国内外工业便携式X射线机的发展

黄新超

(河南省锅炉压力容器安全检测研究院, 郑州 450008)



国内外工业便携式X射线机的发展

黄新超

(河南省锅炉压力容器安全检测研究院, 郑州 450008)

介绍了国内外工业便携式X射线机的历史、现状和发展趋势，通过分析国内外产品的相关数据，比较其性能差距，找出国内产品及行业管理的不足，并提出一些改进意见。

便携式X射线机；变频技术；高频恒压技术；发展趋势

射线检测是无损检测五大常规检测方法之一，在工业上有着非常广泛的应用。便携式X射线机大部分是现场作业，尤其是野外、高空作业，故要求设备质量轻，体积小，性能稳定。目前，国内外工业便携式X射线机普遍采用变频技术[1]，SF6高压气体绝缘和强制风冷技术;换句话说，便携式变频充气X射线机是市场的主流，而油绝缘的工频机和气绝缘的恒频机已被淘汰。最近几年，国际上出现了几种新技术及新产品，如高频恒压技术、便携式高能X射线装置等， 这些新技术、新产品的出现，引领着工业便携式X射线机的发展方向。

笔者介绍了国内外工业便携式X射线机的历史、现状和发展趋势，通过分析国内外产品的相关数据，比较其性能差距，找出国内产品及行业管理的不足，并提出了一些改进意见。

1　国内工业便携式X射线机的现状

国内便携式变频气绝缘X射线机是20世纪80年代初发展起来的。丹东工业探伤机厂参照日本理学晶闸管控制的X射线机，采用SF6高压绝缘气体作绝缘，研发出便携式变频充气X射线机，并替代油绝缘工频机，这是一次跨越式的提升。随后，各生产厂家在控制电路方面进行了小的改进，如：延时开机、自动训机、液晶屏显示、单片机智能控制等，但是，主回路至今没有改变。现在，丹东系列便携式变频充气X射线机成为了市场的绝对主流。

图1　便携式变频充气的X射线机电器原理示意

便携式变频充气X射线机电器原理如图1所示，是典型的阳极接地半波自整流电路。图1 左侧虚线方框内部分为控制器电器原理，右侧为射线发生器电器原理。

便携式X射线机所用电源是220 V，50 Hz单相交流电，电源进入控制箱经功率开关之后分为二路，一路进主回路，另一路给弱电控制部分供电。主回路主要由调压整流单元、LC滤波、逆变单元(又称斩波单元)组成，输出脉冲信号供给高压变压器(俗称高压包)初级。主回路的信号变化过程如图2所示。

图2　变频射线机信号转换示意

不同生产厂商的控制单元各有不同，但是，实现的功能基本相同，包括产生触发控制信号、曝光计时、毫安保护、超压保护、过温保护等功能，有的设备利用单片机或微电脑控制，实现自动训机、语音提示、故障代码显示、曝光参数设置、延时开机、存储、记忆等功能。

射线发生器主要由X射线管、高压包和外壳，以及一些必要的小配件(温度继电器、均场罩，温度继电器、散热器等)组成。高压包产生的高压直接加到X射线管的两端，给射线管提供加速电场。采用阳极接地，半波自整流，高压和灯丝一体化的设计，结构简单紧凑，利于散热，被广泛采用。

目前，便携式变频充气X射线机的生产厂家主要集中在丹东，有100多家，湖北黄石有十多家，其他地方有几十家，产品大同小异，产能严重过剩，企业利润较薄，销售价格较低。由于生存都成问题，生产企业也就不会投入大量的财力和人力进行新产品研发，国家在该领域也没有专业研究机构进行新技术、新工艺、新材料的研发;所以，三十多年来,国产工业便携式X射线机没有新技术、新产品出现，这也是行业的悲哀。

2　国际上工业便携式X射线机的技术现状

目前，国际上工业便携式X射线机的代表品牌有日本理学、美国通用电气公司(GE)、俄罗斯Spektroflash、比利时ICM、德国 YXLON等，下面分别做一下介绍。

日本理学便携式变频充气X射线机20世纪70年代就进入中国市场，当时中国市场使用的还是油绝缘工频机，体积大，质量大;相比之下，日本理学便携式变频充气的X射线机体积小、质量小、性能稳定，尽管价格高昂(从最初的十几万元，到后来20多万元，目前价格还在20万元左右)，仍然受到市场追捧。但是几十年来，其主回路没有变化而仍然是变频充气机，尽管做了一些改进，技术上却没有大的突破。

美国通用电气公司(GE)ERESCO MF4系列便携式X射线机，采用中频恒压技术，频率约20 kHz，金属陶瓷X射线管，产品系列高压输出有160,200,280,300 kV，辐射方向分定向和周向机，还有风冷、水冷和小焦点系列，品种比较齐全。产品主要优点是功率输出较高，图像清晰度好；较高的 X 射线剂量使曝光时间较短，并相应提高工作效率；30 ℃时运行占空比为100%；与变频机相比技术性能优势明显，例如65 MF 4型300 kV定向机，高压输出5～300 kV，管电流0.5～6 mA，额定功率900 W，焦点3.0 mm (EN 12543)，辐射角40°×60°，最大穿透65 mm(钢)，管头高度1 020 mm，管头质量40 kg，电源要求160～253 V AC,50/60 Hz，环境防护等级IP65。美中不足的是产品管头体积较大,质量偏重。

俄罗斯Spektroflash(史克龙斯)Ltd.曾以脉冲射线机Arina系列闻名，这款机器质量小、电压低、功耗小。新推出的MAPT系列射线机是高频恒压射线机,取消了风扇设计，机身小巧轻便，功耗低，射线管工作效率高，可以有效地将能量转化为X射线而不是热量;并采用特种散热金属，来完成散热工作。所采用的特制高频射线管，具有寿命长，稳定性高，不易损坏等优点。

俄罗斯产品进入中国市场的有2款机型，一款是APT200定向机或半周向机，可以对外发射一个锥向角度为150°的射线，更适合小径管的周向曝光检测。输出管电压100～200 kV，管电流3 mA，最大穿透厚度30 mm(钢)；射线发生器质量仅5 kg。 另一款是MAPT250定向机，辐射角度40°，最大穿透厚度40 mm(钢),输出管电压130～250 kV ，管电流3 mA，射线管工作频率100 kHz，X射线管焦点1.5 mm，发生器质量8.5 kg。据了解，高穿透能力的机型将陆续推出。

比利时ICM公司便携式X射线机于20世纪90年代进入中国市场，属于变频充气机，玻璃X射线管；恒压机研发多年，系列产品尚未推出，去年刚推出一款200 kV定向机SITE-X CP200D。主流产品还是变频充气机，其主要特点是品种齐全，可连续工作；周向机采用专利技术，均匀度好，且使用后若出现辐射均匀度偏差，不用更换X射线管，可通过射线发生器内部安装的偏转线圈进行调整。存在的问题是产品故障率较高。

德国YXLON 是COMET集团旗下的专门生产便携式和移动式X射线系统的公司，产地在丹麦的哥本哈根。 1989年开始生产Y. SMART系列便携式X射线机，该产品将油绝缘管头和玻璃管芯的组合，改变为气体绝缘和金属陶瓷管芯的组合，并开始应用了高频恒压技术。

2014年最新推出的SMART-EVO 系列，是Y. SMART系列的升级版，控制器和射线发生器都进行了全面技术升级。与Y. SMART系列相比，新产品极大地降低了质量，并确保了更优的操作流程;曝光计算器自动计算所需的曝光时间，无需在设置时采用“试验法”以逼近最佳值而浪费时间;还有许多设计细节，如射线铅罩更易于装卸、控制器肩带、辐射角激光指示、内嵌式的一体化LED警示灯等,确保了操作流程更快速。尤其值得一提的是,控制器中的功率因数校正(PFC)模块不仅可优化主供电线路中的电流负载，还可在电压不稳的情况下进行稳定操作(如发电机供电场所)，并适用于所有介于85～264 V，45～65 Hz的交流电源。优越的设计使其获得2015年度设计类“最佳中的最佳”奖项——红点奖(reddot)。

最近，YXLON又推出高功率X射线机和小焦点系列。高功率X射线机XPO EVO 225D定向机，具有1 200 W的恒定射线功率，电流调整幅度高达10 mA，以满足较高的穿透力要求，能胜任所有中等强度的现场检测任务。小焦点系列定向机焦点1.0 mm(EN 12543)，特别适合数字射线检测，且大大提高了成像质量。

YXLON产品系列高压输出有160,200,225,300 kV，辐射方向分定向和周向机，还有风冷、水冷和小焦点系列，品种比较齐全。金属陶瓷X射线管，抗震性好、稳定性强、使用寿命长；可高压连续工作，暂载率100%, 大大节约了作业时间。如SMART-EVO 300D型300 kV定向机，高压输出50～300 kV，管电流0.5～4.5 mA，额定功率900 W，焦点3.0 mm (EN 12543)，辐射角40°× 60°，最大穿透65 mm(钢)，管头高774 mm，管头重29 kg，电源85～253 V AC,50/60 Hz，环境防护等级IP65。

美国Varian公司最新推出便携式加速器，属于便携式高能X射线装置。拟推出PX-1型和PX-2型二款便携式装置，PX-1型加速器焦点1.5 mm，标称能量 0.95 MeV，半值层 HVL1.4 cm (钢)，穿透厚度约76 mm(钢)，供电能源230 V AC，2.5 kVA，X射线发生器外观尺寸79.5 cm×51.8 cm×31 cm，重36 kg ；控制器27 cm×24.6 cm×17.4 cm，重3 kg，现场安装时间5 min。PX-2型便携式加速器，标称能量1.6 MeV ，穿透厚度约127 mm钢，焦点小于1.5 mm ，相当于7居里Co60源。

便携式加速器的优势主要有：制造过程中对大厚度工件的检测采用便携式加速器替代移动式X射线机，操作更为便捷；在役检测尤其是管道检测，可替代γ射线仪，检测更为安全。

3　高频恒压技术简介

高频恒压技术是近几年发展起来的一项先进技术，通过控制器输出的高频信号(频率约几十千赫兹,变频机或恒频机的频率在300 Hz左右)，进入射线发生器的高频变压器，经高频变压器升压后，由倍压整流模块变为高压直流信号——恒压，提供给X射线管作为加速电场。采用高频恒压技术的射线发生器的结构示意如图3所示。

图3　高频恒压射线机发生器内部结构示意

高频恒压技术的主要优点：

(1) 大大提高了射线转换效率，提升了射线剂量输出，显著提升了穿透力，从而，可大大缩短曝光时间。高频恒压技术与非高频恒压技术射线剂量输出示意如图4所示。

图4　恒压技术与非恒压技术射线剂量输出示意

(2) 倍压整流模块替代高压包，有效缩小射线发生器体积，减轻质量。

(3) 高频恒压技术更适合X射线管的电器适应性，避免了变频技术带给X射线管方波脉冲信号的频繁冲击，从而大大提高X射线管的使用寿命。

(4) 节能，高频恒压机额定功率只有几百瓦，如300 kV最大功率900 W；而变频机额定功率一般都在2 000 W以上；野外施工，降低了对发电机的功率要求，一般来讲，功率越低，发电机的质量越轻，更适合野外、高空作业。

(5) 高频恒压射线机产生的射线能量均匀，恒定剂量输出，特别适合X射线数字成像检测，尤其是DR检测，且图像清晰。

4　国内外工业便携式X射线机的差距

概况以上的描述，笔者认为，国产便携式工业X射线机与国际先进X射线技术的差距及造成这种差距的主要原因在于：

(1) 技术工业便携式X射线机是朝着体积更小、质量更轻、能量转换效率更高、穿透能力更强、稳定性更好的方向发展。高频恒压技术让我们看到了曙光，而且，上面提到的几家国际著名品牌产品，例如：德国YXLON 、美国GE等已经实现并领跑行业，俄罗斯Spektroflash(史克龙斯)、比利时ICM等正朝着该方向努力跟进并不断完善。而国内还采用30年前的变频技术，差距很大。

(2)工艺良好的装配工艺、元器件制造工艺是工业便携式X射线机工作稳定、故障率低的有效保证。众所周知，国产工业便携式变频充气X射线机是借鉴日本理学技术，技术参数毫不逊色，但是，同样型号的一台日本理学射线机，产品价格是国产设备

10多倍，原因何在？答案是国内产品输在工艺上。

(3)材料材料优劣是反应一个国家整体技术水平的重要标志，国内与国际发达国家相比还相差较远。例如，影响X射线管寿命的是射线管灯丝材料的电子发射能力，国际先进设备的X射线管的寿命能达到几千小时，而国产管的寿命才400～500 h，这就是差距。国内厂家可以仿制外观、结构，但仿制出优质材料不是容易之事。

(4)产业管理国际知名品牌制造商周围或区域或国家没有几十家甚至几百家企业生产同一种产品的现象，而国产管的寿命生产基地丹东，还有湖北黄石有多少家？国内有多少家？产业管理失控，进入门槛低，一窝蜂上马生产，产能过剩，恶性竞争，这与产业管理不无干系。

(5)知识产权保护新技术、新产品研发是要花费大量的财力和人力的。国内一旦有新技术、新产品出现，很快就有仿品出现，知识产权保护体系不健全，创新者得不到很好的保护，严重挫伤其创新的积极性。

5　结语

我国工业便携式X射线机与世界先进技术尚有不小的差距，高频恒压技术是便携式工业X射线机的发展方向，期望有更多的从业人士或机构吸收引进先进技术，投入到新技术的研发中去，努力缩短我国与世界先进技术的差距。同时注意知识产权保护，并通过行业协会向国家相关机构提出建议，在该领域加大创新投入，提高生产准入门槛，使从业者有利可图，企业有利润才能制造出更好的产品，才能投入更多的资金进行新技术的研究，从而提高我国射线检测技术水平和装备水平。

[1]吴伟，邬冠华,罗更生.国内外变频气冷便携式射线机发展状况[J].无损检测，2005,27(11):32-34

The Development of Domestic and Foreign Industrial Portable X-Ray Generator

HUANG Xin-chao

(Henan Province Inspection Institute of Boiler and Pressure Vessel Safety, Zhengzhou 450008, China)

This article describes the history, current situation and development trend of domestic and foreign industrial portable X-ray generator. Through the analysis of the relevant products data and comparing the gaps between them, attempts were made to find out shortcomings of domestic products and industry management in order to make some improvements.

Portable X-ray generator; Frequency conversion technology; High frequency constant voltage technology; Development trend

2015-07-03

黄新超(1964-),男,高级工程师,锅炉检验师、容器检验师、管道检验师，RT-Ⅲ，UT-Ⅲ，主要从事特种设备检验检测和检验检测仪器研发及应用工作。

10.11973/wsjc201510020

TG115.28

A

1000-6656(2015)10-0087-04