后置防護(hù)板對計算機(jī)射線檢測成像質(zhì)量的影響

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(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院,上海 200062；2.江蘇中特創(chuàng)業(yè)設(shè)備檢測有限公司,南京 225003；3.查特深冷工程系統(tǒng)(常州)有限公司,常州 213125)

計算機(jī)數(shù)字成像(CR)技術(shù)具有檢測速度快、成像質(zhì)量高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用前景[1]。較快的檢測速度一方面得益于省去了暗室處理的步驟;另一方面,CR使用的成像板(IP)對射線的敏感性高，可以縮短曝光時間。而正是由于IP板對射線的高敏感性，其對背散射和后置金屬板(后板)的熒光輻射等無用射線也相當(dāng)敏感，所以在CR檢測時有必要考慮后板的種類。筆者通過試驗(yàn)得到不同管電壓下，采用不同材料和組合后板曝光掃描的數(shù)字圖像；通過對比數(shù)字圖像的歸一化信噪比(SRb)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)管電壓為90 kV或以下時，可以不用后屏或采用后置鋼屏進(jìn)行檢測，達(dá)到100 kV以后，宜采用后置鉛板或鋼屏+鉛板的方式進(jìn)行檢測。

1 散射線對成像質(zhì)量的影響

1.1 散射現(xiàn)象

眾所周知，散射是射線穿透物質(zhì)過程中的一種物理現(xiàn)象，是不可避免的。散射會導(dǎo)致檢測圖像的對比度、靈敏度、信噪比降低。由于CR檢測使用的IP板對射線的敏感度高于膠片對射線的敏感度，所以散射對CR檢測質(zhì)量的影響比膠片對CR檢測質(zhì)量的影響更大一些。散射有許多種：按照散射的方向劃分，可分為前散射和背散射兩種；按照散射線產(chǎn)生的機(jī)理劃分，可分為康普頓散射、光電效應(yīng)和電子對效應(yīng)引發(fā)的熒光X射線散射。

1.2 背散射

來自暗袋背面的散射稱為背散射，射線檢測過程中，凡是被射線照射到的物體都會成為散射源，例如距離較近的鋼平臺、桌面或水泥地面等，都會產(chǎn)生較強(qiáng)的背散射[2]。

背散射與前散射的一個不同點(diǎn)是：前散射無法避免，也很少有技術(shù)措施可用，其對圖像質(zhì)量的影響幾乎無法降低；而背散射是可以通過技術(shù)措施將其危害減輕，甚至消除的。

1.3 熒光X射線

熒光X射線又稱為二次射線，其產(chǎn)生機(jī)理為：X射線光子與物質(zhì)原子的內(nèi)層電子作用，將能量傳給電子，電子被逐出軌道，光子消失，此過程稱為光電效應(yīng)。根據(jù)波爾理論，K層發(fā)生光電效應(yīng)的幾率最大，當(dāng)K層電子被光子逐出后，產(chǎn)生空位，隨即會發(fā)生躍遷，即外層軌道電子跳躍到內(nèi)層軌道。由于外層軌道能級高于內(nèi)層軌道能級，多余的能量將轉(zhuǎn)化為電磁輻射，就是熒光X射線。

圖1為不同材料中射線的能量和線吸收系數(shù)的變化關(guān)系曲線。從圖1可以看出，當(dāng)射線能量為80 kV時，射線與鉛的相互作用會突然加強(qiáng)，吸收系數(shù)陡升，這一現(xiàn)象與鉛的K層電子能級有關(guān)。大量光電效應(yīng)，除了會使吸收系數(shù)增大外，還會產(chǎn)生很多光電子，以及隨之產(chǎn)生的大量熒光X射線。

圖1 在不同材料中射線能量和線吸收系數(shù)的變化關(guān)系曲線

針對背散射，通常利用后置鉛屏或鉛板來加以防護(hù)，但屏蔽背散射的同時，也會產(chǎn)生熒光輻射。IP板具有一定厚度且感光層分布于IP板近表面，所以即使后置鉛屏或鉛板緊貼IP板，其產(chǎn)生的熒光X射線到達(dá)IP感光層的行程也相對較長，影響成像的不清晰度和信噪比。從圖1可以看出，不同管電壓時熒光輻射劑量也有所區(qū)別。所以在CR檢測時，要綜合考慮不同管電壓時后板屏蔽掉的背散射和產(chǎn)生熒光輻射劑量的多少，來選擇合適的后板。

2 試驗(yàn)過程與結(jié)果

采用CR檢測4 mm厚不銹鋼試板焊縫，僅改變管電壓，對比無后板、后鉛板(1 mm)、后鋼屏(0.5 mm)以及后鋼屏+鉛板(在IP板和鉛板中間增加鋼屏)時的數(shù)字圖像質(zhì)量。試驗(yàn)采用COMET MXR-225HP射線機(jī)、銳珂HR IP板和HPX-1 CR掃描儀、INDUSTREX圖像掃描處理軟件等。為了保證對比數(shù)據(jù)可靠，同一管電壓時均使用同一張IP板，且IP板放置位置固定，同時選取數(shù)字圖像上同一區(qū)域進(jìn)行灰度、空間分辨率(SRb)和歸一化信噪比的測量，灰度和歸一化信噪比測量方法如圖2，3所示。結(jié)果如表1，2所示，表2中歸一化信噪比(SNRN)為在焊縫中心以及兩側(cè)搭接標(biāo)記熱影響區(qū)測量結(jié)果的平均值(管電流為15 mA，焦距為700 mm，激光功率高，光電倍增管增益為10；掃描步距為50 μm)。

圖2 灰度測量方法示意

圖3 歸一化信噪比測量方法示意

管電壓/kV無金屬板鉛板(1 mm)鋼屏(0.5 mm)鋼屏(0.5 mm)+鉛板(1 mm)60556470489467703 0912 8412 9302 8068010 4649 86510 1219 7489016 66319 07316 57819 00210020 82423 48220 49523 15111036 45523 74628 86223 52412037 98426 92730 37826 605

2.1 不同管電壓時后板對灰度的影響

根據(jù)表1可知，在管電壓不大于80 kV時，無后板灰度高于鉛后板的灰度，主要原因?yàn)闊o后板時IP會接收到更多的背散射；90，100 kV時無后板灰度低于后鉛板灰度，主要原因?yàn)榇藭r后鉛板產(chǎn)生較大的熒光背散射，正好驗(yàn)證了圖1中鉛的X射線線吸收系數(shù)在80 kV時發(fā)生增加的情況。而當(dāng)電壓上升到110 kV以上時，無后板灰度又高于后鉛板灰度，原因在于管電壓提高后射線光子數(shù)增加，背散射增加，且鉛的X射線線吸收系數(shù)降低。

2.2 不同管電壓下后板對信噪比的影響

由表2可知，不同種類后板時管電壓與圖像SNRN的關(guān)系，管電壓不大于90 kV時，后鋼屏或無后板成像質(zhì)量好于后鉛板成像質(zhì)量。此時熒光輻射對圖像質(zhì)量的影響大于背散射對圖像質(zhì)量的影響，鉛的線吸收系數(shù)大于鋼的線吸收系數(shù)，即熒光輻射強(qiáng)度更高，降低了圖像質(zhì)量。而從數(shù)值可以清楚看出，在管電壓為90 kV時，后鋼屏圖像質(zhì)量明顯好于鉛板圖像質(zhì)量，驗(yàn)證了圖1中管電壓為80 kV以上時鉛的線吸收系數(shù)增加的情況；管電壓不小于100 kV時，后鉛板或后鋼屏+鉛板成像質(zhì)量好于后鋼屏成像質(zhì)量。此時背散射對圖像質(zhì)量的影響大于熒光輻射對圖像質(zhì)量的影響(從110 kV無后板時SNRN急劇降低看出)，鉛能夠更好地起到防護(hù)背散射的作用，提高了圖像質(zhì)量。

表2 不同種類后板以及改變管電壓時的SRb和SNRN變化

3 結(jié)語

(1) 由于CR技術(shù)使用的IP板具有特殊的敏感性，后板會影響檢測圖像的灰度和歸一化信噪比。

(2) 管電壓為80 kV的射線與鉛相互作用發(fā)生K層電子缺失，產(chǎn)生大量熒光輻射，使圖像灰度增大。所以管電壓在90 kV～100 kV范圍時，使用鉛后板的圖像灰度比不用后板或使用其他材料后板的圖像灰度高；當(dāng)管電壓繼續(xù)升高后，線吸收系數(shù)降低，此時影響圖像灰度的主要因素為背散射，即電壓為110 kV～120 kV時不用后板的圖像灰度較高。

(3) 管電壓較低時(不大于90 kV)，采用后置鋼屏或不采用任何后板的成像質(zhì)量相對較好，驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.14—2016《承壓設(shè)備無損檢測 第14部分：X射線計算機(jī)輔助成像檢測》中“IP背面可使用鉛屏，當(dāng)被檢工件較薄時，使用鋼屏或銅屏能取得更好的效果”以及“在背散射輕微或后金屬屏足以屏蔽背散射的情況下，可不使用背散射防護(hù)鉛板或金屬屏”。

(4) 管電壓較高時(不小于100 kV)，采用后置鉛板或鋼屏+鉛板成像質(zhì)量相對較好，試驗(yàn)結(jié)果與ISO 17636.2：2013Non-destructiveTestingofWelds-RadiographicTesting-Part2:XandGamma-rayTechniqueswithDigitalDetectors中“當(dāng)射線能量高于1.28×10-14J時，無需在IP背面使用鉛板”相違背。