第二章射線檢測

第二章射線無損檢測2.1射線檢測的物理基礎2.1.1

射線的種類和頻譜

在射線檢測中應用的射線主要是X射線、γ射線和中子射線。X射線和γ射線屬于電磁輻射，而中子射線是中子束流。

1X射線

X射線又稱倫琴射線，是射線檢測領域中應用最廣泛的一種射線，波長范圍約為0.0006～100nm,

在X射線檢測中常用的波長范圍為0.001～0.1nm。X射線的頻率范圍約為3×109～5×1014MHz。它具有光的特性，例如:反射、折射、干涉、衍射、散射和偏振等現(xiàn)象。它能使一些結晶物體發(fā)生熒光、氣體電離和膠片感光。

1895年，倫琴51歲,開展陰極射線管放電實驗

他先用黑紙把陰極射線管包起來，再通電試驗。這時，放置在旁邊的一塊涂有鉑氰酸鋇的結晶物質(zhì)的屏幕發(fā)出了熒光

要是在陰極射線管和熒光屏之間加上一個隔離物又該怎樣呢？？？人類第一次X射線無損檢測在熒光板的后邊，清晰地顯現(xiàn)出手指骨骼的影子倫琴揮舞著這不尋常的照片，大聲說：“這是我們貢獻給人類的禮物！”可這使熒光物發(fā)光和有高度穿透力的射線是什么？倫琴夫人說：“這是個未知數(shù)，是X”倫琴說：“對！就叫它X射線——1895年11月8日

γ射線是射線檢測中最常用的兩種射線之一，是放射性物質(zhì)自發(fā)產(chǎn)生的，如鈷、鈾、鐳等。

γ射線是一種波長比X射線更短的射線，波長范圍約為0.0003～0.1nm（見圖2-1），頻率范圍約為3×1012～1×1015MHz。

工業(yè)上廣泛采用人工同位素產(chǎn)生γ射線。由于γ射線的波長比X射線更短，所以具有更大的穿透力。在無損檢測中γ射線常被用來對厚度較大和大型整體工件進行射線照相。

2γ射線電磁波譜電磁波譜波長:1041810610210101012101104102410m1041810610210101011610104210281100210頻率:Hz2-1電磁波的波長分布紅外線紫外線微波無線電波X射線g射線可見光3α射線與β射線

放射性同位素產(chǎn)生α衰變和β衰變，放射α射線和β射線。

α射線貫穿能力弱，但有很強的電離作用。

β射線雖然穿透力強，但能量很小。一般并不直接用α射線和β射線進行檢測，它們適用于特種場合。與X射線和γ射線不同，α和β射線不是電磁波，而是粒子輻射。中子是構成原子核的基本粒子。中子射線是由某些物質(zhì)的原子在裂變過程中逸出高速中子所產(chǎn)生的。4

中子射線中子與X和γ射線有很大不同，在被穿透材料中的衰減主要取決于材料對中子的俘獲能力。對鉛來說，X和γ射線穿透能量衰減很大，但俘獲中子的能力很?。粚鋪碚f正好相反。工業(yè)上常用人工同位素、加速器、反應堆來產(chǎn)生中子射線。在無損檢測中中子射線常被用來對某些特殊部件(如放射性核燃料元件)進行射線照相。（1）普通X射線和γ射線的局限：普通X射線和γ射線，由于其能量低、穿透力差，檢測能力受到限制。超過100mm厚鋼板不能用一般X射線檢測，超過300mm厚鋼板很難用γ射線進行檢測。定義：高能X射線是指能量超過1000keV的X射線，都由加速器產(chǎn)生。分級：被加速粒子的能量在1000MeV以上是高能加速器，能量在100MeV以下是低能加速器，能量在100～1000MeV之間是中能加速器加速器分類：按加速器種類可以分為電子加速器、質(zhì)子加速器、重離子加速器等。5.高能X射線（2）解決辦法：可采用加速器產(chǎn)生的高能X射線檢測：例如對厚度達300～500mm的鋼板，采用高能X射線檢測可獲得滿意結果。

（3）有關說明（4）射線檢測加速器：

射線檢測中應用的加速器都是電子加速器，能量數(shù)兆電子伏到數(shù)十兆電子伏范圍內(nèi)，一般都在45MeV以下，即用低能電子加速器產(chǎn)生

檢測對加速器的要求是：束流強度大、焦點尺寸小、體積小、重量輕、成本低、操作容易、維護簡單等。適合工業(yè)無損檢測用加速器，主要有電子感應加速器、電子直線加速器和電子回旋加速器。6.放射性活度與比活度放射性活度：在單位時間內(nèi)衰變的原子核數(shù)量，稱為放射性活度，以α表示。貝克勒爾：貝克勒爾(becquerel,Bq)是放射性活度的國際單位，是以法國物理學家安東尼·亨利·貝克勒爾（1852—1908）的名字命名的。放射性元素每秒有一個原子發(fā)生衰變時，其放射性活度即為1貝克。居里(Ci)：若某種物質(zhì)每秒鐘有3.7×1010個原子衰變，則該物質(zhì)的放射性活度為1Ci(居里)比活度：單位質(zhì)量放射性物質(zhì)的活度稱為比活度，單位為Ci/g(居里/克)1.X射線:通常是將高速運動的電子作用到金屬靶(一般是重金屬)上產(chǎn)生的。右圖是在35kV電壓下操作時，鎢靶與鉬靶產(chǎn)生的典型的X射線譜。鎢靶發(fā)射的是連續(xù)光譜，而鉬靶除發(fā)射連續(xù)光譜之外還疊加了兩條特征光譜，稱為標識X射線，即Kα線和Kβ線。若要得到鎢的Kα線和Kβ線，則電壓必須加到70kV以上。

2.1.2X射線的產(chǎn)生2-2鎢與鉬的X射線譜

真空管：真空度小于1.33x10-4帕陰極：鎢絲燒成螺旋式，通以電流鎢絲燒熱放出自由電子并將電子束聚焦。高壓：陽極A和陰極K間加高壓，一般幾萬伏到幾十萬伏陽極：發(fā)射x射線，陽極靶通常由傳熱性好熔點較高的金屬制成

，如鎢、鉬、鉑等2.X射線管及其結構高速運動的電子與物體碰撞時，發(fā)生能量轉換，電子的運動受阻失去動能，其中小部分（1％左右）能量轉變?yōu)閄射線，而絕大部分（99％左右）能量轉變成熱能使物體溫度升高。因此陽極材料一般應選用耐高溫材料并通以介質(zhì)加冷卻。窗口：是X射線射出的通道，通常有2或4個；材料既要有足夠的強度以維持管內(nèi)高真空，又對X射線的吸收較小。金屬鈹、硼酸鈹鋰構成的林德曼玻璃。接變壓器玻璃鎢燈絲金屬聚燈罩鈹窗口金屬靶冷卻水電子X射線X射線X射線管剖面示意圖過程演示

指標：X射線管是X射線探傷裝置的核心，一臺X射線探傷機的優(yōu)劣主要是看其X射線管的技術性能：如穿透能力，透照清晰度，使用壽命等，這些都與X射線管的質(zhì)量直接有關。3.X射線管的性能

焦點性能與陰陽極：X射線管的陰極起著發(fā)射電子和聚焦電子的作用，陽極焦點的形成取決于陰極的形狀、陰極頭的形狀、大小、凹面直徑、深度、燈絲直徑和位置都對X射線焦點的形狀和大小有直接影響。

飽和電流：鎢絲的溫度決定于加熱電流強度，當達到一定管電壓而管電流不再增加時，稱為飽和電流。

角度：一般陽極靶與管軸垂直方向約成20o傾斜角，X射線束則形成一個約40o圓錐向外輻射，其強度與均勻度如圖所示。

強度分布：X射線窗口中心部位的射線強度為100%時，靠近陰極側的射線強度比陽極側偏高。因此一般透照焊縫時，盡量使焊縫垂直于X射線管軸線，以獲得曝光均勻的底片。4.陽極靶的特征實際焦點：X射線管焦點是決定X射線管光學特性好壞的重要標志，焦點大小直接影響探傷靈敏度。由于多數(shù)X射線管的陰極形狀是線焦點，在陽極靶面上呈長方形，X射線從這個長方形射線源發(fā)出，這就是實際焦點。5.焦點的特征有效焦點：當靶面與X射線管軸線的垂直線之間傾斜20o時，其有效焦點面積約為實際焦點面積的三分之一。相關因素：X射線照相靈敏度與有效焦點直接有關，實際焦點面積大對散熱有利，有效焦點面積小對透照靈敏度有利。常用有效焦點：2.3×2.3、3×3、4×4(mm)等尺寸，采用特殊的磁聚焦方法可以使有效焦點尺寸達到0.1～0.2mm。

小焦點X射線管雖然具有探傷靈敏度高，透照清晰的優(yōu)點，但是由于焦點面積小，陽極靶很容易因局部過熱而被燒壞。

2.1.3X射線譜

1.實驗條件：

Mo靶，35kV高壓

2.實驗曲線：

3.連續(xù)X射線：根據(jù)電動力學理論，具有加速度的帶電粒子將產(chǎn)生電磁輻射。（1）產(chǎn)生：在X射線管中，高壓電場加速陰極電子，當具有很大動能的電子達到陽極表面時，由于猝然停止；它所具有的動能使陽極材料原子電離和激發(fā)轉變?yōu)殡姶挪ㄝ椛涑鋈?。碰撞一次產(chǎn)生一個能量為hv的光子，這樣的光子流即為X射線。單位時間內(nèi)到達陽極靶面的電子數(shù)目是極大量的，絕大多數(shù)電子要經(jīng)歷多次碰撞，加速度不同，產(chǎn)生能量各不相同的輻射，即所謂韌致X射線，所以輻射的電磁波具有連續(xù)變化的波長，即連續(xù)X射線。X射線譜K態(tài)（擊走K電子）L態(tài)（擊走L電子）M態(tài)（擊走M電子）N態(tài)（擊走N電子）擊走價電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量連續(xù)X射線產(chǎn)生過程電子沖擊陽級靶X射線射出演示過程（回車鍵演示）

2)連續(xù)X射線的波長在長波方向，理論上可以擴展到λ=∞；而在短波方向，實驗證明具有最短波長λmin(2-1)（2-1）

式中：U為X射線管的管電壓，單位為kV。

（2）連續(xù)X射線的特點：在任何X射線管中，只要電壓達到一定數(shù)值，連續(xù)X射線總是存在的。連續(xù)X射線具有以下特點：

20040010000200003000040000KKI(計數(shù)/秒)1)連續(xù)X射線的波長與陽極的材料無關。（3）短波限及其推算：

短波限λmin：由電子一次碰撞就耗盡能量所產(chǎn)生的X射線。它只與管電壓有關，不受其它因素的影響相互關系為：

式中：U為X射線管的管電壓，單位為kV。

不同的短波限（4）連續(xù)X射線的相關因素管電流越大,表明單位時間撞擊靶的電子數(shù)越多;管電壓越大,雖然電子數(shù)目未變,但每個電子所獲得的能量增大,因此短波成分射線增加,且碰撞發(fā)生的能量轉換過程增加;靶材料的原子序數(shù)越高,核庫侖場越強，韌致輻射作用越強,所以靶一般采用高原子序數(shù)的鎢制作.X射線管的管電壓愈高，其連續(xù)

X射線的強度愈大；而且其最短波長λmin愈向短波方向移動。如圖2-3所示

圖2-3不同管電壓下鎢靶連續(xù)X射線

4.標識X射線

根據(jù)原子結構理論，原子吸收能量后將處于受激狀態(tài)，受激狀態(tài)原子是不穩(wěn)定的，當它回復到原來的狀態(tài)時，將以發(fā)射譜線的形式放出能量。在X射線管內(nèi)，高速運動的電子到達陽極靶時將產(chǎn)生連續(xù)X射線。如果電子的動能達到相當?shù)臄?shù)值，可足以打出靶原子(通常是重金屬原子)內(nèi)殼層上的一個電子，該電子或處于游離狀態(tài)，或被打到外殼層的某一個位置上。于是原子內(nèi)殼層上有了一個空位，鄰近殼層上的電子便來填空，這樣就發(fā)生相鄰殼層間的電子躍遷。這種躍遷將發(fā)射出線狀的X射線。顯然，這種X射線與靶金屬原子的結構有關，因此稱其為標識X射線或特征X射線。標識X射線通常頻率很高，波長很短。如鉬靶K系標識X射線有兩個強度高峰為Kα和Kβ，波長分別為0.71埃和0.63埃K系激發(fā)機理

K層電子被擊出時，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級電子向K層空位填充時產(chǎn)生K系輻射。L層電子填充空位時，產(chǎn)生Kα輻射；M層電子填充空位時產(chǎn)生Kβ輻射。能量：由能級可知Kβ輻射的光子能量大于Kα的能量20040010000200003000040000KKI(計數(shù)/秒)K系激發(fā)特征激發(fā)電壓：產(chǎn)生K系激發(fā)要陰極電子的能量至少等于擊出一個K層電子所作的功Wk，對應的電壓就是激發(fā)電壓。強度：但K層與L層為相鄰能級，故L層電子填充幾率大，故Kα強度約為Kβ的5倍連續(xù)譜：來源于軔致輻射

20040010000200003000040000KKI(計數(shù)/秒)特征譜：來源于特征輻射，由靶材性質(zhì)決定5.

X射線管的效率

（2-2）

式中：E=αZIU2為連續(xù)X射線的總功率；

E0=IU為輸入功率；

α即η0為常數(shù)(×10-9)

。X射線管單位時間內(nèi)所發(fā)出的連續(xù)X射線的全部能量（總功率）的近似公式為：式中η0-常數(shù)(×10-9)，I-管電流(A)，Z-陽極靶原子序數(shù)(鎢Z=74)，U-管電壓(V)X射線管的轉換效率為例如：當U=100kV時η=0.7%

200kV時1.5%

300kV時2.2%

400kV時3%1MV時7%

5MV時37%由此可見，提高管電壓可顯著提高轉換效率管電壓與轉換效率關系舉例6.

X射線的應用

（1）連續(xù)譜的應用醫(yī)：透視、拍片；工業(yè)：探傷（2）特征譜的應用分析材料成分：測特征譜，測晶格常數(shù)7.X射線的安全防護X射線設備的操作人員可能遭受電震和輻射損傷兩種危險。電震的危險在高壓儀器的周圍是經(jīng)常地存在的，X射線的陰極端為危險的源泉。在安裝時可以把陰極端裝在儀器臺面之下或箱子里、屏后等方法加以保證。輻射損傷是過量的X射線對人體產(chǎn)生有害影響。可使局部組織灼傷，可使人的精神衰頹、頭暈、毛發(fā)脫落、血液的組成和性能改變以及影響生育等安全措施有：嚴格遵守安全條例、配帶筆狀劑量儀、避免身體直接暴露在X射線下、定期進行身體檢查和驗血。相關問題

1.試計算波長0.71埃（Mo-Kα）和1.54A（Cu-Kα）的X射線束，其頻率和每個量子的能量？

2.試計算用50千伏操作時，X射線管中的電子在撞擊靶時的速度和動能，所發(fā)射的X射線短波限為多少？

2.1.3.射線通過物質(zhì)的衰減定律

（1）射線與物質(zhì)的相互作用

射線與物質(zhì)的相互作用主要有三種過程：

光電效應、康普頓效應和電子對的產(chǎn)生。這三種過程的共同點是都產(chǎn)生電子，然后電離或激發(fā)物質(zhì)中的其他原子；此外，還有少量的湯姆遜效應。光電效應和康普頓效應隨射線能量的增加而減少，電子對的產(chǎn)生則隨射線能量的增加而增加。四種效應的共同結果是使射線在透過物質(zhì)時能量產(chǎn)生衰減。

1）光電效應

在普朗克概念中每束射線都具有能量為E=hv的光子。光子運動時保持著它的全部動能。光子能夠撞擊物質(zhì)中原子軌道上的電子，若撞擊時光子釋放出全部能量，并將原子電離，則稱為光電效應(見圖2-4)。光子能量的一部分把電子從原子中逐出，另一部分能量則作為電子的動能被帶走，于是該電子可能又在物質(zhì)中引起新的電離。當光子的能量低于1MeV時，光電效應是極為重要的過程。另外，光電效應更容易在原子序數(shù)高的物質(zhì)中產(chǎn)生，如在鉛(Z＝82)中產(chǎn)生光電效應的程度比在銅(Z=29)中大得多。圖2-4光電效應

2）康普頓效應：在康普頓效應(見圖2-5)中，一個光子撞擊一個電子時只釋放出它的一部分能量，結果光子的能量減弱并在和射線初始方向成θ角的方向上散射，而電子則在和初始方向成φ角的方向上散射。這一過程同樣服從能量守恒定律，即電子所具有的動能為入射光子和散射光子的能量之差，最后電子在物質(zhì)中因電離原子而損失其能量

在絕大多數(shù)的輕金屬中，射線的能量大約在0.2～3MeV范圍時，康普頓效應是極為重要的效應?？灯疹D效應隨著射線能量的增加而減小，其大小也取決于物質(zhì)中原子的電子數(shù)。在中等原子序數(shù)的物質(zhì)中，射線的衰減主要是由康普頓效應引起。圖2-5康普頓效應

rll1cosjcm0h()2sinlc22jl0

3）電子對的產(chǎn)生

一個具有足夠能量的光子釋放出它的全部動能而形成具有同樣能量的一個電子和一個正電子，這樣的過程稱為電子對的產(chǎn)生。每個電子的最小能量為0.51MeV，所以光子能量hv必須大于等于1.02MeV，如圖2-6圖2-6電子對的產(chǎn)生和消失

光子的能量一部分用于產(chǎn)生電子對，一部分傳遞給電子和正電子作為動能，另一部分能量傳給原子核。在物質(zhì)中電子和正電子都是通過原子的電離而損失動能，在消失過程中正電子和物質(zhì)中的電子相作用成為能量各為0.51MeV的兩個光子，它們在物質(zhì)中又可以通過光電效應和康普頓效應進一步相互作用。

由于產(chǎn)生電子對的能量條件要求不小于1.02MeV，所以電子對的產(chǎn)生只有在高能射線中才是重要的過程。該過程正比于吸收體的原子序數(shù)的平方，所以高原子序數(shù)的物質(zhì)電子對的產(chǎn)生也是重要的過程。圖2-6電子對的產(chǎn)生和消失

4）湯姆遜效應

當光子與原子中束縛很緊的電子碰撞時，光子將與整個原子之間交換能量，但原子的質(zhì)量比光子大得多。按彈性力學理論，散射光的頻率不會顯著改變，其波長與入射線相同，稱為彈性散射。這種射線與物質(zhì)中帶電粒子相互作用，產(chǎn)生與入射波長相同的散射線的現(xiàn)象叫做湯姆遜效應。這種散射線可以產(chǎn)生干涉，

能量衰減十分微小，

如圖2-7所示。

圖2-7湯姆遜效應

湯姆遜散射幾率與原子序數(shù)成正比，與入射能量成反比。湯姆遜散射對原子序數(shù)高的物質(zhì)和能量低的光子來說是最重要的，但它絕不會超過總衰減的20%，一般不大于1%（2）射線的衰減定律和衰減曲線

射線的衰減是由于射線光子與物體相互作用產(chǎn)生光電效應、康普頓效應、湯姆遜效應或電子對的產(chǎn)生，使射線被吸收和散射而引起的。由此可知，物質(zhì)愈厚，則射線穿透時的衰減也愈大。

射線衰減的程度不僅與透過物質(zhì)的厚度有關，而且還與射線的性質(zhì)(波長)、物體的性質(zhì)(密度和原子序數(shù))有關。一般來講，射線的波長愈小，衰減愈?。晃镔|(zhì)的密度及原子序數(shù)愈大，衰減也愈大。但它們之間的關系并不是簡單的直線關系，而是成指數(shù)關系的衰減，如圖2-8所示。圖2-8寬束射線的衰減曲線設入射線的初始強度為I0，通過物質(zhì)的厚度為d，射線能量的線衰減系數(shù)為μ，那么射線在透過物質(zhì)以后的強度Id為（2-3）

因為射線的衰減包括吸收和散射，所以射線的衰減系數(shù)μ是吸收系數(shù)τ和散射系數(shù)σ之和，即μ=τ+σ。由于物質(zhì)密度愈大，射線在物質(zhì)中傳播時碰到的原子也愈多，因而射線衰減也愈大。為便于比較起見，通常采用質(zhì)量衰減系數(shù)，即

（2-4）

式中：ρ為物質(zhì)的密度；τ／ρ為質(zhì)量吸收系數(shù)；σ/ρ為質(zhì)量散射系數(shù)。（3）射線的衰減系數(shù)射線的質(zhì)量吸收系數(shù)和散射系數(shù)表示如下：

（2-5）

（2-6）

式中：

C為常數(shù)；A為元素的原子數(shù)；

Z為元素的原子序數(shù)；

λ為射線的波長

當?shù)湍苌渚€透過重元素(輕元素和波長很短的射線除外)物質(zhì)時，射線的衰減主要表現(xiàn)為吸收，由射線散射所引起的衰減可忽略不計，

則

（2-7）

有時需要直觀地表示射線的穿透力，通常用半值厚度d1/2

(或半衰減層)來表示射線強度衰減一半的物質(zhì)厚度。（4）半值厚度

一定波長的射線，對一定物質(zhì)具有恒定的半值層，如：Co60-γ射線在鐵中的半值層為17.5mm。

因此一次射線通過17.5mm層后強度減一半。通過第2個17.5mm層后即余下最初強度的？？？25%因此例如：光子能量100～400keV的X射線，在鋁、鐵、銅中的半值層厚度如表所示。2.2.2Χ射線檢測基本原理和方法1.Χ射線檢測的基本原理

Χ射線檢測是利用Χ射線通過物質(zhì)衰減程度與被通過部位的材質(zhì)、厚度和缺陷的性質(zhì)有關的特性，使膠片感光成黑度不同的圖像來實現(xiàn)的，當一束強度為I0的Χ射線平行通過被檢測試件(厚度為d)后，其強度Id由式（2-8）表示。若被測試件表面有高度為h的凸起時，則Χ射線強度將衰減為

(2-8)圖2-9X射線檢測原理

若被測試件內(nèi)有一厚度為x、吸收系數(shù)為μ′的某缺陷則X射線通過后，強度衰減為：(2-9)

2.Χ射線照相檢測的基本原理

若缺陷X處的吸收系數(shù)小于被測試件本身的線吸收系數(shù);而則缺陷X’處的吸收系數(shù)大于被測試件本身的線吸收系數(shù)，則：Ix>Id>Ix’。于是，在被檢測試件的另一面就形成一幅射線強度不均勻的分布圖。通過一定方式將這種不均勻的射線強度進行照相或轉變?yōu)殡娦盘栔甘?、記錄或顯示，就可以評定被檢測試件的內(nèi)部質(zhì)量，達到無損檢測的目的。

圖2-10X射線照相原理示意圖

2.Χ射線照相檢測的基本原理

Χ射線檢測常用的方法是照相法，即利用射線感光材料(通常用射線膠片)，放在被透照試件背面接受透過試件后的Χ射線，如圖2-10。膠片曝光后經(jīng)暗室處理，就會顯示出物體的結構圖像。根據(jù)膠片上影像的形狀及其黑度的不均勻程度，就可評定被檢測試件中有無缺陷及缺陷的性質(zhì)、形狀、大小和位置。圖2-10X射線照相原理示意圖

Χ射線照相檢測的優(yōu)點:

靈敏度高、直觀可靠、重復性好，是Χ射線檢測中應用最廣泛的一種方法。由于生產(chǎn)和科研需要，還可用放大照相法和閃光照相法以彌補其不足2.2.3Χ射線照相檢測技術1.照相法的靈敏度和透度計（1）靈敏度

靈敏度是指發(fā)現(xiàn)缺陷的能力，也是檢測質(zhì)量的標志。通常用兩種方式表示：一是絕對靈敏度，是指在射線膠片上能發(fā)現(xiàn)被檢測試件中與射線平行方向的最小缺陷尺寸；二是相對靈敏度，是指在射線膠片上能發(fā)現(xiàn)被檢測試件中與射線平行方向的最小缺陷尺寸占試件厚度的百分數(shù)。若以d表示為被檢測試件的材料厚度，x為缺陷尺寸，則其相對靈敏度為（2-10）

（2）透度計

透度計又稱像質(zhì)指示器。在透視照相中，要評定缺陷的實際尺寸是困難的，因此，要用透度計來做參考比較。同時，還可以用透度計來鑒定照片的質(zhì)量和作為改進透照工藝的依據(jù)。透度計要用與被透照工件材質(zhì)吸收系數(shù)相同或相近的材料制成。常用的透度計主要有兩種。

1）槽式透度計。

槽式透度計的基本設計是在平板上加工出一系列的矩形槽，其規(guī)格尺寸如圖2-11所示。對不同厚度的工件照相，可分別采用不同型號的透度計。其靈敏度為：

圖2-11槽式透度計示意圖

（2-11）

放置方式：

被透照工件表面靠近射線一側淺槽朝外，遠離射線中心槽垂直于被檢部位被檢區(qū)長度1/4部位處

2)金屬絲透度計

結構：金屬絲透度計是以一套（7～11根）不同直徑（0.1～4.0mm）的金屬絲均勻排列，粘合于兩層塑料或薄橡皮中間而構成的。為區(qū)別透度計型號，在金屬絲兩端擺上與號數(shù)對應的鉛字或鉛點。金屬絲一般分為兩類，透照鋼材時用鋼絲透度計，透照鋁合金或鎂合金時用鋁絲透度計。使用方法：被透照工件表面靠近射線一側細絲朝外，橫跨并垂直于被檢部位被檢區(qū)長度1/4部位處金屬絲直徑小的一側遠離射線束中心以保證整個被透照區(qū)的靈敏度達到如下計算值：

（2-11）

式中：

φ為觀察到的最小金屬絲直徑；d為被透照工件部位的總厚度。

圖2-12金屬絲透度計示意圖2.增感屏

由于X射線和γ射線波長短、硬度大，對膠片的感光效應差，一般透過膠片的射線，大約1％就能使膠片中的銀鹽微粒感光。為了增加膠片的感光速度，利用某些增感物質(zhì)在射線作用下能激發(fā)出熒光或產(chǎn)生次級射線，從而加強對膠片的感光作用。在射線透視照相中，所用的增感物質(zhì)稱為增感屏，

其增感系數(shù)為

（2-12）

密度D：一定面積的底片上沉積的金屬銀顆粒的相對數(shù)量。

1）熒光增感屏

熒光增感屏：是利用熒光物質(zhì)被射線激發(fā)產(chǎn)生熒光實現(xiàn)增感作用的，其結構如圖2-13所示。它是將熒光物質(zhì)均勻地涂布在質(zhì)地均勻而光滑的支撐物(硬紙或塑料薄板等)上，再覆蓋一層薄薄的透明保護層組合而成的

圖2-13熒光增感屏構造示意圖

熒光產(chǎn)生：熒光物質(zhì)原子受X射線作用，外層電子受激返回基態(tài)躍遷所致增感系數(shù)與硬度有關：管電壓較低：80-140KV時，隨管電壓升高而增大；200KV時最大（100以上）。超200KV后，下降，400KV后，很?。?0-60）。熒光強度：管電壓一定時，熒光強度與熒光物質(zhì)厚度、晶粒度有關。熒光波長：不同熒光物質(zhì)熒受X射線照射后發(fā)出的熒光波長不同。透明保護膜熒光物質(zhì)

2）金屬增感屏

金屬增感屏在受射線照射時產(chǎn)生β射線和二次標識X射線對膠片起感光作用。其增感較小，一般只有2～7倍。金屬屏的增感特性通常是隨原子序數(shù)增加，增感系數(shù)上升，輻射波長愈短，增感作用越顯著。但是原子序數(shù)越大，激發(fā)能量也要相應提高，如果射線能量不能使金屬屏的原子電離或激發(fā)，則不起增感作用，相反還會吸收一部分軟射線。如鉛增感屏，當管電壓低于80kV時，則基本上無增感作用。在生產(chǎn)實踐中，多采用鉛、錫等原子序數(shù)較高的材料作金屬增感屏，因為鉛的壓延性好，吸收散射線的能力強

3）金屬熒光增感屏

金屬熒光增感屏是在鉛箔上涂一層熒光物質(zhì)組合而成的，其結構如圖2-14所示。它具有熒光增感的高增感系數(shù)，又有吸收散射線的作用。

圖2-14金屬熒光增感屏結構示意圖

透明保護膜熒光物質(zhì)

3.增感方式的選擇

增感方式的選擇通?？紤]三方面的因素：

（1）產(chǎn)品設計對檢測的要求：質(zhì)量要求高時，為保證底片清晰度，多用前或錫箔增感屏，寧可增加曝光時間。（2）射線能量：當能量足夠時，多用金屬箔；當工件較厚，能量不夠時，可以熒光，最好用金屬熒光增感屏。（3）膠片類型：

金屬增感箔膠片——乳劑層厚——β射線和二次標識X射線具有一定穿透力

熒光增感屏膠片——乳劑層薄——熒光只能使乳劑表面感光

4.曝光參數(shù)的選擇

（1）射線的硬度

射線硬度是指射線的穿透力，由射線的波長（X射線管電壓）決定。管電壓高——波長短——硬度大——穿透力強——對某物質(zhì)吸收系數(shù)小。射線硬度對透照膠片影像的質(zhì)量有很大關系，選擇射線的硬度尤為重要。例如：當一束強度為I0的射線，通過被透照厚度為d的物體后，其強度衰減為Id；通過厚度為x的缺陷后，強度為Ix

。Ix／Id稱為對比度或主因襯度，即

（2-13）

假設缺陷內(nèi)為空氣，則μ′可忽略不計，有：

（2-14）

焦距為50cm，電流4mA,不同硬度的X射線，

透照40mm鑄鋁件的實驗數(shù)據(jù)管電壓/KV缺陷顯示最小尺寸/mm曝光時間/s500.5720800.62101000.7601300.9301701.210可見：射線硬度越大，缺陷顯示的靈敏度越小

工業(yè)射線透照中，總希望膠片影像襯度盡量高，以保證檢測質(zhì)量。故射線硬度盡量軟。但若希望在材料的厚薄相鄰部分一次曝光，則要選用較硬射線。為了提高某些低原子序數(shù)、低密度和薄壁材料檢測靈敏度，應采用軟射線，即低能X射線照相。（通常將60～150kV定為中等硬度X射線，60kV以下定為軟X射線）（2-17）

圖2-15曝光距離與射線強度的關系

（2）射線的曝光量射線的曝光量：射線強度I和時間t的乘積，即E=It，單位為mCi·h(毫居里·小時)

曝光量的等效表示：對X射線來說，當管壓一定時，其強度與管電流成正比。因此X射線的曝光量通常用管電流i和時間t的乘積來表示，即：

一般在選用管電流和曝光時間時，在設備允許范圍內(nèi)，管電流總是取得大些，以縮短曝光時間并減少散射線的影響在一定范圍內(nèi)，如果E為常數(shù)，則i與t存在反比關系：

E=i1t1=i2t2

(2-16)E=it

(2-15)單位為mA·min或mA·s

曝光距離與射線強度的關系：X射線從窗口呈直線錐體輻射，在空間分布強度與該點到焦點距離的平方成反比，即（3）射線照相對比度

射線照片上影像的質(zhì)量由對比度、不清晰度、顆粒度決定

影像的對比度：是指射線照片上兩個相鄰區(qū)域的黑度差。黑度:膠片經(jīng)曝光和化學處理后，由乳劑層中還原的黑色金屬銀粒形成的，與黑度計測量的照射光強L0及透射光強L之間的關系為：D=lgL0/L）若兩區(qū)域黑度分別為D1、D2，則其對比度為：ΔD=D1-D2

。影像的對比度決定了在射線透照方向上可識別的細節(jié)

影像的不清晰度：決定了在垂直于射線透照方向上可識別的細節(jié)尺寸

影像的顆粒度：決定了影像可記錄的細節(jié)最小尺寸

I0I’II0TΔT

（4)焦距的選擇焦距F:是指從放射源(焦點)至膠片的距離。焦距選擇與射線源幾何尺寸和試件厚度有關。幾何不清晰度Ug:由于射線源有一定的幾何尺寸，從而產(chǎn)生幾何不清晰度Ug，如圖2-16所示。由相似三角形關系，

可求出Ug：（2-18）

式中：φ為射線源幾何尺寸；F為焦點至膠片距離；a為焦點至缺陷距離；b為缺陷至膠片的距離圖2-16透照影像幾何不清晰度

（5）曝光曲線：反映管電壓~被檢材料厚度~曝光量三者關系的曲線①不同管電壓下，材料厚度d與曝光量x的關系為：

（2-47）

式中：μ為吸收系數(shù)；C’’為常數(shù)。若以x為縱軸，d為橫軸，當焦距一定時，則給定一個厚度d，對應于某一管電壓可以求得一個x值用各種不同電壓試驗，就可得出一組斜率逐漸變化的曲線，如圖所示

材料厚度d與曝光量x的關系曲線

討論：

V越低——波長越長——μ越大——斜率越大

②

不同焦距下，材料厚度與管電壓的關系曲線：

根據(jù)式(2-47)，由于底片黑度要求一定，所以x為一常數(shù)，如果被透照材料固定，則d增大時μ必須減小。根據(jù)式（2-35）和（2-29）知，所以管電壓要相應增大

（2-48）

若以材料厚度d為橫軸，管電壓U為縱軸，則在一定焦距下的厚度所對應的管電壓可以連成一條曲線。以不同的焦距F試驗時，就可得到一組曲線，如圖2-44所示

圖2-44材料厚度與管電壓的關系曲線

F-200F-140F-100

（6）

等效系數(shù)

兩塊不同厚度的不同材料若在相同的入射強度為I0的射線源照射下，得到相同的出射強度Ix，則稱二者為“等效”。它們的厚度之比稱為材料的“等效系數(shù)”。根據(jù)等效系數(shù)的定義，可以從一條常用材料的曝光曲線上查出另一種材料的等效厚度所對應的管電壓。

2.2.4常見缺陷及其影像特征

1.焊件中常見的缺陷

（1）裂紋

裂紋主要是在熔焊冷卻時因熱應力和相變應力產(chǎn)生，也可在校正和疲勞過程中產(chǎn)生，是危險性最大的一種缺陷。裂紋影像較難辨認。因為斷裂寬度、裂紋取向、斷裂深度不同，使其影像有的較清晰，有的模糊。常見的有縱向、橫向和弧坑裂紋，

分布在焊縫上或熱影響區(qū)。表現(xiàn)為：黑色曲折線條。當射線束方向與裂紋斷面傾斜時，裂紋影相變寬，黑度變小。

裂紋

（2）未焊透

未焊透是熔焊金屬與基體材料沒有熔合為一體且有一定間隙的一種缺陷。在膠片上的影像特征是連續(xù)或斷續(xù)的黑線，黑線的位置與兩基體材料相對接的位置間隙一致。下圖是對接焊縫的未焊透照片。

未焊透

（3）氣孔

氣孔是在熔焊時部分空氣停留在金屬內(nèi)部而形成的缺陷。氣孔在底片上的影像一般呈圓形或橢圓形，也有不規(guī)則形狀的，以單個、多個密集或鏈狀的形式分布在焊縫上。在底片上的影像輪廓清晰，邊緣圓滑，如氣孔較大，還可看到其黑度中心部分較邊緣要深一些，如下圖。

氣孔氣孔（4）夾渣

夾渣是在熔焊時所產(chǎn)生的金屬氧化物或非金屬夾雜物，因來不及浮出表面，停留在焊縫內(nèi)部而形成的缺陷。在底片上其影像是不規(guī)則，呈圓形、塊狀或鏈狀等，邊緣沒有氣孔圓滑清晰，

有時帶棱角，

如下圖。

夾渣夾渣（5）燒穿在焊縫的局部，因熱量過大而被熔穿，形成流垂或凹坑。在底片上的影像呈光亮的圓形(流垂)或呈邊緣較清晰的黑塊(凹坑)，

如下圖所示。

焊縫燒穿照片

燒穿燒穿

2.鑄件中常見的缺陷

（1）夾雜

夾雜是金屬熔化過程中的熔渣或氧化物，因來不及浮出表面而停留在鑄件內(nèi)形成的。在膠片上的影像有球狀、塊狀或其他不規(guī)則形狀。其黑度有均勻的和不均勻的，有時出現(xiàn)的可能不是黑塊而是亮塊，這是因為鑄件中夾有比鑄造金屬密度更大的夾雜物，如鑄鎂合金中的熔劑夾渣，如下圖所示

鑄鎂合金中的夾雜照片

夾雜

（2）氣孔

因鑄型通氣性不良等原因，使鑄件內(nèi)部分氣體排不出來而形成氣孔。氣孔大部分接近表面，在底片上的影像呈圓形或橢圓形，也有不規(guī)則形狀的，一般中心部分較邊緣稍黑，

輪廓較清晰，

如下圖所示。

鑄件中的氣孔照片

燒穿燒穿氣孔氣孔

(3）針孔針孔是指直徑小于等于1mm的氣孔，是鑄鋁合金中常見缺陷。在膠片上影像有圓形、條形、蒼蠅腳形等。當透照較大厚度工件時，由于針孔分布在整個橫斷面，

針孔投影在膠片上是重疊的，

此時就無法辨認出它的單個形狀

（4）疏松

澆鑄時局部溫差過大，在金屬收縮過程中，鄰近金屬補縮不良，產(chǎn)生疏松。疏松多產(chǎn)生在鑄件的冒口根部、厚大部位、厚薄交界處和具有大面積的薄壁處。在底片上的影像呈輕微疏散的淺黑條狀或疏散的云霧狀，嚴重的呈密集云霧狀或樹枝狀，如下圖所示。

鑄件內(nèi)部疏松照片

疏松疏松（5）裂紋

裂紋一般是在收縮時產(chǎn)生，沿晶界發(fā)展。在底片上的影像是連續(xù)或斷續(xù)曲折狀黑線，

一般兩端較細，如下圖所示。

鑄件裂紋照片

裂紋

（6）冷隔冷隔由澆鑄溫度偏低造成，一般分布在較大平面的薄壁上或厚壁過渡區(qū)，鑄件清理后有時肉眼可見。

在底片上的影像呈黑線，

與裂紋相似，

但有時可能中部細而兩端較粗。

4.缺陷埋藏深度的測定

根據(jù)缺陷在底片上的影像，只能判定缺陷在工件中的平面位置，也就是說，只能把缺陷位置以兩個坐標表示出來。為了確定第三個坐標，即決定缺陷所在位置的深度，必須進行兩次不同方向的照射。

5.缺陷在射線方向上的厚度測定

1）黑度計測量：缺陷在射線束方向的厚度(如氣孔直徑或未焊透深度等)測定方法，可用測量缺陷在底片上的影像黑度來估計。

2）光電測量：照明光源通過透鏡投射到被測底片的缺陷影像并透過底片再射到光電管上，通過光電管發(fā)出的光電流，即可測量缺陷在射線方向上的尺寸。

6.表面缺陷和偽缺陷

（1）表面缺陷

主要應檢查工件內(nèi)部缺陷各種表面缺陷在膠片上的影像和內(nèi)部缺陷的影像并沒有什么區(qū)別，表面缺陷有些是允許的膠片上發(fā)現(xiàn)缺陷影像后，應與工件表面仔細查對，

最后得出結論

（2）偽缺陷

偽缺陷產(chǎn)生的原因很多，形狀也多種多樣，檢測人員一般憑經(jīng)驗能識別大部分偽缺陷。也就是說，對缺陷影像可根據(jù)缺陷影像的特征和產(chǎn)生的部位予以分析。此外，還可以從膠片兩側利用反光或放大鏡觀察表面是否劃傷來判斷。如仍懷疑有缺陷，則必須重照復驗。

7.射線照相法的特點

適宜檢測對象：各種熔化焊接方法（電弧焊、氣體保護焊、電渣焊、氣焊等）的對接接頭.也適宜檢查鑄鋼件、角焊縫一般不適宜：鋼板、鋼管、鍛件等.易檢測缺陷類型：局部厚度差形成的缺陷（氣孔、夾渣）具有較高檢出率，對裂紋類受透照角度的影響。不能檢測鋼板分層。射線照相法幾乎適用所有的材質(zhì)：如鋼、鈦、銅、鋁等，對工件形狀、表面粗糙度沒有嚴格要求。

CT:即計算機斷層成像技術(ComputedTomography)一般輻射成像:是將三維物體投影到二維平面成像，各層面影像重疊，造成相互干擾，不僅圖像模糊，且損失了深度信息，不能滿足分析評價要求。CT:是把被測體所檢測斷層孤立出來成像，避免了其余部分的干擾和影響，圖像質(zhì)量高，能清晰、準確展示所測部位內(nèi)部的結構關系、物質(zhì)組成及缺陷狀況，檢測效果是其它傳統(tǒng)的無損檢測方法所不及的。三計算機斷層成像技術(ComputedTomography)3.1

CT的誕生與發(fā)展1914年，俄國學者K.Maenep依照運動產(chǎn)生模糊的理論，首先提出體層攝影理論，即用一種特殊裝置，使想觀察的人體某層組織影像較清楚地顯示，而該層組織以外的則模糊不清，以獲取較大的空間分辨力三計算機斷層成像技術(ComputedTomography)1930年意大利的Vallebona開始將體層攝影的有關理論和它的使用方法應用于臨床并取得了很好的臨床效果。1968年英國工程師Hounsfild與神經(jīng)放射學家Ambrose共同協(xié)作設計，于1972年由英國EMI公司成功制造了用于頭部掃描的電子計算機X線體層裝置并在英國放射學會學術會議上公諸于世，稱EMI掃描儀。1974年在蒙特利爾召開的第一次國際專題討論會上正式將這種檢查方法稱作電子計算機體層攝影(computertomography,簡稱CT)。3.1

CT的誕生與發(fā)展CT技術首先應用于醫(yī)學領域，形成了醫(yī)學CT(MCT)，其重要作用被評價為醫(yī)學診斷上的革命CT技術成功應用于醫(yī)學領域后，美國率先將其引入到航天及其它工業(yè)部門，另一些發(fā)達國家相繼跟上經(jīng)過一段不長的時間，形成了CT技術又一個分支：工業(yè)CT(IndustrialComputedTomograph~ICT)，其重要作用被評價是無損檢測領域的重大技術突破CT技術(MCT和ICT)應用十分廣泛，工業(yè)CT的應用幾乎遍及所有產(chǎn)業(yè)領域，對航天、航空、兵工、部隊等顯得更為迫切錐束CT：使用微焦點CT，步進旋轉被檢測物體，直至旋轉360度，每次步進旋轉的角度通常不能超過1度，采集每一個角度的二維X射線圖像。這些圖像不僅包含了物體的位置信息還有對射線產(chǎn)生衰減的被檢測物體的密度信息。使用這些數(shù)據(jù)可以進行三維體元的數(shù)據(jù)重建。扇束CT：步進旋轉被檢測物體，直至旋轉360度，每次步進旋轉的角度不能超過1度，得到的將是一幅物體的投影圖像。投影圖像不僅包含了物體的位置信息還有對射線產(chǎn)生衰減的被檢測物體的密度信息。這些投影圖像是最后重建的原始數(shù)據(jù)。垂直移動穿過扇形束的被檢測物體，并不斷重復此操作，就會得到一系列斷層，被重建后就會體現(xiàn)物體的內(nèi)部信息。3.2CT系統(tǒng)的基本組成無論醫(yī)學CT還是工業(yè)CT，均由:

射線源系統(tǒng)、探測器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、機械掃描運動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)及圖像拷貝輸出設備等基本部分組成3.2.1CT系統(tǒng)各部分的基本作用（1）射線源系統(tǒng)射線源系統(tǒng)：由射線源和前準直器組成，用以產(chǎn)生掃描檢測用的射線束射線源用來產(chǎn)生射線射線源按射線能量分為三類：產(chǎn)生高能x射線的加速器源產(chǎn)生中能γ射線的放射性同位素源產(chǎn)生低能x射線的x射線管源射線能量決定了射線的穿透能力，也就決定了被測體物質(zhì)密度及尺寸范圍，醫(yī)學CT使用產(chǎn)生較低能譜段的X射線管源，而工業(yè)CT根據(jù)用途不同，以上三類射線源均在使用。前準直器：作用是將射線源發(fā)出的射線處理成所需形狀的射束(如扇形束等)，其扇形束開口張角應略大于所需有效張角，開口高度根據(jù)斷層厚度確定。（2）探測器系統(tǒng):由探測器和后準直器組成。探測器是一種換能器：它將包含被測體檢測斷層物理信息的輻射轉換為電信號，提供給后面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作再處理．常用的有“閃爍體+光電器件”和氣體電離室兩種類型。3.2.1CT系統(tǒng)各部分的基本作用閃爍晶體探測器：利用某些晶體受射線照射后發(fā)光的特性制成的，組成部分是閃爍晶體，光導及光電倍增管等，常用的閃爍晶體有碘化鈉(NaI)、碘化鉑(CsI)、鍺酸鉍(BGO)等,結構簡圖如圖后準直器：用高密度材料構成，緊位于探測器之前，開有一條窄縫或一排小孔，小孔常稱準直孔。探測低能量射線，具有窄縫的金屬薄片就可完成準直要探測中能及高能射線，則需具有一定孔徑的后準直器完成準直。

（2）探測器系統(tǒng)——后準直器：

CT掃描僅需要非常小的扇形放射源，它必須能夠調(diào)節(jié)Z軸方向厚度，以得到不同的掃描層厚，并抑制散射線，提高圖像質(zhì)量。后準直器作用有二：

一是限制進入探測器的射束截面尺寸二是與前準直器配合進一步屏蔽散射射線。其有效孔徑可確定斷層的層厚，并直接影響斷層圖像的空間分辨率。（3）機械掃描運動系統(tǒng)機械掃描運動系統(tǒng)提供CT的基礎結構，提供射線源、探測系統(tǒng)及被測體的安裝載體及空間位置，并為CT機提供所需掃描檢測的多自由度高精度的運動功能。CT多采用第二代掃描檢測或第三代掃描檢測的運動方式，前者的運動方式為旋轉加平移，而后者僅有旋轉。3.2.1CT系統(tǒng)各部分的基本作用（4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用以獲取和收集信號，它將探測器獲得的信號轉換、收集、處理和存貯，供圖像重建用，是CT設備關鍵部分之一。其主要性能包括：信噪比、穩(wěn)定性、動態(tài)范圍、采集速度及一致性等。

（5）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)決定CT系統(tǒng)的控制功能，它實現(xiàn)對掃描檢測過程中機械運動的精確定位控制，系統(tǒng)邏輯控制，時序控制及檢測工作流程順序控制和系統(tǒng)各部分協(xié)調(diào)，并擔負系統(tǒng)安全聯(lián)鎖控制3.2.1CT系統(tǒng)各部分的基本作用（6）計算機系統(tǒng)：計算機系統(tǒng)是CT的核心，必須滿足以下需要：高速有效的數(shù)學運算能力，以滿足系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)校正、圖像重建等的大量運算操作；大容量的圖像存貯和歸檔要求，包括隨機存貯器，在線存貯器和離線歸檔存貯器；專用的高質(zhì)量、高分辨率、高灰度等級的圖像顯示系統(tǒng)；豐富的圖像處理、分析及測量軟件，提供操作人員強大的分析、評估的輔助支撐技術；友好的用戶界面，操作靈活，使用方便。(7)圖像的硬拷貝輸出設備

CT的圖像一般可選用高質(zhì)量的膠片輸出設備，視頻拷貝輸出設備或高質(zhì)量的激光打印輸出設備。3.3CT工作原理

1917年，丹麥數(shù)學家雷當(J．Radon)的研究工作為CT技術建立了數(shù)學理論基礎。他從數(shù)學上證明了:某種物理參量的二維分布函數(shù)，由該函數(shù)在其定義域內(nèi)的所有線積分完全確定。

該研究結果的意義在于：

只要知道一個未知二維分布函數(shù)的所有線積分——則能求得該二維分布函數(shù)獲得CT斷層圖像——就是求取能反映斷層內(nèi)部結構和組成的某種物理參量的二維分布。

物理研究指出：一束射線穿過物質(zhì)并與物質(zhì)相互作用后，射線強度將受到射線路徑上物質(zhì)的吸收或散射而衰減，衰減規(guī)律由比爾定律確定?？捎盟p系數(shù)度量衰減程度。3.3.1CT的數(shù)學、物理基礎

考慮一般性，設物質(zhì)是非均勻的，一個面上衰減系數(shù)分布為μ(x、y)。當射線穿過該物質(zhì)面，入射強度為Io的射線經(jīng)衰減后以強度I穿出，射線在面內(nèi)的路徑長度為L，如圖由比爾定律確定的I。和I及μ(x、y)的關系如下：射線穿過衰減系數(shù)為μ(x,y)的物質(zhì)面3.3CT工作原理

射線路徑L上衰減系數(shù)μ(x、y)的線積分=射線入射強度Io與出射強度I之比的自然對數(shù)3.3.1CT的數(shù)學、物理基礎推而廣之：當射線以不同方向和位置穿過該物質(zhì)面，對應的所有路徑上的衰減系數(shù)線積分值，均可照此求出，從而得到一個線積分集合。該集合若是無窮大，則可精確無誤確定該物質(zhì)面的衰減系數(shù)的二維分布，反之，則是具有一定誤差的估計。因為：物質(zhì)的衰減系數(shù)與物質(zhì)的質(zhì)量密度直接相關(當然還與原子序數(shù)有關)，所以：衰減系數(shù)的二維分布也可體現(xiàn)為密度的二維分布，由此轉換成的斷面圖像能夠展現(xiàn)其結構關系和物質(zhì)組成。實際的射線束總有一定的截面，只能與具有一定厚度的切片或斷層物質(zhì)相互作用，故所確定的衰減系數(shù)或密度的二維分布以及它們的圖像表示，應是一定體積的積分效應，絕不是理想的點、線、面的結果。3.3.1CT的數(shù)學、物理基礎例如：對如圖截面進行標定，截面分為3個單元，邊長為d，射線h0從A點入射穿過3個單元到B點射出，在A、B處測得吸收吸收分別為μA和μB。若3個單元吸收系數(shù)相同，且μA-μB=6db，則每個單元的吸收系數(shù)為：μ1,3=μ2,3=μ3,3=2db按此方法測量試件，如圖將試件分為3×3共9個單元,第一束掃描線h1穿過（1，3)單元，在單元內(nèi)截線長為0.5d，通過后衰減為3db，則（1，3)單元吸收系數(shù)為：μ1,3=6db第二束掃描線h2穿過（1，3)和（2，3)單元，在單元內(nèi)截線長為1.125d和0.625d，衰減量為9.25db，則（2，3)單元吸收系數(shù)由：

1.125μ1,3+0.625μ2,3

=9.25db得μ2,3=4db第三束掃描線h3穿過三個單元，衰減量為15db，則μ3,3由：μ1,3+μ2,3+μ3,3=15db得μ3,3=5db3.3.1CT的數(shù)學、物理基礎有上述數(shù)學、物理基礎后，為在工程技術上實現(xiàn)，避開硬件的技術要求，在方法上還需解決兩個主要問題：

首先——如何提取檢測斷層衰減系數(shù)線積分的數(shù)據(jù)集

其次——如何利用該數(shù)據(jù)集，確定出衰減系數(shù)的二維分布解決第一個問題：可采用掃描檢測方法，即用射線束有規(guī)律地(含方向、位置、數(shù)量等)穿過被測體所檢測斷層并相應進行射線強度測量，圍繞提高掃描檢測效率，可采用各具特色的掃描檢測模式。解決第二個問題：則是應用圖像重建算法，即利用衰減系數(shù)線積分的數(shù)據(jù)集，按照一定的重建算法進行數(shù)學運算，解出衰減系數(shù)的二維分布并予以顯示。3.3.1CT的數(shù)學、物理基礎CT成像與一般輻射成像最大不同之處在于：

用射線束掃描檢測一個斷層

——將該斷層從被測體孤立出來

（使掃描檢測數(shù)據(jù)免受其它部分結構及組成信息干擾）

——將不同方向穿過被測斷層的射線強度作為重建算法運算的數(shù)據(jù)

——通過數(shù)學運算獲取斷層圖像3.3.2CT的

掃描檢測模式掃描檢測：是獲得被測斷層內(nèi)衰減系數(shù)線積分數(shù)據(jù)集的過程，也是“射線源——探測器”組合與被測體間作相對運動的過程。其基本結構是：被測體置于射線源和探測器之間，讓射線束穿過所需檢測斷層，由探測器測量穿出的射線強度。其基本要求是：

射線束需從不同方向穿過被測體所測斷層在每個檢測方位上，射線束兩個邊緣路徑應遍及或包容整個斷層使射線穿過斷層的路徑互不完全重疊，避免產(chǎn)生不必要的冗余數(shù)據(jù)整個掃描檢測過程遵守一定的規(guī)律。(1)平行束掃描檢測模式這是CT技術最早使用從而被稱為第一代的掃描檢測模式。其基本結構特點是：射線源產(chǎn)生一束截面很小的射線每個單位檢測時間內(nèi)檢測空間只存在這束截面很小的射線，僅有一個探測器檢測該射線強度

重建N×N像素陣列斷層圖像，一般應有由N×N個衰減系數(shù)線積分組成的數(shù)據(jù)集。常采用從N個方向且每個方向均有N束射線供探測器檢測的數(shù)據(jù)結構。(1)平行束掃描檢測模式掃描檢測特點：

按等距步進量及等單位檢測時間，在每個檢測方位上，“射線源——探測器”組合與被測體間，相對平行移動(N-1)次，逐步形成由N束射線構成的平行射線束，相應逐步遍及并穿過所測斷層，取得N個檢測數(shù)據(jù)按設定角步進量，“射線源——探測器”組合與被測體間，以被測體的某一固定回轉軸線為中心，在檢測斷層平面內(nèi)相對轉動一個步進量角度，在恢復到起始位置條件下，重復同步等距平移的過程，完成第二個方位上對斷層的檢測，又獲得N個檢測數(shù)據(jù)，按此重復進行為免去數(shù)據(jù)冗余，只需在180o圓周角度上，等分為N個檢測方位并在每個方位上完成檢測，最終獲得一個由N×N個檢測數(shù)據(jù)構成的數(shù)據(jù)集。此掃描檢測模式的示意如圖（2）窄角扇形束掃描檢測模式：第二代掃描檢測模式結構特點：射線源產(chǎn)生角度小、厚度薄的扇形射線束；使用數(shù)量不多的n個（n<N）檢測器同時檢測；斷層內(nèi)最多有n條射線路徑上的衰減系數(shù)線積分可同時測量；在每個檢測方位的多個檢測點上射線束未能包容所測斷層掃描特點：與平行束的相似此掃描檢測模式示意如窄角扇形束掃描檢測圖窄角扇形束掃描檢測廣角扇形束掃描檢測（3）廣角扇形束掃描檢測模式：第三代的掃描檢測模式結構特點：射線源產(chǎn)生角度大、厚度薄的扇形射線束；一般使用N個探測器同時檢測；斷層內(nèi)最多有N條射線路徑上衰減系數(shù)線積分值可同時測量；射線束的邊緣全包容所測斷層。掃描特點：對每個檢測斷層，“射線源—探測器”組合與被測體間僅有相對旋轉運動；在360°的圓周角上等分為N個掃描檢測方位每個檢測方位射線束全包容并穿過所測斷層，均可取得N個檢測數(shù)據(jù)；相對旋轉一周，完成一個斷層掃描檢測，獲得由NN個數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)集

窄角扇形束掃描檢測廣角扇形束掃描檢測3.3.3圖像重建：對檢測的數(shù)據(jù)進行數(shù)學運算和對圖像數(shù)據(jù)進行顯示的過程

圖像重建過程：掃描檢測所得的衰減系數(shù)線積分數(shù)據(jù)集——經(jīng)必要的數(shù)據(jù)校正

——按一定的圖像重建算法，通過計算機運算

——衰減系數(shù)具體的二維分布

——將其以灰度形式顯示

——生成斷層圖像，于是完成圖像重建。圖像重建的關鍵是：

重建算法，既要考慮圖像質(zhì)量，又要注意運算速度。圖像重建的分類：重建算法多種多樣，各有特色，主要有三類：反投影法、迭代法和解析法。什么是ROICT？為獲得最佳的圖像質(zhì)量，樣品在360°的旋轉過程中最好應完全保持在錐束射線的覆蓋范圍。在這種情況下，放大倍率M＝D/d和體素大?。╠/D）會被限制。

phoenix|X射線有先進的軟件運算方法可以實現(xiàn)對重點區(qū)域（region-of-interest）的掃描，以實現(xiàn)更高的分辨率和更好的圖像質(zhì)量。在CT系統(tǒng)中體元分辨率是什么？為了體現(xiàn)一個精確的三維數(shù)據(jù)重建，在整個360度的旋轉過程中，被檢測物體的深度/直徑都應該保持在整個錐形/扇形掃描掃描場內(nèi)，這樣在數(shù)據(jù)采集過程中，整個被檢測物體的直徑都能夠顯示在每次投影或者斷層圖像中。所以放大比受被檢測物體直徑d和探測器寬度D的比值M的限制，M=D/d。這樣，對于一個探測器像素尺寸P就會產(chǎn)生一個體元分辨率：

V=P·d/D。

(1)重建的初步概念設有由3×3單元組成的斷層，各單元衰減系數(shù)分別為μ1至μ9（待求）．只要能建立包含這些變量并相互獨立的9個方程，即可求出μ1至μ9，得到該斷層衰減系數(shù)的具體分布并顯示為圖像，完成圖像重建．為建立這樣的方程，用9條射線按路徑互不完全重疊穿過該斷層，檢測它們的衰減系數(shù)線積分，基本結構如圖。P1至P9為不同射線路徑上衰減系數(shù)線積分值(用取和近似)，通過探測器檢測得到，視為已知數(shù)。解此方程組，μ1至μ9即可求出，圖像重建完成．本簡單結構的可推廣為N×N的一般結構，對N值很大的實際情況，完成卻很困難。(2)反投影法投影：射線穿過斷層所檢測到的數(shù)據(jù)反投影：把射線路徑對應于圖像上的所有像素點賦以相同的投影值

以灰度表示將形成一個圖形或圖案，對斷層各個方向上的投影完成反投影并形成相應的圖形或圖案，將所有的反投影圖形或圖案疊加，則得到由反投影法重建的斷層圖像。

簡單說明：設斷層是33的單元結構，僅中心單元的衰減系數(shù)為1，其余均勻為0。當射線經(jīng)中心單元穿出后，檢測到的投影值（即射線路徑上衰減系數(shù)線積分值）為1，將此值反投影，即是將此射線路徑上所有單元所對應的圖像區(qū)全部賦以相同的投影值1

（a）射線穿過斷層的投影值為1（b）將投影值1賦給對應的圖像區(qū)(2)反投影法例：設一含有高密度軸線的圓柱體，射線束對一個斷層掃描檢測，用反投影法進行圖像重建，如圖所示。圖（a）為該圓柱體的橫截面，圖（b）為一