冷阴极X射线成像技术在核电射线检测中的应用和优势

冷阴极 X射线成像技术在核电射线检测中的应用和优势

邵拓

核工业工程研究设计有限公司 101300 北京市

摘要: 冷阴极是一种利用碳纳米材料表面的隧穿效应发射冷电子的射线管阴极，由其开发的冷阴极X射线数字成像系统检测速度快、灵敏度高、宽容度大等特点。本研究通过设计常见核电管道焊缝冷阴极X成像试验，分析该技术在核电现场应用的可行性，结果表明，冷阴极X射线成像技术能够达到胶片水平，其图像清晰，灵敏度高，满足标准要求，同时，分析认为冷阴极X射线成像技术成像速度快，透照范围可以达到10mm以下、环境剂量低、焦点尺寸小、实现射线数字化，是应用在核电射线检测理想的无损检测方法，具有胶片照相无可比拟的优势。

关键字：冷阴极，数字射线，核电，环境剂量

绪论

“冷阴极”是指电子管中不用加热的方式而发射电子的阴极。冷阴极X射线机即采用高导电率的场发射碳纳米材料制作射线管的阴极，其电子产生和移动是利用场致发射原理完成的，即在强电场作用下电子从固体表面进入真空。其在使用寿命，尺寸，重量，发射时间等方面较传统热阴极X射线机有明显优势。

1. 冷阴极X射线数字成像系统

1.1 系统成像原理

冷阴极数字射线成像技术的物理基础仍是以射线吸收规律为基本原理的射线检测技术。对数字射线检测技术，初始检测信号与常规胶片射线照相检验技术相同，仍然是物体对比度：

（式1-1）

式中：I为射线强度；μ为射线的线衰减系数；n为散射比；ΔＴ为厚度差。

不同的是，对于探测器，一般都工作在线性区，图3显示了分立辐射探测器的这种特性。

即可认为图像亮度（L）信号与射线检测信号间近似为线性转换关系：

（式1-2）

式中：k为常数。因此对检测图像有：

（式1-3）

（式1-4）

或（美国标准，总的不清晰度采用三次方关系）

（式1-5）

式中： 为焦点尺寸；M为透照布置的放大倍数； 为探测器（系统）的固有不清晰度。

同时，成像系统中，信噪比SNR定义为检测图像某区的平均信号与该区信号的统计标准差之比。对于灰度图像，若记图像像素的灰度为GV，则有：

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式中：S为检测图像某区的平均信号，δ为该区信号的统计标准差，SNR=S/δ。

1.2 系统组成

冷阴极X射线数字成像系统可以称作冷阴极“DR”，它由冷阴极X射线机，平板探测器，采集软件已经相应工装组成。其中，冷阴极X射线机由发射单元和控制单元组成，发射单元采用脉冲式激发，单次照射立即成像，控制单元通过普通干电池或锂电池驱动，便携方便。平板探测器为分辨率高、像元尺寸小（120μm）的静态平板探测器。采集软件通过网线或者无线通讯方式与设备连接，可以实现图像采集，冷阴极X射线机控制，图像处理等功能。

2. 试验

2.1检验对象

现有的冷阴极X射线机最高电压可达180KV，因此，穿透能力有限。本研究针对冷阴极X射线机穿透能力范围内的检验对象进行研究，其检验对象如表1所示。

表1 检验对象

2.2 检验标准

受限于核电现场复杂的工况环境，现场工件和焊缝射线检查仍主要以传统胶片照相检测为主，几乎很少采用数字射线成像技术，因此，对该类数字射线检测的工艺和标准仍处于摸索阶段。2015年我国颁布的NB/T 47013.11《压力容器无损检测第11部分：X射线数字成像检测》规定了X射线数字成像检测的一般工艺和图像验收标准，可以一定程度上指导核电射线数字射线检测，但是该标准仍具有一定局限性。

2.3 检验工艺

本试验采用RCCM标准设计检验工艺和相关参数，根据检验对象不同，选择双壁双影或是双壁单影透照方式。

根据标准要求，其透照焦距可以满足式 ，其中f：焦距，d：焦点尺寸，b：公称厚度。试验不采用放大技术，探测器尽可能贴近工件。

本试验采用的具体检验工艺参数如表2所示。

表2检验工艺

2.4 检验结果

2.4.1 分辨率测量

根据标准要求，对冷阴极X射线成像系统分辨率进行测量，系统分辨率主要依赖探测器系统的基本空间分辨率，也是影响检测图像不清晰度的主要因素。冷阴极X射线成像系统中，图像不清晰度与空间频率线对值互为倒数关系，通常采用双丝像质计进行测定，关系可以表示为R=1/2d，其中，R是空间频率线对值，d为不能区分丝对的最大丝直径，可以用像元尺寸表示。本检测系统选择的探测器像元尺寸154μm，即R=3.24Lp/mm，根据标准要求，双丝像质计应能分辨D8，即空间分辨率应为D9。 以双丝像质计表征本试验系统空间分辨率，对其的计算分析结果表明，本试验检测系统满足空间分辨率要求，满足本试验检验对象穿透厚度要求。

2.4.2 对比度测量结果

图像对比度采用的是单丝像质计丝径表征，其测量结果如表3所示

表3对比度测量结果

2.4.3 图像效果

本试验检验结果显示检验图像清晰，缺陷显示明显。

3. 核电应用优势

3.1 检测速度

冷阴极数字射线成像继承了数字射线成像速度快、曝光时间短、实时显示检验结果的优点，更进一步，由于其穿透能力范围在20mm以下的管道焊缝，检测时间均≤2S，能明显降低检验人员的接受剂量和遭受误照风险。

3.2环境剂量

冷阴极X射线数字成像系统用于核电现场射线检测安全性高，环境剂量率小。

3.3焦点尺寸

冷阴极X射线机采用碳纳米材料制作而成，且在发射过程中，产生较小的能量损耗，因此，可以将射线机焦点尺寸制作到极低的水平而不影响射线机结构和尺寸。如试验采用的冷阴极X射线机的有效焦点尺寸为1mm，作为成像系统的射线源可以较大的提高检测灵敏度和分辨率，并且应用于复杂的核电作业现场，可以实现小焦距检测，便于布置和提高射线检测可达性。

4. 结论

冷阴极X射线数字成像技术核电应用试验中，管道焊缝的图像质量可以达到胶片水平，像质计灵敏度满足标准要求，缺陷显示清晰。同时，冷阴极X射线数字成像技术在核电现场应用中还具有：1）检测速度快；2）有足够的标准支撑；3）环境剂量率低；4）焦点尺寸小，可实现小焦距透照；5）射线数字化等优势，作为替代胶片照相的一种无损检测方法，冷阴极X射线数字成像技术将极大节省核电站检修工期和提高检验质量，在核电站的应用是可行的，也是必要的。

参考文献

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