x射线源焦点尺寸测量试验研究

x射线源焦点尺寸测量试验研究

比较灵活性和空间分辨率是衡量辐射检测图像的两个重要指标。射线源特性对射线检测图像质量有重要的影响,射线线质软硬的程度影响到图像的对比灵敏度,射线源的焦点尺寸则影响图像的空间分辨能力。射线源不可能为理想的一个点,而是具有一定尺寸,因此会在图像中造成半影。为避免半影对图像清晰度所带来的不利影响,可尽量采用小焦点的射线源。在工业无损检测领域,选用X射线源时需要在功率高低、焦点大小两指标间进行综合考虑对射线成像过程分析可知,受射线源焦点大小影响,物体上的一个点将在结果图像上成为一个弥散斑,从而降低图像质量。为有效保障射线检测图像质量,应对射线源焦点大小进行测量,在此基础上对检测工艺参数进行优化选取,或采用合适的成像方法1不清晰度与图像分辨力测量射线源焦点尺寸有多种方法通常平行排列的分辨力测试卡,每组金属线对应于固定的分辨力;而星形测试卡中,金属线所对应的分辨力沿径向是连续变化的。所谓线对,由一根线条及与其宽度相等的相邻间距组成。某星形测试卡楔形金属线圆周方向上角度为2°,则测试卡一周分布有90根金属线;对于某一直径D,对应的分辨力为:式中,R在图像中,可识别的细节分辨力表明此时可刚好将线条与相邻的间距分开,它表征的是图像的清晰程度。从另一方面来讲,由于模糊效应而刚好使线条与相邻的间距无法区分,可用图像不清晰度来表示。如图1所示,在特定的透照布置下,测试卡中等间距排列的相邻金属线在成像介质上的透射影像混叠在一起而无法区分。射线成像系统中,由于射线源焦点尺寸的影响,将使透照图像影像产生一定宽度的模糊半影,半影的宽度称为几何不清晰度。如图1所示,几何不清晰度与射线透照布置参数、焦点尺寸相关:式中,U图1中,金属线影像产生混叠的条件式中,w为测试卡相邻金属线间距,mm。在星形测试卡的检测图像中,测量出影像模糊区的直径D,对w有:由式(3)、(4)可得:对比式(2)、(5)可知,用星形测试卡对焦点尺寸进行测量的方法本质上是基于测量检测图像的不清晰度。不清晰度与图像分辨力存在着倒数关系。由于透照布置参数、射线源焦点大小的不同,将会在星形测试卡图像的不同位置出现影像模糊区,影像模糊区也可能还存在多个2射线源的加工针对便携式X射线机CERAM35(BalteauNDT)进行焦点尺寸测量。X射线机的最高电压为300kV,所标称的焦点尺寸为2.5mm×2.5mm。首先,采用星形测试卡进行射线源焦点尺寸测量。所用的星形测试卡中金属线按2°间隔排列一周,金属线的最大外径为45mm。然后,使用双线型像质计(Imagequalityindicator,IQI)测量射线成像中的不清度。双线型像质计采用钨和铂加工而成,共有13组。如表1所示,金属线对按金属丝径和间距的大小分别记为1D到13D,1D和13D所对应的不清晰度值分别为1.6mm和0.1mm。由于双线型像质计是平行排列的,所以在测试时将像质计分别放置于射线管轴线的平行和垂直两个方向上。最后,采用小孔成像方法测量射线源焦点的形状、大小。小孔成像板材料为TaW12合金,厚度为1.6mm,采用电火花加工方法在板中央加工了在射线源焦点尺寸测试中,使用高精度射线照相CR(ComputedRadiography)系统进行射线成像。CR系统采用HD-CR35(DuerrNDT)和配套的IP(ImagingPlate)板。IP板是代替胶片的一种成像介质;IP板具有一定的柔性,可像胶片一样使用;IP板经射线曝光后装入CR扫描仪,再经激光扫描转换为数字图像;将IP板内的潜影擦除后,可再次用于射线检测成像。用CR扫描仪扫描IP板时,设置激光扫描参数为50μm,相应的数字图像中每像素代表0.05mm。3比较测试结果的分析3.1两种放大倍数的测试图像对比使用两种不同放大倍数的透照布置进行星形测试卡测试。透照布置1对应的参数为:射线源到星形测试卡的距离为540mm,射线源到成像介质的距离为690mm。射线成像的曝光参数为100kV、0.5mA、25s,测试结果如图2(a)所示。透照布置2对应的参数为:射线源到星形测试卡的距离为585mm,射线源到成像介质的距离为690mm。采用射线成像的曝光参数不变,测试结果如图2(c)所示。对比图2(a)与图2(c)可知,因放大倍数较小,透照布置2所得到的测试图像不清晰度值较小,图像中细节更清晰。两种不同放大倍数下的测试图像中均出现了影像模糊区,如图2中箭头所示。通过测量影像模糊区在水平方向和垂直方向上的直径,即可利用式(5)计算得到射线源焦点尺寸。如图2(b)所示,影像模糊区在水平方向和垂直方向上的直径分别为22.2mm、25.2mm;图2(d)中影像模糊区在水平方向和垂直方向上的直径分别为13.8mm、32.7mm。不过在图2(a)中,如箭头E、F所示,垂直方向上的影像模糊区延伸范围较大,因此无法对最大的模糊区直径进行有效的确定;图2(b)中所测量的垂直方向上的影像模糊区直径实际上为第二模糊带直径,因此在利用式(5)进行计算时,需要按修正方法修正为第一模糊带的直径在利用式(5)计算时,放大倍数是影响计算结果的关键参数。一般,射线检测中所测量的射线源到测试卡、射线源到成像介质的距离值并不十分准确,这将会为放大倍数的计算带来明显的误差。为避免这一不利影响,确定放大倍数时,将星形测试卡上金属线的最大直径作为一个参考标准(⌀45mm),在测出数字图像中的对应直径后,对放大倍数进行较准确的标定。进行图像测量后,可知透照布置1对应的放大倍数M=1.265,按式(5)计算得到平行于射线管轴线方向上焦点尺寸为2.92mm,在垂直于射线管轴线方向焦点尺寸为6.64mm。透照布置2对应的放大倍数M=1.165,按式(5)计算可得平行于射线管轴线方向焦点尺寸为2.92mm,垂直于射线管轴线方向上焦点尺寸是6.92mm。3.2像质类型不同/不清晰度分别沿用星形测试卡测试试验时透照布置1、2的参数,使用双线型像质计测试分析了射线检测的不清晰度。测试结果图像如图3所示,双线型像质计丝的可识别性分析如图4所示。采用透照布置1时,如果双线型像质计摆放方向垂直于射线管轴线方向,则双线型像质计中连最粗的线径都无法分辨,如图4(a)所示,此时的不清晰度值高于1.6mm;按式(2)进行测算,焦点尺寸将大于6.04mm。如果双线型像质计摆放方向平行于射线管轴线方向,可分辨的线对编号为4D,如图4(b)所示,此时的不清晰度值大于0.64mm、小于0.80mm;按式(2)进行测算,焦点尺寸大于2.42mm、小于3.02mm。采用透照布置2时,如果双线型像质计摆放方向垂直于射线管轴线方向,可分辨的线对编号为2D,如图4(c)所示,此时的不清晰度值大于1.00mm、小于1.26mm;按式(2)进行测算,焦点尺寸大于6.06mm、小于7.64mm。如果双线型像质计摆放方向平行于射线管轴线方向时,可分辨的线对编号为6D,如图4(d)所示,此时的不清晰度值大于0.40mm、小于0.50mm;按式(2)进行测算,焦点尺寸大于2.42mm、小于3.03mm。3.3小鼠成像试验调节射线源到小孔成像板的距离为565mm,射线源到成像介质的距离为1130mm,在此透照布置下,将得到1:1的射线源焦点图像。小孔成像时的曝光参数为100kV、0.5mA、18min,测试结果如图5所示。通过小孔成像试验,可以直观地看到射线源焦点中心为长条形,并有两个相邻的类似形状的阴影。在图像上进行尺寸测量,可得射线源焦点大小为3.0mm×3.2mm。3.4不清晰度条件下射线源焦点尺寸的变化对于使用不同测量方式所得到的射线源焦点尺寸进行对比,结果如表2所示。利用小孔成像方法,可以直观得到射线源焦点的空间影像和尺寸。从影像来看,其中心为一个明显的长条形,但伴随有相邻的两个类似形状的阴影。测量结果表明,图像中水平、垂直两方向射线源焦点尺寸大致相当。利用星形测试卡进行了两次不同放大倍数下的测试试验。由于射线源焦点形状的影响,均在星形测试卡测试图像中出现了明显的模糊带,图像中垂直方向的模糊带直径远大于水平方向。两次试验测量得到的焦点尺寸一致性较好,较之设备焦点尺寸标称值、小孔成像测量结果,星形测试卡试验所得到的射线管轴线平行方向上焦点尺寸值比较接近,但射线管轴线垂直方向上焦点尺寸值要大了不少,超过了6mm。作为对照和验证,用星形测试卡进行测试的试验中,在同样的透照布置、曝光参数下,均用双线型像质计进行了水平、垂直两方向上的不清晰度测量。利用所测量到的不清晰度值,结合已知的射线照相放大倍数,估算了射线源的焦点尺寸。结果表明:(1)射线源在管轴线垂直方向的焦点尺寸确实很大,以致此方向上双线型像质计的分辨力很差,这很大程度上降低了检测图像质量;(2)双线型像质计可用于评估射线源焦点尺寸范围,且与星形测试卡测试结果较好吻合。基于不清晰度方法所测得的射线机管轴线垂直方向上焦点尺寸大大超出设备标称值,与小孔成像结果存在差异。究其原因,可能与X射线机的工作状态波动变化有关。在相同的射线管电压、管电流条件下,小孔成像方法需要长时间的曝光,而使用星形测试卡、双线型像质计时所需的曝光时间很短。假如射线机工作状态在特定时间存在一定范围的波动,则射线源的性能波动在小孔成像结果中将会得到某种程度的抑制,而在星形测试卡、双线型像质计的测试结果中将会有明显表现。从这一意义上说,星形测试卡、双线型像质计更能快速、灵敏地反映出射线源特性的变化。在上面推论的基础上,只使用双线型像质计再次进行了连续多次测试,测试时像质计丝与射线管轴线垂直。试验中,双丝像质计的可识别性会在射线机连续运行一定时间(约十几分钟)后突然有很大程度上的提高,如从1D可见提高到4D可见。后来采用线阵列射线数字探测器进行连续采集成像,像质计丝、探测器均垂直摆放于射线管轴线并保持静止不动,明显地观察到了这一变化现象。对于射线机所表现出来的焦点异常现象,采用多种测试手段进行了长时间的测试观察与对比。结果表明,在100kV下所测试射线机的焦点尺寸确实是不稳定的,尤其是设备开机后的一段时间内,随着射线机使用时间的增加,其焦点逐渐趋于正常状态。正常状态下射线机焦点的小孔图像如图6(a)所示,测试时射线机与IP板、小孔成像板的距离分别为1150mm、575mm,射线曝光参数为100kV、0.5mA、25min。为捕捉到射线机在不稳定状态下的焦点增大的图像,在小孔成像测试时选取了特定的测试时刻、减小了成像的曝光时间。调节射线机与IP板、小孔成像板的距离分别为400mm、200mm,射线曝光参数为100kV、0.5mA、4min,所得到的测试结果如图6(b)所示。从图6(b)中可以看到,射线机的焦点明显处于发散状态,这一结果说明:(1)使用星形测试卡测量出焦点尺寸大于6mm,结果应是可信的;(2)小孔成像与星形测试卡测量结果的差异主要源于射线机焦点随时间所表现出来的不稳定性以及射线成像累积时间长短的不同。所测试的射线机经计量检定(但没有进行焦点大小测试)并确认合格。但从焦点大小这一指标的多次测量来看,该台射线机还是存在潜在问题的,只是问题的出现表现有随机性。因此,射线机检定时的状态并不能准确代表设备的使用状态。为准确控制射线检测的图像质量,在射线检测前有必要采用便捷的测试手段对射线机的焦点状态进行确认。一台射线机的焦点尺寸及分布与射线管的电极结构密不可分,相关试验也表明4不清晰度的测试法(1)对X射