CN106093080A - 一种基于数字射线成像技术探测器响应曲线的金属合金材料散射比测量方法 - Google Patents

一种基于数字射线成像技术探测器响应曲线的金属合金材料散射比测量方法 Download PDF

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张士晶
吴伟
敖波
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向奇
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Abstract

本发明公开了一种基于数字射线成像技术探测器响应曲线的金属合金材料散射比测量方法。其测量方法为：首先利用剂量仪和数字射线探测器来获取数字探测器对X射线的响应特性曲线，然后分别在宽束和窄束两种条件下，将待测金属材料阶梯试块放在X射线透照场中，选取一系列不同的管电压和曝光量进行单壁垂直透照，从获取阶梯试块数字图像上读出宽束和窄束条件下各阶梯的灰度值，利用数字探测器响应特性曲线找出各灰度所对应的曝光量，进而计算出不同电压下金属合金材料对应的散射比。本发明的优点是：与传统的基于胶片的射线照相技术的测量方法相比，简单，高效，可操作性强，重复性好，可以实现对大多数金属合金材料的射线散射比测量。

Description

一种基于数字射线成像技术探测器响应曲线的金属合金材料 散射比测量方法
技术领域
本发明涉及数字射线成像技术，利用数字射线探测器的响应曲线对金属材料在X射线透照条件下的散射比进行测量，是属于射线无损检测范围的一种材料表征方法。
背景技术
利用X射线透照物质进行无损检测时，射线强度由于物质的吸收和散射作用会发生衰减，这种强度衰减的分布反映为射线探测器上的衬度差异，进而形成影像，通过分析影像就可以实现对物质内部不连续性的判断和检测。在常规射线检测的能量范围内，X射线通过金属材料到达射线探测器时，射线束中除了沿入射方向没有与物质发生相互作用的透射线外，不可避免的还包含与物质相互作用产生的散射线，实际工业检测应用的射线总是这种包含有散射成分的宽束射线。同透射线一样，散射线同样会被探测器接收产生输出响应信号，从而对检测影像质量产生消极影响，主要表现为降低影像的对比度，信噪比，空间分辨率和灵敏度并对变截面大厚度比工件的厚部位产生边蚀，造成缺陷的漏检。因此，研究X射线检测中散射线对检测效果的影响具有现实意义。对于宽束射线，可以利用散射比来定量地研究散射线对实际检测的影响，散射比是X射线检测中影响影像质量所需要控制的重要参数，其大小与射线能量、穿透物质的种类、穿透厚度等因素有关。散射比的测量方法主要有准直器曝光法，射线窗口曝光法和铅块遮挡曝光法。一些研究者对材料的散射比进行了测量和研究。如杨晓华和兑卫真在（“X射线与三种金属作用的定量分析”，有色金属工程2002（02）16-19）一文中利用射线窗口曝光法对铁和铝材料经X射线透照时产生的散射线进行了测量，确定了管电压和材料厚度与散射比的关系曲线。又如于漫漫和高鸿波在（“TC4和GH4169合金X射线散射比的测定及分析”，南昌航空大学学报：自然科学版2013（03）93-97）一文中利用铅块遮挡曝光法对激光快速成型TC4钛合金和GH4169高温镍基合金经X射线透照时的散射比进行了测量，研究比较了两种合金材料的散射比与射线管电压和材料厚度的变化关系。然而以上对材料经X射线透照时的散射比研究和测量均采用工业胶片作为射线探测器和记录介质，不仅需要持续不断地消耗大量胶片，而且曝光后的胶片必须进行暗室处理，获取测试结果的周期长，同时还将产生大量对环境有害的化学废液。随着数字化技术的飞速发展，非胶片的数字射线成像技术得到越来越多的应用。数字射线成像技术涵盖了CR技术，实时成像技术，阵列探测器技术，CT技术等，除了具有传统X射线胶片照相法的优点外，还具有检测速度快，探测效率高，价格成本低，存储和传送方便，能及时快捷地实现资源共享等诸多优点，其取代传统的X射线胶片成像技术已成为X射线检测的发展趋势。但是数字射线成像技术采用数字化辐射探测器代替胶片完成射线信号的探测与转换，这使射线检测技术出现了新的过程，使检测结果具有了新特点，对测量技术产生了新的要求。
发明内容
针对数字射线成像技术的新特点，本发明提供了一种利用数字射线成像技术和金属合金材料阶梯试块在X射线透照条件下测量金属材料散射比的方法，提高测量效率，节约成本。
其测试系统包括X射线机，数字化的辐射探测器，数字图像扫描读出器，射线剂量仪以及准直器，测试对象为金属材料的阶梯试块。技术方案包含以下步骤：
（1）将数字化辐射探测器置于X射线透照场中，在某一固定的管电压下，选取一系列不同的管电流和曝光时间，对探测器进行垂直透照，利用剂量仪分别测量上述条件下探测器所处位置的曝光量，同时从获取的数字图像上读出不同曝光量所对应的灰度值，将灰度值取对数作为纵坐标，相应的曝光量取对数作为横坐标，并进行数据拟合做出探测器响应特性曲线。
（2）选取一系列不同的管电压，重复步骤（1），可以得到一族不同管电压下的探测器响应特性曲线。
（3）分别在宽束（试块表面无准直器）和窄束（试块表面放置准直器）两种条件下，将其上放有待测金属合金材料阶梯试块的辐射探测器，置于X射线透照场中，选取一系列不同的管电压进行单壁垂直透照，焦距不小于1000毫米。从获取的阶梯试块数字图像上读出某一管电压下，宽束和窄束条件下各阶梯的灰度值（A/D值），利用相同管电压下数字探测器响应特性曲线读出各灰度所对应的曝光量，通过公式（1）计算出不同管电压和不同材料厚度对应的散射比。
（1）
进一步，所述的一系列管电压最高可达常规射线机的最大额定管电压极值约400KV，一系列管电压为80KV-400KV。
进一步，所述的数字化辐射探测器为IP成像板，非晶硅平板探测器，非晶硒平板探测器，闪烁体结合CCD探测器或闪烁体结合CMOS探测器中的一种。
进一步，所述的待测合金材料阶梯试块即金属材料为碳素钢，合金钢，不锈钢，钛合金，铝合金，高温合金，镁合金，铜合金，锌合金。
本发明的有益效果为：与传统的基于胶片的合金材料散射比测量方法相比，本发明给出了利用数字射线成像技术来研究金属合金材料散射的可行方法，实现了金属材料散射比的数字化测量，数字化辐射探测器对于传统胶片的替代在很大程度上节约了成本，提高了效率，同时避免了胶片处理所带来的大量废液对环境的危害以及暗室胶片处理条件对测试结果的影响。
附图说明
图1 80KV管电压下IP板的响应特性曲线图。
图2 90KV管电压下IP板的响应特性曲线图。
图3 利用数字化辐射探测器测量合金材料散射比示意图。
图4 TC4钛合金散射比随电压变化关系试验数据点和拟合曲线图。
图5 GH4169高温合金散射比随电压变化关系试验数据点和拟合曲线图。
图1和2中横坐标为E的自然对数，，管电流与曝光时间的乘积，单位毫安·秒,这是实际X射线检测通常使用的“简易曝光量”，与曝光量，到达探测器的X射线强度与曝光时间的乘积，单位戈瑞不完全相同，但是在固定管电压，固定X射线机，固定数字辐射探测器，固定焦距的条件下，两者存在固定的比例关系，即，因此可以互换。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
现以射线CR技术的IP板响应曲线测定TC4钛合金和GH4169高温合金散射比为例，说明本发明的测量方法。
步骤一，将IP板在不同的管电压下曝光，其管电压的涵盖范围根据材料和实际需求来选择，最高可达常规射线机的最大额定管电压极值约400KV。在每一固定管电压下，选取不同的管电流和时间组合进行透照，利用剂量仪测量出每一个管电流和时间组合下IP板处的曝光剂量值，然后将该曝光剂量的IP板送入CR系统专用的数字图像扫描读出器获取数字图像，从该数字图像上选择灰度均匀的区域读取平均灰度值（A/D值），以平均灰度的常用对数为纵坐标，曝光剂量的常用对数为横坐标，通过数据拟合画出该管电压下的IP板响应特性曲线。在不同的管电压下重复上述操作，即可得到一族IP板的响应特性曲线。如图1和图2就是在80KV和90KV管电压下测量的IP板响应特性曲线。
步骤二，如图3所示，将合金材料阶梯试块和IP板放置在X射线透照场中，合金阶梯试块置于IP板上方射线源侧，在阶梯试块与IP板之间以及阶梯试块射线源侧表面放置准直器，在某一固定管电压下进行窄束透照，从获取的数字图像上读出每个阶梯的平均灰度值，利用步骤一的同一管电压下的IP板响应特性曲线找出每个阶梯对应的窄束曝光量值HD，在同一管电压下，去掉准直器，对阶梯试块进行宽束透照，重复上述步骤，查出每个阶梯对应的宽束曝光量值H。
步骤三，将同一管电压下对应的每个阶梯的HD和H代入公式（1），求出该电压下每一阶梯厚度所对应的散射比。
步骤四，改变管电压，重复步骤一到步骤三，可以求出不同阶梯厚度的散射比随电压的变化关系曲线并拟合。如图4和图5就是基于CR技术的，不同厚度的TC4钛合金与GH4169高温镍基合金射线散射比随电压的变化关系曲线。

Claims (4)

1.一种基于数字射线成像技术探测器响应曲线的金属合金材料散射比测量方法，其测试系统包括X射线机，数字化的辐射探测器，数字图像扫描读出器，射线剂量仪以及准直器，测试对象为金属合金材料的阶梯试块；其特征在于所述测量方法为：
（1）将数字化辐射探测器置于X射线透照场中，在某一固定的管电压下，选取一系列不同的管电流和曝光时间，对探测器进行垂直透照，利用剂量仪分别测量上述条件下探测器所处位置的曝光量，同时从获取的数字图像上读出不同曝光量所对应的灰度值（A/D值），将灰度值取对数作为纵坐标，相应的曝光量取对数作为横坐标，并进行数据拟合做出探测器响应特性曲线；
（2）选取一系列不同的管电压，重复步骤（1），可以得到一族不同管电压下的探测器响应特性曲线；
（3）分别在宽束即试块表面无准直器和窄束即试块表面放置准直器两种条件下，将其上放有待测金属合金材料阶梯试块的辐射探测器，置于X射线透照场中，选取一系列不同的管电压进行单壁垂直透照，焦距不小于1000毫米；从获取的阶梯试块数字图像上读出某一管电压下，宽束和窄束条件下各阶梯的灰度值，利用相同管电压下数字探测器响应特性曲线读出各灰度所对应的曝光量，通过公式（1）计算出不同管电压和不同材料厚度对应的散射比；
（1）
期中为合金材料的散射比，是到达探测器的散射线强度，到达探测器的一次射线强度，宽束条件下到达探测器的X射线的曝光量，窄束条件下到达探测器的X射线的曝光量。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字射线成像技术探测器响应曲线的金属合金材料散射比测量方法，其特征在于：所述的一系列管电压最高可达常规射线机的最大额定管电压极值约400KV。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字射线成像技术探测器响应曲线的金属合金材料散射比测量方法，其特征在于：所述的数字化辐射探测器为IP成像板，非晶硅平板探测器，非晶硒平板探测器，闪烁体结合CCD探测器或闪烁体结合CMOS探测器中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字射线成像技术探测器响应曲线的金属合金材料散射比测量方法，其特征在于：所述的金属材料为碳素钢，合金钢，不锈钢，钛合金，铝合金，高温合金，镁合金，铜合金，锌合金。
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