X射线无损检测的能量与曝光量及屏蔽分析

林三福

（厦门科维检测有限公司，福建 厦门 361000）

钢结构、船舶工程内部质量检测（尤其是焊缝） 一般采用X 射线的方式进行，在检测过程中经常发现底片黑度较大、边界模糊、灰雾度大，这给检测结果的正确性造成了直接影响。为了得出正确的检测结论，对X 射线检测技术进行研究和探讨，结合实际检测工作工件的信息，做了一系列的针对性试验，为调整检测工艺提供依据。

1 影响底片质量的因素

1.1 曝光量与透照厚度

用X 射线检测钢结构工程中薄钢板的内部焊接质量时，发现底片存在黑度较大、边界模糊、灰雾度大的现象。主要影响因素可能为：X 射线的能量、曝光量及检测工艺。

X 射线机的管电压直接决定了X 射线的能量，因此也决定了其适宜检验的材料和厚度范围，不同电压适宜透照的钢厚度见表1。

表1 不同电压适宜透照的钢厚度

能够达到一定值的穿透力是射线能量所必须要具备的，但过高的射线能量会影响射线照相的灵敏程度，尤其会随着管电压的提升射线的平均波长缩短，使其有效能量随之增大，其衰减系数μ 相应降低，而对比度ΔD 则会随之减小，导致固有不清晰度Ui增长，最终的后果则显现为：射线照相的灵敏度降低。而如果穿透力明显不足的情况下，会使到达胶片的透射射线强度过低而引起底片质量下降，灰雾度过高。

1.2 胶片的感光特性

射线胶片的感光特性主要有感光度（S）、灰雾度（D0）、梯度（G） 或胶片反差系数（γ）、宽容度（L） 最大黑度（Dmax）等，这些特性可在胶片特性曲线上定量地表示，见图1。

图1 增感型胶片的特性曲线

1） 感光度，指的是在一些特定环境条件下，例如暗室处理、曝光和图像测量等，相机胶片对透照辐射能量的响应程度，对这一反应程度进行一定的定量测量，测量值即称为感光度。通常是将射线底片上所出现的一定黑度进行曝光所需曝光量的倒数称之为感光度。射线胶片感光度同乳胶层中的含银量、明胶成分、增感剂的含有量、银盐颗粒的多少及形状这些参数相关联，此外，对于射线能量和显影液配方、环境温度、增感和时间等因素也有一定程度的关系，容易受到这些因素的影响。

2） 灰雾度。一般来讲，灰雾度主要是指一些没有经过曝光的相机胶片在定影和显影之后所存在的一定程度的黑度，这些黑度就是所谓的灰雾度，也被称为本底灰雾度。灰雾度易受保持时间和保存条件等因素影响，另外也会受温度、时间、显影液本身的配方等因素影响。

3） 梯度。胶片对不同曝光量在底片上显示不同黑度差的固有能力称为梯度。

4） 宽容度，指胶片在有效黑度范围相对应的曝光面积。

射线能量选择的原则是：在保证能穿透目标物的前提下，尽可能选择能量较低的射线能量。

而在底片黑度不变的情况下，需要提升管电压，如此就能够缩短曝光时间，达到提高工作效率的效果，但容易导致灵敏度降低。

曝光量是直接影响射线底片影像黑度和对比度以及颗粒度的因素，对射线底片影像所记录最小尺寸的细节也会带来一定程度的影响，这就是拍摄时的灵敏度。而只有曝光量达到一定标准才可以保证小的细节影像达到可检验性，也就是说，射线照相时曝光量必须要保证一定值，不可低于最小值，通常情况下要不低于15 mA·min。

1.3 其他工艺

1.3.1 曝光曲线的使用

需要注意的是：在射线检测条件与曝光曲线制作条件一致的情况下，可以从曝光曲线直接获取到透照的参数，并依据透照厚度选择适当的透照电压，进而确定曝光量。而制作条件不一致时，则无法从曝光曲线来获得相应的透照参数，而是要根据实际情况进行检测后才能获得透照参数，以此来实现修正。修正包括：焦距不同时的修正、黑度不同时的修正、胶片不同时的修正、材质不同时的修正、射线照相的厚度及宽容度等修正[1-3]。

1.3.2 胶片处理

显影液的显影温度对胶片的显影水平影响较大，温度过高时显影速度较快，温度低时则相对较慢。一般情况下，显影液的显影温度设定为18～20 ℃，温度不易过高，过高可导致显影液中药品分解失效，或造成显影液的变质，并可能损害乳化层。如果过低，显影液显影能力会明显降低，严重时会完全失去显影能力，对比度随之降低。

显影时间还影响影像的颗粒度，综合考虑显影时间对影像的影响，正常显影时间一般为4～6 min，显影时间过长或过短都不能得到良好的影像质量。

2 X 射线检测实际案例

2.1 阀井围板对接焊缝X 射线检测

2014年2—4月，对厦门高崎国际机场T4 航站楼项目供油工程的阀井围板对接焊缝进行X 射线检测。对接板厚6 mm，余高1.5 mm，射线机XXQ2005G，采用单壁透照，焦距560～600 mm，曝光参数：175 kV；1.3 min，洗片采用手工冲洗，显影温度：14～16 ℃，显影时间约2 min，定影时间30 min 以上。发现情况：底片较花，像质指数达不到14 号。

改进措施：降低射线能量，提高透照时间，曝光参数调整为：160 kV；3 min。提高暗室室温，显影温度18～22 ℃。同时延长显影时间、定影时间，显影时间控制在3～5 min。

2.2 油罐焊缝射线检测

2015年7月，厦门高崎国际机场油库增容项目供油工程油罐焊缝射线检测，罐底板材质Q235B，板厚10 mm，垫板5 mm，焊接方法：SMAW，单面焊双面成型，合格等级3 级。

射线检测条件与制作的曝光曲线的条件基本一致，根据曝光曲线确定透照参数：焦距560～580 mm，透照电压190 kV，曝光时间3 min。检测现场时，罐底板抬升高度受限，见图2、图3。

图2 检测部位示意图

图3 现场罐底检测图

发现情况：底片较花，焊缝影像模糊，边界不清晰，像质指数达不到标准要求，见图4。

图4 焊缝检测影像清晰度对比图

由此可以看到，焊缝影像较为模糊，并且其边界也不清晰，像质指数没有达到标准要求。

3 原因分析及改正措施

造成底片较花，焊缝影像模糊，边界不清晰的原因主要为散射线防护不到位，尤其是背散射。

在射线检测中，必须综合优化检测工艺，但是还必须考虑散射线防护问题，散射线会影响射线检测的灵敏度，所产生的结果往往会降低底片的对比度与清晰度。因此，深入研究探讨散射线的特性、产生、影响和防护具有重要的意义。

3.1 散射线的产生

射线穿过物质时，会与物质发生相互作用，其强度会逐渐减弱，主要原因在于吸收和散射。吸收可以解释为同等能量之间的转化，光子能量被物质吸收后会转化成其他能量。散射则是直接影响光子运动方向，使其发生变化。散射是射线与物质相互作用时的必然产物，它不可避免。

3.2 散射线的特性

散射线以散射源为中心向四面八方散射，没有固定辐射方向；散射线比较软，能量小，波长长。

3.3 散射线的危害

散射线会降低影像的对比度及产生“边蚀”，也就是在一定程度上会降低射线检测的灵敏度。究其原因，主要为散射线辐射方向的不稳定与射线本身较软等。外界的散射线如果照射到胶片上，常会使底片的灰雾度提高，使底片清晰度和对比度降低，并使图像表现的灰暗模糊，无法做到正常清晰显像[4]。

由图5 可知，由于散射线波长较长，常会发生被胶片吸收的情况。在射线透照工件时，胶片上所吸收的散射线可能是吸收一次射线能量的几倍，而工件越厚这种现象则越严重，因此必须对胶片采取有效的防护措施[5-6]。

3.4 影响散射线的因素

照射场：散射线强度随着照射场增大而增大。

工件厚度：在相同射线能量照射下，工件厚度越大则散射线强度也越大。

图5 散射线示意图

焊缝余高和焊缝宽度：焊缝余高增加，散射线的强度也增大。

射线能量：散射线强度与射线能量的关系，主要体现在背散射，射线能量增加，所产生的背散射也增大。

由图6 可以看到，混凝土产生的背散射现象十分明显，而且散射线被胶片吸收后使得影响模糊。

图6 混凝土背散射示意图

3.5 散射线防护措施

散射线是射线与物质相互作用时必然产生的，而且与外界情况密切相关，不可避免，但只能将散射线的影响减到最低，而无法完全消除它。

1） 透照参数上的防护措施，减少透照时间，缩短散射线对胶片的作用时间，采用大的管电流和短的透照时间。

2） 射线能量，散射线的强度会随着射线能量的增强而减弱，这就需要采取增强射线能量的方法来降低散射线的产生，但也只能起到对射线能量的适当调整，主要目的是防止对比度和清晰度造成不必要的影响。

3） 滤波。一般情况下，在射线检测过程中所使用的射线源通常是辐射连续谱X 射线，其含有一部分具有一定波长的X 射线，而当这部分X 射线穿透物体到达或直接照射胶片时，射线被胶片吸收再产生散射线，大多采用滤波法来有效降低这一情况发生。即在X 射线管窗口附近设置滤波片，让大部分的长波射线被滤波片吸收。

4） 光阑和遮掩，限制照射场的范围，光阑通常放在靠近射线源的位置，遮掩物体不仅能吸收射线束的射线，同时也可以吸收来自周围物体或者工件的散射线，遮掩物的形状和大小应根据被透照物体的具体情况而定[7-8]。

5） 屏蔽，在工件与胶片之间安装具有一定规定厚度的屏蔽板，可吸收透照过程出现的射线，见图7。

图7 混凝土背部设置钢板厚散射线示意图

利用散线防散射方法，也就是采用铅箔作为屏蔽板，一方面吸收散射线，另一方面吸收一部分射线，以增感屏前屏来实现。同时可在胶片暗袋背部放置一定厚度的钢板或铅板吸收散射线。

3.6 工艺改进

改进检测工艺后，所拍底片见图8。

图8 改进工艺以后的底片对比图

图中可见，通过改进之后整体上增加了曝光量，减少了散射线的产生，缩短曝光时间以达到缩短散射线对胶片的作用时间。将透照电压调整为195 kV，曝光时间调整为2 min。

在胶片暗袋与混凝土之间设置具有足够厚度的铅板，能够将工件周围所产生的以及主要来自混凝土的散射线进行有效的吸收。同时在胶片暗袋背面贴附签字B，以得到签字B 的影像黑度，来评定散射线消除的效果[9-10]。

经过检测工艺改进，调整透照参数，同时加强暗室处理的规范性操作，最终检测质量达到相关标准的要求。

4 结论

由于工程射线检测所得底片质量，决定于射线检测的理论知识、工件特性以及检测工艺等因素，因此在射线检测过程中，应注重理论知识与工件特性相结合，适当调整检测工艺参数：曝光量、焦距、洗片温度、洗片时间等，同时应做好有效的射线屏蔽。