X射线检测原理

X射线 检测原理

在伦琴发现X-Ray后不久，他就认识到X-Ray可以用于材料检

测。但直到上世纪70年代，小(微)焦点X射线X-Ray才开始被

用于工业领域。由于当时电子产品的微小化以及对元部件可靠性

要求的提高，人们极其关注在微米范围内的材料缺陷分析。如今

微米焦点X-Ray检测已广泛应用于材料无损检测，并且通过不断的技术革新将在更广泛的工业领域中被使用。

1.1基本原理

在X-Ray检测的过程中，X-Ray穿过待检样品，然后在图像探测器(现在大多使用X-Ray图像增强器)上形成一个放大的X光图。该图像的质量主要由分辨

率及对比度决定。

成像系统的分辨率(清晰度)决定于X射线源焦斑的大小、X光路的几何放大率和探测器像素大小。微焦点X光管的焦斑可小到几个微米。X光路的几何

放大率可达到10~2500倍，探测器像素可小到几十微米。

成像系统的对比度决定于图像探测器的探测效率、电子学系统的信噪比和合适的X射线能量。目前一般的X射线成像技术可以获得好于1%的对比度。

1.2x射线管

在简单的X射线管中，电子从热阴极中出来，通过一个电场，向阳极加速。

在撞到阳极时停止，同时释放出X射线。碰撞区域的大小就是X射线源的大小，

它以毫米为单位，在这种情况下我们只能得到很不清晰的画面。通过微焦点X

射线管的使用，就能改变这种状况。电子通过阳极上的一个小孔进入磁电子透镜，该透镜中的磁场力使电子束聚焦在阴极靶上一个直径只有几微米~几十微米

的焦点上。通过这种方式X射线源变得很小，在高放大率的情况下能得到分辨

率在微米范围内的清晰图像。

1.3x射线探测器

胶片

许多年来，科学家们努力创造一个可重复使用的图像版本以代替胶片。对于大多数临界医学和工业应用，这些努力直到出现了数字图像技术，提供了可

行的选择之前，对于基于胶片的检测，很少获得成功。

50年来，胶片射线检验作为主要的质量保证工具，提供了制造的零配件内部的质量信息。不幸的是，胶片是一个昂贵的工具，因为图像的载体-胶片是一

种银基技术，仅仅使用一次。另外，胶片需要冲洗，即费时，还使用必须放弃

的危险化学物品。

与胶片相比，数字照相将明显的减少暴光和处理时间，消耗成本也低(无胶片和化学药液)，没有化学废物，这些所有特点都使成本大大降低。另外，不像

胶片图像一样，数字图像可以放大以改进缺陷的检出率，在有些情况下，对检

验结果可使用自动评判。通过无线传输将数字检验结果从现场传输到办公室贮

存，并且存储保管的成本很低。

荧光屏

数字技术不是首先次应用无胶片照相检验的，第一个无胶片图像装置--Fluoroscope是在伦琴发现X射线几个月后，即1895年开发的无胶片装置。该

装置有一个磷光屏组成，该磷光屏在X射线的照射下能够发光。该屏被放置在

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

影像增强器

在20世纪50年发明了影像增强器之前，Fluoroscope被广泛的应用于检

验领域。影像增强器使用一个光电子照相阴极，通过初始磷屏将发射的粒子转化成电子，然后这些被加速进入另外一个磷屏中，在该过程中将放大原始图像。

通过摄影像机获取图像后，并知识显示在荧光屏上。尽管在灵敏度和精度方面

受到限制，但是在一些非临界的工业应用方面，一直得到广泛的应用。

影像增强器和Fluoroscope没有按照数字图像分级，因为无论直接在磷屏上观察，还是通过显示器实时的观察，它们输出的信号都是模拟信号。数字射

线具有与Fluoroscope和影像增强器相同的功能--将射线转化成信号，但是输

出的信号是全数字的数据。

射线数字成像技术综合了多种技术，在其他的技术最近发明以前，其中有些射线数字成像技术已经存在了20多年了。虽然这些技术与胶片相比存在共同

的优点和缺点，但是它们都有各自的特点。

线性二极管阵列

最广泛使用的数字射线成像探测器是线性二极管阵列板，在20世纪70年

代，被研制应用于计算机断层扫描系统(CT)，该技术已经被广泛的应用于工业如:食品加工、工业NDT和安全检查。事实上，最近几年已经有人使用线性二极

管阵列射线成像技术检验航空包裹。

线性二极管阵列探测器典型的构成是荧光层(一般由磷组成如:钆氧硫化物)，这层荧光被涂在光电二极管的单一阵列上(见图3)。被检测的对象以恒定的速

度，对准X射线束移动，X射线穿透被检测对象到达荧光屏，产生的大量光子

撞击屏幕发射出明亮的可见光线，通过光电二极管将这些光线转化电子信号，

图像处理器将电信号进行数字化。累积的数据线被组合成传统的二维物体的图

像，显示在计算机显示器上。

线性二极管阵列有一个明显的优点，即可以几乎被制作成任何尺寸。阵列

从几英寸到几英尺长。缺点是单个线性二级管尺寸不能做的很小，因此在高速

扫描时，精度会降低以及检测小试件受到限制。

计算机射线成像(CR)

在20世纪70年代，科学家们发明CR技术，该技术使用光感屏(存储光电子板)代替传统的射线胶片，CR图像板存储了隐藏的X射线或γ射线能量的图

像。当图像板被激光以特殊的频率扫描时，磷以与暴光量相等的比例释放光线，

在扫描的同时，该光线被光电二极管阵列采集，并且将其转化成数字值，经过

优化处理以二维图，显示在计算机的屏幕上。存储在板上的图像被删除，因此

该存储板能够被重复使用几千次。

CR技术的主要优点是，该板可弯曲、便携和直接代替胶片。缺点是，需要

一个中间步骤，即把隐藏在板中的信息读取出来，以便显示和解释。但是和胶

片不同，读出时间少于1分钟，也没有化学药品和化学废物。

平板探测器

在20世纪90年代，出现了非晶硒和非晶硅平板探测器，首先应用于医学领域，然后才转移到无损检测领域。该装置是由非常好的基于薄胶片半导体探

测器，组成二维阵列，以像素表示(绘制一个棋盘，每个平方的宽度和长度以人

的头发的尺寸为单位)，当X射线暴光时，每个像素采集和存储的电荷。两种成

像板的差别是采集的电荷数值不同。对于非晶硅板，被X射线激发的荧光屏不

直接处理每个像素的电荷，而是通过发光二极管转换(见图4)。对于非晶硒板，无需荧光物，因为硒层能够直接将光电子转换成电子。这两个装置的都能够存

储电荷，每个像素被数字化，因此以2维图像显示在显示器上。

平板探测器有共同的和独特的优点，因为它们的尺寸很大(500mm×500mm),能够快速照射很大的范围。另外它们获取图像都不需要中间过程，因此很容易

集成机器人操作系统。这两种平板的动态范围宽、空间分辨率高。非晶硅探测

器独特的优点是，比非晶硒产生图像的速度快。事实上，非晶硅可以以很快的

速度产生和读取图像，其速度足以被用做生活录像(动态和实时)。理论上讲，

对于同等像素尺寸，非晶硒比非晶硅探测器精度高，因为在X射线光电子转化为信号时，不产生散射现象(拖影)。这些系统的缺点是，它们都是复杂的电子

装置，在使用和搬运过程中必须十分小心，而且使用环境要求苛刻。

CMOS线性阵列

如大多数数字技术一样，数字射线是一种快速发展的领域，每年都有新的

探测器进入市场。一个例子是:互补金属氧化硅(CMOS)线性阵列，类似线性二极

管阵列，该装置采用多元件的单一纵向阵列，但是每个元件有它自己的独立的

读出放大器。为了避免X射线直接照射对内置的电子影响，元件被屏蔽起来，通过光纤束连接到对X射线灵敏的荧光部位。互补金属氧化硅元件将发射的光

信号转换成数字电子信号，然后显示在监视器上。

和线性二极管阵列一样，该技术也是柔性很大，阵列的范围从几英寸到几

十几英尺长，然而与传统的线性二极管阵列相比较，互补金属氧化硅线性阵列

提供更高的精度和空间分辨率。因为互补金属氧化硅要求探测器与被测对象之间相对运动，成像时间一般不象非晶硅探测器那么快，但是比非晶硒速度快。

1.4数字X射线成像技术的发展

在1895年，德国物理学家威廉伦琴发现了X射线，被认为是19世纪的重大发现。经过了她几个月的的技术突破，这种"新光线"被应用于检查骨折和确

定枪伤中子弹的位置。尽管X射线最初被医学目的使用，但该新技术的理论也

被应用到无损检测领域。例如，早期锌板的X射线，暗示了焊接质量控制的可

能性，20世纪初期，X射线被应用于锅炉检测。

在下半个世纪，X射线技术，尽管长期不变，没有发生巨大的变化，由射

线源发射的X射线穿过物体，然后通过胶片或荧光屏接受。胶片的对比度和空

间分辨率，随胶片的速度和X射线源的控制，使用带胶片的荧光增感屏，在低能量下，得到了较好的图像效果。

在20世纪50年代，随着图象增强器的出现，发生了巨大的变化，第一次

得到了实时的清晰的图像。通过图像放大器，从荧光屏上采集X射线，聚焦在另外一个屏上，可以直接观察或通过高质量的TV或CCD摄像机观察。对于实时

成像，虽然图象增强器具有强大的性能，直到最近之前仍然选择胶片保存大的

图像、高质量的空间分辨率及对比度。

然而，这里的每一项技术都有其自己的缺点。化学处理X射线胶片，从图像的采集到技术人员的检测，通常需要20分钟的滞后时间。如果胶片暴光量不

够或透照角度错误，必须重新进行所有的程序，那么仍然需要20分钟时间。如

果照射许多的胶片，将需要几个小时。此外，公司必须配备存放地点和经过培

训的员工，以保证安全操作、存储和处理胶片冲洗药液。虽然胶片的空间分辨

率较好，但是，胶片线性不好和对比度范围狭窄，再加上人的眼睛的局限性，辨别能力不能超过100的灰度级别，已经不可能从一个范围宽广的胶片密度来

检测和获得更精确的数据。

对于图象增强器，其应用范围又受其防护体积庞大和视域的限制，而且图

像的边沿出现扭曲，只有中心位置的图像对于某些应用才有用。另外，图像增

强器的对比度和空间分辨率也不能和其他的技术相提并论。无论胶片还是图像增强器，存档和分发多少也有些不便，对于图像增强器的图像存档，需要将转

化为视频格式;对于X胶片则通过扫

自从20世纪80年代引入了计算机化的X射线技术(CR)，X射线成像发生了巨大的变化。直到此时，才实现了真正的自动化检验、缺陷识别、存储以及

依靠人为对图像或胶片的解释。CR提供了有益的计算机辅助和图像辨别、存储

和数字化传输，剔除了胶片的处理过程和节省了由此产生的费用。

CR作用类似胶片，但是取代了胶片，通过照射存储荧光屏，将图像存储在其内部。在许多情况下，该技术很容易的被翻新成胶片基的系统，但不需要胶

片、化学药品、暗室、相关设备及胶片存储。

与胶片一样，也能够分割CR屏和弯曲，虽然存储板比胶片的成本高(14×17in)，板的价格大约为700美元，但是可以被使用几千次，其寿命决定于机械

磨损程度，但实际比胶片更便宜。另外也和胶片一样，使用条件要求非常苛刻，

不能使用在潮湿的环境中和极端的温度条件下。

CR比其他数字技术的优点是:在大多数情况下，在整个实验室中只需要一个屏幕读取器，该读取器与图像采集部分是独立的，用户可以分别购买，这一

点就区别于其它的采集和读取一体的数字技术。

CR的缺点是:类似胶片，不能实时。尽管比胶片速度快，但是必须将屏幕从X射线站移走，然后将其放入读取器中。CR使得无胶片X射线技术前进了大

步，但是却不能提供X射线数字技术的所有的优势。

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