CN1051616C - 移动式γ射线数字辐射成象无损检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动式γ射线数字辐射成象无损检测方法与装置，将辐射源及其容器、前后准直器、阵列探测器、信号与图象处理单元固定安装在刚性构架上，一安装在刚性构架上或与其相连的驱动机构带动整个装置作前后扫描运动，或刚性构架不动，由拖动机构拖动被检客体穿过照射区作前后扫描运动，从而实现对被检客体的无损检测。该装置用于对大型客体如集装箱、货车、火车、导弹等，或小型客体如机器零部件、铸件、锻件、火工品、压力容器等进行γ射线数字辐射成象无损检测。

Description

移动式γ射线数字辐射成象无损检测方法与装置

本发明涉及一种γ射线数字辐射成象无损检测方法及其装置，更具体地说，本发明尤其涉及一种移动式γ射线数字辐射成象无损检测方法与装置，用于检查集装箱、货车、导弹、小型零部件等客体的内部情况，属核技术应用领域。

现有各种型号的数字辐射成象集装箱检测装置(以后简称“检测装置”)，如法国施仑贝谢公司、德国海曼公司、英国宇航公司的产品资料以及中国专利ZL93102728.4所述，都使用电子加速器(静电加速器或直线加速器)作其高能X射线源，设备巨大、沉重、辐射强度很高，均必需固定安装在厚重的屏蔽防扩建筑内运行。此类加速器型检测装置能满足海关的查私要求，但是存在下列缺陷：

(1)检测装置为固定式装置，进行扫描检测时，必须有专门的拖动机构被检客体按所要求的具备一定精度的扫描速度通过照射区，大型集装箱货车的重量可达50吨左右。所需拖动机构能准确、稳定地拖动如此重大客体，其技术难度与价格都非常高，而且易出故障，经常是影响整体动作可靠性的一项主要薄弱环节。当被检客体很长、长重(如整列铁路货车)时，其拖动机构将更难以实现。

(2)检测装置所用加速器辐射源辐射强度很高，防护建筑主要部位的屏蔽墙厚度达2米以上。此外，由于所用加速器所产生的高能X辐射不是各向同性，所用照射野的张角一般为30°左右，因而为使照射野能包容集装箱货车等被检客体，所用阵列检测器与加速器靶的距离要相距十米以远，因此。这类装置所需建筑面积很大，往往还需要更大的辅助面积。

(3)所用加速器需要专门的运行操作人员，且维修、保养工作量很大，价格高昂。

在实际工作中，更需要辐射强度低、屏蔽简易、占地面积小、运行人员少、价格低廉而且检测精度与扫描速度仍能满足要求的检测装置。有许多需要，例如检查堆放分散的集装箱或整列铁路货车等，更难以由这种固定在厚重防护建筑内的加速器型检测装置来满足。

本发明的目的在于提供一种能满足实际需要的整体装置，容易移动、安置的移动式γ射线数字辐射成象无损检测方法与装置。

本发明提供的辐射源强度低、屏蔽简易、占地面积少、价格低廉。

下面结合附图详细描述本发明的内容。

图1是本发明的移动式γ射线数字辐射成象无损检测装置的结构示意正视图。

图2是本发明的移动式γ射线数字辐射成象无损检测装置的结构示意俯视图。

图3是本发明的检测装置另一种实施方式的结构示意图。

图4是辐射源与前准直器所处平台垂直位置较高，没有辅助支撑轮，而后准直器与阵列探测器为双拆线形式的检测装置的结构示意图。

图5是弧线型后准直器和阵列探测器的结构简图。

图6是直立形后准直器和阵列探测器的结构简图。

图7是用于检测整列铁路货车的检测装置示意图。

图中相同的部件用相应的标号表示。

本发明的第一方面涉及一种移动式γ射线数字辐射成象无损检测方法。该方法是将检测装置设置在一刚性构架上，一安装在刚性构架上或与之相连接的驱动机构带动整个装置作前后扫描运动，再者，刚性构架固定不动，而被检客体由其下面或与之相连的拖动机构拖动，穿过刚性构架内的照射区作前后扫描运动。与此同时，γ射线辐射源发出的被准直成片状的γ射线束穿过被检客体后被阵列探测器接收，从而实现对被检客体的无损检测。

上述方法中采用的γ射线辐射源为⁶⁰Co、¹³⁷Cs、¹⁹²Ir等高比活度γ射线放射性同位素辐射源。

上述驱动机构根据指令驱动刚性构架沿轨道相对于被检客体作前后平移扫描运动，从而完成对整个被检客体的无损检测。上述拖动机构根据指令拖动被检客体穿过刚性构架内的照射区使之相对于刚性构架作前后平移扫描运动，从而完成对整个被检客体的无损检测。当发现可疑情况时，可令驱动机构或拖动机构减慢其速度返回复查，以便进一步细致地进行检查判断。

本发明的第二方面涉及一种移动式γ射线数字辐射成象无损检测装置。

参见图1、图2，本发明的检测装置由安装在同一可移动的刚性构架3上的高比活度γ射线辐射源及其容器1、阵列探测器5、前准直器2、后准直器4、信号与图象处理单元6以及安装在刚性构架上或与其相连的驱动机构7组成。刚性构架3的两侧分别设置有1#平台10和2#平台11，γ射线辐射源及其容器1和前准直器2设置在1#平台10上，后准直器4、阵列探测器5、信号与图象处理单元6以及驱动机构7设置在另一侧的2#平台11上，从而形成了一个检测区。被检客体8设置在刚性构架3中，放置在搁置台9上，1#平台10的下面由辅助支撑轮12支撑，2#平台11的下面有两排驱动承重轮13，该承重轮13设置在轨道14上，可沿轨道作前后平移扫描运动。驱动机构7按指令驱动承重轮13，使安装了检测装置的刚性构架3沿轨道14按前后方面(如图2中箭头所示)以一定速度作平移扫描运动。1#平台10下面的辅助支撑轮12可辅助承受γ射线辐射源及其容器1与前准器2的重量，有助于框形刚性构架3运动的稳定性。辅助支撑轮12可不必有轨道，而直接落在平整地面上滚动。

图3展示了本发明的检测装置的另一种实施方式。被检客体8设置在拖动机构17上，用来拖动被检客体相对于检测装置作前后平移扫描运动。1#平台10和2#平台11的下面设置有若干个高度可调节的支撑部件16，用于安装固定整个检测装置。上述支撑部件16可以是液压机构、机械升降机构等。拖动机构17可按指令拖动被检客体对于检测装置以一定速度作前后平移扫描运动。

γ射线辐射源采用高比活度的⁶⁰Co、¹³⁷Cs、¹⁹²Ir等γ射线放射性同位素辐射源，活性区线度为数毫米，活度为数居里至数百居里(1×10¹¹～3×10¹³贝可)。对于集装箱等大型被检客体，应选用γ射线能量高的⁶⁰Co辐射源。对于质量厚度较小的客体，可选用γ射线能量较低的放射性同位素辐射源。本发明所采用的γ射线放射性的同位素辐射源的比活度与活度范围与工业探伤用γ射线辐射源的基本相符，而且后者已有大量定型产品供应。本发明的检测装置可采用此类自带屏蔽容器的工业探伤γ射线源，从而增加了整个装置运行的可靠性，同时显著降低了成本。

前准直器2是由铅、铁等金属或其合金制成，与γ射线辐射源容器紧密配接。前准直器中间的准直狭缝将辐射源所发射的γ射线准直成水平张角为0.1°至1°而垂直方向张角达数十度的片状射线束。

刚性框架3是一种框形结构，它是检测装置中连接安装各个单元的刚性构架。框形刚性构架3必须具备足够的强度与刚性，以保证辐射源及其容器1、准直器2和4、阵列探测器5等单元之间的相对位置固定不变。框形刚性构架3的跨度与高度应由辐射源照射野垂直方向的张角及被检客体的位置、大小和辐射源到阵列探测器5之间的距离共同决定，而且在扫描检测时必须能无阻碍地越过整个被检客体。只要框形刚性构架3的强度与刚性足够大，辅助支撑轮12可以取消。

后准直器4也由铅、铁等金属及其合金制成，它牢固地安装在框形刚性构架上，其中间的准直狭缝的宽度等于或略大于阵列探测器5的象素宽度，而且严格地对准前直器2的准直缝及辐射源的活性区。为使得各探测器元γ射线辐射源的距离差异小，后准直器4应如图1中所示的单折线形，其中直立部分的长度与被检客体的高度基本一致。

当1#平台10的垂直位置不同时，后准直器4的形状也要相应改变，但始终需保持基本上以辐射源活性区为几何中心。

在某些情况下，需要提高辐射源的位置。为了使包容被检客体的片状射线束全部被阵列探测器接收，同时使各探测器元到辐射源的距离差异小，特将后准直器4设计成双折线形，其中，直立部分的长度与被检客体的高度基本一致，如图4所示。图中的高度调节机构15可用以调节1#平台10的垂直高度，还可以将后准直器4设计成弧线形，如图5所示。后准直器4的另一种实施方式是直立形结构，如图6所示。弧形后准直器有助于改善探测条件，但在加工方面会增加难度，提高成本。

阵列探测器5一般由多个包含一定数量探测器元的探测单元顺序排列组成。各探测单元均应对准γ射线辐射源的活性区，并分别固定在刚性构架3上。必须使各探测单元间的探测盲区小于一个探测器元象素的高度，以避免信息的丢失而获得良好的γ射线辐射投影图象。刚性构架3以及相关的安装、固定措施要确保各探测器元、前、后准直器以及辐射源活性区相互一一对准。要使辐射源1所发出的γ射线经前准直器2准直成片状射线束后，再通过后准直器4而准确地射入阵列探测器5的各探测器元之灵敏体积内。探测器元的总数目要使阵列探测器5的总灵敏体积能同包容了被检客体8的γ射线照射野相匹配。

阵列探测器5的作用是将穿过被检客体后射入其灵敏体积的γ射线转换成电信号，再馈入后面的电信号与图象处理单元。要求它的探测效率与电荷灵敏度高，而且稳定可靠，能承受扫描过程中的震动及较差的环境条件。现可采用的可能满足此等要求的阵列探测器有多种，例如中国专利ZL93102728.4所阐述的“气体电离型高能χ、γ射线辐射成象阵列探测装置”、正比室、正比管或盖格管阵列、闪烁探测器阵列或半导体探测器阵列等。

电信号与图象处理单元6中包含接受探测器输出信号并进行放大的前端电路等全部模拟量处理电路、模数变换(ADC)电路以及部分或全部数字电路和计算机。操作人员及计算机等可以同时都安置在2#平台11上，随刚性构架3一同运动，实时地检测客体内部情况，并及时采取相应措施，也可以安置在一定距离外的恰当位置上，完成同样的工作但不随刚性构架3一起移动，在前一情况下，2#平台11上要设立必须的操作人员防护设施，如铅、铁屏障等。

为使刚性构架3运动平稳，而且能适应取消辅助支撑轮12的情况，整个刚性构架连同安装其上的检测装置各单元的重心应当落在两排驱动承重轮13之间。为此，必要时可在2#平台11上加一些重物当作配重体用。此配重体也可以就设计成为操作人员的防护屏障。

安装在刚性构架3的2#平台11上或与之相连接的驱动装置7包含功率足够大的电动机、内燃机或其它动力机械以及控制机构与传动机构等。它能按指令使刚性构架3连同安装其上的检测装置，沿着轨道按一定的速度要求，作前、后方向的扫描运动。

轨道14辅设在平整地面上，能保证在其上滚动前进的刚性构架3运动平衡、震动微小。

搁置台9用来搁置检测过程中静止不动的被检客体8。它可以是单纯的台架结构，要便于被检客体置于其上或移走。它也可附带一组输送被检客体8的传动机构，但此传动机的作用仅仅是放置或移出被检客体，而在检测过程中并不动作，更无速度及速度定性方面的要求，是简易的。

被检客体8可以是大型客体，也可以是小型客体。大型客体是指集装箱、集装箱货车、列车车箱、导弹甚至可以是整列火车。图7显示的是被检客体是整列火车时的情形。图中被检列车静止不动，是由列车制动装置完成而无需搁置台9。检测时，由驱动机构7带动检测装置整体沿轨道14相对于列车作前后平移扫描运动。小型客体是指曲轴、缸体、翼片、铸件、锻件、机器零部件、火工品及其零部件或压力容器及其零部件等。

当被检客体为大型客体时，被检客体静止不动，检测装置整体相对于被检客体作前后平移扫描运动，如图1、图2和图7所示。当被检客体为小型客体或易于拖动时，检测装置可固定不动，由拖动机构17拖动被检客体穿过刚性构架3内的照射野作前后平移扫描运动，如图3所示。

本发明的装置可以用来检测大型客体和小型客体。将该装置设置于海关陆路边界口岸、港口、航空港、交通要道、铁路等地，用于检测集装箱、集装箱货车、列车车箱、货车甚至整列火车等大型客体的内部情况，查找走私、违禁、危险、错误装运物品的情况。也可以将该装置设置于导弹、大型火箭的装配场地等场所，用于检测导弹、大型火箭等大型客体的内部情况，识别装配错误等异常现象。

本发明的检测装置还可以应用于客体体积小而要求检测精度高的工业无损检测领域，用于检测曲轴、缸体、翼片、铸件、锻件、机器零部件、火工品及其零部件、压力容器及其零部件等小型客体的内部情况，以便检查发现其内部的缩孔、夹渣、裂缝等缺陷。可以在生产线上进行连续的在线无损检测工作。

本发明检测装置的工作过程如下：

γ射线源发出的γ射线经前准置器2准直成片状射线束后穿过被检客体8，再经后准直器4准直后射入阵列探测器5的各探测器元的灵敏体积。各探测器元的输出信号与其所在位置接受到的γ射线强度成正比，而此处γ射线强度又与射线穿行路径上所经被检客体8相应部位的吸收能力(即质量厚度)相关。把一次采样时间内所获取的各路探测器元的输出信号收集、处理，并按序排列、显示出来，就在计算机屏幕获得一条呈垂直方向的反映片状射线束所穿过的一层客体内质量分布状况的图象扫描线。随着检测装置与被检客体间的相对平移扫描运动，片状γ射线束将按扫描运动方向依次逐层扫描过被检客体的各个部位，反映被检体内部质量分布状况的一条一条“图象扫描线”将顺序显示出来，最终获得被检客体的二维γ射线数字辐射投影图象。运用各种计算机图象处理技术，可对此图象进行局域窗放大、灰度窗和伪彩色窗调节等，从而观察图象不同层次的细部，并可将检测结果记录、存档或输出。

在本发明的检测装置中，被检客体8在扫描检测过程中一般是静止不动的，而由安装在刚性构架3上的检测装置沿轨道14作扫描运动。此时被检客体8与检测装置之间的相对运动速度完全由刚性构架3上(或与之相连接)的驱动机构7按所接受的指令来决定。由辐射统计涨落理论可知，在辐射源活度以及其它条件相同的情况下，扫描运动速度越慢，所采集到数据的统计涨落越小，因而所得的γ射线数字投影图象越清晰。在按常规扫描速度检查客体8的过程中，如果发现疑点，可令检测装置降低速度，在可疑部位处往复扫描，以实现更精细的检测。

一个被检客体8的全部检测过程结束后，检测时静止不动的客体被移走，并换入新的被检客体，进行下一轮扫描检测过程。如此重复，可持续不断地一直检测下去。

在像整列铁路货车这种被检客体十分长、大的情况下，本发明的检测装置将在设置于列车旁边的平行轨道上运动，可连续地对整列货车进行扫描检测，所获各节车箱的γ射线数字辐射投影图象可及时判别、处理，也可先存储下来再观察，或是传输到某一检测中心来统一观测与处理。

在某些情况下，例如被检客体较小或易于拖动，刚性构架3及其上的检测系统可由其支撑部件固定在某一位置上静止不动，而令被检客体在检测时按一定速度要求移动(如图3所示)，同样可获取被检客体的γ射线数字辐射投影图象。

本发明的移动式γ射线数字辐射成象无损检测装置的“移动式”不仅表现在检测过程一般是由检测系统扫描运动，而且表现在整个检测装置易于搬运、移动到需要的场所去运行。由于检测装置对配套条件要求是辅设于地面的轨道14、搁置台9、辅助支撑轮12所需的平整地面以及一般的防护措施等，而且整个检测装置的重量不过数吨，因此这种按需求在不同地点间的搬运与移动是能够而且易于实现的。

当全部电信号与图象处理单元6及操作人员都安置在2#平台11之上时，全部检测及信号处理与判断过程均在刚性构架3上实现并完成。当操作人员及图象显示与处理计算机等不放在2#平台11上时，将被安置在恰当位置的监测室内，这可使操作人员及计算机具有更好的工作环境。

实施例：

本发明的实施例为一种主要用于集装箱或集装箱货车检测的移动式γ射线数字辐射成象无损检测装置。

此装置采用活度为数百居里(小于2×10¹³贝可)的高比活度⁶⁰Co辐射源，其准直射线束的水平张角小于1°，垂直方向张角约为60°。前准直器为铅制，后准直器为铁制。选用于中国专利ZL93102728.4所阐述的阵列探测器。采用直流工作模式的前端电路以及12bit以上精度的模数变换电路。由高档微型计算机进行信号与图象处理。其刚性构架的扫描速度为10～30厘米/秒。此实施例所达到的检测性能指标将是：对100毫米铁屏吸收体的密度反差灵敏度(CI值)将优于1.5％，同样吸收体条件下的图象质量指标(IQI值)将为3～4.5％；穿透本领(SP值)则可达200毫米铁。这已能相当好地满足海关查私工作的需要。选择所给辐射源活度范围中的较大值，上述指标将进一步得到改善。CI值可小于1％，IQI值小于3％，而扫描检测速度则可达30厘米/秒。

本发明的特点是：

(1)所采用的工业用γ射线探伤源本来就是为在工业现场应用而设计、制造的，其所带屏幕容器的防护性能就可确保它能在露天场上安全地动作。由此，本发明的检测装置并不需要厚重的防护建筑，易于保障辐射安全，而且也可以在设有一定警戒范围的露天场上运作。

(2)采用由检测系统作扫描运动，而被检客体静止不同的检测模式，这特别有利于笨重、长、大、不便拖动的被检客体的无损检测。这种可以省去载荷要达数十吨以下而又要求一定的移动速度与速度精度的庞大、复杂的驱动机构。这将显著降低检测装置的造价，并提高可靠性程序。

(3)整个检测装置的重量不过数吨，而所要求的外部条件主要是轨道及平整地面等易于实现的设施，因而它可以方便地搬运、转移、安置到需要的地点去运作，而不必把所有被检客体都运到一固定的某处检测装置所在地去。这对于港口集装箱堆放比较分散的地方是很有利的。

(4)由于不需要很厚重的辐射防护建筑以及巨大的拖动装置，这将显著减少所需要的建筑面积以及要占用的辅助场地。

(5)由于采用重量轻、体积小、基本不需要维修保养的γ射线放射性同位素辐射源来取代价格昂贵并需要配备专门的运行、维修队伍的加速器，因而将显著降低本发明的检测装置的价格和所需要的运行与维修人员的数目。

综上可以看出，本发明的检测装置将是一种移动式的，屏蔽简易、运行可靠、价格低廉、而又易于操作的γ射线数字辐射成象无损检测装置，它的价格将仅为加速器型检测装置的几分之一，甚至十分之一。这对于推广应用是很有利的。

Claims (12)

1、一种移动式γ射线数字辐射成象无损检测方法，其特征在于将检测装置设置在一刚性构架上，安装在刚性构架上或与其相连的驱动机构驱动整个装置作前后平移扫描运动，或者，使刚性构架固定不动，被检客体下面或与之相连的拖动机构拖动被检客体穿过照射区作前后平移扫描运动，同时，γ射线辐射源发出的被准直成片状的γ射线束穿过被检客体后被阵列探测器接收，从而实现对被检客体的无损检测，上述的γ射线辐射源为高比度γ射线放射性同位素⁶⁰Co、¹³⁷Cs或¹⁹²Ir。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于上述驱动机构和拖动机构根据指令驱动刚性构架或拖动被检客体作前、后平移扫描运动。

3、一种移动式γ射线数字辐射成象无损检测装置，包括γ射线辐射源及其容器、前准直器、后准直器、阵列探测器、电信号与图象处理单元及拖动机构，其特征在于该装置还包括刚性构架及其驱动机构，γ射线辐射源及其容器、前准直器、后准直器、阵列探测器、电信号与图象处理单元及驱动机构固定安装在同一刚性构架上，且γ射线辐射源及其容器与前准直器、后准直器和阵列探测器及其电信号与图象处理单元分别设置在刚性构架相对两侧的1#平台和2#平台上，以形成一个检测区，上述辐射源为高比度γ射线放射性同位素⁶⁰Co、¹³⁷Cs或¹⁹²Ir。

4、如权利要求3所述的装置，其特征在于上述前准直器和后准直器由铅、铁或其合金制成。

5、如权利要求3所述的装置，其特征在于阵列探测器为阵列电离室、正比室、正比管或盖格管阵列、闪烁探测器阵列或半导体探测器阵列，由多个包含一定数量探测元的探测单元顺序排列组成。

6、如权利要求3所述的装置，其特征在于上述后准直器为直立形、单折线形、双折线形或弧线形，上述阵列探测器要与上述后准直器相匹配。

7、如权利要求3所述的装置，其特征在于上述1#平台下面设置有辅助支撑轮，上述2#平台下面带有承重驱动轮。

8、如权利要求3所述的装置，其特征在于上述1#平台和2#平台下面还设置有固定支撑整个刚性构架的支撑部件。

9、如权利要求3所述的装置，其特征在于上述电信号与图象处理单元的一部分固定安装在上述刚性构架上，其余部分设置在距刚性构架一定距离的恰当位置。

10、如权利要求3所述的装置，其特征在于上述驱动机构根据指令带动整个刚性构架相对于被检客体作前后平移扫描运动，上述拖动机构根据指令拖动被检客体穿过刚性构架内的照射区作前后平移扫描运动。

11、如权利要求3所述的装置，其特征在于上述刚性构架的跨度与高度应大于被检客体的宽度与高度。

12、如权利要求3所述的装置，其特征在于上述刚性构架上设置有高度调节部件，以调节1#平台的垂直高度。

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