计算机射线照相系统与工业胶片在9MeV X射线照相中的性能对比

杨 明，王 冬，苏志军，贾庆龙，唐 茜，韩 冰

（中国人民解放军96630部队，北京 102206）

作为非胶片数字射线照相技术的一种，计算机射线照相（Computed Radiography，CR）是X 射线检测技术上的一个重要变革，并且在工业无损检测领域应用越来越广。与传统胶片照相相比，CR 系统的主要优势有：①动态范围大，可达到104∶1以上，一次照相可覆盖很大的厚度范围。②所需曝光量低，曝光时间短，约为胶片的1／10。③可重复使用，使用寿命可达5 000 次（胶片为一次性使用）。④检测结果是数字图像，存储和交流更为方便。⑤图像读取速度快，约1 min（胶片冲洗约需8～10min）。⑥无需使用贵金属银和显影液、定影液，成本更低，也更为环保［1－2］。

尽管具有如此多的优势，但CR 系统的实际检测能力还与成像板荧光材料颗粒度的大小，以及读出图像时激光点的尺寸（30～100μm），图像的空间分辨力和缺陷检出能力有关，均达不到胶片射线照相系统的成像能力，特别是对细小的裂纹缺陷［3］检测时体现得更明显。然而，当被检工件厚度较大时，射线能量提高，胶片照相的不清晰度增大，空间分辨率降低，CR 系统有望达到与胶片射线照相同等的检测能力［4］。

CR 系统在较 低X 射线能量 下（1 MeV 以下）得到了一定的应用，在高能区（1 MeV 以上），射线照相仍以工业胶片为主。为了分析高能X 射线照相时CR 系统的性能，笔者进行了一系列对比性试验，为实际应用奠定了基础。

1 CR技术原理

CR 技术的基本原理是：某些荧光发射物质构成的IP板（Image Plate）具有保留潜在图像信息的能力，IP板经X 射线照射后，在较高能带俘获的电子形成光激发射荧光中心，也就是在IP板的成像层形成潜影。当采用激光激发时，光激发射荧光中心的电子将返回初始能级，并以发射可见光的形式输出能量。这种光发射与原来接收的X 射线剂量成一定比例。这样，当激光束扫描贮存荧光成像板时，就可将射线照相图像转化为可见的图像。CR 系统主要由IP板、IP 板图像读出器（扫描仪）以及配套的图像读出软件、监视器组成。

1.1 IP板

IP板是X 射线影像的接受体，准确地说是一个影像信息采集与信息形成的转换部件。IP 板接受透过工件的X 射线，使IP 板感光形成潜影。IP 板的结构如图1所示，由保护层、荧光层、支持层和背衬层组成。

图1 IP板结构示意

1.2 IP板图像扫描器

IP板贮存的图像需要采用特殊的扫描器读出。在IP板扫描读出器中完成的基本过程如图2所示。IP板图像扫描读出时采用一定尺寸的激光束，按照程序设定的方式扫描IP板，完成图像读出。扫描激光束的尺寸按图像质量要求选择，经常选择的是100μm 或50μm。在扫描时，激光激发IP 板发射荧光，荧光经光导收集送入光电倍增器，转换成模拟电信号，再经A／D 转换形成数字图像文件。数字图像文件再贮存在计算机内存中，成为初始图像。

图2 IP板图像扫描读出基本过程

2 CR 系统与工业胶片在9 MeV X 射线照相中的性能对比

试验用的9 MeV X 射线源为国产HEXTRON 9／300电子直线加速器，焦点为2 mm，射线主束方向距靶点1m 处1min累积剂量为30Gy。CR 系统为美国产VMI 5100MS CR 系统，光电倍增倍数、扫描激光束斑大小均能够调节。以工业探伤经常使用的中粒胶片（柯达AA400）、细粒胶片（柯达M100）作为对比，对不同厚度钢板、实际工件进行透照，对比研究不同增感条件、不同扫描参数情况下的图像分辨率。试验中使用的工业胶片为柯达AA400（粒度为0.5～0.7μm）、柯达M100（粒度为0.3～0.5μm），IP板晶体尺寸为4～7μm。

2.1 照相灵敏度对比

文献［1］给出了不同被检工件、不同射线能量时，IP板增感屏材料与厚度的推荐值，以120，150，200mm 钢板为透照对象，设置不同厚度的增感屏和前后滤波板进行试验，以摸索其最佳增感及滤波条件，试验结果如表1所示。为方便与工业胶片的照相性能进行比较，试验中使用了线型像质计和双丝像质计。

工业胶片照相时，经反复试验，0.76 mm 是铅增感屏的最佳厚度。从试验结果可以看出，当采用前后各0.76mm 铅增感屏，在IP板前放置4mm 铅滤波板时，成像质量达到最佳，能够与柯达AA400工业胶片的照相效果相当。以后的试验中，采用该方法作为CR照相的增感与滤波条件，如表1所示。试验序号16～18使用的是柯达AA400工业胶片，试验序号19～21使用的是柯达M100工业胶片。

图3是120mm钢板的CR图像与工业底片影像，柯达AA 400工业（图3（a））的像质计灵敏度为1mm，柯达M 100工业（图3（b））的像质计灵敏度为0.8mm，CR系统（图3（c））的像质计灵敏度为0.8mm。

图4是200mm 钢板射线照相，CR 系统与工业胶片所得到的影像，柯达AA400工业（图4（a））的像质计灵敏度为1.25mm，柯达M100工业（图4（b））的像质计灵敏度为1.0mm，CR系统（图4（c））的像质计灵敏度为1.25mm。

图3 120mm 钢板射线照相，IP板与工业胶片影像对比

表1 CR 成像与工业胶片不同增感和滤波条件

图4 200mm 钢板射线照相，IP板与工业胶片影像对比

图5 双丝像质计图像

用EN452双丝像质计对IP板、工业胶片的灵敏度进行测试，不透照任何工件，结果如图5所示。三种照相介质影像均可见第5道双丝（φ0.32mm），即不清晰度均为0.64。对这三个影像进行比较能够看出，不清晰度数值虽然相同，柯达M100胶片的影像质量最好，细节分辨能力最强；CR图像可以通过软件调节其对比度，也能够达到比较好的图像质量；柯达AA400胶片的图像对比度较CR图像略差。

从上述对比可以看出，使用9 MeV 高能X 射线照相检测时，CR 系统照相的像质计灵敏度略高于柯达AA400（属中粒胶片），低于柯达M100（属细粒胶片）。

透照钢板时，CR成像和柯达AA400所得图像的单丝像质符合标准GJB 1187A—2001《射线检验》的A 级要求，柯达M100所得图像符合该标准的B级要求；CR图像的双丝像质计分辨率低于文献［1］给出的能量大于1MeV 时的CR灵敏度要求（能够发现第6道丝）。造成这一结果的原因可能是X射线的能量越高，由射线本身造成的图像固有不清晰度越大，即由X光子产生的电子能量更高，在感光介质中的径迹长度更大，从而造成影像颗粒度的增大。

2.2 缺陷检测能力对比

为检验CR 系统对实际工件缺陷的检测能力，以直径880mm 模拟固体发动机为检测对象，分别用工业胶片和CR 系统进行了照相，照相的部位包括发动机封头、机口、筒体段等。

图6 固体发动机前封头工业胶片和IP板照相影像

图6是该发动机封头（绝热层内部有模拟高密度脱粘缺陷）的照相影像，通过底片能够清晰地看到两条细长黑色曲线型缺陷，CR影像相对变化平缓，但也可准确判读缺陷。

3 结论

经过试验和对比，用9 MeV X 射线源透照120，200mm 钢板时，使用前后0.76mm 铅增感屏，并在IP板和胶片前增加4mm 滤波板，CR 检测系统的图像效果较好；CR 图像的单丝像质计灵敏度介于中粒胶片与细粒胶片之间，双丝像质计灵敏度与中粒胶片相当，能够代替中粒胶片进行工件检测；透照变厚度工件时，CR 射线照相影像相对变化平缓。

［1］郑世才.CR 技术介绍［J］.无损探伤，2008，32（5）：1－10.

［2］李衍.工业CT 技术最新动态［J］.影像技术，2010（6）：42－48.

［3］陈朝，李仓敏，贾铎默.IP板研究现状与前景展望［J］.影像技术，2011（3）：3－7.

［4］美国无损检测学会.美国无损检测手册（射线卷）［M］.上海：世界图书出版社公司，1992.