后置防护板对计算机射线检测成像质量的影响

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(1.上海市特种设备监督检验技术研究院,上海 200062；2.江苏中特创业设备检测有限公司,南京 225003；3.查特深冷工程系统(常州)有限公司,常州 213125)

计算机数字成像(CR)技术具有检测速度快、成像质量高、节能环保等优点，在工业无损检测领域中具有良好的应用前景[1]。较快的检测速度一方面得益于省去了暗室处理的步骤;另一方面,CR使用的成像板(IP)对射线的敏感性高，可以缩短曝光时间。而正是由于IP板对射线的高敏感性，其对背散射和后置金属板(后板)的荧光辐射等无用射线也相当敏感，所以在CR检测时有必要考虑后板的种类。笔者通过试验得到不同管电压下，采用不同材料和组合后板曝光扫描的数字图像；通过对比数字图像的归一化信噪比(SRb)，发现当管电压为90 kV或以下时，可以不用后屏或采用后置钢屏进行检测，达到100 kV以后，宜采用后置铅板或钢屏+铅板的方式进行检测。

1 散射线对成像质量的影响

1.1 散射现象

众所周知，散射是射线穿透物质过程中的一种物理现象，是不可避免的。散射会导致检测图像的对比度、灵敏度、信噪比降低。由于CR检测使用的IP板对射线的敏感度高于胶片对射线的敏感度，所以散射对CR检测质量的影响比胶片对CR检测质量的影响更大一些。散射有许多种：按照散射的方向划分，可分为前散射和背散射两种；按照散射线产生的机理划分，可分为康普顿散射、光电效应和电子对效应引发的荧光X射线散射。

1.2 背散射

来自暗袋背面的散射称为背散射，射线检测过程中，凡是被射线照射到的物体都会成为散射源，例如距离较近的钢平台、桌面或水泥地面等，都会产生较强的背散射[2]。

背散射与前散射的一个不同点是：前散射无法避免，也很少有技术措施可用，其对图像质量的影响几乎无法降低；而背散射是可以通过技术措施将其危害减轻，甚至消除的。

1.3 荧光X射线

荧光X射线又称为二次射线，其产生机理为：X射线光子与物质原子的内层电子作用，将能量传给电子，电子被逐出轨道，光子消失，此过程称为光电效应。根据波尔理论，K层发生光电效应的几率最大，当K层电子被光子逐出后，产生空位，随即会发生跃迁，即外层轨道电子跳跃到内层轨道。由于外层轨道能级高于内层轨道能级，多余的能量将转化为电磁辐射，就是荧光X射线。

图1为不同材料中射线的能量和线吸收系数的变化关系曲线。从图1可以看出，当射线能量为80 kV时，射线与铅的相互作用会突然加强，吸收系数陡升，这一现象与铅的K层电子能级有关。大量光电效应，除了会使吸收系数增大外，还会产生很多光电子，以及随之产生的大量荧光X射线。

图1 在不同材料中射线能量和线吸收系数的变化关系曲线

针对背散射，通常利用后置铅屏或铅板来加以防护，但屏蔽背散射的同时，也会产生荧光辐射。IP板具有一定厚度且感光层分布于IP板近表面，所以即使后置铅屏或铅板紧贴IP板，其产生的荧光X射线到达IP感光层的行程也相对较长，影响成像的不清晰度和信噪比。从图1可以看出，不同管电压时荧光辐射剂量也有所区别。所以在CR检测时，要综合考虑不同管电压时后板屏蔽掉的背散射和产生荧光辐射剂量的多少，来选择合适的后板。

2 试验过程与结果

采用CR检测4 mm厚不锈钢试板焊缝，仅改变管电压，对比无后板、后铅板(1 mm)、后钢屏(0.5 mm)以及后钢屏+铅板(在IP板和铅板中间增加钢屏)时的数字图像质量。试验采用COMET MXR-225HP射线机、锐珂HR IP板和HPX-1 CR扫描仪、INDUSTREX图像扫描处理软件等。为了保证对比数据可靠，同一管电压时均使用同一张IP板，且IP板放置位置固定，同时选取数字图像上同一区域进行灰度、空间分辨率(SRb)和归一化信噪比的测量，灰度和归一化信噪比测量方法如图2，3所示。结果如表1，2所示，表2中归一化信噪比(SNRN)为在焊缝中心以及两侧搭接标记热影响区测量结果的平均值(管电流为15 mA，焦距为700 mm，激光功率高，光电倍增管增益为10；扫描步距为50 μm)。

图2 灰度测量方法示意

图3 归一化信噪比测量方法示意

管电压/kV无金属板铅板(1 mm)钢屏(0.5 mm)钢屏(0.5 mm)+铅板(1 mm)60556470489467703 0912 8412 9302 8068010 4649 86510 1219 7489016 66319 07316 57819 00210020 82423 48220 49523 15111036 45523 74628 86223 52412037 98426 92730 37826 605

2.1 不同管电压时后板对灰度的影响

根据表1可知，在管电压不大于80 kV时，无后板灰度高于铅后板的灰度，主要原因为无后板时IP会接收到更多的背散射；90，100 kV时无后板灰度低于后铅板灰度，主要原因为此时后铅板产生较大的荧光背散射，正好验证了图1中铅的X射线线吸收系数在80 kV时发生增加的情况。而当电压上升到110 kV以上时，无后板灰度又高于后铅板灰度，原因在于管电压提高后射线光子数增加，背散射增加，且铅的X射线线吸收系数降低。

2.2 不同管电压下后板对信噪比的影响

由表2可知，不同种类后板时管电压与图像SNRN的关系，管电压不大于90 kV时，后钢屏或无后板成像质量好于后铅板成像质量。此时荧光辐射对图像质量的影响大于背散射对图像质量的影响，铅的线吸收系数大于钢的线吸收系数，即荧光辐射强度更高，降低了图像质量。而从数值可以清楚看出，在管电压为90 kV时，后钢屏图像质量明显好于铅板图像质量，验证了图1中管电压为80 kV以上时铅的线吸收系数增加的情况；管电压不小于100 kV时，后铅板或后钢屏+铅板成像质量好于后钢屏成像质量。此时背散射对图像质量的影响大于荧光辐射对图像质量的影响(从110 kV无后板时SNRN急剧降低看出)，铅能够更好地起到防护背散射的作用，提高了图像质量。

表2 不同种类后板以及改变管电压时的SRb和SNRN变化

3 结语

(1) 由于CR技术使用的IP板具有特殊的敏感性，后板会影响检测图像的灰度和归一化信噪比。

(2) 管电压为80 kV的射线与铅相互作用发生K层电子缺失，产生大量荧光辐射，使图像灰度增大。所以管电压在90 kV～100 kV范围时，使用铅后板的图像灰度比不用后板或使用其他材料后板的图像灰度高；当管电压继续升高后，线吸收系数降低，此时影响图像灰度的主要因素为背散射，即电压为110 kV～120 kV时不用后板的图像灰度较高。

(3) 管电压较低时(不大于90 kV)，采用后置钢屏或不采用任何后板的成像质量相对较好，验证了标准NB/T 47013.14—2016《承压设备无损检测 第14部分：X射线计算机辅助成像检测》中“IP背面可使用铅屏，当被检工件较薄时，使用钢屏或铜屏能取得更好的效果”以及“在背散射轻微或后金属屏足以屏蔽背散射的情况下，可不使用背散射防护铅板或金属屏”。

(4) 管电压较高时(不小于100 kV)，采用后置铅板或钢屏+铅板成像质量相对较好，试验结果与ISO 17636.2：2013Non-destructiveTestingofWelds-RadiographicTesting-Part2:XandGamma-rayTechniqueswithDigitalDetectors中“当射线能量高于1.28×10-14J时，无需在IP背面使用铅板”相违背。