孫朝明

(中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所, 綿陽 621900)

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射線檢測標準中最高電壓限值的規(guī)定

孫朝明

(中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所, 綿陽 621900)

摘要：為了解射線檢測標準中最高電壓限值曲線所對應(yīng)的技術(shù)細節(jié)，對現(xiàn)行及最新制訂的射線檢測標準中的相關(guān)內(nèi)容進行了分析比較，追溯了最高電壓限值規(guī)定的由來以及其發(fā)展變化。在此基礎(chǔ)上，定量分析了最高電壓限值與透照厚度間的函數(shù)關(guān)系，初步探討了最高電壓限值與圖像對比度間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。分析表明，射線檢測標準中規(guī)定的最高電壓限值曲線，是按指數(shù)函數(shù)關(guān)系進行設(shè)置的；最高電壓限值曲線在膠片照相檢測中應(yīng)用較好，但在射線數(shù)字成像檢測中并不適用；如果對射線檢測中的主因?qū)Ρ榷取D像信噪比進行綜合分析，則有望規(guī)定出射線數(shù)字成像檢測用的最高電壓限值。

關(guān)鍵詞：射線檢測;標準;最高電壓;對比度

通常在射線檢測過程中的選取曝光參數(shù)時，需要考慮射線穿透能力和能量兩個指標。如果射線能量升高，則射線的平均波長變短，射線線質(zhì)變硬，射線穿透被檢測工件的能力增強，到達成像介質(zhì)的射線強度增加；檢測時射線能量要足夠高，才能保證有效得到透視圖像，縮短曝光時間。但另一方面，隨著射線能量的增高，射線在材料中的衰減系數(shù)相應(yīng)減小，檢測結(jié)果圖像中的對比度降低。因此需對過高的射線能量進行限制，從而保證射線透過被檢測工件及內(nèi)部缺陷后，可形成具有一定對比度的能夠辨識的缺陷影像。

大多射線檢測標準對所允許的X射線最高透照管電壓進行了限定,但在限制值的具體規(guī)定方面卻并未給出,筆者追溯了最高電壓限值規(guī)定的由來以及發(fā)展變化,分析了最高電壓限值與透照厚度間的函數(shù)關(guān)系。

1射線檢測標準中最高電壓限值的規(guī)定

在標準JB/T 4730.2-2005[1]的4.2節(jié)“射線能量”中，以圖的形式對不同透照厚度允許的X射線最高透照管電壓進行了限定，如圖1(a)所示。圖中被檢測工件的透照厚度范圍為1～100 mm，電壓范圍為10～500 kV，被檢測工件的材料有4種，按序號分別是銅及銅合金、鋼、鈦及鈦合金、鋁及鋁合金。在標準GB/T 3323-2005[2]的6.2.1節(jié)中，采用了相同的圖對最高管電壓進行了限制。

最新制訂的標準對射線檢測時的最高電壓也進行了相應(yīng)的限定。如在ISO 17636-2[3]的7.2節(jié)中對最高電壓限值以圖的形式進行了規(guī)定，如圖1(b)所示。圖1(b)中的4條曲線與圖1(a)中的曲線一致，只是圖1(b)中被檢測工件的透照厚度范圍擴大為1～1 000 mm，對應(yīng)的電壓范圍擴大為1 000 kV。在標準NB/T 47013.11-201X[4]7.5.1節(jié)中對X射線能量限定值規(guī)定時，所采用的圖與圖1(b)基本相同。

圖1　不同標準中的最高電壓限值曲線

2最高電壓限值的由來

較早的標準對射線檢測的最高電壓限值與現(xiàn)行標準中的規(guī)定有所不同。在標準GB 3323-1987[5]的4.1節(jié)中，用圖規(guī)定了不同透照厚度所允許的最高管電壓，射線管電壓最高為400 kV;從圖中可以看出透照厚度和管電壓限值是線性關(guān)系(對數(shù)坐標)。在標準JB 4730-1994[6]的3.12節(jié)中，用圖規(guī)定了透照不同厚度材料(鉛、銅、鋼、鈦、鋁及其合金)所允許的最高管電壓，射線最高管電壓為450 kV;從圖中可以看出不同材料透照厚度和管電壓限值也是線性關(guān)系(對數(shù)坐標)。比較后發(fā)現(xiàn)，兩個標準對于透照鋼材料所規(guī)定的射線管電壓限值是一致的。

在標準GB 3323-1987中對于最高管電壓的規(guī)定可能源自德國標準DIN 54111-1:1977[7]。在標準DIN 54111-1:1977中最高透照電壓Vmax與透照厚度T存在指數(shù)關(guān)系，對于鋼材料[8]：

(1)

按照式(1)，經(jīng)計算后可得到圖2，圖2中的曲線與標準GB 3323-1987,JB 4730-1994中的曲線符合較好。實踐表明，圖2中對10 mm以下厚度的射線透照電壓限制過嚴。DIN 54111經(jīng)過了10年的應(yīng)用[9],在標準DIN 54111-1:1988中,對此作出了修改和補充，形成圖1(a)所示的規(guī)定, 并被許多標準引用。比較可知，圖1(a)將圖2中1～10 mm范圍內(nèi)的直線改為緩慢上升的曲線，而大于10 mm的射線電壓限值不變。

圖2　標準DIN 54111-1:1977中對鋼材料的最高電壓限值

圖3　多項式擬合后的最高電壓限值曲線

圖2中的曲線可以用指數(shù)關(guān)系進行描述，筆者采用了指數(shù)函數(shù)對緩慢上升的曲線部分、直線部分進行分段擬合，得到了最高透照電壓Vmax與透照厚度T的關(guān)系，如圖3所示。指數(shù)函數(shù)擬合所得到的結(jié)果,與圖1(b)中的最高電壓限值曲線吻合較好。與多項式擬合方式[10]對比，指數(shù)函數(shù)的擬合效果會更好。

歐標BS 2600[7]、EN 1435[11]中最高電壓限值規(guī)定也有改變，如標準BS 2600-1983中對膠片的不同類型，將最高電壓限值線設(shè)定為R、S、T三條直線(線性坐標下)。而標準EN 1435-1997對此進行了更改，曲線與圖1(a)一致。標準GB/T 3323-2005在對射線最高電壓進行限值時采用的圖與EN 1435一致。

3最高電壓限值與圖像對比度間的關(guān)系

如前所述，射線能量影響透視圖像的對比度。對射線檢測的原理進行分析，可知射線成像時的主因?qū)Ρ榷葹椋?/p>

(2)

式中:I為透過檢測工件后的射線強度;ΔI為缺陷部位與附近完好部位對比的射線強度差值;μ為檢測材料的線衰減系數(shù);ΔT為缺陷部位與附近部位的透照厚度差值;n為射線散射比。

對圖1(b)曲線中的4種材料，可通過插值計算出在不同射線能量下的線衰減系數(shù)[12]μ，如圖4所示。從曲線可知，隨著射線能量的增加，材料的線衰減系數(shù)均有下降趨勢;過高的射線能量不利于獲取高對比度的檢測結(jié)果。

圖4　不同射線能量下線衰減系數(shù)曲線

采用最高電壓限值時，不同透照厚度下的射線散射比n也可通過計算得到，從而可知μ/(1+n)的變化情況，結(jié)果如圖5所示。圖中給出的結(jié)果也相當于在透照厚度差ΔT為1 cm時的主因?qū)Ρ榷?。從圖中曲線可知：① 射線透照的工件較薄時，主因?qū)Ρ榷容^高。② 相同的透照厚度下，銅與鋼靈敏度相當，能達到較好的對比度；鈦則次之，而鋁的透照靈敏度較低。

圖5　散射作用后的線衰減系數(shù)曲線

考慮不同的厚度差ΔT,可得到最高電壓限值下的主因?qū)Ρ榷?，如圖6所示。在計算過程中，ΔT取值分別為總透照厚度的2%。從結(jié)果可以看出，各材料的主因?qū)Ρ榷扰c透照厚度呈近似線性關(guān)系。如何理解這一關(guān)系，有待進一步分析。

圖6　最高電壓限值下的主因?qū)Ρ榷?/p>

4數(shù)字射線成像中的最高電壓限值

隨著射線檢測技術(shù)的進步，數(shù)字化射線檢測方法獲得了越來越多的應(yīng)用，相應(yīng)的標準也在逐步制訂和完善。對于射線膠片照相檢測而言，射線最高電壓限值的規(guī)定能夠在實踐中取得較好的指導(dǎo)作用，但對于數(shù)字射線成像方法，情況有所不同。正如ISO 17636所指出的，最高電壓限值曲線適用于膠片照相檢測，在使用數(shù)字陣列探測器、IP成像板等成像時，射線電壓可在一定程度上提高，并由此提出了數(shù)字化射線檢測時的補償原則，即使用提高信噪比的方法來補償射線電壓升高所帶來的不利影響。

射線數(shù)字陣列探測器可以在使用前進行良好的校準，可采用增加探測元件的曝光時間等方式增加圖像的信噪比。通過有效的數(shù)字化成像方式，檢測圖像的對比度可以超過膠片照相，裂紋的可識別性大大提高。德國的研究學者[13]提出，射線成像中的主因?qū)Ρ榷扰c信噪比的乘積形成了CNR(圖像對比度與噪聲之比)指標。試驗表明，有較高的信噪比時，焊縫中裂紋的影像得到了很大程度的改善。在數(shù)字射線成像中，不僅要考慮主因?qū)Ρ榷?，還要分析信噪比對圖像質(zhì)量的影響。

5結(jié)語

(1) 在射線膠片照相檢測過程中，為保證缺陷的檢出效果，對可用的射線最高電壓進行了限制。限值曲線的發(fā)展變化是從無到有、從粗到細的演變過程。雖然美國、日本的射線檢測標準中沒有明確提出射線最高電壓限值曲線，但這一曲線的提出更有利于實現(xiàn)射線檢測中曝光參數(shù)的優(yōu)化選取、更便于控制檢測結(jié)果的質(zhì)量。

(2) 射線最高電壓限值曲線更多是按函數(shù)關(guān)系進行人為設(shè)置的限值。其正確性與合理性需要放到射線檢測實踐中去檢驗，并根據(jù)實踐結(jié)果進一步修正和完善。

(3) 數(shù)字射線成像檢測中，對射線的最高電壓值進行限制，可以參考膠片照相檢測的結(jié)果。但數(shù)字射線探測器的成像特點與膠片不同，如何針對數(shù)字射線探測器的使用，具體規(guī)定出合理的射線最高電壓限值，還需要一段時間。我國標準在制訂時大多參考了國外的標準，這雖然有利于提高標準的水平,但具體到一些關(guān)鍵技術(shù)指標如何規(guī)定實施，還需要進一步研究。

參考文獻:

[1]JB/T 4730.2-2005承壓設(shè)備無損檢測 第2部分：射線檢測[S].

[2]GB/T 3323-2005金屬熔化焊焊接接頭射線照相[S].

[3]ISO/DIS 17636-2 2010Non-destructive testing of welds-radiographic testing-part 2:X- and gamma-ray techniques with digital detectors[S].

[4]NB/T 47013.11-201X承壓設(shè)備無損檢測 第11部分：X射線數(shù)字成像檢測[S].

[5]GB 3323-1987鋼熔化焊對接接頭射線照相和質(zhì)量分級[S].

[6]JB 4730-1994壓力容器無損檢測[S].

[7]鄭世才.X射線照相技術(shù) 第二講 透照規(guī)范與曝光曲線[J].無損檢測，1998，10(7)：207-213.

[8]鄭世才.射線Ⅲ級人員補充專題講座(續(xù))[J].無損探傷,1996(2)：42-48.

[9]鄭世才.JB/T 4730.2-2005標準最高管電壓規(guī)定的說明[J].無損探傷，2009，33(4)：22-25.

[10]李亞洲.射線檢測中最高管電壓優(yōu)化公式的探討[J].無損探傷，2010，34(6)：41-42.

[11]BS/EN 1435-1997Nondestructive testing of welds-radiographic testing of welded joints[S].

[12]GERWARD L, GUILBERT N, JENSEN K B, et al. WinXCom-a program for calculating X-ray attenuation coefficients[J]. Radiation Physics and Chemistry,2004,71:653-654.

The Regulations of Maximum Values of Tube Voltage for Radiographic Testing

SUN Chao-ming

(Institute of Machinery Manufacturing Technology, China Academy Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Abstract：To investigate the details related with the defined maximum values of tube voltage in some radiographic testing standards, the very contents in present effective standards and new developing standards were compared and analyzed, and then the origin and changes of this specification were traced. Thus, relationship between maximum values of tube voltage and penetrated thickness was quantitatively analyzed, and correlation between maximum values of tube voltage and contrast of testing result was quantitatively calculated roughly. From the analysis, we know the curve of maximum X-ray voltage versus penetrated thickness is made according to certain math function. Maximum values on the curve are the best practice values for film radiography, however, these values are not quite applicable for digital radiographic testing. If comprehensive analysis on essential contrast and signal-to-noise in radiographic testing was carried out, maximum X-ray voltage applicable for digital radiographic testing would be prescribed.

Key words:Radiographic testing; Standard; Maximum values of tube voltage; Contrast

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)01-0075-04

DOI:10.11973/wsjc201601020

作者簡介：孫朝明(1977-),男,高級工程師,主要從事無損檢測工作。

收稿日期：2015-06-08