X射线照相技术的检测参数系统全景设计

(山西航天清华装备有限责任公司， 长治 046012)

X射线照相曝光曲线是单台射线机在一定绘制条件下形成的透照厚度与透照参数(射线能量、焦距、曝光量)之间的关系曲线[1]，应用特点是按照透照厚度查找绘制条件下的检测参数，如果使用条件发生变化，必须对由曝光曲线得到的数据进行修正，这给实际应用带来了很多不便。每一个曝光曲线包含设备型号、工件厚度、透照参数及影像质量要求，犹如元素卡片，而元素卡片规律组合，就形成了元素周期表，因此多个曝光曲线以射线照相条件为基础绘制在同一张图中，结合每种曝光曲线的黑度尺，就形成了一张射线照相曝光曲线组图，称为X射线照相技术的检测参数系统全景设计图(简称全景设计图)。

全景设计图可以依单位系列设备、射线照相条件绘制，形成一幅单位的全景设计图，也可以依工业系统系列设备和可能的射线照相条件绘制一幅巨幅全景设计图。从初步的应用来看，全景设计图作用犹如热处理行业的Fe-C相图，从图上可以解读出X射线照相规律及质量控制变化趋势。

多种照相条件绘制的全景设计图，曝光曲线相对位置清晰，变化趋势及形貌趋向完整，但交错线众多，给准确测点、计算造成困扰。使用组合检测时，数据计算量较大，开发以全景设计图为基础的检测分析软件可使检测应用变得轻松。软件中曝光量的时间变量可以轻易控制，使得曝光的每一刻黑度为“已知”。当软件对射线机控制台的计时器有控制作用时，就初步具有了智能功能。当软件具备自动透照工艺质量判断、底片黑度判断以及透照累积时间控制提示时，智能X射线照相检测将会来临，射线照相检测工作将会事半功倍。

笔者将对全景设计图的形成、作用及智能进展做初步介绍。

1 X射线照相全景设计图的形成

1.1 全景设计图的基础

一幅带有黑度标尺、照相条件的曝光曲线如图1所示(虚线为设备老化、性能发生变化时的曝光曲线)，此为全景设计图的基础。

曝光曲线选用以管电压为变化参数的曝光量-透照厚度曲线，不宜选用以曝光量为变化参数的管电压-透照厚度曲线。在常规曝光曲线的基础上，制作出黑度标尺。射线照相条件十分关键，当任何一个因素发生变化时，就会形成一个新的曝光曲线，当然黑度标尺也会随之发生变化。

曝光曲线的左边为最低管电压线，右边为最高管电压线，底部为系列标准规定技术线，顶部理论开放，由此构成一块区域。曝光曲线区域内任意一点表示一组检测参数，理论上每个点的黑度相等，均为射线照相条件规定黑度。实际应用时，胶片总曝光时间有限，比如40 min以内，在顶部以40 min的曝光量线与各边界线形成近似棱形区域。

图1 带黑度标尺的曝光曲线

1.2 全景设计图的制作

当一组射线照相条件确定后，采用阶梯试块进行透照，制作形成一台设备在照相条件下的曝光曲线。将众多曝光曲线统一在一个坐标中，就会形成射线照相全景设计图。根据坐标中纳入的射线照相条件组数，会形成N组数全景设计图。显然，常规曝光曲线看作1组数的全景设计图。图2所示为3组数射线照相条件的全景设计图。

图2 3组数射线照相条件的全景设计图

生产单位可以根据射线机台数及射线照相条件制作有限组数的全景设计图。倘若工业系统制作出各种应用的组数全景设计图，其组数数量将非常可观。

严格控制射线照相条件中的焦距、温度、显影时间，试验底片的黑度误差很小(约<0.2)。具体来讲感光胶片采用洗片机暗室处理效果更好，能对溶液温度、浓度进行精准控制。

理论上讲，射线照相条件中的一个因素发生变化时，就会形成新的射线照相条件组。工件检测应用全景设计图是一个条件组的近似使用，条件组中最易忽视的因素有：设备老化，显、定影液配方等发生变化。

2 全景设计图的作用

从全景设计图上可以进行设备选用、穿透力确定、曝光参数的确定与质量控制、组合检测厚度范围确定等。

图3 射线照相设备选择示意

2.1 设备的选用

生产单位有各型号多台射线机，射线照相设备选择示意如图3所示，对特定透照厚度T垂直贯穿3组数棱形区，从底片黑度角度，都可满足检测需求，但右侧红色设备属于小曝光量透照，左侧绿色设备属于大曝光量透照，按标准技术要求，左、中两种设备可选，综合考虑设备负荷、检测经济性等因素，选择中间黑色设备最为适宜。

2.2 穿透力测定

除设备型号外，将各设备其余照相条件参数相同的曝光曲线组成一幅设备穿透能力的全景设计图。在各设备设置额定工作参数、使用同一种胶片、规定焦距及曝光时间、规定增感和暗室处理、规定黑度条件下，直接在图中测定出各设备的穿透力厚度。

对多台设备，当使用的胶片类型或显定影液配方等不一致时，直接测定的穿透力厚度值的比较意义不大。

将设备定期性能核查结果绘制在同一坐标中，可以直接判断设备的老化情况，各电压线左移越明显，设备老化越严重。另一判断方法是将检测材料的允许的最高管电压线绘制在图中，发现管电压线上移明显，则说明设备老化严重(见图1)。

当允许的最高管电压线上移超出技术曝光量线时，则应更换X射线管，或者直接报废X射线机。

2.3 透照参数确定与质量控制

预先设定底片黑度，使用黑度标尺[2]直接选择透照参数(见图4)。使用方法是：将黑度尺设定黑度水平线沿透照厚度垂直线垂直移动，再水平移动，直至黑度尺中的基准黑度(图中D=2.0)与一电压线相交，其交点处参数即为基准透照参数。显然这个交点有很多个，但这个点必须满足曝光量推荐值要求，还应考虑透照效率、影像质量。这样，参数确定限制在了推荐曝光量上方区域，若按推荐曝光量、基准黑度确定参数，即为常规曝光曲线参数确定。

图4 射线透照参数确定示意

对于变截面工件透照参数，利用黑度尺可以确定胶片的宽容度，直接指定透照电压和变截面透照厚度。

将X射线检测的工艺要素汇集在曝光曲线上，高等级胶片检测出现“左上移”(见图5)，也指出了质量控制的方向。射线检测底片上的影像清晰程度的方向、大小如图6所示。

图5 曝光曲线的左移图

图6 影像质量控制图

在影像质量控制图上，向下方向曝光量越小，透照参数电压越高，固有不清晰度Ui的垂直向下方向分量越大。这就解释了检测标准中“透照电压尽可能最小”的规定；向右方向透照厚度越大，几何不清晰度Ug的向右方向分量越大。这就说明：焊接件经机加透照厚度减小时，在相似的检测工艺中除了降低透照电压，还会使Ug减小，检测灵敏度显著提高；透照厚度向右方向增大时，透照参数电压越高，Ui向右方向的分量越大。从这里得出：机加透照厚度变化较大时，X射线检测时机(工序安排)应在机加后为宜,并且机加后(或检修)的X射线检测底片影像质量与机加前的X射线检测底片影像质量明显不同。

参数确定与质量控制存在全景设计图照相条件选择与寻优过程。

2.4 组合检测厚度范围

将不同透照厚度的工件组合，在全景设计图上选取适宜的透照参数，实现不同工件组合透照。选用的射线场如图7所示(图中F为焦距，L3为一次透照长度，2θ为有效检测角度)，布片如图8所示。

图7 球锥形透照场

图8 球锥形透照场布片

组合工件厚度范围及参数选取如图9所示。

图9 不同透照厚度工件的组合示例

不同透照厚度工件的检测按图9组合布照：焦距相等，曝光时间不同，也可采用焦距不等(平方反比定律)，曝光时间相等同时完成不同厚度曝光。当然还要注意最小焦距的限制，避免相邻工件遮挡干涉及半影区，通常可以采用较大焦距解决，更利于现场布置。

在全景设计图中，可以使待检测工件按不同等级胶片、不同的曝光量要求(需求)、不同的底片黑度要求等进行组合，实际计算起来十分复杂，但在全景设计图上可以轻松实现。

从试验的效果来看，日常作业采用的焦距越大，单个工件一次透照时间越长，但总体透照时间缩短，可以作为提高检测效率的手段。影像的清晰度(受大焦距及大曝光量影响)提高，透照的总辐射量明显降低，辐射危害大幅减轻。

3 全景设计图应用软件

手工制作、使用全景设计图时,存在区域上部曝光量线密集,黑度尺测量误差较大,大量数据换算等问题,且照相条件种类较多时，在同一点会出现多个“图层”。这些问题可应用全景设计图软件来解决。

全景设计图软件应包含设备、胶片特性曲线、电压线及黑度表生成功能区。随着射线照相条件组数据的不断录入保存，调用的数据会逐渐丰富起来。在全景设计图软件工件区添加组合检测工件，输入基本透照参数，可自动显示出底片黑度；也可以根据指定黑度，计算透照时间，或者计算电压、焦距等透照参数。

对继续曝光的工件在工件参数区进行透照参数输入，可进行单独计算、统一计算、统一设定功能应用，使得制定透照检测工艺变得轻松。试验应用的全景设计图软件界面如图10所示。

图10 全景设计图软件应用界面

软件中可以一次选用多台设备，多种胶片，多种工件，调用N组数曝光曲线，形成多个图层叠加显示;可以放大点击需要的检测点，也可以单独显示某一指定工件参数，选择性关闭其他“干扰”图层;软件还具备自学习功能，提醒修正输入的偏差参数。

使用全景设计图控制可避免不同厚度同时透照产生的底片透亮为“白片”或者底片不透光为“黑片”的“失照”现象，从而在不同厚度组合透照时保证了底片黑度的稳定性。经过使用验证，软件给出的透照参数精度较高，可进行布照、透照工艺的设计，进行检测优化，能很好地满足检测需求。

全景设计图软件时间参数可与射线机控制台计时器连接。在软件进一步具备布照可视化、检测技术参量判断、警示等应用功能时，射线智能检测的实现也就为期不远了。

4 结论

(1) 全景设计图按射线照相条件组数汇入、使用。

(2) 手工绘制的全景设计图直观、方便，能指导不同透照厚度组合检测参数的确定。

(3) 从基本原理开发的检测分析软件，能实现不同透照厚度工件的智能化检测。

(4) 全景设计图软件奠定了射线照相智能化检测的基础。