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工业射线照相的历史

2014/11/13 21:41:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  李 衍

  (无锡华光锅炉公司 无锡214028)

  摘 要 概述射线照相用于工业无损检测的早期历史,也回顾了近二十年来工业射线照相的新发展,指出胶片法射线照相仍然是当前工业无损检测的主流。

  1 X射线的发现

  近代物理学就是从106年前X射线的发现开始的。

  1895年11月,德国渥次堡大学物理学教授伦琴在用通电的克鲁克斯阴极射线管作实验时,发现了一种新型射线,它会使相隔2m远的铂氰化钡荧光屏发光。因其性质未知,将其命名为X射线。他证明,这种射线对物质有穿透作用,且穿透程度因材料而异:它很容易穿透厚纸板和木材,也能部分穿透15mm厚的铝,但不能穿透重金属。

  伦琴因此新发现,于1901年成为世界上第一个获得诺贝尔奖金的佼佼者。伦琴发现X射线后,就在四个月内,尝试对各种对象拍出许多射线照片,但大多是人体方面的,伦琴拍的第一张工业射线照片就是他的猎枪。

  2 X射线工业射线照相的起步与发展

  2.1 英、美、德同时起跑

  1896年,在伦琴宣布新发现后不到两个月时间,英国伦敦的康倍尔·斯温顿(CampbellSwinton)首先用X射线透检金属发现了内部缺陷。同年,美耶鲁大学的赖特(Wright)也用X射线透检板厚4mm的钢焊缝,成功地检出了焊接缺陷;德国则对海底电缆拍出了射线底片。当时所用的X射线管都是冷阴极式的所谓克鲁克斯管。这是用泵将内部抽成低压的玻璃泡,有两个电极,通过感应线圈施加有限的高电压,故穿透力很小。

  1908年康倍尔讨论了用X射线打出的电子来成像的可能性,墨辛第尔(Mcintyre)拍出了蛙腿动作的射线活动影片,原片至今还保存着。

  2.2 热阴极电子射线管的出现——新的起点

  1913年,美威廉·柯立奇(William D.Cooliolge)宣布发现了一种新型X射线管(称为柯立奇管,即热阴极电子射线管)。这种射线管有热阴极(灯丝),能施加高得多的电压,能通过较大的管电流,且电压、电流两变量均可相互独立控制,还可使用和复制不同的组合方式。同一年,盖特(Gaede)真空泵出现,射线管真空度才达10-4托 (当时尚无可使真空度达10-9托的扩散泵)。

  1916年美国纽约通用电气公司研究所(柯立奇管发明地)尝试用增感胶片+荧光增感屏透照板厚12.7mm的氧乙炔气焊焊缝,在底片上发现了未熔合、未焊透和气孔等缺陷。射线照相作为质量评价手段初露锋芒,为焊接方法、技术的发展起了推波助澜作用。

  1917年伦敦的武尔威奇兵工厂研究所建组研究射线检测方法,将射线照相技术用于检查弹壳底座、武器弹药及雷管构件等。1922年美水城兵工厂按装了一台200kVX射线机,1926年开始用于锅炉焊缝检验。同年,德R.贝索特(Berthold)也在柏林开展工业射线检测。

  此后,工业射线照相技术在欧美比翼齐飞,有关文献风起云涌。但是,推动工业射线照相应用的重要动力之一,是许多法规、标准都有了这方面的规定性要求。其中最重要的应用之一是1930年由J.C.霍奇(Hogde)在《美国焊接学会杂志》上发表了题为“熔化焊对接压力容器的应用”一文。霍奇在该文中强调了焊缝无损检测在焊接压力容器质量检验中的重要性。1931年美发布了标准“非火焰压力容器熔化焊接规范”。一年后,巴勃考克·威尔考克斯(Babcock Wilcox)公司在美的一家锅炉厂开始为美海军制造的焊接锅炉锅筒用X射线作检验。随后美机械工程学会允许锅炉法规也适用于非火焰压力容器焊接结构。美材料试验学会(ASTM)首次认可射线照相,并于1937年成立E-7专委会,专门负责射线照相标准制订工作。

  2.3 高压元件的改进和高能射线设备的问世

  早期施加到X射线管上的高电压是感应线圈产生的,施加值是未知数。而整流器也是用机械整流器——一种同步运转的转杆式高压整流器,直径几英尺,不仅体积庞大,噪声也高。

  由于热阴极射线管的问世,再加高压变压器和高压电容器的制成,维拉特、 格莱兹 、格雷那赫 等新电路投入应用。使射线管获得更高的管电压,以对金属产生更大的穿透力,在射线管、高压元件、高压线路上又作了层层改进,种种革新。

  1932年,美在市场上又推出了一种新的柯立奇管,能在300kV、8mA下连续工作。1933年英制成了400kV、20mA的射线机,这使常规用变压器加速电子的X射线机,在使用两种增感方式——铅箔增感和荧光增感时,对钢能分别获得75mm和110mm的穿透力。

  工业射线照相的新腾飞约始于1933年。此年,美国通用电气公司推出第一代工业用超高能X射线设备。先是1MV共振式变压器配以多电极射线管,而后是2MV射线机。1942年英购到四台1MV机,其中一台装在武尔威奇,一直运转到1979年。连续使用36年间,射线管只更换了一次。跨国的巴勃考克·威尔考克斯(Babcock Wilcox)公司在英国只有2MV机,而40~50MV设备则装在美国。1941年凯斯特(Kerst)研制出第一代电子回旋加速器(简称“回加”),其中一台于次年供给英武尔威奇作实验。此机能在4.5MeV下工作,但X射线输出甚小。过后不久,美国和瑞典又制成更大功率的“回加”,其中有些就用于工业射线照相。

  20世纪50年代初,范德格拉夫(Van derGraff)研制出静电起电加速器(简称“静加”)其中有很多台在美国用于射线照相,而英国只有几台。与此同时,美瓦里安(Varian)公司和英地那米克斯(Dynamics)公司推出1~25MeV的电子直线加速器(简称“直加”),因X射线输出较强(200~25000R/min.m),使“回加”逐渐被淘汰。大多数是固定式的也有便携式的(美松浦尔克Shongburg公司制造)。早期的设备有一台固定式4MeV机装在英武尔威奇用于工业射线照相(1957),此设备一直运转到20世纪70年代末,被一台12MeV机取代。

  2.4 早期工业射线照相设备统计

  据悉,1929年美国只有5台工业射线机,1939年英国只有约12台设备。1941年英国至少有200台,而在美国只有100多台用于铸钢件检验。尽管1933年前德国尚未普及射线照相,但按贝索特介绍,二次世界大战期间,德国约有3000台移动式X射线机(100~250kV)在使用。值得注意的是,贝索特特别指出,当时德国的方针是使用盐类增感屏,而英国的操作方法已变为铅箔增感屏,以获得较好的影像清晰度。

  3 γ射线的发现

  放射性对原子概念的重大冲击始于1896年。就在X射线发现才6个星期,法物理学家亨利贝克勒尔(Henri Becquerel)发现某些重元素会放出有穿透力的射线。起先他在实验室里研究铀盐的化学特性时,对放在抽斗里的感光材料会发灰总是感到困惑不解。他曾参加了“伦琴射线”的验证,并用荧光物质重复了伦琴的实验。他发现放在此荧光屏附近的照相感光板会产生灰雾,即使伦琴射线切断亦然。最后他确信了我们现在称之为放射性的事实。此发现直接触发了居里夫妇的研究和镭的发现。贝克勒尔很快认识到,由铀盐放出的射线具有伦琴发现的X射线相同的物理性质和类似特性。

  据悉,贝克勒尔曾用γ射线拍了铝质徽章的射线底片,而居里夫人则透照了她的一个钱包。随后30年间,对γ射线的发现基本上没有作新的探索,可能是因为自然界中的镭只能少量获得。

  4 γ射线用于工业无损检测

  4.1 自然镭源的应用

  第一篇有关γ射线进行工业射线照相的科学报告是1925年由帕依龙(Pilon)和拉卜特(Laborde)发表的,检测对象是有损伤的汽轮机铸件。1929~1930年,英、美、法、德的射线检测工作者差不多是在同时分别用镭源对大厚度的铸钢件和焊缝进行γ射线照相检验,并公布了实验结果。英武尔威奇使用的是装在管中的242mg镭盐源,其有效直径3.5mm,长14mm。那时镭的代价是每mg10英磅,这样一个源在当时可谓是天价。曝光时间通常至少1小时。1938年武尔威奇拥有3个镭源。据称,1940年美海军部拥有11个镭源,总重2.8g。1941年美国镭和X射线学会成立,其主要目的是交流有关工业射线照相的信息。后来此社团改名为美国无损检测学会。

  镭γ射线源必须放在密封管中,其第一衰变物是重气体氡(222Rn86),而γ射线大多来自Ra-C和Ra-B。因此,氡源具有与镭一样的γ射线谱。氡的半衰期只有3.8天,但氡能被吸附在活性碳粒上,成为直径小于0.5mm的γ源,一个氡源约有6天的有用“寿命”,可装在重约9kg的钨合金小匣内。当年的氡是一种很有用的γ射线照相源:3Ci氡源的射线输出就与2Ci的60Co源相同,且具有某些能量较低的射线谱,源尺寸也很小。

  1952~1953年,当英哈威尔原子能研究中心(AERE Harwell)推出人造放射性同位素源时,氡源制造厂即告倒闭。

  4.2 人造放射源的出现与应

  20世纪50年代工业射线照相用的第一个人造γ射线源是钽(182Ta)。其半衰期为115天,有1.22MeV以下的复杂射线谱,在原子核反应堆中可快速激活制成。

  钴(60Co)激活时间要长得多,但拍出的射线底片与182Ta相似。其半衰期为5.3年,一般就用它来取代182Ta。早期的源来自英、美、加。60Co的能谱与X射线完全不同,只适于透照厚钢试件(50mm以上)。约在1952~1953年,铱(192Ir)源开始在英美使用。这种射线具有0.13~0.89MeV的复杂γ射线谱,主能谱为0.31和0.47MeV,半衰期74天,2×2mm的源可作为30Ci的活度。192Ir适于透照的钢厚度为10~100mm。

  为能透照薄钢件而得到优质的射线底片,人们又开始寻找具有真正低能谱的γ射线源。1953年推出铥(170Tm),其半衰期为127天,具有韧致辐射的特性(当量能90、125、260、470kV),但输出较低,线质仍嫌硬。

  镱(169Yb)约在1970年推出。首先来自波兰,然后在英国应用。169Yb有0.063~0.31MeV的宽能谱,半衰期31天,射线输出强(125mR/Ci.m)。169Yb拍出的底片在影像质量方面颇似用250~300kV射线拍出的底片。用浓缩镱,1~3Ci可作成0.6×0.6mm;100~100mCi可作成0.3×0.3mm。多用来透照小口径薄壁管。本来镱很稀有,自1994年发现一种新的自然镱源后,货源始有好转。但因半衰期短、成本高,其推广应用仍受限制。1994年德一家公司公开了硒(75Se)源的利用价值。75Se主能谱线为0.18,0.27,0.4MeV,半衰期118天,适于透照4~30mm的钢厚度。

  用于工业射线照相的γ射线源,其他还有:氙(133Xe),铕(152Eu),钠(24Na),磺(125I),镅(241Am),钐(153Sm),锰(54Mn),铈(144Ce),镉(153Gd)等。但金属探伤用得最多的目前仍是192Ir和60Co,这与40多年前的情况一样。

  γ射线可用于X射线无法透照或透照不经济的部位。尽管其透照质量不如X射线底片,但有许多应用仍被认可。

  5 射线胶片的进展

  作为工业射线照相结果的信息记录介质——感光材料的结构和性能也随着使用的射线设备、器材和工艺、技术的发展而不断改进、完善。

  5.1 从干板到胶片

  第一张由伦琴得到的射线图像是在玻璃感光板上拍摄的。由于感光板对X射线感光速度很慢,制造者曾一度试验将荧光盐类加到乳剂上,或将其浸在各种化学药液中进行增感。当初处理感光板很复杂,射线照相人员只能在浅盘中进行。1914年柯达推出了当时感光速度最快的一种X射线感光板。乳剂是含有铋的重金属盐,有助于吸收X射线。大约在这个时候,感光材料制造者开始双面涂布感光板,以增加速度和对比度。

  第一次世界大战结束,人们急需用可曲性片基取代玻璃作为乳剂支承体。1913年柯达推出硝酸纤维片基。1918年柯达又推出双面乳剂胶片。这是最早实用的快速射线胶片。利用速度较快的胶片诊断,可缩短曝光时间,减少病人的吸收剂量。1924年推出醋酸纤维安全片基,以取代以往易燃的硝酸纤维片基。

  5.2 工业射线胶片的问世

  20世纪30年代初,工业射线照相开始有明显进展。当时焊接技术正起步、成长,急需一种质量控制手段,而美国ASME也认可了锅炉焊缝的射线照相检验(1930)。二次世界大战期间,对金属材料的高要求,又使焊缝射线检测技术的应用获得了一种新的动力。

  为能用输出很有限的X射线机检查钢焊缝,早期的工业胶片须与荧光增感屏联用。此法曾用于各种钢焊缝以及厚度、密度较大的金属铸件,直到20世纪40年代初。1938年柯达为此制造了工业S型胶片(S-Screen,即增感型)。

  大约在1942年,为进行质量更好的检验,或者只要X射线输出足够,胶片用直接(即无屏)法曝光,或与铅箔增感屏联用曝光。胶片涂有很厚的乳剂,称为工业D型胶片(D-Direct,即直接型或无屏型)。这种胶片只能用手工冲洗,不能用自动洗片机处理。D型胶片用非增感法透照,也可用于铝铸件的透检。

  20世纪40年代,胶片法工业射线照相技术的应用范围扩大了。曾用于许多军用目的,诸如武器、军车、飞机结构件、铸件及航空发动机结构的检查。

  5.3 自动洗片机的问世

  20世纪50年代,自动洗片机问世。最初的洗片机仍遵循手工处理的工艺程序,但过程是自动化的。胶片置于洗片架上,垂直悬挂在药液中,1956年,柯达将第一代滚筒传输的自动洗片机——X-Omal推入医学界。1962年工业用自动洗片机出世。自动洗片都是高温(26~30℃)、短周期(8~12min)、滚筒挤压传送式洗片,对射线胶片的结构、乳剂配方都有特殊要求。片基材料采用对苯二甲酸(通称聚酯),有厚度薄、强度高、韧性好、稳定性好等特点;乳剂要求耐高温,坚膜性好。一些胶片制造单位开始生产不同速度和质量的多品种胶片。柯达提供了12种胶片等级,有CX、AA、AX、T、MX、M、B、P、G、D、DR、SR等,自动或手工冲洗药液均可适用。有一种胶片(工业P型),2.5min就可出影像观察,主要用于陆上管道检验。

  另外,还推出了X射线相纸系统,提供了20秒出影的快速、经济检测手段。

  5.4 射线胶片系统的标准化

  有关射线胶片感光特性的第一个国际标准是20世纪80年代中期的产物:ISO/DIS7004:1985。该标准规定了ISO感光度和平均梯度的测定方法。1994年由18个欧联盟成员制定了射线胶片系统的分类方法:EN584-1,-2:1994。胶片系统包括胶片、增感屏和相应的冲洗条件。该标准按成像特性:净黑度2.0和4.0时最小梯度Gmin,净黑度2.0时的最大颗粒度σDmax和净黑度2.0时的最小梯噪比(G/σD)min,将胶片系统分为C1~C6六类。同样是根据这四个特性指标,美ASTM E-1815:1996将胶片系统分为A~H八类,而ISO11699-Ⅰ,-Ⅱ:1998则分为T1~T4四类。工业射线胶片系统按像质要求而不是按感光速度的快慢来分类和选用,已反映了当今工业射线检测侧重于质量评价与质量保证的时代要求。从此工业射线胶片的制造和应用又上了新台阶。

  6 射线照相技术发展的侧重之一—影像质量

  以上对工业射线照相方法、设备、器材在欧美国家的发展历史作了概略性的介绍(由于手头资料有限,对我国、前苏联及日本的工业RT历史未作介绍)。

  60年前,世界上大多数探伤工作者都只注重X射线和γ射线透视钢焊缝或铸件的能力,而对射线底片上的影像质量几乎没有什么考虑。当时认为只要拍出片来,任何影像都是好的。

  那时,钢焊缝的日常检验已在工业发达国家的几个大公司内开始。大多数使用盐类增感屏,一则弥补射线机穿透力的不足,二则可缩短曝光时间,但所得影像质量较差,颗粒性较大。与金属增感屏联用的非增感型胶片刚开始使用,特别是在轻合金工业最早启用。但对钢焊缝却曾遭到非议:因为这样会显示出更多的焊接缺陷,因而需要作更多的返修工作。一些明智的技术权威开始思考影像质量问题,尝试制定操作方法优化的规程标准。

  英国有位世界闻名的射线检测专家——前英无损检测学会主席R.哈尔姆肖(Halmshow)博士自1941年起即毕生从事无损检测工作。年青时对射线照相影像质量问题作了深入、细致的试验、研究工作,测量了这个领域中的一些基础参数,如散射比n(增强因子)、固有不清晰度Ui等。他是世界上第一个公布Ui量值的人,也是积极推行灵敏度优化的射线检测工艺资深专家;其定量研究覆盖了大范围的X射线和γ射线能量,具有工业实用价值。不清晰度U、颗粒度σD和对比度△D是射线探伤灵敏度的三大基本要素。就像超声探伤可借助于波源轴线上的声压分布规律来计算各种规则反射体的当量大小一样,射线照相中典型细节(丝、孔、裂纹等)的检测灵敏度也是可以计算的,而且借此可对不同透照技术特性作出定量比较。

  7 数字射线照相法及其他非银胶片RT法

  20年前,由于小焦点射线机、图像增强器、闭路电视摄像机、阵列检测器、荧光成像板,以及计算机等外围设备、技术的发展,又促成了数字射线照相新技术的崛起。这种新技术是将X射线图像分解成许多微小图像单元(像素),并将各单元上的数据贮存在计算机里,需要时再将数据提取出来,进行各种处理,以获得所需要的图像信息。这是非胶片射线照相法的一种。

  其他为节省费用而不用常规银基感光胶片的技术,还有电离射线照相、静电射线照相、X射线像纸、干处理的非银胶片等技术。

  但不管是数字射线照相法,还是其他非银胶片法,目前在影像质量或探伤灵敏度方面,仍然是胶片法射线照相的质量首屈一指。数字法的系统分辨率才2~5lp/mm,而胶片法的系统分辨率可达10~20lp/mm。

  参考文献

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