CN215005060U - 一种焊缝无损检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种焊缝无损检测装置，包括阴极电子产生单元、阳极发射X射线单元、接受射线成像单元和图像采集单元；CCD图像增强器和工业摄像机；所述阴极电子产生单元采用冷阴极电子枪，所述阳极发射X射线单元采用阳极金属靶；冷阴极电子枪的发射口指向阳极金属靶；所述阳极金属靶设置在接受射线成像单元一侧用于产生X射线后由接受射线成像单元对检测管件进行胶片的透射成像；接受射线成像单元设置在检测管件一侧，图像采集单元设置在检测管件另一侧。本实用新型主要应用于钢管焊缝的无损检测，具有低辐射，低能耗，响应快，高时间分辨率的优势。

Description

一种焊缝无损检测装置

技术领域

本实用新型涉及工业无损检测领域中射线胶片成像，具体涉及一种焊缝无损检测装置。

背景技术

胶片成像技术：在现代工业的无损检测中，因具有稳定性较好，易于操作，成像时效性强等特点，胶片成像检测技术较为普及，该检测主要依赖于射线成像的感光胶片的图像采集，加上现代技术的辅助，胶片图像可转化为摄像机获取的灵活格式的数字图像。胶片成像的目的主要是为了获取质量、大小和像素较高的图像，以便进行后续的人工评片或是电脑自动检测，所以胶片成像技术的优劣将直接影响到检测结果的准确性。

针对于应用对象钢管焊缝检测而言，通过胶片图像进行评片是最主要的检测手段，而胶片成像过程中的能够对图像质量其关键作用的环节就是射线源，目前工业领域用到的射线源有γ射线和X射线，其中X射线由于强度较γ射线强所以被更为广泛采用。但同时，X射线在应用中也有一些问题，诸如聚焦尺寸过大，发射响应速度慢，发射场电子能量过于分散，X射线管损耗严重等。

实用新型内容

本实用新型提供一种焊缝无损检测装置，解决现有方法射线源成像不够稳定，使用效率低下和图像虚影的问题。本实用新型主要应用于钢管焊缝的无损检测，具有低辐射，低能耗，响应快，高时间分辨率的优势。

为了实现上述目的，本实用新型提供了如下的技术方案。

一种焊缝无损检测装置，包括阴极电子产生单元、阳极发射X射线单元、接受射线成像单元和图像采集单元；CCD图像增强器和工业摄像机；

所述阴极电子产生单元采用冷阴极电子枪，所述阳极发射X射线单元采用阳极金属靶；冷阴极电子枪的发射口指向阳极金属靶；所述阳极金属靶设置在接受射线成像单元一侧用于产生X射线后由接受射线成像单元对检测管件进行胶片的透射成像；接受射线成像单元设置在检测管件一侧，图像采集单元设置在检测管件另一侧。

进一步，所述阴极电子产生单元采用冷阴极电子枪，冷阴极电子枪包括密封高真空管，密封高真空管盲端内壁设置有绝缘层，绝缘层一端部内设置阴极衬底，阴极衬底内侧与依次设置有阳极、行波发生器和聚集极；绝缘层另一端外依次设置有盘荷波导、输出波导和收集极。

进一步，所述密封高真空管为氧化铝外壳，氧化铝外壳内壁涂覆有陶瓷绝缘层。

进一步，所述阴极衬底为由镍合金材料构成，并覆碳纳米管；碳纳米管上结绕银钨线作为阴极。

进一步，所述盘荷波导内壁为多个凸槽间隔结构。

进一步，所述聚集极由三部分组成：两组平行金属板和一组梯形结构，且两组平行金属板位于梯形结构两侧，梯形结构有斜度的一侧内置形成锥形空间，锥形空间的底部与波发生器相对。

进一步，所述波发生器一端为弧形凹槽，弧形凹槽与聚集极相对。

进一步，所述图像采集单元包括CCD图像增强器和工业摄像机；所述CCD图像增强器设置在检测管件一侧用于对胶片图像进行增强并由工业摄像机完成图像的采集。

进一步，所述接受射线成像单元为射线窗口，射线窗口为铍材质。

进一步，所述阳极金属靶采用铜钨合金材料，结构上钨作为靶心在内，铜作为基体环绕在外；阳极金属靶横截面和入射电子束角度为30°～50°。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型针对于钢管焊缝检测的X射线发生装置，该装置采用碳纳米管冷阴极返波管作为电子发射体，采用二级式电路结构设计，将阴极衬底和阳极电场所产生的电子束在聚集极发出，通过盘荷波导加速并由发射极释放出阴极电子束，电子束于阳极金属靶2位上聚焦能量产生X射线。此射线通过窗口胶片成像。与传统的射线发生系统相比，本设计有低辐射，低能耗，响应快，高时间分辨率的优势。具体优点如下：

1.通过采用冷阴极电子枪，延长射线发生器的寿命，为快速而持续的焊缝图像采集提供了可靠的保障。传统射线发生器通过将真空管内金属丝阴极施加高温而逸出电子的方式获取射线源，由于高温会加速金属丝老化，使得元件的使用时长缩短。冷发射枪用电场取代高温，在获取同样强度的射线源前提下，管件的损耗程度大为降低。

2.本设计采用的冷发射枪发射源的二级式结构，电路简单，无需栅极电压，最大工作电压可以达到80kV，且不必额外的真空泵即可工作，所产生的射线空间计量能够满足焊缝成像焦点要求。

3.本设计中的阳极金属靶2为固定阳极，采用钨心和铜基体的组合，钨的熔点高能够耐受电子束能量的高温，而铜的导热性较好，能够有效降低阳极金属靶2的热量，减缓靶的金属蒸发，在极大程度的保留冷阴极电子枪的电子能量，而辐射量小，对缩短成像时间，减轻成像伪影有很大的帮助。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本实用新型公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本实用新型的理解，并不是具体限定本实用新型各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本实用新型的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本实用新型。在附图中：

图1为本设计的应用对象——焊缝检测图像采集系统图；

图2为冷阴极电子枪结构示意图；

图3为冷阴极电子枪聚集极截面图；

图4为冷阴极电子枪盘荷波导凸槽放大图；

图5为阳极金属靶几何结构示意图；

上述附图中，1、冷阴极电子枪；2、阳极金属靶；3、X射线；4、射线窗口；5、检测管件；6、CCD图像增强器；7、工业摄像机；8、监视屏；9、阴极衬底；10、碳纳米管；11、绝缘层；12、阳极；13、聚集极；14、输出波导；15、收集极；16、群聚电子；17、氧化铝外壳；18、盘荷波导；19、电子束；20、行波发生器；21、钨芯；22、铜基体。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清除、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1和图2所示，本实用新型主要应用于钢管焊缝的无损检测，通过以下技术方案实现焊缝图像的胶片成像：

本实用新型一种焊缝无损检测装置，具体包括阴极电子产生单元、阳极发射X射线单元、接受射线成像单元和图像采集单元；

如图2所示，所述阴极电子产生单元采用冷阴极电子枪1，所述阳极发射X射线单元采用阳极金属靶2；冷阴极电子枪1的发射口指向阳极金属靶2；所述阳极金属靶2设置在接受射线成像单元一侧用于产生X射线后由接受射线成像单元对检测管件5进行胶片的透射成像；接受射线成像单元设置在检测管件5一侧，图像采集单元设置在检测管件5另一侧。

其中，阴极电子产生单元为冷阴极电子枪1，是由密封高真空管包围构成的，包括阴极衬底9，碳纳米管10，绝缘层11，行波发生器20，阳极，输出波导14，收集极15，电子束19，盘荷波导18，磁结构，群聚电子16，聚集极13；具体连接关系为：密封高真空管盲端内壁设置有绝缘层11，绝缘层11一端部内设置阴极衬底9，阴极衬底9内侧与依次设置有阳极12、行波发生器20和聚集极13；绝缘层11另一端外依次设置有盘荷波导18、输出波导14和收集极15。

阳极发射X射线单元为阳极金属靶2；接受射线成像单元为射线窗口4；使电子束产生和加速的电源。图像采集单元包括CCD图像增强器6和工业摄像机7；CCD图像增强器6和工业摄像机7用于辅助胶片图像采集。

真空管为氧化铝材质，覆有陶瓷绝缘层；阴极衬底9为由镍合金材料构成，并覆碳纳米管10。碳纳米管10上结绕涂层为银的钨线作为冷阴极电子枪的阴极。

射线窗口4为铍材质，厚度为0.25mm，由于X射线对铍的穿透性极强，能够在胶片上较好成像。

盘荷波导18作为电子束加速装置为凸槽间隔结构，凸槽宽0.5mm，间距1.5mm，盘荷波导横截面最大直径为1.5mm，最小直径为0.5mm。

聚集极13由三部分组成：两组平行金属板和一组梯形结构，且两组平行金属板位于梯形结构两侧，梯形结构有斜度的一侧内置形成锥形空间，以使电子束汇聚不分叉。

冷阴极电子发射器的长度为50mm，管身直径设计为10mm，管口直径为0.5mm，目的是产生满足需要强度的聚焦电子束。为了控制电子束入射阳极金属靶2时的接触散热和保持电子束强度，冷阴极发射器和阳极金属靶2之间的距离设计为55mm。

阳极金属靶2作为固定阳极，为铜钨合金材料，结构上钨作为靶心在内，铜作为基体环绕在外。钨芯半径为5mm，厚度为300μm，铜基体半径为15mm，阳极金属靶2长度为50mm，阳极金属靶2横截面和入射电子束需要有一定的角度，此角度控需制在30°至50°之间，

电源设备为阴极电子产生单元、阳极发射X射线单元供电。

本实用新型的冷电子电路结构，采用二级结构的方式，用一组发射电流和低压电源用于激发射线发生器中的电子束；冷发射枪外部电路需要一组高压电源用于阴极电子和阳极金属靶2的电子逸出时的加速运动，产生X射线。

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细描述

实施例

图1中的冷阴极电子枪1外电路接一组电源电压和电流后，在内部产生阴极群聚电子流16，电子流通过发射口将电子束打向阳极金属靶2的中心，阳极金属靶2距离冷阴极电子枪55mm，且阳极金属靶2以倾斜于水平角度30°-50°放置，此时可以获得较大的电子束能量，同时阳极金属靶2和冷阴极电子枪之间可以根据需要施加一定的电压，此电压范围可根据需要进行0-80kV的调节，施加此电压的目的一是让阴极电子以更高的速率轰击阳极金属靶2心，二是让群聚电子得以更好的聚焦，得到更大的能量强度。

在焊缝检测的实际应用中，阳极金属靶2以水平角45°摆放，当冷阴极电子枪外接电压为200V，电流为300μA时，阳极金属靶2施加6.3kV的电压时，能够使X射线的聚焦光斑保持在50μm左右的范围中，峰发射电流达到0.3mA，可以产生100Gy·cm²·min^-1左右的X射线，满足了焊缝胶片成像的需求。

此设计的灵活性在于，阳极金属靶2外置于冷阴极电子枪，且采用的二级式结构形式简单，易于操作，X射线的聚焦强度和聚焦范围可以根据需要进行调整。此调整可通过调节阳极金属靶2与冷阴极电子枪的间距、以及外接的电压电流的大小、阳极金属靶2水平摆放位置等几个方面的参数来实现。

当阳极金属靶2产生X射线后，由铍材质的射线窗口4对钢管5进行胶片的透射成像，随后通过CCD图像增强器6对胶片图像进行增强并由工业摄像机7完成图像的采集。

在如图1所示的冷阴极电子枪1内部，采用激光消融法制备的碳纳米管以阵列结构沉积于阴极衬底上9，阴极衬底9与阳极12之间的空间为聚集极14，聚集极的在空间中形成锥口结构，尺寸结构如图3所示，其目的在于电子通过行波发生器20被发出时，能够通过聚集极14的锥形通道后汇聚形成电子束19，同时可以进行预聚焦。

电子束通过高功率调速的盘荷波导18时，由于盘荷波导18的凸槽结构，如图4所示，使得电子束被分为均匀间隔的群聚电子，盘荷波导的凸槽尺寸和间距决定了群聚电子的流量密度，尺寸是以发射口直径0.5mm为标准。

本设计阳极金属靶2外置于电子枪，并通电压，如图5阳极金属靶2钨芯直径为10mm，能极大程度的接收电子枪发射出的0.5mm直径电子，由于铜基体散热性较好，钨芯厚度300μm便可承受电子的高强度和高热量。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的实用新型主题的一部分。

Claims (10)

1.一种焊缝无损检测装置，其特征在于，包括阴极电子产生单元、阳极发射X射线单元、接受射线成像单元和图像采集单元；

所述阴极电子产生单元采用冷阴极电子枪，所述阳极发射X射线单元采用阳极金属靶；冷阴极电子枪的发射口指向阳极金属靶；所述阳极金属靶设置在接受射线成像单元一侧用于产生X射线后由接受射线成像单元对检测管件进行胶片的透射成像；接受射线成像单元设置在检测管件一侧，图像采集单元设置在检测管件另一侧。

2.根据权利要求1所述的一种焊缝无损检测装置，其特征在于，所述冷阴极电子枪包括密封高真空管，密封高真空管盲端内壁设置有绝缘层，绝缘层一端部内设置阴极衬底，阴极衬底内侧与依次设置有阳极、行波发生器和聚集极；绝缘层另一端外依次设置有盘荷波导、输出波导和收集极。

3.根据权利要求2所述的一种焊缝无损检测装置，其特征在于，所述密封高真空管为氧化铝外壳，氧化铝外壳内壁涂覆有陶瓷绝缘层。

4.根据权利要求2所述的一种焊缝无损检测装置，其特征在于，所述阴极衬底为由镍合金材料构成，并覆碳纳米管；碳纳米管上结绕银钨线作为阳极。

5.根据权利要求2所述的一种焊缝无损检测装置，其特征在于，所述盘荷波导内壁为多个凸槽间隔结构。

6.根据权利要求2所述的一种焊缝无损检测装置，其特征在于，所述聚集极包括：两组平行金属板和一组梯形结构，且两组平行金属板位于梯形结构两侧，梯形结构有斜度的一侧内置形成锥形空间，锥形空间的底部与波发生器相对。

7.根据权利要求2所述的一种焊缝无损检测装置，其特征在于，所述波发生器一端为弧形凹槽，弧形凹槽与聚集极相对。

8.根据权利要求1所述的一种焊缝无损检测装置，其特征在于，所述图像采集单元包括CCD图像增强器和工业摄像机；所述CCD图像增强器设置在检测管件一侧用于对胶片图像进行增强并由工业摄像机完成图像的采集。

9.根据权利要求1所述的一种焊缝无损检测装置，其特征在于，所述接受射线成像单元为射线窗口，射线窗口为铍材质。

10.根据权利要求1所述的一种焊缝无损检测装置，其特征在于，所述阳极金属靶采用铜钨合金材料，结构上钨作为靶心在内，铜作为基体环绕在外；阳极金属靶横截面和入射电子束角度为30°～50°。

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