无纸片射线透照技术的应用与发展

无纸片射线透照技术的应用与发展

1895年11月，德国科学家威勒姆卢顿发现了x线。由于它能够穿透物质，辐射摄影技术可以为制造商和用户提供直观、可靠的产品内部质量信息。但是,胶片在使用过程中的不可重复性使检测成本大幅提高。此外,曝光后胶片需要冲洗,获得质量信息的周期长,同时还会产生有害的化学废液。而无胶片射线照相技术具有直观、动态、经济、检验效率高、适于批量产品的检测和流水式作业、能立即得到检测结果以及对操作人员无辐射危害等优点,因此一直受到无损检测设备研发人员的极大关注。11.1胶片图像装置荧光屏型检测器(荧光镜)出现在1895年,是第一种无胶片图像装置。如图1所示,设备结构简单,将X射线照射下发光的磷光屏放置在一个观察盒中,以补偿磷光屏的亮度不足,操作者在屏的另外一侧进行观察。1.2真空管和工业电视图像增强器诞生于20世纪40年代,直到90年代末一直是非胶片成像的最主要方法。由于受器件本身结构的限制,此成像系统具有图像噪声大、灵敏度低、对比度差、图像变形、使用寿命短以及不能对复杂零件进行有效检测等缺陷如图2所示,图像增强器是一种真空管,使用光电照相阴极,射线输入屏由较薄的铝或钛材料制成,屏的基层涂有闪烁体(CsI/Na),能将输入的不可见的X射线检测信号转换为可见光图像,再经过光电阴极板将可见光图像转换为相应的电子束,电子束在电子加速聚焦栅的作用下加速并聚焦于荧光输出屏(ZnCdS/Ag闪烁体材料),形成可视的检测图像。如图3所示,在输出屏后端配有聚焦光学镜头和CCD(电荷耦合器件)摄像机。采集对应于可视图像的模拟信号直接在显示终端上输出,称为工业电视;若将模拟信号输入图像采集卡进行A/D转换,再输入计算机进行图像处理后输出,称为普通实时成像系统。目前,基于图像增强器的非胶片成像技术已被一些发达国家淘汰,很多有实力的设备研发部门和供应商已经终止对基于此技术产品的进一步投入,该技术将会彻底退出市场。1.3增强器的图像质量荧光屏型检测器直接在磷屏上观察成像,图像增强器是通过显示器实时观察成像,输出的是模拟信号,不能按照数字图像分级,因此两者图像质量差,不能达到普通胶片射线成像水平。2用于模拟图像的数字信号数字射线透照技术包含了使射线透照产生的图像可以在非传统的卤化银片基的其它媒质或装置上通过一系列强弱不同的数字信号或像素再现出来的一系列技术。2.1x-ct成像技术CR是以降低检测成本为出发点的间接数字射线成像系统。技术核心是使用柔性潜影感光板(光感屏、存储光电子板和柔性感光底片)。1975年EastmanKodak公司的GeorgeLuckey发明了可存储磷光图像的柔性感光底片,同年,Kodak公司为世界上第一个能够扫描磷光图像的系统申请了专利,当代计算机射线成像技术诞生。1983年该技术应用于工业生产。CR使用柔性潜影感光板代替传统的射线胶片。如图4所示,CR影像板吸收并存储X射线光量子的能量,当影像板被红外或近红外光激发时,磷会以可见光的形式与曝光量成比例地释放出存储的能量。扫描装置中的光电二极管阵列采集可见光并实现数字化转换,经优化处理以二维图像的形式显示在计算机的屏幕上。同时存储在板上的图像被删除。影像板可视为一张能够反复曝光的电子胶片,寿命取决于机械磨损程度。CR技术的主要优点是,①CR影像板便于携带、可弯曲、可直接代替胶片且动态范围宽、曝光宽容度大,从节约胶片的角度考虑,能有效降低检测成本。②无需使用化学药品,不会产生化学废液。③可以获得高清晰度的探伤图像。CR技术的主要缺点是,该系统为间接数字成像系统,时间分辨率较低,不易完成实时检测。它需要一个中间步骤把隐藏在板中的信息(潜影)读出来,以便显示和解读。故不能满足动态显示的需求,检测效率提高不明显。2.2图像后处理系统DR是直接数字射线成像系统。该系统以降低检测成本、提高检测质量和提高检测效率为设计基点。技术核心是使用探测器阵列。出现于20世纪90年代,被认为是过去25年中X射线成像领域意义最重大的技术突破之一。DR系统的工作原理是,DR将射线探测单元排列成阵列,即线阵探测器(LDA),如图5所示,LDA成像系统直接与图像采集卡相结合,采集模拟图像送到采集卡进行A/D转换,再至计算机进行图像后处理。工作原理与图像增强器相同,但分辨率有较大提高。可获得低噪声、高灵敏度的图像。DR分线性二极管阵列板探测器和平板探测器两种,扫描方式分别为线扫描(线阵列)和面扫描(面阵列)。其中,平板探测器有非晶硒(a-Se)和非晶硅(a-Si)两种,两个装置都能存储电荷。线扫描技术存在曝光时间过长,像素矩阵和空间分辨率等指标都不高等缺点,已趋向于淘汰。非晶硅板探测器工作原理如图6a所示,入射X射线首先撞击板上的闪烁层,闪烁层以与所撞击的射线能量成正比的关系发出光电子,光电子被下面的硅光电二极管阵列采集并转化为电荷,再将电荷转换为每个像素的数字值。非晶硒板探测器工作原理如图6b所示,硒层能直接将入射X射线转换成电荷。非晶硅板比非晶硒板产生图像的速度快,但对于同等像素尺寸,非晶硒板因为在X射线光电子转化为信号过程中不产生散射现象(拖影),所以比非晶硅板探测器精度高。DR的优点有,①获取质量信息的周期短。②成本低(无需胶片、化学药液,不产生化学废液)。③缺陷检出率高。某些情况下,使用相关软件还可对检验结果自动评判。④检验结果可实现无线传输,且存储保管成本低。DR的缺点是不能弯曲和切割。2.3光电效应器色拟石机20世纪60年代末期,美国贝尔实验室提出固态成像器件概念。70年代初CMOS(互补金属氧化物半导体)在美国喷气推进实验室(JPL)试制成功,90年代后期实现商品化。LDA成像系统与CMOS传感器相结合,同步完成射线的光电转换与数字采集,这种成像系统称为LDA-CMOS直接数字射线成像系统(图7)。该系统在各种DR系统中处于先进水平。CMOS传感器利用硅的光电效应原理,根据像素的不同结构分为无源像素被动式传感器(PPS)和有源像素主动式传感器(APS)。PPS出现早,具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高和量子效率高等优点,使得CMOS走向实用化。但PPS灵敏度低、读出噪声大、不利于向大型阵列发展,应用受限,后被APS代替。根据光生电荷的不同方式APS又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型,现在又出现了数字像素传感型。CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电压信号,信号读取简单,CMOS传感器的每一个像素是被独立放大的,不受相临像素的影响,能够减少或消除图像浮散,像素逐线扫描成像,可提供更高的精度和空间分辨率。CMOS可对局部像素图像进行随机访问。CMOS直接数字射线成像系统的优点有,①使用轴外检测技术。可以避免CMOS传感器受X射线的直接照射,能消除散射,减少辐射噪声,有效延长传感器寿命。②使用温度范围大,在0.55℃~43.3℃(31℉~110℉)温度变化范围内不需要标定。③X射线机可不受小焦点的限制,造价相对较低。④填充系数高,可高出非晶硅探测器约60%。⑤信噪比高,可在高能状态下很好地工作。⑥成像速度一般比非晶硅探测器慢,但是比非晶硒快。2.4dr成像技术特点CR和DR强大的质量控制模块和后处理技术保证了图像质量的稳定性。CR与DR均采用数字技术,动态范围广,都有很宽的曝光宽容度,因而允许存在照相中的技术误差,即使在一些曝光条件难以控制的部位,都能获得层次丰富、影像边缘锐利清晰、细微结构表现出色的图像。CR系统由于结构特点会带来光学散射,一方面是CR影像板中的磷粒子使入射X射线产生散射,引起潜像模糊;另一方面是激发光子在穿过影像板获取潜像的过程中产生散射,沿着路径形成受激荧光,使图像模糊,降低了图像分辨率。而DR系统无光学散射引起的图像模糊,清晰度比CR好。数字化成像过程中出现的噪声有时间噪声(包括量子噪声、设备噪声和量化噪声等)和空间噪声(由于阴极射线管荧光材料的颗粒结构引起)。DR的图像质量取决于所采用的技术类型、数字化成像的量子检出效率(DQE)、噪声等价量子数(NEQ)、采集矩阵、采集灰阶、空间分辨率和最小像素尺寸等因素。20世纪80年代起,Sandrik等用DQE及NEQ评价成像质量。NEQ通常定义为成像系统中输出侧的信噪比(SNR),NEQ越大,成像系统的SNR越大,影像信息越多;DQE通常定义为输入信号噪声与输出信号噪声之比,DQE越大,检测细节的能力就越强。在空间分辨率较低时,非晶硒的DQE比非晶硅低,但随着空间分辨率的增加,非晶硒DQE减小的速率小于非晶硅,使得非晶硒DQE实际上大于非晶硅,因而非晶硒检测细节方面能力较强。数字照相技术成像的优点有,①CR成像的对比度可达12位或4096灰度,没有超过胶片但与之相仿,已经可以满足大多数无损检测的需要。精度为100μm(5线对/mm),满足数字化评价的要求,具有与胶片等效的性能水平纵观DR技术应用的现状可以认为,DR技术将引起射线检测技术的一次革命,该技术真正能做到射线检测的高质量、高效率和低成本。3图像质量与dr对比(1)目前的一个主要问题是如何尽快制定相应的检测规范以适应数字X射线检测的迅猛发展。尽管各国都已制定了一些相关规范来限定DR的图像质量,用以评定被检工件的内部状态,但是相关检测规范的数量与质量仍然不足(2)X射线实时成像系