冷陰極X射線成像技術(shù)在核電射線檢測中的應(yīng)用和優(yōu)勢摘要:冷陰極是一種利用碳納米材料表面的隧穿效應(yīng)發(fā)射冷電子的射線管陰極，由其開發(fā)的冷陰極X射線數(shù)字成像系統(tǒng)檢測速度快、靈敏度高、寬容度大等特點(diǎn)。本研究通過設(shè)計(jì)常見核電管道焊縫冷陰極X成像試驗(yàn)，分析該技術(shù)在核電現(xiàn)場應(yīng)用的可行性，結(jié)果表明，冷陰極X射線成像技術(shù)能夠達(dá)到膠片水平，其圖像清晰，靈敏度高，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)，分析認(rèn)為冷陰極X射線成像技術(shù)成像速度快，透照范圍可以達(dá)到10mm以下、環(huán)境劑量低、焦點(diǎn)尺寸小、實(shí)現(xiàn)射線數(shù)字化，是應(yīng)用在核電射線檢測理想的無損檢測方法，具有膠片照相無可比擬的優(yōu)勢。關(guān)鍵字：冷陰極，數(shù)字射線，核電，環(huán)境劑量緒論“冷陰極”是指電子管中不用加熱的方式而發(fā)射電子的陰極。冷陰極X射線機(jī)即采用高導(dǎo)電率的場發(fā)射碳納米材料制作射線管的陰極，其電子產(chǎn)生和移動(dòng)是利用場致發(fā)射原理完成的，即在強(qiáng)電場作用下電子從固體表面進(jìn)入真空。其在使用壽命，尺寸，重量，發(fā)射時(shí)間等方面較傳統(tǒng)熱陰極X射線機(jī)有明顯優(yōu)勢。冷陰極X射線數(shù)字成像系統(tǒng)系統(tǒng)成像原理冷陰極數(shù)字射線成像技術(shù)的物理基礎(chǔ)仍是以射線吸收規(guī)律為基本原理的射線檢測技術(shù)。對(duì)數(shù)字射線檢測技術(shù)，初始檢測信號(hào)與常規(guī)膠片射線照相檢驗(yàn)技術(shù)相同，仍然是物體對(duì)比度：.■-I■■-（式1-1）

式中：I為射線強(qiáng)度；口為射線的線衰減系數(shù)；n為散射比；AT為厚度差。不同的是的這種特性。對(duì)于探測器，一般都工作在線性區(qū)，圖3顯示了分立輻射探測器不同的是的這種特性。圖3分立輻射探測器的光電轉(zhuǎn)換特性即可認(rèn)為圖像亮度（L）信號(hào)與射線檢測信號(hào)間近似為線性轉(zhuǎn)換關(guān)系："燈（式1-2）式中：k為常數(shù)。因此對(duì)檢測圖像有：/I（式1-3）小制麗喬石（式1-4）或（美國標(biāo)準(zhǔn)，總的不清晰度采用三次方關(guān)系）心罰皿呵噸（式1-5）式中：「為焦點(diǎn)尺寸；M為透照布置的放大倍數(shù)；—為探測器（系統(tǒng)）的固有不清晰度。同時(shí)，成像系統(tǒng)中，信噪比SNR定義為檢測圖像某區(qū)的平均信號(hào)與該區(qū)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差之比。對(duì)于灰度圖像，若記圖像像素的灰度為GV,則有：Error:Referencesourcenotfound（式1-6）Error:Referencesourcenotfound（式1-7）式中：S為檢測圖像某區(qū)的平均信號(hào)，6為該區(qū)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差，SNR=S/6。1.2系統(tǒng)組成冷陰極X射線數(shù)字成像系統(tǒng)可以稱作冷陰極“DR”，它由冷陰極X射線機(jī)，平板探測器，采集軟件已經(jīng)相應(yīng)工裝組成。其中，冷陰極X射線機(jī)由發(fā)射單元和控制單元組成，發(fā)射單元采用脈沖式激發(fā)，單次照射立即成像，控制單元通過普通干電池或鋰電池驅(qū)動(dòng)，便攜方便。平板探測器為分辨率高、像元尺寸小（120um）的靜態(tài)平板探測器。采集軟件通過網(wǎng)線或者無線通訊方式與設(shè)備連接,可以實(shí)現(xiàn)圖像采集，冷陰極X射線機(jī)控制，圖像處理等功能。試驗(yàn)2.1檢驗(yàn)對(duì)象現(xiàn)有的冷陰極X射線機(jī)最高電壓可達(dá)180KV，因此，穿透能力有限。本研究針對(duì)冷陰極X射線機(jī)穿透能力范圍內(nèi)的檢驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行研究，其檢驗(yàn)對(duì)象如表1所示。表1檢驗(yàn)對(duì)象工件編01020304材質(zhì)碳鋼碳鋼碳鋼碳鋼規(guī)格/mm?60X5?60X5?13.7X1.25?130X62.2檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)受限于核電現(xiàn)場復(fù)雜的工況環(huán)境，現(xiàn)場工件和焊縫射線檢查仍主要以傳統(tǒng)膠片照相檢測為主，幾乎很少采用數(shù)字射線成像技術(shù)，因此，對(duì)該類數(shù)字射線檢測的工藝和標(biāo)準(zhǔn)仍處于摸索階段。2015年我國頒布的NB/T47013.11《壓力容器無損檢測第11部分：X射線數(shù)字成像檢測》規(guī)定了X射線數(shù)字成像檢測的一般工藝和圖像驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，可以一定程度上指導(dǎo)核電射線數(shù)字射線檢測，但是該標(biāo)準(zhǔn)仍具有一定局限性。2.3檢驗(yàn)工藝本試驗(yàn)采用RCCM標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)檢驗(yàn)工藝和相關(guān)參數(shù)，根據(jù)檢驗(yàn)對(duì)象不同，選擇雙壁雙影或是雙壁單影透照方式。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，其透照焦距可以滿足式“，其中f：焦距，d：焦點(diǎn)尺寸，b公稱厚度。試驗(yàn)不采用放大技術(shù)，探測器盡可能貼近工件。本試驗(yàn)采用的具體檢驗(yàn)工藝參數(shù)如表2所示。表2檢驗(yàn)工藝工件編 01 02 03 04透照方式雙壁雙影雙壁雙影雙壁雙影雙壁單影電壓/KV155155151155電流/mA2.52.52.52.5曝光時(shí)間/S22222.4檢驗(yàn)結(jié)果分辨率測量根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)冷陰極X射線成像系統(tǒng)分辨率進(jìn)行測量，系統(tǒng)分辨率主要依賴探測器系統(tǒng)的基本空間分辨率，也是影響檢測圖像不清晰度的主要因素。冷陰極X射線成像系統(tǒng)中，圖像不清晰度與空間頻率線對(duì)值互為倒數(shù)關(guān)系，通常采用雙絲像質(zhì)計(jì)進(jìn)行測定，關(guān)系可以表示為R=l/2d，其中，R是空間頻率線對(duì)值，d為不能區(qū)分絲對(duì)的最大絲直徑，可以用像元尺寸表示。本檢測系統(tǒng)選擇的探測器像元尺寸154口m，即R=3.24Lp/mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，雙絲像質(zhì)計(jì)應(yīng)能分辨D8,即空間分辨率應(yīng)為D9。以雙絲像質(zhì)計(jì)表征本試驗(yàn)系統(tǒng)空間分辨率，對(duì)其的計(jì)算分析結(jié)果表明，本試驗(yàn)檢測系統(tǒng)滿足空間分辨率要求，滿足本試驗(yàn)檢驗(yàn)對(duì)象穿透厚度要求。對(duì)比度測量結(jié)果圖像對(duì)比度采用的是單絲像質(zhì)計(jì)絲徑表征，其測量結(jié)果如表3所示表3對(duì)比度測量結(jié)果工件編01020304像質(zhì)計(jì)靈敏度W14W14W15 | W15標(biāo)準(zhǔn)要求像質(zhì)計(jì)靈敏度W13W13W15W132.4.3圖像效果本試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果顯示檢驗(yàn)圖像清晰，缺陷顯示明顯。核電應(yīng)用優(yōu)勢3.1檢測速度冷陰極數(shù)字射線成像繼承了數(shù)字射線成像速度快、曝光時(shí)間短、實(shí)時(shí)顯示檢驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)點(diǎn)，更進(jìn)一步，由于其穿透能力范圍在20mm以下的管道焊縫，檢測時(shí)間均W2S，能明顯降低檢驗(yàn)人員的接受劑量和遭受誤照風(fēng)險(xiǎn)。環(huán)境劑量冷陰極X射線數(shù)字成像系統(tǒng)用于核電現(xiàn)場射線檢測安全性高，環(huán)境劑量率小焦點(diǎn)尺寸冷陰極X射線機(jī)采用碳納米材料制作而成，且在發(fā)射過程中，產(chǎn)生較小的能量損耗，因此，可以將射線機(jī)焦點(diǎn)尺寸制作到極低的水平而不影響射線機(jī)結(jié)構(gòu)和尺寸。如試驗(yàn)采用的冷陰極X射線機(jī)的有效焦點(diǎn)尺寸為1mm，作為成像系統(tǒng)的射線源可以較大的提高檢測靈敏度和分辨率，并且應(yīng)用于復(fù)雜的核電作業(yè)現(xiàn)場，可以實(shí)現(xiàn)小焦距檢測，便于布置和提高射線檢測可達(dá)性。結(jié)論冷陰極X射線數(shù)字成像技術(shù)核電應(yīng)用試驗(yàn)中，管道焊縫的圖像質(zhì)量可以達(dá)到膠片水平，像質(zhì)計(jì)靈敏度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，缺陷顯示清晰。同時(shí)，冷陰極X射線數(shù)字成像技術(shù)在核電現(xiàn)場應(yīng)用中還具有：1）檢測速度快；2）有足夠的標(biāo)準(zhǔn)支撐；3）環(huán)境劑量率低；4）焦點(diǎn)尺寸小，可實(shí)現(xiàn)小焦距透照；5）射線數(shù)字化等優(yōu)勢作為替代膠片照相的一種無損檢測方法，冷陰極X射線數(shù)字成像技術(shù)將極大節(jié)省核電站檢修工期和提高檢驗(yàn)質(zhì)量，在核電站的應(yīng)用是可行的，也是必要的。參考文獻(xiàn)雷威.基于碳納米管冷陰極的全封裝X射線管[A].中國電子學(xué)會(huì)真空電子學(xué)分會(huì)、大功率微波電真空器件技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.中國電子學(xué)會(huì)真空電子學(xué)分會(huì)第十九屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（下冊(cè)）[C].中國電子學(xué)會(huì)真空電子學(xué)分會(huì)、大功率微波電真空器件技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室:中國電子學(xué)會(huì)真空電子學(xué)分會(huì),2013:5.BiB