射线论文11081331.doc

目录1、X射线的发现12、X射线工业射线照相的起步与发展22. 1英、美、德同时起跑22. 2热阴极电子射线管的出现新的起点23、射线检测技术33、1射线检测原理33、2胶片特性54、 射线照相检测设备介绍74、1 X射线探伤机74、2 像质计74.3 暗室设备与器材104.4 实验其它设备105、实验方法与步骤105.1 透照准备105.2 透照操作115.3 胶片暗室处理135.4 评片及判断145.5 报告及归档146、实验结果及处理156、1 原始数据156、2数据曲线167、实验数据分析188、实验结论201、X射线的发现近代物理学就是从 106 年前X射线的发现开始的。1895 年 11 月, 德国渥次堡大学物理学教授伦琴在用通电的克鲁克斯阴极射线管作实验时, 发现了一种新型射线, 它会使相隔 2m 远的铂氰化钡荧光屏发光。因其性质未知, 将其命名为X射线。他证明, 这种射线对物质有穿透作用, 且穿透程度因材料而异: 它很容易穿透厚纸板和木材, 也能部分穿透15m m 厚的铝, 但不能穿透重金属。伦琴因此新发现, 于 1901 年成为世界上第一个获得诺贝尔奖金的佼佼者。伦琴发现 X 射线后, 就在四个月内, 尝试对各种对象拍出许多射线照片, 但大多是人体方面的, 伦琴拍的第一张工业射线照片就是他的猎枪。2、X射线工业射线照相的起步与发展2. 1英、美、德同时起跑1896 年, 在伦琴宣布新发现后不到两个月时间, 英 国 伦 敦 的 康 倍 尔 斯 温 顿 ( CampbellSw int on) 首先用 X 射线透检金属发现了内部缺陷。同年, 美耶鲁大学的赖特( Wright) 也用 X 射线透检板厚 4mm 的钢焊缝, 成功地检出了焊接缺陷; 德国则对海底电缆拍出了射线底片。当时所用的X射线管都是冷阴极式的所谓克鲁克斯管。这是用泵将内部抽成低压的玻璃泡, 有两个电极, 通过感应线圈施加有限的高电压, 故穿透力很小。1908 年康倍尔讨论了用 X 射线打出的电子来成像的可能性, 墨辛第尔( Mcintyre) 拍出了蛙腿动作的射线活动影片, 原片至今还保存着。2. 2热阴极电子射线管的出现新的起点1913 年, 美 威 廉 柯 立 奇 ( William D.Coo liolge)宣布发现了一种新型X射线管( 称为柯立奇管, 即热阴极电子射线管) 。这种射线管有热阴极( 灯丝) , 能施加高得多的电压, 能通过较大的管电流, 且电压、电流两变量均可相互独立控制, 还可使用和复制不同的组合方式。同一年, 盖特( Gaede) 真空泵出现, 射线管真空度才达 10- 4托X( 当时尚无可使真空达 10- 9托的扩散泵) 。1916 年美国纽约通用电气公司研究所( 柯立奇管发明地) 尝试用增感胶片+ 荧光增感屏透照板厚12. 7mm 的氧乙炔气焊焊缝, 在底片上发现了未熔合、未焊透和气孔等缺陷。射线照相作为质量评价手段初露锋芒, 为焊接方法、技术的发展起了推波助澜作用。1917 年伦敦的武尔威奇兵工厂研究所建组研究射线检测方法, 将射线照相技术用于检查弹壳底座、武器弹药及雷管构件等。1922 年美水城兵工厂按装了一台 200kVX射线机, 1926 年开始用于锅炉焊缝检验。同年, 德 R. 贝索特( Berthold) 也在柏林开展工业射线检测。此后, 工业射线照相技术在欧美比翼齐飞, 有关文献风起云涌。但是, 推动工业射线照相应用的重要动力之一, 是许多法规、标准都有了这方面的规定性要求。其中最重要的应用之一是 1930 年由 J. C. 霍奇( Hogde) 在美国焊接学会杂志上发表了题为“熔化焊对接压力容器的应用”一文。霍奇在该文中强调了焊缝无损检测在焊接压力容器质量检验中的重要性。1931 年美发布了标准“非火焰压力容器熔化 焊接规范”。一年后, 巴勃考克威尔考克斯( Babcock Wilco x)公司在美的一家锅炉厂开始为美海军制造的焊接锅炉锅筒用 X 射线作检验。随后美机械工程学会允许锅炉法规也适用于非火焰压力容器焊接结构。美材料试验学会(AST M )首次认可射线照相, 并于1937年成立 E- 7 专委会, 专门负责射线照相标准制订工作。3、射线检测技术3、1射线检测原理 射线在穿透物体过程中会与物体发生相互作用，因吸收和散射而使其强度减弱。强度衰减程度取决于物体的衰减系数和射线在物体中穿越的厚度。如果被透照物体的局部存在缺陷，且构成缺陷的物体的衰减系数又不同于试件，该局部区域的透过射线强度就会与周围产生差异。把胶片放在适当位置使其在透过射线的作用下感光，经暗室处理后得到底片。底片上各点的黑化程度取决于射线曝光量，由于缺陷部位和完好部位的射线强度不同，底片上相应部位就会出现黑度差异。底片上相邻区域的黑度差定义为“对比度”。把底片放在观片灯光屏上借助透过光线观察，可以看到由对比度构成的不同形状的影像，评片人员据此判断缺陷情况并评价试件质量。 射线检测主要优点是：它能得到物体内部状况的二维图像，根据这一图像可以直观地分析物体内部的缺陷和组织结构。物体二维图像的形成主要是由于X射线穿过物体后强度的衰减。但在底片上所呈现的图像与物体内部的实际结构并非完全相同。由于焦点、焦距和缺陷位置等因素的影像在底片上产生的投影图像，有可能放大、畸变、影像重叠等情况。因此要从图像上客观地分析出物体内部的真实情况必须了解其原理。 强度衰减成像原理 X射线强度衰减公式 I= I0 e-uT代入公示后可得 I = I0 e-kz3T是物体的密度，Z是物体的原子序数，是入射X射线的波长，T使物体的厚度，k是系数。X射线管的电压确定后，k和都是常熟，因此穿过物体后的射线强度I与T、Z等有关。 I1 I2如果物体的密度和成分是均匀的，而且管电压恒定不变，那么I1和I2值完全取决于厚度的变化则有I1 I I2 在钢焊缝中经常会产生金属和非金属夹杂，如钨夹杂和熔渣。由于非金属熔渣的主要成分的原子序数核密度都小于基体金属，因而在X射线底片上形成黑点或长条形不规则黑线；由于无原子序数核密度都大于基体金属，因而在X射线底片上形成白点。主因对比度有射线照相原理可知，有无缺陷不为引起的射线强度变化是；不同的，正是由于这种强度变化的差异，导致照相底片黑度的差异，从而可以进行定量分析：I=Is+ID无缺陷部位，有I = Is+ I0 e-uT I ID = 1 + n提高衰减系数。从线衰减系数近似公式u=kz33可知，线衰减系数与材料密度、原子序数和射线波长有关。对于X射线而言，就是要在保证穿透能力的条件下减小管电压。增大T。缺陷的尺寸是固定的，而且缺陷存在与否以及缺陷的缺项都是未知的，但可以凭经验估计某种缺陷适当增大T。减小散射比。从透照过程中，采取各种方法减少散射线，从而减小散射比，有利于提高主因对比度，从而提高影像对比度。3、2胶片特性胶片是射线检测重要的记录介质，也是射线透照技术的关键之一。实际工作中常需要开展胶片特性的测试和胶片替换的研究，主要是进行胶片性能分析和特性曲线的测定。胶片的主要性能包括颗粒度感光度（S）、灰雾度（D）、梯度（G）、宽容度（L）、及最大密度（D），这些特征可在胶片特性曲线上表示。胶片特征曲线 胶片特征曲线是表示相对曝光量与底片黑度之间关系的曲线。在特性曲线图中，横坐标表示X射线的曝光量的对数值，纵坐标表示影片显影后对应的黑度。1）增感型胶片特征曲线成“S”形。增感型胶片的特征曲线由以下几个组成：D-本地灰雾度区 AB-曝光迟钝区BN-曝光不足区NM-曝光正常区MC-曝光过度区图1.2.1增感型胶片的特征曲线CD-反转区 非增感型胶片的曲线。如图1.2.2图1.2.2非增感型胶片特征曲线所示，因其“曝光过度区”在黑度非高的区段，大大超过一般观片灯的观察范围，故通常不在描绘在特性曲线上。非增感型胶片无明显的负感区，其特性曲线在常用的黑度范围内成“J”形。 射线胶片特性参数感光度（S）感光度是胶片感光速度高低的标志，也称为感光灵敏度。在感光胶片的测定中，如果很弱的光就能使胶片引起反应，胶片的感光度就高；反之，就表示感光度低。感光度是在特定的曝光、冲洗加工和图像测量条件下，照相材料对透照辐射能响应的一种定量测量。一般把射线底片上产生一定黑度所用曝光量的倒数定义为感光度。ISO7004：2002工业射线胶片ISO感光度，ISO平均斜度和ISO斜率G2和G4的测定（用X和射线曝光）规定：以达到净黑度为2.0时所用的曝光量的倒数作为该胶片的感光度，即 S= 式中，K为曝光量以产生比胶片灰雾度大2.00的黑所需的戈瑞数表示。灰雾度（D）在暗室中，把未受光照的胶片放入显影液中进行显影并经过彻底定影后，看到胶片上产生一定的黑化度，这一未受照而变黑的密度叫做灰雾度，也称本地灰雾度。感光材料的灰雾度与其感光度有直接的联系，感光度越高的胶片，产生的灰雾度越大。感光材料的存放时间和存放条件对灰雾度的改变有很大影响：如果保存的条件不适当或其存放的时间过久，灰雾度会明显增大。梯度（G）胶片的梯度是指当曝光量改变时，其底片黑度变化的大小，可以用胶片特性曲线上每点的斜率来表示，也叫胶片对比度。梯度与曝光量和黑度的大小有关系，胶片的梯度不是一个常数。梯度一般用G表示，若梯度大，则表明较少的曝光量改变，就能获得较大的黑度，即对比度大，这对于提高射线的检测灵敏度是有利的。宽容度（L）把胶片能近似线性的记录被透照物体亮度范围的能力称作胶片宽容度，也叫曝光幅度，指胶片特性曲线上直线部分对应的曝光量范围。在胶片特性曲线上，用相应的曝光量之比表示宽容度，或用曝光量对数之差表示，即 L=10=10或 L=lgH-lgH宽容度越大，则记录物体上最亮部分和最暗部分的亮度比例越大，也就越能表示出被透照物体的丰富层次，即能表示出被透照物体的厚度和密度的层次。所以宽容度大的胶片，透照效果一定好，在曝光时，曝光条件可允许有较大的伸缩性；宽容度小的胶片，就必须严格掌握曝光条件，否者会影响曝光效果。4、 射线照相检测设备介绍4、1 X射线探伤机X射线无损探伤原理X射线损探伤机原理 利用X射线穿透物质和在物质中有衰减的特性来发现其中缺陷的一种无损探伤方法。 X射线可以检查金属与非金属材料及其制品的内部缺陷。例如焊缝中的气孔、夹渣。未焊透等体积性缺陷。工业X射线探伤机，习惯上按结构分为两大类，携带式和移动式（固定式）。携带式X射线探伤机利用SF6气体绝缘，体积小、重量轻，特别是变频比工频X射线探伤机更能代表X射线探伤机的发展方向。该机由操纵台、X射线发生器和低压连接电缆三部分组成。携带式探伤机分定向辐射、周向辐射两种。定向辐射是固定的，射线束辐射圆锥角一般在4045范围。周向辐射射线束是在与X射线管轴线成垂直方向的360圆周上同时辐射X射线，这对于检测大口径管件和球形容器的环形焊缝，通过一次曝光可以完成整个焊缝的探伤照相工作，因而可以大大地提高检测效率。携带式探伤机有玻璃壳X射线管和波纹陶瓷X射线管两种：玻璃壳X射线管，目前国内外使用比较普遍，因为它制造比较简单，造价低廉。波纹陶瓷X射线管，目前多使用在变频气绝缘携带式X射线机上，它具有使用寿命长等金属陶瓷管的一些特点。移动式X射线探伤机通常由操纵台、高压发生器、射线管头、冷却装置、高压电缆和低压电缆、升降拖车和水管等组成。可配套工业电视装置。电视系统有三种（自选）：一、日本东芝 二、荷兰飞利浦 三、德国汤姆逊。4、2 像质计像质计是测定射线照片的射线照相灵敏度的器件，根据在底片上显示的像质计的影像，可以判断底片影像的质量，并可评定透照技术、胶片暗室处理情况、缺陷检验能力等。目前，最广泛使用的像质计主要是三种：线型像质计、阶梯孔型像质计、槽型像质计，此外还有槽型像质计和双丝像质计等。像质计应用与被检验工件相同或对射线吸收性能相似的材料制做。各种像质计设计了自己特定的结构和细节形式，规定了自己的测定射线照相灵敏度的方法。1）线型像质计丝型像质计是国内外使用最多的像质计。它结构简单、易于制做，已被世界各国广泛采用，国际标准化组织也将丝型像质计纳入其制订的射线照相标准中。丝型像质计的型式、规格已基本统一。它采用与被透照工件材料相同或相近的材料制做的金属丝，按照直径大小的顺序、以规定的间距平行排列、封装在对射线吸收系数很低的透明材料中，或直接安装在一定的框架上，并配备一定的标志说明字母和数字。一般在排列的金属丝的两端还放置金属丝对应的号数，以识别该丝型像质计。不同国家的标准对丝的直径与允许的偏差、长度、间距、一个像质计中丝的根数及标志说明等都作出了各自的规定，对丝的材料有的标准作出了比较具体的规定。丝型像质计主要应用在金属材料。射线照相底片上可识别金属丝最小直径与工件的透照厚度的百分比： SW=(dT)*100%对于R10系列的线型像质计有： Z=6-10lgd2） 阶梯孔型像质计 阶梯孔型像质计是有一系列解体构成的部件或组件。基本结构是在阶梯块上钻上直径等于阶梯厚度的通孔，孔应垂直于阶梯表面。常用的阶梯有矩形和正六边形。每个阶梯上有一个或多个直径与该阶梯厚度E相等的圆孔。阶梯的厚度和孔的直径序号是一次相连的，单位是mm。阶梯孔型像质计的材质同样夜莺与被检材料相同或相近，按材质不同可分为钢质、铝质、钛质、铜质阶梯孔型像质计。阶梯孔型像质计使用的工件材料范围与金属线性像质计类似。 阶梯孔型像质计的相对灵敏度规定在摄像照相上可识别的最小孔所在的阶梯厚度与工件的透照厚度的百分比表示： Sh=hT100% Sh表示为阶梯孔型像质计射线照相相对灵敏度；h表示可识别的最小孔所在的阶梯的厚度；T为工件厚度。3）平板孔型像质计平板孔型像质计是一种特殊的孔型像质计，美国ASME、ASTM规范都对此种像质计的使用做了规定。平板孔型像质计灵敏度是以n1-n2t的方式来规定的。其中n1是以透照物体厚度的百分数表示的像质计板厚，n2是应识别的最小孔径为像质计板厚t的倍数。 平板孔型像质计还规定了一个等效灵敏度，用Eps表示。2t孔适可识别的最小孔像质计板厚与透照厚度的额百分比： Eps=（dpt2）T100%4） 槽型像质计这种像质计主要用来测量对比度灵敏度。它是在矩形试块上制作出深度按一定规律变化的。宽度相等或不等的矩形槽或缝。以这些槽作为细节，利用他们在底片上可识别的最小影响，判断射线照相灵敏度。4.3 暗室设备与器材暗室常用的设备器材包括安全红灯、温度计、天平、洗片槽及烘片箱等。暗室温度要求控制在2025，相对湿度为30%60%，因此，暗室内应具有换气设备和排水设备，如有必要还需安装空调。暗室进口间应设有过渡间和双重门，以保证不漏光。在洗片过程中，需要用到显影液、停影液、水以及定影液。4.4 实验其它设备1） 厚度为5mm和50mm100mm的钢板一块，厚度为1mm和30mm50mm的钢板一块2） 胶片和铅增感屏若干3） 黑度计一台4） 观片灯一台5、实验方法与步骤5.1 透照准备1） 技术准备 技术准备是指检测方案的确定、曝光曲线的绘制、曝光参数的选择与实验验证、技术标准选用及工艺卡的编制等。其中，规范设计是射线检测工艺流程的关键。曝光参数的选择是基于曝光曲线。根据工件的厚度、要确定的透照方式选择曝光量、管电压、焦距等参数。工件厚度为5mm和50mm100mm的钢板一块，厚度为1mm和30mm50mm的钢板一块。焦距选择1000mm，改变管电压曝光：曝光量选择10mA3min,管电压分别选择为100KV、120KV、130KV、140KV、160KV 改变曝光量曝光：管电压选择为140KV，曝光量分别为5mA1min、10mA1min、10mA3min、10mA4min、12mA5min2） 器材准备 射线透照前需要准备胶片、像质计、增感屏、标记、显定影液、停显液以及放大镜等器材。 胶片：根据工件的具体情况和检测要求选择适当型号的胶片，并根据工件被检部位的尺寸在暗室中合理剪切胶片，用黑纸包裹或放入暗袋中。像质计的选择：选择与被检工件材质相同的像质计，并根据透照厚度选择适当的组号。在实验中，选择材质为碳钢的像质计，组号为1016号。标记：准备好透照部位的标记，包括识别标记和定位标记等。在实验中选择不同的标记，以此区分不同条件下的透照胶片。增感屏：射线检测一般应使用金属增感屏或不用增感屏。若使用增感屏，应在暗室中将增感屏贴放在胶片的双面，然后放入暗袋中，增感屏的选用应符合相应的技术标准。显定影液、停显液：按要求配置好显影液、定影液、和停显液，并加入足够的量在洗片槽中。工件及工装准备：应适当清理被检工件表面的油污、毛刺等可能造成虚假缺陷的杂物，射线检测对工件表面无特别的要求。在实际操作中，为了保证有合适的射线透照角度，应确保工件与暗袋紧密接触，常用夹具支撑工件。5.2 透照操作1） 透照布置射线源、工件、胶片、像质计、标记相对位置将包有胶片和增感屏的暗袋放在最低端，然后在暗袋上放置5mm钢板，在5mm钢板一侧放置像质计像质计细丝朝外粗丝向内，另一侧放置1mm钢板。再将铅字标记放置在像质计和钢板之间。然后找到射线源的中心射线束的中心，将摆放好的工件和胶片放置在中心处。摆放位置如图31所示。图31 黑度比和灵敏度检测原理图像质计 暗袋5mm钢板1mm钢板 2） 透照开始 打开控制面板中的电源和安全开关。 将工件摆好后，所有人离开拍片室，确定室内无人后，关闭铅门。 在控制台上输入相应曝光条件，开启高压，产生X射线，开始透照。 透照完毕，取出暗袋，但是不能拆开，而应在暗室才能拆开暗袋。 X射线机不能马上进行下一步工作，而应休息与透照相同的时间后才能进行下一组的实验。注意事项1、 不超负荷使用 在使用X射线机时，不能超过额定电压、额定电流、应按规定的加载和交替循环时间操作。2、 提前预热和充分冷却 X射线探伤机送高压前，灯丝要提前预热2min钟以上，以延长X射线管的使用寿命。X射线探伤机在工作过程中要充分冷却，以防止阳极过热损坏X射线管。因此，因保证冷却系统正常工作，同时，严格按工作方式操作。X射线探测机一般按要求1:1工作和休息时间。5.3 胶片暗室处理按照既定的规范对工件实施曝光后，把胶片在暗室中按照规定的步骤进行洗片处理。1） 显影 采用胶片说明书推荐的显影液。在显影过程中不断翻转胶片，是胶片与显影液充分接触，同时控制翻转速度，速度不宜过快或过慢。显影时间为5min。（注意：在显影过程中，应避免胶片之间的粘贴或重叠，手指应拿住胶片没有影像的端头部分，同时注意槽中的凸起不要划伤胶片。）2） 停显 将胶片从显影液中取出后，放入停显液中，以同样的方法进行。停显时间为30s。3） 定影 停影后将胶片放入定影液中，以相同的步骤进行。定影时间为5min.(注意：在停显过程中，定影温度应与显影温度基本保持一致，不能相差太多，否者，定影后的照片会出现网状花纹样改变，在定影过程中，应避免胶片之间的粘贴或重叠，手指应拿住胶片没有影像的端头部分，同时注意槽中的凸起不要划伤胶片。）4） 水洗 定影后将胶片放入清水槽中，以相同的方法水洗，水洗时间为3min.5） 干燥 在清洁、干燥、空气流动的室内，把水洗后的胶片悬挂起来，让水分自然蒸发，使胶片干燥。注意事项1、 在进行暗室操作之前应洗手，去除手上的汗液和污物，以保证不因手接触胶片而对胶片产生污染。2、 在洗片过程中必须避免胶片之间、胶片与工作台、胶片与暗袋、胶片与增感屏间的严重摩擦，避免胶片发生弯折和受到严重挤压；取放胶片时应尽量夹持其边角部位、两个侧边，尽量减少手与胶片表面的接触面积和时间。3、 在各个环节必须遵守有关规定及时间，否者会导致胶片过黑或者黑度不够。4、 在洗片未完成时，不能开照明白灯，不能在暗室中使用手机等发光物体。在进出暗室时，必须保证一扇门关闭的情况下才能打开另一扇门。5.4 评片及判断在胶片干燥后，在评片室内对胶片进行评片。评片室应整洁、安静、温度适宜，光线应暗且柔和。胶片对着观片灯进行观片。观片灯的亮度应调节到与底片黑度相适应的值，先判断底片是否合格，再对合格影片进行评定。1） 影片合格评定灵敏度，黑度达到标准规定要求。底片上有完整的标识标记的影像。底片上不存在机械损伤、污染，影像清晰，没有非残缺影像。2）影片数据测量灵敏度测量 观测底片上是否有像质计影像，像质计型号、规格、摆放位置是否正确。找到影片上能看到的最小丝号，最小丝号对应的直径记录在表格中。黑度测量 用黑度计测定底片黑度，测定黑度时，对影片两边应取不同的位置的黑度测定三次，然后取平均值。将数据记录在表格中。5.5 报告及归档对检测结果应按要求如实填写检测报告，检测报告应经有资格的检测人员审核确认。检测报告的内容、格式应符合检测规、检测标准的要求。检测报告应按要求存档保管。6、实验结果及处理6、1 原始数据管电压/KV管电流/mA曝光时间/min焦距/mmD薄D厚黑度比最小金属丝直径/mm灵敏度（%）管电压影响10010310000.510.401.280.32 64%12010310000.750.451.670.1252.5681.041.620.1252.5351.421.650.1603.2%16010310004.383.401.290.255.0%曝光量影响1405110000.890.651.370.204300.961.350.1252.5321.481.570.1603.2991.941.540.1603.2061.671.830.1603.2%6、2数据曲线曝光量一定管电压对黑度比的影响曝光量一定 管电压对灵敏度的影响管电压一定 曝光量对黑度比的影响管电压一定 曝光量对灵敏度的影响7、实验数据分析1） 由图4-1所知，在相同曝光条件下，随着管电压的升高，对比度先升后降。原因分析：对比度公式 D= (5-1)从式（5-1）可知，对比度与细节本身尺寸（T,）、射线照相技术（，n、G）、工件的性质和尺寸（、n）有关。具体分析如下：胶片梯度的影响从对比度公式可知，如果胶片的梯度越大，则对比度越大。而对于涉嫌胶片的G值与胶片的制作方法及化学组成有关，及不同胶片类型，G值不同。增感型胶片的G值在较低的黑度范围内，随黑度增大而增大，但当黑度超过一定值，黑度再增加，G值反而减小。而黑度与入射强度有关，D=lg()。而管电压影响入射强度。管电压越大，入射强度越强。因此，可以推出曲线趋势。V D G D,当胶片达到一定黑度时，V D G D。材料衰减系数的影响从公式中得知，对比度与衰减系数成正比，由衰减系数经典公式=kz可知，衰减系数与材料的密度，原子序数以及入射波长有关。在实验中，对比所用材料一致，所以只有入射波长对衰减系数造成影响。而波长与工作电压成反比，所以，管电压越大，波长越短，衰减系数越低。散射比的影响散射线越多，对比度就会越低，散射线的多少通常用散射比来衡量。散射比的大小与射线能量、透照物体厚度和面积、辐射场范围等有关。一般来讲，随着射线能量的减小，透照厚度、面积的增大，散射比增大。从公式中可知，为了底片能够产生适当的对比