǎn)廠家主要集中在丹東，有100多家，湖北黃石有十多家，其他地方有幾十家，產(chǎn)品大同小異，產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，企業(yè)利潤(rùn)較薄，銷售價(jià)格較低。由于生存都成問題，生產(chǎn)企業(yè)也就不會(huì)投入大量的財(cái)力和人力進(jìn)行新產(chǎn)品研發(fā)，國(guó)家在該領(lǐng)域也沒有專業(yè)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行新技術(shù)、新工藝、新材料的研發(fā);所以，三十多年來,國(guó)產(chǎn)工業(yè)便攜式X射線機(jī)沒有新技術(shù)、新產(chǎn)品出現(xiàn)，這也是行業(yè)的悲哀。

2　國(guó)際上工業(yè)便攜式X射線機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀

目前，國(guó)際上工業(yè)便攜式X射線機(jī)的代表品牌有日本理學(xué)、美國(guó)通用電氣公司(GE)、俄羅斯Spektroflash、比利時(shí)ICM、德國(guó) YXLON等，下面分別做一下介紹。

日本理學(xué)便攜式變頻充氣X射線機(jī)20世紀(jì)70年代就進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，當(dāng)時(shí)中國(guó)市場(chǎng)使用的還是油絕緣工頻機(jī)，體積大，質(zhì)量大;相比之下，日本理學(xué)便攜式變頻充氣的X射線機(jī)體積小、質(zhì)量小、性能穩(wěn)定，盡管價(jià)格高昂(從最初的十幾萬元，到后來20多萬元，目前價(jià)格還在20萬元左右)，仍然受到市場(chǎng)追捧。但是幾十年來，其主回路沒有變化而仍然是變頻充氣機(jī)，盡管做了一些改進(jìn)，技術(shù)上卻沒有大的突破。

美國(guó)通用電氣公司(GE)ERESCO MF4系列便攜式X射線機(jī)，采用中頻恒壓技術(shù)，頻率約20 kHz，金屬陶瓷X射線管，產(chǎn)品系列高壓輸出有160,200,280,300 kV，輻射方向分定向和周向機(jī)，還有風(fēng)冷、水冷和小焦點(diǎn)系列，品種比較齊全。產(chǎn)品主要優(yōu)點(diǎn)是功率輸出較高，圖像清晰度好；較高的 X 射線劑量使曝光時(shí)間較短，并相應(yīng)提高工作效率；30 ℃時(shí)運(yùn)行占空比為100%；與變頻機(jī)相比技術(shù)性能優(yōu)勢(shì)明顯，例如65 MF 4型300 kV定向機(jī)，高壓輸出5～300 kV，管電流0.5～6 mA，額定功率900 W，焦點(diǎn)3.0 mm (EN 12543)，輻射角40°×60°，最大穿透65 mm(鋼)，管頭高度1 020 mm，管頭質(zhì)量40 kg，電源要求160～253 V AC,50/60 Hz，環(huán)境防護(hù)等級(jí)IP65。美中不足的是產(chǎn)品管頭體積較大,質(zhì)量偏重。

俄羅斯Spektroflash(史克龍斯)Ltd.曾以脈沖射線機(jī)Arina系列聞名，這款機(jī)器質(zhì)量小、電壓低、功耗小。新推出的MAPT系列射線機(jī)是高頻恒壓射線機(jī),取消了風(fēng)扇設(shè)計(jì)，機(jī)身小巧輕便，功耗低，射線管工作效率高，可以有效地將能量轉(zhuǎn)化為X射線而不是熱量;并采用特種散熱金屬，來完成散熱工作。所采用的特制高頻射線管，具有壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性高，不易損壞等優(yōu)點(diǎn)。

俄羅斯產(chǎn)品進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的有2款機(jī)型，一款是APT200定向機(jī)或半周向機(jī)，可以對(duì)外發(fā)射一個(gè)錐向角度為150°的射線，更適合小徑管的周向曝光檢測(cè)。輸出管電壓100～200 kV，管電流3 mA，最大穿透厚度30 mm(鋼)；射線發(fā)生器質(zhì)量?jī)H5 kg。 另一款是MAPT250定向機(jī)，輻射角度40°，最大穿透厚度40 mm(鋼),輸出管電壓130～250 kV ，管電流3 mA，射線管工作頻率100 kHz，X射線管焦點(diǎn)1.5 mm，發(fā)生器質(zhì)量8.5 kg。據(jù)了解，高穿透能力的機(jī)型將陸續(xù)推出。

比利時(shí)ICM公司便攜式X射線機(jī)于20世紀(jì)90年代進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，屬于變頻充氣機(jī)，玻璃X射線管；恒壓機(jī)研發(fā)多年，系列產(chǎn)品尚未推出，去年剛推出一款200 kV定向機(jī)SITE-X CP200D。主流產(chǎn)品還是變頻充氣機(jī)，其主要特點(diǎn)是品種齊全，可連續(xù)工作；周向機(jī)采用專利技術(shù)，均勻度好，且使用后若出現(xiàn)輻射均勻度偏差，不用更換X射線管，可通過射線發(fā)生器內(nèi)部安裝的偏轉(zhuǎn)線圈進(jìn)行調(diào)整。存在的問題是產(chǎn)品故障率較高。

德國(guó)YXLON 是COMET集團(tuán)旗下的專門生產(chǎn)便攜式和移動(dòng)式X射線系統(tǒng)的公司，產(chǎn)地在丹麥的哥本哈根。 1989年開始生產(chǎn)Y. SMART系列便攜式X射線機(jī)，該產(chǎn)品將油絕緣管頭和玻璃管芯的組合，改變?yōu)闅怏w絕緣和金屬陶瓷管芯的組合，并開始應(yīng)用了高頻恒壓技術(shù)。

2014年最新推出的SMART-EVO 系列，是Y. SMART系列的升級(jí)版，控制器和射線發(fā)生器都進(jìn)行了全面技術(shù)升級(jí)。與Y. SMART系列相比，新產(chǎn)品極大地降低了質(zhì)量，并確保了更優(yōu)的操作流程;曝光計(jì)算器自動(dòng)計(jì)算所需的曝光時(shí)間，無需在設(shè)置時(shí)采用“試驗(yàn)法”以逼近最佳值而浪費(fèi)時(shí)間;還有許多設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，如射線鉛罩更易于裝卸、控制器肩帶、輻射角激光指示、內(nèi)嵌式的一體化LED警示燈等,確保了操作流程更快速。尤其值得一提的是,控制器中的功率因數(shù)校正(PFC)模塊不僅可優(yōu)化主供電線路中的電流負(fù)載，還可在電壓不穩(wěn)的情況下進(jìn)行穩(wěn)定操作(如發(fā)電機(jī)供電場(chǎng)所)，并適用于所有介于85～264 V，45～65 Hz的交流電源。優(yōu)越的設(shè)計(jì)使其獲得2015年度設(shè)計(jì)類“最佳中的最佳”獎(jiǎng)項(xiàng)——紅點(diǎn)獎(jiǎng)(reddot)。

最近，YXLON又推出高功率X射線機(jī)和小焦點(diǎn)系列。高功率X射線機(jī)XPO EVO 225D定向機(jī)，具有1 200 W的恒定射線功率，電流調(diào)整幅度高達(dá)10 mA，以滿足較高的穿透力要求，能勝任所有中等強(qiáng)度的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)任務(wù)。小焦點(diǎn)系列定向機(jī)焦點(diǎn)1.0 mm(EN 12543)，特別適合數(shù)字射線檢測(cè)，且大大提高了成像質(zhì)量。

YXLON產(chǎn)品系列高壓輸出有160,200,225,300 kV，輻射方向分定向和周向機(jī)，還有風(fēng)冷、水冷和小焦點(diǎn)系列，品種比較齊全。金屬陶瓷X射線管，抗震性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)；可高壓連續(xù)工作，暫載率100%, 大大節(jié)約了作業(yè)時(shí)間。如SMART-EVO 300D型300 kV定向機(jī)，高壓輸出50～300 kV，管電流0.5～4.5 mA，額定功率900 W，焦點(diǎn)3.0 mm (EN 12543)，輻射角40°× 60°，最大穿透65 mm(鋼)，管頭高774 mm，管頭重29 kg，電源85～253 V AC,50/60 Hz，環(huán)境防護(hù)等級(jí)IP65。

美國(guó)Varian公司最新推出便攜式加速器，屬于便攜式高能X射線裝置。擬推出PX-1型和PX-2型二款便攜式裝置，PX-1型加速器焦點(diǎn)1.5 mm，標(biāo)稱能量 0.95 MeV，半值層 HVL1.4 cm (鋼)，穿透厚度約76 mm(鋼)，供電能源230 V AC，2.5 kVA，X射線發(fā)生器外觀尺寸79.5 cm×51.8 cm×31 cm，重36 kg ；控制器27 cm×24.6 cm×17.4 cm，重3 kg，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間5 min。PX-2型便攜式加速器，標(biāo)稱能量1.6 MeV ，穿透厚度約127 mm鋼，焦點(diǎn)小于1.5 mm ，相當(dāng)于7居里Co60源。

便攜式加速器的優(yōu)勢(shì)主要有：制造過程中對(duì)大厚度工件的檢測(cè)采用便攜式加速器替代移動(dòng)式X射線機(jī)，操作更為便捷；在役檢測(cè)尤其是管道檢測(cè)，可替代γ射線儀，檢測(cè)更為安全。

3　高頻恒壓技術(shù)簡(jiǎn)介

高頻恒壓技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，通過控制器輸出的高頻信號(hào)(頻率約幾十千赫茲,變頻機(jī)或恒頻機(jī)的頻率在300 Hz左右)，進(jìn)入射線發(fā)生器的高頻變壓器，經(jīng)高頻變壓器升壓后，由倍壓整流模塊變?yōu)楦邏褐绷餍盘?hào)——恒壓，提供給X射線管作為加速電場(chǎng)。采用高頻恒壓技術(shù)的射線發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3　高頻恒壓射線機(jī)發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

高頻恒壓技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)：

(1) 大大提高了射線轉(zhuǎn)換效率，提升了射線劑量輸出，顯著提升了穿透力，從而，可大大縮短曝光時(shí)間。高頻恒壓技術(shù)與非高頻恒壓技術(shù)射線劑量輸出示意如圖4所示。

圖4　恒壓技術(shù)與非恒壓技術(shù)射線劑量輸出示意

(2) 倍壓整流模塊替代高壓包，有效縮小射線發(fā)生器體積，減輕質(zhì)量。

(3) 高頻恒壓技術(shù)更適合X射線管的電器適應(yīng)性，避免了變頻技術(shù)帶給X射線管方波脈沖信號(hào)的頻繁沖擊，從而大大提高X射線管的使用壽命。

(4) 節(jié)能，高頻恒壓機(jī)額定功率只有幾百瓦，如300 kV最大功率900 W；而變頻機(jī)額定功率一般都在2 000 W以上；野外施工，降低了對(duì)發(fā)電機(jī)的功率要求，一般來講，功率越低，發(fā)電機(jī)的質(zhì)量越輕，更適合野外、高空作業(yè)。

(5) 高頻恒壓射線機(jī)產(chǎn)生的射線能量均勻，恒定劑量輸出，特別適合X射線數(shù)字成像檢測(cè)，尤其是DR檢測(cè)，且圖像清晰。

4　國(guó)內(nèi)外工業(yè)便攜式X射線機(jī)的差距

概況以上的描述，筆者認(rèn)為，國(guó)產(chǎn)便攜式工業(yè)X射線機(jī)與國(guó)際先進(jìn)X射線技術(shù)的差距及造成這種差距的主要原因在于：

(1) 技術(shù)工業(yè)便攜式X射線機(jī)是朝著體積更小、質(zhì)量更輕、能量轉(zhuǎn)換效率更高、穿透能力更強(qiáng)、穩(wěn)定性更好的方向發(fā)展。高頻恒壓技術(shù)讓我們看到了曙光，而且，上面提到的幾家國(guó)際著名品牌產(chǎn)品，例如：德國(guó)YXLON 、美國(guó)GE等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并領(lǐng)跑行業(yè)，俄羅斯Spektroflash(史克龍斯)、比利時(shí)ICM等正朝著該方向努力跟進(jìn)并不斷完善。而國(guó)內(nèi)還采用30年前的變頻技術(shù)，差距很大。

(2)工藝良好的裝配工藝、元器件制造工藝是工業(yè)便攜式X射線機(jī)工作穩(wěn)定、故障率低的有效保證。眾所周知，國(guó)產(chǎn)工業(yè)便攜式變頻充氣X射線機(jī)是借鑒日本理學(xué)技術(shù)，技術(shù)參數(shù)毫不遜色，但是，同樣型號(hào)的一臺(tái)日本理學(xué)射線機(jī)，產(chǎn)品價(jià)格是國(guó)產(chǎn)設(shè)備

10多倍，原因何在？答案是國(guó)內(nèi)產(chǎn)品輸在工藝上。

(3)材料材料優(yōu)劣是反應(yīng)一個(gè)國(guó)家整體技術(shù)水平的重要標(biāo)志，國(guó)內(nèi)與國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家相比還相差較遠(yuǎn)。例如，影響X射線管壽命的是射線管燈絲材料的電子發(fā)射能力，國(guó)際先進(jìn)設(shè)備的X射線管的壽命能達(dá)到幾千小時(shí)，而國(guó)產(chǎn)管的壽命才400～500 h，這就是差距。國(guó)內(nèi)廠家可以仿制外觀、結(jié)構(gòu)，但仿制出優(yōu)質(zhì)材料不是容易之事。

(4)產(chǎn)業(yè)管理國(guó)際知名品牌制造商周圍或區(qū)域或國(guó)家沒有幾十家甚至幾百家企業(yè)生產(chǎn)同一種產(chǎn)品的現(xiàn)象，而國(guó)產(chǎn)管的壽命生產(chǎn)基地丹東，還有湖北黃石有多少家？國(guó)內(nèi)有多少家？產(chǎn)業(yè)管理失控，進(jìn)入門檻低，一窩蜂上馬生產(chǎn)，產(chǎn)能過剩，惡性競(jìng)爭(zhēng)，這與產(chǎn)業(yè)管理不無干系。

(5)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)新技術(shù)、新產(chǎn)品研發(fā)是要花費(fèi)大量的財(cái)力和人力的。國(guó)內(nèi)一旦有新技術(shù)、新產(chǎn)品出現(xiàn)，很快就有仿品出現(xiàn)，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系不健全，創(chuàng)新者得不到很好的保護(hù)，嚴(yán)重挫傷其創(chuàng)新的積極性。

5　結(jié)語

我國(guó)工業(yè)便攜式X射線機(jī)與世界先進(jìn)技術(shù)尚有不小的差距，高頻恒壓技術(shù)是便攜式工業(yè)X射線機(jī)的發(fā)展方向，期望有更多的從業(yè)人士或機(jī)構(gòu)吸收引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，投入到新技術(shù)的研發(fā)中去，努力縮短我國(guó)與世界先進(jìn)技術(shù)的差距。同時(shí)注意知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，并通過行業(yè)協(xié)會(huì)向國(guó)家相關(guān)機(jī)構(gòu)提出建議，在該領(lǐng)域加大創(chuàng)新投入，提高生產(chǎn)準(zhǔn)入門檻，使從業(yè)者有利可圖，企業(yè)有利潤(rùn)才能制造出更好的產(chǎn)品，才能投入更多的資金進(jìn)行新技術(shù)的研究，從而提高我國(guó)射線檢測(cè)技術(shù)水平和裝備水平。

[1]吳偉，鄔冠華,羅更生.國(guó)內(nèi)外變頻氣冷便攜式射線機(jī)發(fā)展?fàn)顩r[J].無損檢測(cè)，2005,27(11):32-34

The Development of Domestic and Foreign Industrial Portable X-Ray Generator

HUANG Xin-chao

(Henan Province Inspection Institute of Boiler and Pressure Vessel Safety, Zhengzhou 450008, China)

This article describes the history, current situation and development trend of domestic and foreign industrial portable X-ray generator. Through the analysis of the relevant products data and comparing the gaps between them, attempts were made to find out shortcomings of domestic products and industry management in order to make some improvements.

Portable X-ray generator; Frequency conversion technology; High frequency constant voltage technology; Development trend

2015-07-03

黃新超(1964-),男,高級(jí)工程師,鍋爐檢驗(yàn)師、容器檢驗(yàn)師、管道檢驗(yàn)師，RT-Ⅲ，UT-Ⅲ，主要從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)和檢驗(yàn)檢測(cè)儀器研發(fā)及應(yīng)用工作。

10.11973/wsjc201510020

TG115.28

A

1000-6656(2015)10-0087-04